Устройство ограничения скорости автомобиля в зависимости от динамических характеристик и жесткости дорожного покрытия в боковом движении

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к способам повышения активной безопасности транспортных средств. Устройство включает систему, прерывающую подачу топлива, два датчика, установленных на мосту и фиксирующих показания бокового ускорения моста и ускорения поворота моста, два последовательно включенных интегратора для обработки сигналов с датчиков и выдачи переменных составляющих бокового перемещения и угла поворота, коррелятор, расположенный на кузове автомобиля, с установленными на нем двумя датчиками бокового ускорения кузова и ускорения поворота кузова, звено сдвига, перемножитель и интегратор, предназначенный для определения по переменным составляющим импульсных переходных функций объекта, устройство определения абсолютной деформации грунта с возможностью передачи последних на вход электронного устройства определения критической скорости автомобиля, определяющего значение критической скорости с использованием частотного критерия устойчивости, рассогласователь, разрывающий связь между датчиком положения педали подачи топлива и электронным блоком управления впрыском при достижении действительной скорости автомобиля, равной критической, тем самым ограничивая скорость автомобиля в прямолинейном движении. Техническим результатом является ограничение максимальной скорости прямолинейного движения автомобиля по условию курсовой устойчивости с учетом изменения динамических характеристик автомобиля и характеристик грунта. 9 ил.

 

Изобретение относится к способам повышения активной безопасности транспортных средств и может быть использовано в автомобильной технике.

Существует устройство контроля устойчивости транспортного средства, предназначенное для ограничения скорости движения транспортных средств на повороте (система управления динамикой автомобиля VDC - стр.668. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. - М.: ЗАО КЖИ "За рулем", 2002, - 896 с.) и принятое за прототип.

К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при применении известного устройства ограничения скорости, принятого за прототип, относятся: ограниченность режима контроля устойчивости только при повороте автомобиля, отсутствие учета изменения динамических характеристик автомобиля в зависимости от загрузки или износа или поломки какого-либо элемента крепления, отсутствие учета жесткости дорожного покрытия.

Технический результат - ограничение максимальной скорости прямолинейного движения автомобиля по условию курсовой устойчивости с учетом изменения динамических характеристик автомобиля и характеристик грунта в боковом движении.

Возникновение неустойчивого прямолинейного движения, вызывающего снижение критической скорости автомобиля, связано как с изменением динамических характеристик упругой системы автомобиля, например, при загрузке его пассажирами, так и с движением по дорожному покрытию с малой жесткостью, особенно на грунтовой дороге.

Особенность заключается в том, что предлагаемое устройство ограничения максимальной скорости основывается на частотном критерии устойчивости, в котором используется математическая модель автомобиля и жесткость дорожного покрытия, получаемые в процессе его движения.

Сущность изобретения заключается в следующем: устройство ограничивает максимальную скорость автомобиля по условию его курсовой устойчивости.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства; на фиг.2 - алгоритм работы электронного устройства определения критической скорости автомобиля; на фиг.3 показана схема работы устройства определения жесткости дорожного покрытия; на фиг.4 - экспериментальный способ определения боковой жесткости грунта; на фиг.5, а - импульсная переходная функция, на фиг.5, б - соответствующая амплитудно-фазочастотная характеристика (АФЧХ) бокового перемещения; на фиг.6, а - импульсная переходная функция, на фиг.6, б - соответствующая АФЧХ поворота; на фиг.7 - перекрестная АФЧХ; на фиг.8 и 9 - АФЧХ λ₁ и λ₂ соответственно.

Устройство содержит (Фиг.1): два датчика 1 - бокового ускорения и ускорения поворота, установленные на мосту автомобиля; два последовательно включенных интегратора - 2, 3; два датчика 4 - бокового ускорения и ускорения поворота, установленные на кузове автомобиля; звено сдвига 5; перемножитель 6; интегратор 7; два лазерных датчика 8 расстояния, установленных на кузове автомобиля; электронное устройство определения критической скорости автомобиля 9; датчик положения педали подачи топлива 10; датчик скорости нажатия педали подачи топлива 11; датчик числа оборотов вторичного вала коробки передач 12; рассогласователь 13 электронного блока управления впрыском топлива 14, топливных форсунок 15 и двигателя 16.

Работа устройства осуществляется следующим образом: на мосту автомобиля находятся два датчика 1, фиксирующие показания бокового ускорения моста и ускорения поворота моста. Сигналы с датчиков подаются на два последовательно включенных интегратора 2 и 3, где сигналы дважды интегрируются. На выходе интеграторов получают переменные составляющие бокового перемещения и угла поворота. Далее сигналы подаются на коррелятор, определяющий по переменным составляющим импульсные переходные функции объекта.

Коррелятор, расположенный на кузове автомобиля, с установленными на нем двумя датчиками 4 - бокового ускорения кузова и ускорения поворота кузова, звена сдвига 5, перемножителя 6 и интегратора 7. Получив переходную функцию для поперечного перемещения, коррелятор в автоматическом режиме переходит в режим построения импульсной переходной функции угла поворота.

На кузове автомобиля находится устройство определения абсолютной деформации грунта 8. Вычисленная величина смятия грунта δ и переходные функции подаются на вход электронного устройства определения критической скорости 9, где δ соотносится с табличными значениями в постоянной памяти компьютера и выбирается определенная ей боковая жесткость покрытия Н_R, и на выходе электронного устройства получают значение критической скорости автомобиля.

Алгоритм вычисления значения критической скорости основан на частотном критерии устойчивости и представлен на фиг.2. Значение критической скорости автомобиля подается на рассогласователь 13.

Рассогласователь 13 разрывает связь между датчиком положения педали подачи топлива 10 и электронным блоком управления впрыском 14 и выдает эквивалентный сигнал сигналу датчика положения педали подачи топлива 10. Кроме того, на рассогласователь 13 поступают: сигнал частоты вращения вторичного вала коробки передач 12, выдающий с учетом передаточного числа главной пары и радиуса колеса мгновенную скорость движения автомобиля; скорость нажатия педали подачи топлива 11. Если значение мгновенной скорости автомобиля превышает значение критической скорости, то рассогласователь 13 выдает сигнал, соответствующий малому перемещению педали подачи топлива.

Электронный блок управления впрыском топлива 14, получая такой сигнал, полностью прекращает выдачу командных импульсов на топливную форсунку 15, последняя тем самым прекращает подачу топлива в цилиндры двигателя 16, обеспечивая тем самым процесс торможения автомобиля.

В случае необходимости (совершение маневра) при резком нажатии на педаль подачи топлива, что фиксирует датчик скорости нажатия педали подачи топлива 11, рассогласователь 13 передает прямой сигнал с датчика положения педали подачи топлива 10, то есть система ограничения максимальной скорости отключается, и топливо подается по обычной схеме. Устройство ограничения скорости включается вновь в работу через 30 секунд, то есть за время, необходимое для завершения маневра.

На фиг.3 показана работа устройства определения абсолютной деформации грунта - два лазерных датчика расстояния 1, 2 - один до переднего колеса, второй - после, определяют абсолютное расстояние h₁ и h₂ соответственно, и вычисляется их разница δ=h₁-h₂.

С помощью абсолютно жесткой модели колеса для заданного набора покрытий определяется δ - деформация грунта и соответственная ей боковая жесткость дорожного покрытия H_R, которая заносится в постоянную память компьютера. С этой целью производят ряд повторных замеров с имитацией процесса скольжения. Перемещают имитатор - абсолютно жесткую модель колеса автомобиля по требуемому дорожному покрытию до момента появления бокового заноса, фиксируя при этом прикладываемую боковую силу F₀ и смещение имитатора х, определяя жесткость дорожного покрытия как (фиг.4), где x₀ определяется из геометрических соображений согласно фиг.4. Вертикальную нагрузку на имитатор назначают из условия равенства удельного давления, возникающие в зоне контакта, с удельным давлениям в зоне взаимодействия автомобильного колеса с покрытием. Суммарные жесткости Н₁ и Н₂ колес передней и задней оси вычисляются с учетом жесткости дорожного полотна

Кроме того, в память компьютера вносятся постоянные параметры - жесткость шин в боковом направлении Н_T1 и Н_T2, коэффициенты их увода β₁ и β₂, расстояние от осей до центра тяжести - a₁, a₂, определяются для каждой модели автомобиля индивидуально, и закладываются в исходные данные программы, реализующей ограничение скорости.

Теоретические сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Рассматриваем упругую систему автомобиля как линейную систему. На вход системы ограничения скорости движения со стороны дорожного профиля подается случайный сигнал, который в первом приближении считаем белым шумом. Автомобиль снабжен электронной системой, имеющей 4 датчика.

Сигнал подают на коррелятор, определяющий по переменным составляющим импульсные переходные функции объекта. Автокорреляционной функцией сигнала х - бокового перемещения является импульсная функция вида

где δ(τ) - единичная импульсная функция.

При этом

где Θ(τ) - импульсная переходная функция.

Меняя параметр сдвига τ и вычисляя взаимно корреляционную функцию входа и выхода объекта, получаем точки графика импульсной переходной функции объекта.

Преимуществом указанного способа является то, что объект исследуется в процессе нормальной эксплуатации, когда при длительной работе входной сигнал можно рассматривать как стационарный случайный процесс. При этом имеет место большая помехозащищенность.

Получают при помощи коррелятора зависимости x(t) и θ(t), то есть переходные функции для бокового перемещения и поворота, и подают их далее на электронное вычислительное устройство, которое находит соответствующие АФЧХ.

Для этого вычисляем интегралы

где верхний предел интегрирования на самом деле является конечным и подбирается путем контрольных просчетов, когда значения ReW(iω) и ImW(iω) практически перестают меняться в зависимости от верхнего предела интегрирования.

В результате получим АФЧХ линейного и углового перемещения центра масс: W₁₁(iω) и W₂₂(iω) соответственно. По построенным АФЧХ фиксируют характерные частоты - экстремальные точки АФЧХ, соответствующие минимальному значению мнимой составляющей ω_n и максимальному значению вещественной составляющей ω_{n max}. По зафиксированным значениям ω_n и ω_{n max} определяют постоянные времени

где T_n2, T_n1 - соответственно инерционная постоянная времени и постоянная времени демпфирования n-го колебательного звена. Смотри: Ю.Н.Санкин. Динамика несущих систем металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1986, - 96 с.

В работе: Динамические характеристики вязкоупругих систем с распределенными параметрами. Санкин Ю.Н. Издательство Саратовского университета, 1977, дано теоретическое представление передаточной функции, являющейся математической моделью эквивалентной упругой системы

где - соответствующие матрицы коэффициентов усиления n-го колебательного звена , обозначая , N - число существенно проявляющихся витков АФЧХ.

Для получения перекрестных АФЧХ: W₁₂(iω) и W₂₁(iω) воспользуемся уже полученными значениями постоянных времени колебательных звеньев, коэффициенты усиления получают из выражения

При построении теоретической модели была выявлена зависимость знака перекрестных АФЧХ - второе колебательное звено имеет отрицательный знак, поэтому при получении коэффициентов усиления подставляется знак "минус".

Имея в распоряжении АФЧХ линейных и угловых перемещений центра масс, а также перекрестные АФЧХ, получим матрицу передаточных функций в виде

Матрица передаточных функций характеризует динамику бокового перемещения точки, принятой за полюс, и динамику угловых перемещений вокруг этого полюса и представляет математическую модель упругой системы автомобиля в боковом движении.

Дополняя матрицу передаточных функций уравнениями неголономной связи шин с дорожным покрытием

где β₁, β₂ - коэффициент деформации шин передней и задней оси; Х - поперечная координата центра тяжести автомобиля; х - поперечная координата прямоугольника, вершины которого - точки соприкосновения колес с дорожным покрытием; Θ - угол, определяющий направление автомобиля; θ - угол, определяющий направление прямоугольника, вершины которого - точки соприкосновения колес с дорожным покрытием; а₁, а₂ - расстояния от передней и задней оси до положения центра тяжести; V - скорость движения автомобиля.

Передаточная матрица, соответствующая уравнениям неголономной связи

Общая передаточная матрица Н системы является произведением W(iω) и W₂(iω): Н=W(iω)·W₂(iω).

Сделаем предположение, что кинематическое воздействие ϕ=ϕ(е) нелинейно зависит от некоторого параметра е, характеризующего начало возникновения заноса, и удовлетворяет следующим условиям:

ϕ(е)^Тe>0 при е≠0,

ϕ(е)=0 при е=0,

|ϕ(e)|≤М, где М>0,

Кроме того, нелинейность удовлетворяет условию

где К>0 - коэффициент, характеризующий нелинейность, равный

В таком случае, для того чтобы система была асимптотически устойчива, необходимо выполнение следующего матричного частотного неравенства:

которое представляет собой матричный аналог частотного критерия Попова. Здесь q>0 - малая величина; I - единичная матрица.

Далее рассмотрим интеграл от матричного неравенства в развернутом виде

где - преобразование Фурье от вектора управляющих воздействий; е^Т=|х, θ|. Обозначение Re можно опустить в связи с тем, что мнимая часть подынтегральной функции в предыдущем выражении является нечетной и при интегрировании исчезает

Вектор выходных параметров находится из соотношения

где e₀(t) - вектор начальных параметров; Х - матрица импульсных переходных функций. Преобразуем вектор выходных параметров по Фурье

где

Найдем, что

Учитывая, что мнимая часть преобразования Фурье является нечетной функцией, можно написать

Применяя соотношение Парсеваля к вышеприведенному выражению, получим

Функции е(t) и e₀(t) удовлетворяют условиям e(t)=0 e₀(t)=0 при t<0 и t>Т, где Т - момент наблюдения. Поэтому получаем

Согласно предположению о выполнении условия нелинейности интеграл J>0 о выполнении следующего матричного частотного неравенства:

Применим к правой части предыдущего выражения неравенство Шварца

Согласно условию, наложенному на нелинейность, можно написать

Введем обозначения

С учетом новых обозначений неравенство перепишется в виде

или

Матричное неравенство решается путем установления собственных значений матрицы Re W_Σ(iω), которые не должны равняться единице. Графически это означает, что годографы корней характеристического уравнения не должны охватывать единицу. Скорость, при которой годограф корня пересекает значение, равное единице, и есть критическая.

Для численной проверки использованы исходные данные. Смотри Ю.Н.Санкин, М.В.Гурьянов. Курсовая устойчивость автомобиля как системы с многими степенями свободы // Вестник машиностроения. 2004, №9. С.36-40.

На фиг.5 и 6 представлены импульсные переходные функции и соответствующие им АФЧХ, полученные с помощью численного интегрирования. На фиг.7 - перекрестная АФЧХ. АФЧХ λ₁ и λ₂ представлены на фиг.8 и 9, согласно которым критическая скорость V_кр=18 м/с.

Устройство ограничения скорости автомобиля в зависимости от динамических характеристик и жесткости дорожного покрытия в боковом движении, включающее систему, прерывающую подачу топлива, отличающееся тем, что содержит два датчика 1, установленных на мосту и фиксирующих показания бокового ускорения моста и ускорения поворота моста, два последовательно включенных интегратора 2 и 3 для обработки сигналов с датчиков и выдачи переменных составляющих бокового перемещения и угла поворота, коррелятор, расположенный на кузове автомобиля, с установленными на нем двумя датчиками 4 - бокового ускорения кузова и ускорения поворота кузова, звено сдвига 5, перемножитель 6 и интегратор 7, предназначенный для определения по переменным составляющим импульсных переходных функций объекта, устройство определения абсолютной деформации грунта 8 с возможностью передачи последних на вход электронного устройства определения критической скорости автомобиля 9, определяющего значение критической скорости с использованием частотного критерия устойчивости, рассогласователь 13, разрывающий связь между датчиком положения педали подачи топлива 10 и электронным блоком управления впрыском 14 при достижении действительной скорости автомобиля, равной критической, тем самым ограничивая скорость автомобиля в прямолинейном движении.