Способ ограничения скорости автомобиля в зависимости от количества его пассажиров

Осуществляют построение амплитудно-фазочастотной характеристики автомобиля, которая объединяет в себе модель Рокара и дифференциальные уравнения плоского движения упругой системы автомобиля. Определяют критическую скорость движения автомобиля. Определяют фактическую загруженность автомобиля пассажирами. Осуществляют построение математической модели динамической системы автомобиль-дорога. Осуществляют построение передаточной матрицы. Сравнивают значение фактической скорости автомобиля с вычисленным значением критической скорости автомобиля и в случае, если скорость автомобиля больше критической, подачу топлива в двигатель прекращают. Достигается повышение безопасности. 7 ил.

 

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

Известен способ контроля устойчивости транспортного средства, предназначенный для ограничения скорости движения транспортных средств (см. патент RU 2285626, бюл. №29 от 20.10.2006), основанный на построении амплитудно-частотных характеристик системы автомобиля (фиг.1) и принятый за прототип.

К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при применении известного способа ограничения скорости, принятого за прототип, относится отсутствие учета изменения динамических характеристик автомобиля в зависимости от количества пассажиров.

Технический результат - ограничение максимальной скорости прямолинейного движения автомобиля по условию курсовой устойчивости с учетом изменения динамических характеристик автомобиля в зависимости от загруженности пассажирами.

Снижение критической скорости автомобиля возникает при загрузке его пассажирами и движении по дорожному покрытию с малой жесткостью, например по грунтовой дороге.

Особенность заключается в том, что предлагаемый способ ограничения максимальной скорости основывается на частотном критерии устойчивости, в котором используется динамическая модель автомобиля, полученная с учетом его загрузки пассажирами.

Сущность изобретения заключается в следующем: максимальная скорость автомобиля контролируется в зависимости от загруженности пассажирами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема прототипа; на фиг.2 - предлагаемая структурная схема; на фиг.3 - алгоритм работы электронного устройства (микрочипа) определения критической скорости автомобиля; на фиг.4 - соответствующие амплитудно-фазочастотные характеристики (АФЧХ) автомобиля; на фиг.5 - импульсные переходная функции; на фиг.6 показана схема работы устройства определения жесткости дорожного покрытия; на фиг.7 - АФЧХ λ₁ загруженного и не загруженного пассажирами автомобиля.

Способ реализуется следующим образом (фиг.2): на каждом амортизаторе автомобиля находится датчик 1, с помощью которого снимают изменение длины амортизатора Δx в статическом состоянии автомобиля, которое показывает фактическую загруженность автомобиля пассажирами. Показания с датчиков 1 подают на микрочип 2 бортового компьютера. В микрочипе 2 сигнал преобразуют в передаточную функцию. В микрочип 2 приходят данные ω с датчика частоты оборота коленчатого вала 3 коробки передач автомобиля о скорости транспортного средства V. В микрочипе 2 определяется критическая скорость движения автомобиля ν_кр для фактической загрузки автомобиля пассажирами. Затем полученные величины обрабатываются и сравниваются со значениями фактической скорости автомобиля и с эталонными значениями загруженности автомобиля. Данные рассогласования преобразуются в управляющий сигнал, который подают на электронный блок управления 4 системы впрыска топлива.

Электронный блок управления 4 впрыском топлива, получая такой сигнал, полностью прекращает выдачу командных импульсов на топливную форсунку 5, последняя, тем самым, прекращает подачу топлива в цилиндры двигателя 6, обеспечивая процесс торможения автомобиля.

Если значение мгновенной скорости автомобиля приближается к значению критической скорости, то микрочип 2 начинает вырабатывать управляющий импульс, который передают на водительскую панель и затем на индикаторную панель 7 в салоне автомобиля (предупреждающий сигнал для водителя).

Алгоритм вычисления значения критической скорости основан на частотном критерии устойчивости и представлен на фиг.3 [патент RU 2285626, бюл. №29 от 20.10.2006]. Значение критической скорости высчитывается в микрочипе 2 (фиг.2).

Кроме того, в память компьютера вносятся постоянные параметры - жесткость шин в боковом направлении Н_Т1 и H_T2, коэффициенты их увода β₁ и β₂, расстояние от осей до центра тяжести - a ₁, a ₂, 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.

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

Сигнал подают на микрочип 2, определяющий по переменным составляющим импульсные переходные функции объекта и генерирующий управляющий сигнал на систему питания.

В микрочипе 2 дифференциальные уравнения преобразуются по Лапласу при ненулевых начальных условиях. Полученную систему уравнений решают при p=iω, где p - параметр преобразования Лапласа; ω - частотный параметр. Строят АФЧХ системы (фиг.4). Переходный процесс (фиг.5) определяют с помощью обратного преобразования Лапласа, используя численное интегрирование или представление АФЧХ в виде колебательных звеньев.

Основные допущения предлагаемой методики расчета:

1. Колебания агрегатов, вызванные возмущением, происходят в направлении действия этого возмущения.

2. В силу малости перемещений центров инерции величины моментов инерции считаются постоянными.

3. Не учитываются упругие деформации агрегатов.

4. Агрегаты автомобиля представляются твердыми телом, установленным на абсолютно жесткой раме с помощью упругих опор. Характеристики виброопор (жесткость и демпфирование) линейные.

5. Пренебрегаем взаимными колебаниями агрегатов автомобиля, вызванных работой ДВС.

Неголономная связь шин с дорогой является важной характеристикой, описывающей боковое скольжение шины по дорожному покрытию. Допустим, боковая сила F, приложенная к колесу, вызывает отклонение проекции центра колеса на дорожное покрытие от центра площадки соприкосновения с дорожным профилем на величину Δ (фиг.6). При определенной жесткости H колеса Δ служит мерой силы F, так как F=HΔ. Если колесо катится, то деформация Δ порождает пропорциональный ей угол бокового увода колеса, который определяется соотношением ε=βΔ, где β - коэффициент, зависящий только от геометрии деформированного колеса.

Тогда уравнения неголономной связи шин с дорожным покрытием записывают в виде [Рокар, И. Неустойчивость в механике. Автомобили. Самолеты. Висячие мосты. - М.: Издательство иностранной литературы, 1959. - 288 с]:

;

,

где X, x, Θ, θ - линейные и угловые перемещения соответственно рамы и шин; a₁, a₂ - расстояние от положения центра тяжести до передней и задней осей; β₁, β₂ - коэффициент деформации шин передней и задней оси; V - скорость движения автомобиля.

Объединяя модель Рокара [Санкин, Ю.Н. Нестационарные задачи динамики стержневых систем при внезапном нагружении и соударении с препятствием // Вестник СамГТУ. Серия математическая. Самара. №1(5). 2007. С.91-100] и дифференциальные уравнения плоского движения упругой системы автомобиля, получают следующие уравнения движения:

где M - масса рамы автомобиля; m_i - масса присоединенного агрегата автомобиля; J - момент инерции рамы автомобиля; J_i - момент инерции присоединенного агрегата автомобиля; X_i, Θ_i - линейные и угловые перемещения агрегата автомобиля; H₁, H₂ - боковые жесткости шин передней и задней оси; r - число упругих связей между рамой и агрегатом автомобиля [Санкин, Ю.Н., Гурьянов, М.В. Курсовая устойчивость автомобиля. Труды IX Международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и уравнение движения», посвященной 105-летию Н.Г.Четаева. Иркутск. 2007 г. - с. 209-223].

Для исследования собственного движения автомобиля, движущегося со скоростью V, берут F=0, M=0.

Модель Рокара соответствует первым двум уравнениям системы (1) без учета дополнительных степеней свободы. Они заменяются матричным уравнением:

где M, B, C - соответственно матрицы масс, рассеяния энергии и жесткостей. Матрица

,

, .

u - вектор перемещений автомобиля, ; F_t - вектор возмущающих сил в поперечном направлении, равный произведению кинематического возмущения на матрицу C:

.

Передаточную функцию упругой системы автомобиля строят по АФЧХ в виде ряда по колебательным звеньям [Санкин, Ю.Н. Метод конечных элементов в динамике вязкоупругих систем в пространстве преобразований Лапласа // Труды Средневолжского математического общества. - 2006. - Т.8, №2. - С.22-33], полагая входным воздействием кинематическое возмущение I_K, то есть взяв за основу структуру модели Рокара:

,

где T_n2, T_n1 - соответственно инерционная постоянная времени и постоянная времени демпфирования n-го колебательного звена;

- соответствующие матрицы коэффициентов усиления n-го колебательного звена

, обозначая

,

N - число существенно проявляющихся витков АФЧХ; u_n - n-я собственная форма колебаний. Постоянные времени колебательных звеньев находят по характерным точкам АФЧХ [Санкин, Ю.Н. Метод конечных элементов в динамике вязкоупругих систем в пространстве преобразований Лапласа // Труды Средневолжского математического общества. - 2006. - Т.8, №2. - С.22-33].

Вторая передаточная матрица описывается уравнениями неголономной связи , где

где β₁, β₂ - коэффициент деформации шин передней и задней оси; a₁, a₂ - расстояния от передней и задней оси до положения центра тяжести.

Общая передаточная матрица H системы является произведением W(iω) и W₂:

H=W(iω)·W₂.

Гармоническое воздействие прикладывают перпендикулярно продольной плоскости автомобиля в точке, принятой за полюс, измеряют кинематические параметры колебаний - перемещения центра масс и угловые колебания, затем прикладывается пара сил, действующая относительно полюса и также меняющаяся по гармоническому закону, и также измеряют кинематические параметры - перемещения центра масс и угловое колебание относительно центра масс [Санкин, Ю.Н., Гурьянов, М.В. Курсовая устойчивость автомобиля. Труды IX Международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и уравнение движения», посвященной 105-летию Н.Г.Четаева. Иркутск. 2007 г. - с. 209-223]. Регистрируют АФЧХ измеряемых кинематических параметров, в дальнейшем с помощью АФЧХ строят матрицу передаточных функций в виде:

,

где W₁₁(iω) - АФЧХ линейного перемещения центра масс, W₂₂(iω) - АФЧХ углового перемещения центра масс, W₁₂(iω) и W₂₁(iω) - перекрестные АФЧХ.

Фиксируют характеристики частоты - экстремальные точки АФЧХ, соответствующие минимальному значению мнимой составляющей ω_n, максимальному значению вещественной составляющей ω_nmax. По зафиксированным значениям ω_n и ω_nmax определяют постоянные времени [Санкин, Ю.Н. Метод конечных элементов в динамике вязкоупругих систем в пространстве преобразований Лапласа // Труды Средневолжского математического общества. - 2006. - Т.8, №2. - С.22-33]:

; ,

где T_n2, T_n1 - инерционная постоянная и постоянная демпфирования n-го колебательного звена.

Передаточную функцию, являющуюся математической моделью упругой системы, получают в соответствии с ранее изложенной методикой (фиг.4).

Однородная система уравнений, описывающая курсовое движение автомобиля, имеет вид:

(W_∑2(p)-I)u_I=0,

где I - единичная матрица.

Условие равенства нулю определителя матрицы W_∑(p) при p=iω представляет достаточное условие курсовой устойчивости динамической системы автомобиля в линейной постановке. Это означает, что ни одно собственное значение λ=λ(iω) передаточной матрицы не должно равняться единице.

Рассматривают динамическую устойчивость системы в линейной постановке [Санкин, Ю.Н. Метод конечных элементов в динамике вязкоупругих систем в пространстве преобразований Лапласа // Труды Средневолжского математического общества. - 2006. - Т.8, №2. - С.22-33]. При неустойчивости определитель матрицы H-I, где I - единичная матрица, должен равняется нулю. Если движение устойчиво, то ни одно собственное значение матрицы H не должно равняться 1. Характеристическое уравнение для рассматриваемого случая:

.

Раскрывая определитель, получают квадратное уравнение:

согласно которому строят АФЧХ λ₁ и λ₂ и определяют критическую скорость автомобиля путем варьирования значением скорости V в передаточной матрице W₂, при которой АФЧХ соответствующего значения λ пересекает вещественную ось в точке, равной 1, а затем сравнивают значение фактической скорости автомобиля с вычисленным значением критической скорости и в случае, если скорость автомобиля больше критической, подачу топлива в цилиндр двигателя 6 полностью прекращают.

Годографы для корней характеристического уравнения (2) представлены на фиг.7. 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 использовались исходные данные для автомобиля УАЗ 3160, и был принят вес человека 80 кг. На фиг.5 представлены АФЧХ, полученные с помощью численного интегрирования. Согласно фиг.7 критическая скорость автомобиля без пассажиров (пунктирная кривая) V_кр=44,7 м/с (120,8 км/ч), а с пассажирами (сплошная кривая) - V_кр=34,9 м/с (94,3 км/ч).

Способ ограничения скорости автомобиля в зависимости от количества пассажиров, заключающийся в построении амплитудно-фазочастотной характеристики автомобиля (АФЧХ) динамической модели транспортного средства, которая объединяет в себе модель Рокара и дифференциальные уравнения плоского движения упругой системы автомобиля, с последующим определением критической скорости движения, отличающийся тем, что дополнительно с датчиков на амортизаторах автомобиля снимаются характеристики, которые показывают фактическую загруженность автомобиля пассажирами, строят математическую модель динамической системы автомобиль-дорога с учетом загруженности пассажирами, строят передаточную матрицу Н:
H=W(iω)·W₂,
где


T_n2, T_n1 - соответственно инерционная постоянная времени и постоянная времени демпфирования n-го колебательного звена;
- соответствующие матрицы коэффициентов усиления n-го колебательного звена обозначая
N - число существенно проявляющихся витков АФЧХ;
β₁, β₂ - коэффициенты деформации шин передней и задней осей;
a₁, а₂ - расстояния от передней и задней осей до положения центра тяжести;
V - скорость движения автомобиля,
а динамическую устойчивость автомобиля, загруженного пассажирами, определяют по корням характеристического уравнения, имеющего вид:

где W_Σij, i, j=1, 2 - компоненты матрицы W_Σ=H, согласно которому строят АФЧХ λ₁ и λ₂ и определяют критическую скорость автомобиля путем варьирования значением скорости автомобиля V в передаточной матрице W₂, при которой АФЧХ соответствующего значения λ пересекает вещественную ось в точке, равной 1, а затем сравнивают значение фактической скорости автомобиля с вычисленным значением критической скорости автомобиля и в случае, если скорость автомобиля больше критической, подачу топлива в цилиндр двигателя полностью прекращают.