Оренбург, Оренбургская область, Россия
УДК 629.33 Автомобили. Автомобилестроение (в целом)
Цель: автоматическое обеспечение параллельности плоскостей вращения управляемых колёс автотранспортного средства в процессе движения при различных режимах и условиях, что способствует минимальному износу шин, снижению сопротивления движению и расходу топлива. Основная идея: в системе управления схождением управляемых колёс регулирующее воздействие отключают до достижения оптимального значения схождения на промежуток времени (или угол поворота) инерционного дорегулирования, зависящий от режима и условий движения автотранспортного средства. Результаты: определены зависимости основных параметров (время или угол поворота) фазы инерционного дорегулирования для следующих режимов движения автотранспортного средства: равномерное движение, разгон, движение на подъёме, торможение, движение накатом. Полученные зависимости имеют научную новизну и практическую значимость для реализации автоматического регулирования схождения управляемых колёс автотранспортного средства в процессе движения.
АВТОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, СХОЖДЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС, СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ, ИНЕРЦИОННОСТЬ, РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ, РАЗГОН, ДВИЖЕНИЕ НА ПОДЪЕМЕ, ТОРМОЖЕНИЕ, ДВИЖЕНИЕ НАКАТОМ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Обеспечение непрерывного контроля и регулирования схождения управляемых колёс автотранспортных средств в процессе их движения является необходимым, а зачастую и достаточным условием [1-7]:
‒ совершенствования ряда эксплуатационных свойств автотранспортного средства, таких, как устойчивость, управляемость и топливная экономичность;
‒ снижения износа шин и сопутствующих ему образования шинной пыли и выброса канцерогенных веществ в окружающую среду.
Однако обеспечение параллельности плоскостей вращения управляемых колёс автотранспортного средства в процессе движения при различных режимах и условиях представляет собой сложную задачу, в настоящее время не решённую.
Теоретическому и практическому решению указанной задачи посвящены публикации научной школы В. И. Рязанцева [6, 7-11.], а также ряд патентов на изобретения. Результаты анализа предлагаемых решений, а именно – недостатки, препятствующие их использованию на практике, сведены в табл. 1.
Попытками устранения указанных в табл. 1 недостатков можно считать способ и два устройства автоматической установки схождения управляемых колёс в процессе движения, предложенные с участием автора [12-14].
Способ [12] заключается в том, что в процессе движения автотранспортного средства:
‒ непрерывно измеряют и сравнивают с помощью электрического моста между собой боковые силы, действующие на каждое из управляемых колёс автотранспортного средства;
‒ дисбаланс моста вызывает подачу напряжения на катушку привода управляющего устройства;
‒ реверсивный механизм изменения рабочей длины поперечной рулевой тяги устраняет дисбаланс;
‒ привод, воздействующий на золотник распределительного устройства, включают импульсно, причём продолжительность включения составляет от 0,1 до 0,5 с, а паузы – от 0,5 до 1,5 с и зависит от величины дисбаланса и скорости движения автотранспортного средства;
‒ после каждого включения золотник распределительного устройства возвращается в среднее положение.
Для реализации способа необходимо, чтобы сердечник электромагнитной катушки (привод золотника распределительного устройства рабочей жидкости) возвращался в центральное положение. Для обеспечения этого условия были предложены два варианта реализации системы.
В первом из вариантов [13] сердечник электромагнитной катушки и золотник распределительного устройства рабочей жидкости соединены через упругий элемент в виде консольно закрепленной пластины, обеспечивающей возвращение золотника в центральное (нейтральное) положение.
Во втором варианте [14] управляющее устройство содержит две электромагнитные катушки, одна из которых предназначена для перемещения золотника распределительного устройства рабочей жидкости и, следовательно, изменения рабочей длины поперечной рулевой тяги; а другая – для возвращения золотника в центральное (нейтральное) положение.
Таблица 1 – Результаты патентного поиска по проблеме
|
№ п/п |
Реквизиты |
Авторы |
Название |
Недостатки |
|
1 |
Patent US 3498630, 1970 |
Crawford C.A. |
Automatic wheel alignment mechanism for automotive vehicles [8] |
Возможность выработки датчиками вследствие износов и деформаций элемента конструкции, сигналов с ошибкой, в результате чего система будет поддерживать неправильное схождение управляемых колёс; устройство не обеспечивает схождение управляемых колёс при движении транспортного средства на повороте. |
|
2 |
Авторское свидетельство 905692 СССР, 1982 |
Рязанцев В.И., Жуков А.М. |
Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колёс транспортного средства [9] |
Не обеспечивается создание на каждом управляемом колесе автотранспортного средства максимальной суммарной боковой реакции, препятствующей отклонению направления движения от заданного из-за воздействия внешних боковых сил, например, при движении на косогоре, повороте и т.д. |
|
3 |
Авторское свидетельство 1107028 СССР, 1984 |
Рязанцев В.И., Жуков А.М. |
Способ установки оптимального угла схождения управляемых колёс транспортного средства [10] |
Низкая эксплуатационная надёжность системы управления, вызванная использованием реле с подвижными и неподвижными контактами и наличием втулок, установленных с возможностью их осевого перемещения вдоль цапфы управляемого колеса автотранспортного средства. |
|
4 |
Авторское свидетельство 746242 СССР, 1980 |
Морозов М.В., Жирнов А.А., Судак Ф.М. |
Способ установки схождения управляемых колёс транспортного средства [11] |
Не учитывает инерционность системы регулирования, вследствие чего после достижения оптимального схождения управляемых колёс и прекращения процесса регулирования управляемые колёса будут продолжать некоторое время поворачиваться, что потребует нового цикла работы системы по устранению возникшего в результате перерегулирования обратного отклонения схождения, и т. д., что снижает эффектив-ность регулирования схождения управляемых колёс в процессе движения. |
Недостатком предложенных способа и устройств [12-14] является то, что заявляемая зависимость продолжительности включения привода, воздействующего на золотник распределительного устройства (от 0,1 до 0,5 с), и паузы между включениями (от 0,5 до 1,5 с) от величины дисбаланса и скорости движения автотранспортного средства не подтверждается расчётами. В результате, вследствие отсутствия учёта условий и режимов движения автотранспортного средства и инерционности системы регулирования, возможны недорегулирование или перерегулирование схождения управляемых колёс, что снижает эффективность его регулирования в процессе движения.
Таким образом, можно констатировать существующий пробел в проектировании и реализации качественных эксплуатационных характеристик средств активного регулирования схождения управляемых колёс автотранспортных средств.
2 Материалы и методы
Для учёта инерционности элементов разработанной системы при регулировании схождения было предложено процесс регулирования (восстановления оптимального схождения) условно представить протекающим в две фазы:
- силового восстановления части отклонения текущего схождения управляемых колёс от оптимального за счёт воздействия исполнительного механизма;
- инерционного дорегулирования до оптимального схождения управляемых колёс за счёт инерции элементов системы.
Были проведены исследования по выявлению зависимостей параметров указанных фаз от состояния автотранспортного средства и условий и режимов движения по следующей укрупнённой методике:
1) составляются уравнения всех силовых факторов, действующих на управляемое колесо автотранспортного средства в процессе движения относительно центра поворота колеса для фазы силового восстановления и фазы инерционного дорегулирования;
2) решением уравнений определяется угловая скорость управляемого колеса с осью в сборе относительно центра поворота колеса в момент окончания силовой и начала инерционной фазы восстановления правильного схождения управляемых колёс;
3) определяются время фазы силового восстановления и угол, на который должно повернуться управляемое колесо в этой фазе, а также время фазы инерционного дорегулирования и угол, на который поворачивается управляемое колесо до достижения оптимального схождения.
В табл. 2 приведены система уравнений и итоговые зависимости параметров фаз процесса восстановлении оптимального схождения управляемых колёс для равномерного движения автотранспортного средства.
Таблица 2 – Система уравнений и итоговые зависимости параметров фаз процесса регулирования схождения управляемых колёс для режима равномерного движения автотранспортного средства
|
Расчётная схема геометрических параметров и силовых факторов, действующих на управляемое колесо автотранспортного средства |
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 2 |
|
|
Уравнение силовых факторов, действующих на управляемое колесо автотранспортного средства |
а) В силовой фазе восстановления правильного схождения управляемых колёс: Мх + Ми – Мр = 0; Мх = X а = Zк f а; Zк = (0,5 G1 + Gк) mp1; f = f0 (1 + V2 / 20000); Ми = Iк ε1; Iк = mк а2; Мр = Р b; P = p π dц2 / 4; X а + mк а2 ε1 – Р b = 0. б) В инерционной фазе восстановления правильного схождения управляемых колёс: Мх – Ми = 0; X а – mк а2 ε2 = 0. |
|
Зависимости угловых скорости и ускорения управляемого колеса с осью в сборе относительно центра поворота колеса |
а) В силовой фазе восстановления правильного схождения управляемых колёс: ε1 = (P b – X a) / mk a2; δр = ε1 tр2 / 2; dδp / dt = 2 ε1 tр / 2; t1 = ωо / ε1; δр = ωо2 / 2 ε1. б) В инерционной фазе восстановления правильного схождения управляемых колёс: ε2 = X / mk a; ω = ωо – ε2 tи; tи = ωо /ε2; δи = ωо2 / 2 ε2; δ = δр + δи = (ωо2 / 2 ε1) + (ωо2 / 2 ε2) wо = {2 d X (P b – X a) / P b mk·а}1/2 |
|
Итоговые зависимости для определения параметров фаз силового восстановления и инерционного дорегулирования |
tр = {d Gо mp·f mk·а3 / P b (P b – 0,5 Gо mp f а)}1/2; tи = {2 d mк·а (P b – Рf a) / P b Рf }1/2; dр = d Gо mp·f а / 2 P b; dи = d (P b – Рf a) / P b. |
|
|
|
|
Продолжение табл. 2 |
|
|
Обозначения |
Ми – инерционный момент управляемых колёс; Мст – стабилизирующий момент; Мх – момент, создаваемый касательной реакцией дороги на управляемое колесо; Мр – момент от усилия в гидроцилиндре поперечной рулевой тяги; Р – усилие, создаваемое исполнительным механизмом в поперечной рулевой тяге; р – давление рабочей жидкости в системе; dц – рабочий диаметр гидроцилиндра исполнительного механизма; Zк – нормальная реакция дороги на колесо; X – касательная реакция дороги на управляемое колесо; Y – боковая реакция дороги на управляемое колесо; R – суммарная реакция дороги на колесо, действующая в плоскости дороги; G1 – вес автотранспортного средства, приходящийся на управляемую ось; Gк – вес управляемого колеса в сборе с осью; mк – масса управляемого колеса в сборе с осью; f – коэффициент сопротивления качению; f0 – коэффициент, зависящий от дорожного покрытия; Iк – момент инерции управляемого колеса с осью в сборе; а – расстояние от центра поворота до средней плоскости управляемых колёс; b – расстояние от оси поперечной тяги до центра поворота управляемых колёс с осью; О1 – центр поворота управляемого колеса; wо – угловая скорость управляемого колеса с осью относительно О1 в момент окончания силовой и начала инерционной фазы восстановления правильного схождения управляемых колёс; d – угол отклонения схождения управляемых колёс от оптимального положения; δр – угол силового восстановление части отклонения схождения управляемых колёс от оптимального за счёт воздействия исполнительного механизма системы; δи – угол инерционного дорегулирования до оптимального схождения управляемых колёс за счёт инерции элементов системы; δи’ – угол возможного «перерегулирования» схождения управляемых колёс за счёт инерционности элементов системы в случае прекращения воздействия исполнительного механизма в момент достижения оптимального схождения; ε1 – угловое ускорение управляемых колёс с осью относительно центра поворота О1 в фазе силового восстановления; ε2 – угловое ускорение управляемых колёс с осью относительно центра поворота О1 в фазе инерционного дорегулирования; V – скорость движения автотранспортного средства; tр – время фазы силового восстановления схождения управляемых колёс за счёт действия исполнительного механизма; tи – время фазы инерционного дорегулирования, за которое нужно прекратить силовое воздействие исполнительного механизма для восстановления оптимального схождения управляемых колёс. |
3 Результаты исследований
В табл. 3 приведены расчётные схемы и итоговые зависимости для определения пара-метров фазы инерционного дорегулирования для остальных рассмотренных режимов движе-ния автотранспортного средства – разгона, движения на подъёме, торможения, движения накатом.
Зависимость параметров фаз процесса регулирования схождения управляемых колёс от большого количества факторов, определяемых как состоянием самого автотранспортного средства и его системы регулирования, так и условиями и режимами движения (вес авто-транспортного средства, приходящийся на управляемую ось при различной загрузке; скорость и ускорение его движения; угол подъёма дороги, тип и состояние дорожного покрытия и т.д.) делает каждый цикл регулирования схождения уникальным, поэтому представление в табл. 2 и 3 числовых значений параметров нецелесообразно.
На основе полученных зависимостей был предложен способ автоматического регулиро-вания схождения управляемых колёс в процессе движения, заключающийся в том, что:
‒ привод, воздействующий на золотник распределительного устройства, включается управляющим устройством при достижении рассогласования между боковыми силами поро-гового значения;
‒ управляющее устройство по показаниям датчиков идентифицирует режим движения автотранспортного средства (равномерное движение, разгон, движение на подъёме, торможе-ние, движение накатом);
‒ управляющее устройство рассчитывает время регулирующего воздействия, необходи-мое для обеспечения требуемого схождения управляемых колёс и, в зависимости от режима и условий движения автотранспортного средства, определяет момент времени, в который регу-лирующее действие необходимо прекратить, чтобы за счёт инерционного дорегулирования обеспечить требуемое схождение управляемых колёс.
Таблица 3 – Итоговые зависимости параметров фазы инерционного дорегулирования для режимов разгона, движения на подъёме, торможения, движения накатом автотранспортного средства
|
Режим движения автотранспортного средства на подъёме |
|
|
Расчётная схема |
|
|
Зависимости для определения параметров фазы инерционного дорегулирования |
tи = {2 d [P b ŋрм – а (Gк Sin α – Рf )] / P b [а (Gк Sin α + Рf ) + P b (1 – ŋрм)]}1/2; dи = d [P b ŋрм – а (Gк Sin α – Рf )] / P b. |
|
|
|
|
Продолжение табл. 3 |
|
|
Режим разгона автотранспортного средства |
|
|
Расчётная схема |
|
|
Зависимости для определения параметров фазы инерционного дорегулирования |
tи = {2 d [P b – a (Рf + mк j)] (Рf + mк j) / P b mк a)}1/2; dи = d [P b – a (Рf + mк j)] / P b. |
|
Режим торможения автотранспортного средства |
|
|
Расчётная схема |
|
|
Зависимости для определения параметров фазы инерционного дорегулирования |
tи = {2 d mк a2 [P b ŋрм – a (0,5 Gо mp f + Рf – mк j)]) / P b [a (0,5 Gо mp f + Рf – mк j)] + +Р ·b ·(1 – ŋрм)}1/2; dи = 2 d a [P b ŋрм – a (0,5 Gо mp f + Рf – mк j)] / P b. |
|
|
|
|
Продолжение табл. 3 |
|
|
Режим движения автотранспортного средства накатом |
|
|
Расчётная схема |
|
|
Зависимости для определения параметров фазы инерционного дорегулирования |
tи = {2 d (Gк j а – Рf а + Р b ηрм)·mк·а2 / P b [Рf а – Gк j а + Р b (1 – ηрм)]}1/2 , dи = d (Gк j а – Рf а + Р b ηрм) / P b. |
|
Обозначения (кроме символов, расшифрованных в табл. 2) |
Мтр – момент трения в шкворневом соединении; Рu – сила инерции управляемого колеса с осью и поворотным кулаком в сборе; Рт – тормозная сила на колесе; Рf – касательная реакция дороги на управляемое колесо; Gкг – составляющая веса управляемого колеса в сборе, действующая параллельно поверхности дороги; Gкп – составляющая веса управляемого колеса в сборе, действующая перпендикулярно поверхности дороги; Gо – вес автотранспортного средства, приходящийся на управляемую ось; Gо = m g; m – масса автотранспортного средства, приходящаяся на управляемую ось; g – ускорение свободного падения; α – угол подъёма дороги; rк – радиус качения управляемых колёс; mр – коэффициент перераспределения нормальных реакций дороги на управляемое колесо; Рf – сила сопротивления качению, лежащая в плоскости дороги и средней плоскости управляемого колеса, являющаяся касательной реакцией дороги на управляемое колесо Рf = Z f, где Z – нормальная реакция дороги на управляемое колесо, ηрм – коэффициент, оценивающий потери на трение в шкворневых узлах управляемых колёс; j – ускорение автотранспортного средства. |
4 Обсуждение и заключение
Несмотря на то, что зависимости получены с использованием известных математических методов, они явным образом не следуют из уровня знаний специалистов, а поэтому имеют научную новизну и практическую значимость для реализации автоматического регулирования схождения управляемых колёс автотранспортного средства в процессе движения. Предлагаемый способ повышает точность регулирования параллельности плоскостей вращения управляемых колёс при различных режимах и условиях движения автотранспортного средства.
Результаты исследований В. И. Троицкого [15] позволяют оценить эффект от реализации непрерывного регулирования схождения управляемых колёс автотранспортных средств как результат снижения износа шин на 25-33,7 %. Оценка вклада в это снижение непосредственно от применения предлагаемого способа повышения точности регулирования, а также в снижение сопротивления движению автотранспортного средства и расходу им топлива может быть определена при экспериментальных исследованиях.
1. Автомобильные шины. Конструкция, механика, свойства, эксплуатация / О.Б. Третьяков [и др.]. – М.: КолосС, Химия, 2007. – 432 с.: ил.
2. Рассоха, В. И. Разработка системы для непрерывного регулирования схождения управляемых колёс автотранспортных средств в движении / В.И. Рассоха, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2008. – № 2. – С. 138-143.
3. Рассоха, В. И. Система активного регулирования схождения: место, задачи и реализации в проблеме ресурсосбережения автомобильных шин / В.И. Рассоха // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2009. – № 2. – С. 154-160.
4. Рассоха, В. И. Повышение срока службы автомобильных шин за счёт регулирования схождения управляемых колёс в процессе движения: монография / В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев. – Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2015. – 202 с.: ил.
5. Рассоха, В. И. Совершенствование системы активного регулирования схождения управляемых колёс автотранспортных средств: монография [Электронное издание] / В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев. – Оренбург: ОГУ, 2023. – 225 с.: ил.
6. Рязанцев, В. И. Активное управление схождением колес автомобиля: монография / В.И. Рязанцев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 212 с.
7. Нгуен Чи Конг. Моделирование движения по прямолинейной и криволинейной траекториям автомобиля с активным управлением схождением колёс / Нгуен Чи Конг, В.И. Рязанцев // Известия вузов. Машиностроение. – 2009. – № 1. – C 52-61.
8. Patent US 3498630 A B 62 D 17/00. Automatic wheel alignment mechanism for automo-tive vehicles / Charles A. Crawford. – Declared 06.05.1968; published 03.03.1970. – URL: https://patents.google.com/patent/US3498630A/en (дата обращения: 14.11.2023).
9. Авторское свидетельство 905692 СССР, МКИ G 01 М 17/06. Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колёс транспортного средства / В.И. Рязанцев, А.М. Жуков. – № 2886317; заявл. 22.02.80; опубл. 15.02.82, Бюл. № 6. – 4 с.: ил.
10. Авторское свидетельство 1107028 СССР, МКИ G 01 М 17/06. Способ установки оптимального угла схождения управляемых колёс транспортного средства / В.И. Рязанцев, А.М. Жуков. – № 3554488; заявл. 18.02.83; опубл. 07.08.84, Бюл. № 29. – 5 с.: ил.
11. Авторское свидетельство 746242 СССР, МКИ G 01 М 17/06. Способ установки схождения управляемых колёс транспортного средства / М.В. Морозов, А.А. Жирнов, Ф.М. Судак. – № 2614505; заявл. 15.05.78; опубл. 07.07.80, Бюл. № 25. – 3 с.: ил.
12. Патент 2333470 РФ, МПК G 01 M 17/06. Способ автоматической установки схождения управляемых колёс в процессе движения / Е.В. Бондаренко, В.А. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев, А.С. Килов; заявитель и патентообладатель ОГУ. – № 2006105921; заявл. 26.02.2006; опубл. 10.09.2008, Бюл. № 25. – 3 с.: ил.
13. Патент 2349892 РФ, МПК G 01 M 17/06; B 62 D 17/00. Устройство для автоматической установки схождения управляемых колёс в процессе движения / Е.В. Бондаренко, В.А. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев, А.С. Килов; заявитель и патентообладатель ОГУ. – № 2007113393; заявл. 10.04.2007; опубл. 20.03.2009. Бюл. № 8. – 3 с.: ил.
14. Патент 2353912 РФ, МПК G 01 M 17/06; B 62 D 17/00. Устройство для автоматической установки схождения управляемых колёс в процессе движения / Е.В. Бондаренко, В.А. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев, А.С. Килов; заявитель и патентообладатель ОГУ. – № 2007113391; заявл. 10.04.2007; опубл. 27.04.2009. Бюл. № 12. – 3 с.: ил.
15. Троицкий, В. И. Снижение износа шин управляемых колёс обеспечением рационального соотношения углов их поворота при эксплуатации легкового автомобиля в условиях города (на примере автомобиля ГАЗ-24 «Волга») : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.10, 05.05.03 / В.И. Троицкий. – М., 1984. – 200 c.
