Глава 8. Систему керування курсової сталістю автомобіля

8.1. Попередні відомості

Управління рухом автомобіля на кривулястою дорозі з ухилами і підйомами, наприклад на гірському серпантині, є лише важкою і небезпечної роботою для середньостатистичного водія. Завдання управління ще більше ускладнюється за зміни погодних умов, при дощ, снігопаді і особливо у заледенілому шосе. Рух гірськими дорогами у разі забороняється. Але й на висококласних рівнинних автомагістралях бувають досить круті повороти і ожеледь, що з практично необмеженої швидкість руху часто призводить до дорожньо-транспортним подіям (ДТП). Причиною усіх таких аварій є практично неконтрольоване падіння зчеплення колісних шип автомобілі з дорожнім покриттям, яке (зчеплення) ще більше слабшає у разі подовжнього чи бічного ковзання, т. е. некерованого юза коліс. При русі юзом автомобіль погано піддається управлінню і вивести його з такої стану великій швидкості може кожен водій. Провина за що сталася у цьому випадку ДТП завжди покладається па водія. Так, по статистичних даних американської дорожньої поліції, які мало розходяться з цими ДАІ, близько 95% всіх ДТП, що мають місце на рівнинних швидкісних дорогах в дощ, завірюхи, ожеледиці, відбуваються з вини водіїв, внаслідок вчинених ними помилок під управлінням. Ряд американських, німецьких і японських дослідників незгодні такий трактуванням причин ДТП. Так, Kiippler [26] і Brown [27] провели більш уважну обробку поліцейської інформації про ДТП і зазначили, що у 19% всіх випадків винні недосвідченість, неуважність чи безтурботність водія; 31% ДТП посідає «тупість» (недосконалість) автомобіля, коли навіть майстерний водій неспроможна справитися з автомобілем й не допустити аварію; решта 50% ДТП мали місце через різкого, несподіваного для водите¬ля зміни дорожньої ситуації (наприклад, масляне пляма чи лід на дорожньому покритті), коли водій просто більше не встигав зреагувати. За даними Rompe та інших. [28], які досліджували дії водіїв при різкій зміні дорожньої ситуації ще до його скоєння ними аварії, лише у 50% випадків водії намагалися запобігти ДТП. Edwards та інших. [29J уточнюють, що дії водіїв профілактики сутичок мають місце у 52%, а, по запобіганню з'їзду з автомагістралі за огородження чи з запобіганню перекидання автомобіля на 64-му% випадків. Отже, тобто майже завжди у половині що відбулися ДТП винні не безтурботність чи неуважність водія, яке природна інерційність сприйняття, яка веде до запізнення реакції за необхідності виконання миттєвого дії сучасних умовах руху.

Глава 8. Систему керування курсової сталістю автомобіля

У деяких країнах національні правила дорожнього руху кілька можуть бути різні від міжнародних, але у будь-якому разі водієві рекомендується вибирати швидкість руху автомобілі з урахуванням реальної дорожньої ситуації в такий спосіб, щоб уникнути ДТП. Forster [30J зазначає, що це можливо, т. до. водій не може миттєво сприймати несподівано що з'являлось ковзання між колесами та найдорожчої і більше поняття немає, що таке бічна стійкість автомобіля і її у разі реалізувати. Отже, якщо межа нормального стійкого зчеплення коліс з колишньою дорогою порушений, то що виник на повороті бічний відведення автомобіля юзом застане водія зненацька. Зрозуміло, що заодно дії водія для запобігання ДТП значно запізнюються і є адекватними. Виникає втрата керованості, що часто призводить до панічним реакцій звичайних водіїв і неминуче і, можна вважати, безвинно водія закінчується ДТП. Звідси Forster робить висновок, що людина, як інерційний ланка у системі «автомобіль — водій — дорога», необхідно звільнити від виробничої необхідності виконання миттєвих (швидше 0,1 з) діянь П.Лазаренка та для неї такі дії виконає бортова електронна автоматика, підпорядкована звичайному людському сприйняттю та реальною ситуації руху. Як це? Серед водіїв класу, професійних водій-випробовувач і автогонщиків ж добре відомо, що безаварійне управління автомобілем великій швидкості і слизькою дорозі можливо, якщо вміло (своєчасно й швидко) впливати на кермо, педаль гальма і педаль газу. Це дозволяє утримувати динамічний момент розвороту автомобіля навколо вертикальної осі в рівновазі з інерційним моментом бічного переходу цим забезпечувати стійке курсове собі напрямок руху автомобіля бічним юзом. Проте вимагати такого вміння водіння від середньостатистичного водія не можна й раціональніше перекласти завдання управління у критичну ситуацію руху на бортову апаратуру автоматичного управління. Дослідженнями Fuchs [31] показано, що електронна автоматика знову розроблюваних моделей автомобілів, які обов'язково оснащуватися системою курсової стійкості, має відповідати наступним вимогам:

• у разі порушення штатних (звичайних) умов руху, коли зчеплення колісних шин автомобілі з дорогий наближається до свого фізичному межі, автомобіль ні поводитися непередбачено, динаміка його руху має змінюватися різко, нічого не винні з'явитися замети, різкі розвороти, з'їзди з дороги чи перекидання;

• навіть у слизьких чи зледенілих дорогах відхилення від заданого водіям напрями руху повинні залишатися мінімальними (не більше забезпечення безпеки);

• ступінь завантаженості автомобіля не більше продиктованої норми має впливати на стійкість його руху;

• бічний вітер, неприбране від незначних піщаних чи сніжних наносів стан автомагістралі нічого не винні сильно проводити рух автомобіля;

• параметри і характеристики автомобіля, відповідальні безпеці руху, повинні залишатися у оптимальних нормах для суб'єктивної сприйняття водієм.

8.1. Попередні відомості

Щоб виконувати перелічені вимоги, щоб забезпечити стійкість руху автомобіля, було проведено низку теоретичних і експериментальних досліджень. Передусім перегляду зазнали можливості вже серійному виробництві системи антиблокування гальм (ABS) і системи регулювання крутного моменту двигуна (ASR). Додатково до них було розроблено систему управління активної підвіскою (ABR), що дозволяє регулювати дорожній просвіток. Van Zanter та інших. [32] досліджували розподіл ковзання коліс у процесі повного гальмування під час руху автомобіля на поворотах. Ставилося умова забезпечити мінімальне відхилення від необхідного напрями руху і при отриманні мінімального гальмівного шляху. Використовувалася спільну роботу систем ABS і ASR. Теоретично було доведено і експериментально підтверджено, що з отримання оптимального поточного миттєвого значення кута бічного відведення колеса, яке піддається керованої гальмування, необов'язково оптимізувати його гальмівне ковзання, як це робиться у системі ABS. Навпаки, задля досягнення максимально можливої гальмівний сили під час руху автомобіля на поворотах значення гальмівного ковзання повинні залишатися більше оптимальних для ABS. У цьому інерційні сили бічного відведення автомобіля обмежуються дією системи ASR і перевищують сил тертя колісних шин про дорогу. Це виключає можливості зриву коліс в бічний юз. Крім систем ABS і ASR до системи управління динамікою руху автомобіля німецькими інженерами НееВ та інших. [33] запропонували включити систему управління активної підвіскою (ACR) і системи контролю рульового керування (APS). Так чотирма раніше розробленими системами (ABS, ASR, ACR, APS) було створено єдиний комплекс автоматичного управління курсової сталістю руху автомобіля в надзвичайні ситуації. Цей комплекс отримав назву «система VDC» (від ньому. «Vehicle Dynamics Control»). VDC — це система активної безпеки автомобіля, яка постійно контролює дії водія й у надзвичайні ситуації, наприклад при різких поворотах на слизькою дорозі, автоматично входить у процес управління і запобігає можливість виникнення бічних відведень (заносів) автомобіля. У цьому система VDC, подібно професійному автогонщику, адаптує крутний тяговий момент двигуна (через систему ASR) і гальмівні зусилля на колесах (через систему ABS) під заданий кермом (у вигляді, системи APS) собі напрямок руху. Система активної підвіски (ACR) утримує автомобіль від бічного нахилення. Задля реалізації такого способу автоматичного управління курсової сталістю в компонентний склад системи VDC включається гироскопичний пристрій, що є датчиком сигналу відхилення напрями руху від подовжньої осі автомобіля.

Гіроскоп — це свого роду вестибулярний апарат системи VDC, реагує на найменші флуктуації напрями руху. Проте слід зазначити, що систему VDC перестав бути системою безпілотного управління, а лише доповнює дії водія, залишаючи його відповідальність за вибір напрями руху Донецькій залізниці, не втручаючись у його управляючі маніпуляції до того часу, поки рух автомобіля протікає штатно (без юза коліс і заносу автомобіля) [34]. З 1995 року система VDC вийшов із стадії експериментальних досліджень, і стала встановлюватися на ексклюзивних легкових автомобілях.

8.2. Концепція і варіаційні параметри системи VDC

У штатних умовах руху траєкторія переміщення автомобіля по дорожнього полотну задається управляючими маніпуляціями водія. Ці маніпуляції, з допомогою відповідних датчиків, перетворюються на електричні сигнали кута повороту рульового колеса, крутного моменту двигуна (по розі повороту осі дросельної заслінки) і тиску рідини у гальмівній системі. Проте цих сигналів для автоматичної стабілізації стійкості руху на критичних ситуаціях недостатньо, і додатково потрібно інформацію про таких безупинно змінюються величинах, як кут бічного відведення передніх коліс (а), кут бічного знесення автомобіля (р), бічне ковзання (P.S) ко¬лес щодо дорожнього покриття і його напрямок (кут у), коефіцієнт (ц) зчеплення коліс з колишньою дорогою. Всі ці величини є вхідними варіаційними параметрами системи VDC і впливають на траєкторію руху автомобіля, щойно під колесами з'являється юз. На рис. 8.1 показано, яку траєкторію буде описувати автомобіль, вхідний зі швидкістю 80 км/г од в крутого повороту за одного й тому самому незмінному становищі керма, постійному газі без гальмування, але за різноманітному вигляді дорожнього покриття. Крива «А» відповідає траєкторії повороту автомобілі з радіусом 40 м на сухому асфальті, коли бічне ковзання коліс щодо дорожнього покриття немає місця (ц>0,95). Фактичне собі напрямок руху відповідає напрямку, обраному водієм у вигляді відповідного повороту рульового колеса. Крива «У» відображає траєкторію руху автомобіля при повороті на мокрою дорозі відразу після дощу, коли асфальтне покриття особливо слизьке (ц < 0,65).

РИС. 8.1. Залежність траєкторії руху автомобіля стану полотна дорожнього покриття

8.2. Концепція і варіаційні параметри системи VDC

Що з'являлось бічне ковзання передніх коліс призводить до бічного зносу автомобіля від заданого кермом напрями руху, і радіус повороту залежить тільки від становища керма, а й від сили бічного відведення. На зимової дорозі при голо льоді (ц<0,15) бічний знос автомобіля на повороті може бути настільки великим, що загубиться контроль над управлінням і автомобіль незалежно від дій водія піде на переміщення автодорозі бічним юзом (крива «З» на рис. 8.1) чи, більше, може, розпочати обертатися навколо вертикальної осі. З розгляду траєкторій, показаних на рис. 8.1, очевидно, що з повороті автомобіля на слизькою дорозі кут бічного відведення (знесення) автомобіля повинен бути обмежений значенням, у якому коефіцієнт зчеплення ц коліс з колишньою дорогою не дедалі менше критичного для даних станів еластичності протектора колісних шин й дорожнього покриття. Однією з способів підвищення коефіцієнта зчеплення ц є використання у зимовий період жорсткішою шипованої колісної гуми. На рис. 8.2, а приведено векторна діаграма сил, прикладених до переднього колесу під час руху автомобіля на повороті, що відображає фізичну картину втрати стійкості у разі юза під колесами. На рис. 8.2, £ показані точки докладання векторних зусиль і моменту розвороту навколо вертикальної осі, і навіть лінійні координати а, Т, з, d цих точок щодо центру мас у системі координат x, у, z. Кут а бічного відведення колеса виникає під впливом бічний сили F„ коли еластична шина деформується в бічному напрямі, у результаті вектор швидкості V автомобіля збочує з площині обертання колеса [22]. Збільшення бічний сили Fs є причиною збільшення кута а. Ставлення Fs/a називається коефіцієнтом опору уводу. Ку = Ґja (Н/град). Якщо кут а сягає значень 12...20°, то бічна сила Fs на сухому асфальті стає рівної силі F, зчеплення шини колеса з колишньою дорогою (F, = Fr) і відведення колеса перетворюється на його бічне ковзання (юз). При вплив на колесо подовжньої тягової сили FL чи гальмівний сили F„ коефіцієнт опору уводу (Ку) знижується. Велі колесо нахиляється за вертикаллю, убік дії бічної сили, то кут відведення колеса збільшується, при напрямку сили Fs кут а зменшується. Якщо за повороті передні колеса обертаються вільно (без бічного юза і гальмування), то F„ = 0 й О. = 0, а результуюча сила FR = Fs0. Коли під передніми колесами з'являється юз, кут X. визначальний напрям ковзання, зростає й, залежно через зміну коефіцієнта ковзання P.S не більше 0 < P.S < 1, змінює свою величину від 0° до 90°. За рахунок юза починає збільшуватися сила F„ гальмування колеса (без спрацьовування гальмівний системи), а бічна сила F„ відповідно до векторної діаграмою (рис. 8.2, а) зменшується. Зміна напрями ковзання (кут X) при бічному юзі призводить до обертанню результуючої сили FR навколо вертикальної осі повороту колеса, що викликає перерозподіл сил FL, F,„ Fs й освіту моменту М обертання кузова автомобіля щодо центру мас під впливом ковзання даного колеса. Зрозуміло, що з бічному ковзанні P.S, близький до одиниці (Ssl), бічний відведення автомобіля перевищує критичне значення і автомобіль стає некерованою. Сумарний момент МЕ обертання кузова навколо вертикальної осі дорівнює сумі моментів від кожної колеса окремо: МЕ = М, + М2 + М3 + М4. 171