Ways to improve safety of vehicles using the parameters of angular orientation of steering wheels

全文:

По данным статистики, процент технических неисправностей в причинах дорожно-транспортных происшествий (ДТП) составляет всего лишь 1-2% от общего числа, поэтому разработка современных интеллектуальных систем создает новые перспективные возможности повышения конструктивной безопасности автотранспортных средств (АТС), а следовательно, безопасности дорожного движения в целом, что, несомненно, поможет уменьшить число погибших и пострадавших в ДТП. Движение по криволинейной траектории сопровождается действием боковых возмущений и представляет значительную опасность, связанную с возникновением критических ситуаций. По данным полиции 65% ДТП происходит при движении на повороте, и только, следовательно, 35% ДТП имеют место на прямолинейных участках. Неустойчивое движение на криволинейной траектории чревато потерей АТС управляемости, устойчивости и опрокидыванием, что является причиной тяжелых последствий ДТП. Особенно остро эти проблемы проявляются при движении по криволинейной траектории грузовых автомобилей и автобусов ввиду высокого расположения их центра тяжести и требований, предъявляемых при перевозке пассажиров и опасных грузов. При движении по криволинейной траектории в зависимости от кинематики подвески и рулевого управления возможно изменение угла наклона плоскостей качения управляемых колес, что оказывает влияние на показатели устойчивости и управляемости, нагруженности основных элементов передней оси и износа шин. Однако в технической литературе данный факт находит весьма малое отражение. Рассмотрим несколько схем АТС при движении по криволинейной траектории (рисунок 1). Независимо от изменения углов наклона плоскостей качения колес вследствие боковой податливости шин происходит смещение пятна контакта колес с опорной поверхностью на величину hy (рисунок 1 а, б, в). Данное смещение оказывает влияние на устойчивость АТС против опрокидывания, уводные характеристики и износ шин. В случае появления наклона плоскостей качения управляемых колес (рисунок 1 б, в), помимо смещения пятна контакта от боковой податливости шин, появляется смещение пятна контакта колес с опорной поверхностью hγ вследствие самого наклона колес. Сумма или разность рассмотренных смещений напрямую оказывает влияние на уводные характеристики и износ шин, устойчивость против опрокидывания и заноса, управляемость АТС. Поэтому учет наклона плоскостей качения управляемых колес при создании математических моделей движения АТС по криволинейной траектории видится авторам целесообразным. При этом следует отметить две основные возможности учета параметров угловой ориентации управляемых колес АТС. Первая возможность отражается в активном управлении углами наклона управляемых колес при криволинейном движении. В этом случае создается устройство, которое позволяет изменять углы наклона плоскостей качения управляемых колес в процессе движения в зависимости от текущих значений скорости движения и радиуса поворота АТС по заранее рассчитанным законам. При этом улучшаются показатели устойчивости, управляемости, нагруженности основных элементов передней оси и износа шин, что отражено в ряде работ [1, 2, 3]. Рисунок 1. Схема АТС при движении по криволинейной траектории Данный метод имеет ряд недостатков, к которым в первую очередь относится усложнение существующих конструкций передней оси автомобиля, что повышает себестоимость и снижает надежность автомобиля в целом. Решение этой проблемы может быть найдено в увеличении продольных углов наклона осей поворота управляемых колес, что позволит в достаточно широком диапазоне варьировать параметрами угловой ориентации управляемых колес. Однако в этом случае усиливается явление скоростной стабилизации, что приводит к увеличению усилия в рулевом приводе, и, как следствие, потребует увеличения мощности гидроусилителя, а следовательно, увеличения расхода топлива. С другой стороны, у зарубежных производителей грузовых автомобилей и автобусов наметилась тенденция к увеличению усилия в рулевом приводе с увеличением скорости, что делается с целью принудительного ограничения скорости движения по криволинейной траектории. Последний факт можно отнести к преимуществам предложенной концепции. Вторая возможность повышения безопасности транспортных средств связана с учетом уже существующей кинематики управляемых колес [4]. Как уже отмечалось выше, при криволинейном движении происходит 65% от числа всех ДТП. Основными причинами ДТП являются: выезд на встречную полосу движения, т.е. потеря управляемости, опрокидывание и занос, что характеризует устойчивость АТС. Каждая из указанных причин связана с превышением предельной скорости прохождения маневра по критерию устойчивости или управляемости. Говоря иными словами, существуют предельные скорости прохождения поворота по управляемости, заносу и опрокидыванию. Ограничение скорости минимальным значением из трех указанных обеспечит безопасное движение АТС по криволинейной траектории. Поэтому разработка автоматического устройства регулирования скорости АТС при криволинейном движении позволит создать новую возможность повышения безопасности дорожного движения. Рассмотрим примерный алгоритм реализации работы автоматического устройства регулирования скорости движения АТС при криволинейном движении. Первый этап. На первом этапе создается математическая модель движения АТС по криволинейной траектории с учетом крена подрессоренных масс, увода шин и изменения угла наклона плоскости качения управляемых колес ввиду кинематики подвески и рулевого управления. Записываются аналитические выражения для определения силовых факторов, действующих в пятне контакта колес с опорной поверхностью, увода шин, угла наклона управляемых колес в зависимости от радиуса поворота рулевого колеса. При этом силовые факторы определяются из уравнений равновесия при известных конструктивных параметрах АТС. Уводные характеристики шин учитываются с использованием деформационной гипотезы. Изменение углов наклона плоскостей качения управляемых колес определяется кинематикой рулевого управления и подвески АТС. Второй этап. Используя полученные на первом этапе аналитические зависимости, определяются предельные скорости движения АТС по криволинейной траектории для трех случаев: потеря управляемости (выезд на встречную полосу движения), начало опрокидывания АТС и занос АТС, после чего определяется минимальное значение предельной скорости при данных параметрах криволинейного движения. Математически это условие выражается в виде: где: - предельная скорость движения АТС по криволинейной траектории с точки зрения заноса; - предельная скорость движения АТС по криволинейной траектории с точки зрения опрокидывания; - предельная скорость движения АТС по криволинейной траектории с точки зрения управляемости (выезд на встречную полосу). При этом в качестве входных параметров можно ограничиться текущей скоростью движения и радиусом поворота. Оба входящих параметра легко установить с помощью спидометра и угла поворота рулевого колеса. Третий этап. На третьем этапе бортовой компьютер подает сигнал управляющему механизму (тормозной системе) о снижении скорости движения АТС до необходимой, с точки зрения безопасности, величины. Стоит отметить, что первый этап проводится при проектировании новой модели АТС и требует создания верифицированных математических моделей. Программирование второго и третьего этапов в бортовом компьютере современного АТС не видится авторам неразрешимой задачей. Реализация второго и третьего этапов возможна с помощью бортового компьютера и рабочей тормозной системы современного АТС. Расчет предельных скоростей движения АТС для рассмотренных случаев займет у современного бортового компьютера миллисекунды, после чего будет дан сигнал на тормозной механизм о принудительном снижении скорости. При такой постановке вопроса от конструкторов не требуется разработки новых механизмов или установки дополнительного оборудования. Все входящие сигналы (скорость движения и радиус поворота АТС) могут быть определены с помощью спидометра и угла поворота рулевого колеса. В качестве исполнительного механизма используется рабочая тормозная система, на которую подается сигнал о торможении от бортового компьютера. Таким образом, из вышесказанного можно сделать вывод: создание современного автоматического устройства ограничения скорости при движении по криволинейной траектории является перспективным направлением создания интеллектуальных систем АТС. При проектировании и создании математических моделей для реализации предложенных алгоритмов необходимо учитывать крены как подрессоренных, так и неподрессоренных масс АТС, что будет способствовать получению более точных результатов и верифицированных моделей. Анализируя изложенный материал, авторы считают второй путь повышения безопасности транспортных средств с учетом параметров угловой ориентации управляемых колес более перспективным ввиду простоты реализации и отсутствия трудноразрешимых недостатков. Несомненно, разработка предложенной интеллектуальной системы поможет обеспечить повышение уровня безопасности движения и тем самым снизить количество ДТП, происходящих при движении по криволинейной траектории, что подтверждает актуальность и перспективность дальнейших исследований в предложенном направлении.

作者简介

P. Krasavin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Ph.D.

M. Lukyanov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru

V. Nadezhdin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Ph.D.

M. Rybakova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru

参考

补充文件