Концепция и вариационные параметры системы VDC

В штатных условиях движения траектория перемещения автомобиля по дорожному полотну задается управляющими манипуляциями водителя. Эти манипуляции, с помощью соответствующих датчиков, преобразуются в электрические сигналы угла поворота рулевого колеса, крутящего момента двигателя (по углу поворота оси дроссельной заслонки) и давления жидкости в тормозной системе.

Однако этих сигналов для автоматической стабилизации устойчивости движения в критических ситуациях недостаточно и дополнительно требуется информация о таких непрерывно изменяющихся величинах, как угол бокового увода передних колес (α), угол бокового сноса автомобиля (β), боковое скольжение (S) колес относительно дорожного покрытия и его направление (угол γ), коэффициент (μ) сцепления колес с дорогой. Все эти величины являются входными вариационными параметрами системы VDC и значительно влияют на траекторию движения автомобиля, как только под колесами появляется юз.

На рис. 8.1 показано, какую траекторию будет описывать автомобиль, заходящий на скорости 80 км/час в крутой поворот при одном и том же неизменном положении руля, на постоянном газе без торможения, но при различных состояниях дорожного покрытия. Кривая «А» соответствует траектории поворота автомобиля с радиусом 40 м на сухом асфальте, когда боковое скольжение колес относительно дорожного покрытия не имеет места (μ≥0,95). Фактическое направление движения соответствует направлению, выбранному водителем посредством соответствующего поворота рулевого колеса. Кривая «В» отображает траекторию движения автомобиля при повороте на мокрой дороге сразу после дождя, когда асфальтное покрытие особенно скользкое (μ≤0,65). Появляющееся боковое скольжение передних колес приводит к боковому сносу автомобиля от заданного рулем направления движения, и радиус поворота зависит нс только от положения руля, но и от силы бокового увода. На зимней дороге при гололеде (μ≤0,15) боковой снос автомобиля на повороте может стать настолько большим, что потеряется контроль над управлением и автомобиль независимо от действий водителя перейдет в перемещение по автодороге боковым юзом (кривая «С» на рис. 8.1) или, более того, может начать вращаться вокруг вертикальной оси.




Из рассмотрения траекторий, показанных на рис. 8.1, очевидно, что при повороте автомобиля на скользкой дороге угол бокового увода (сноса) автомобиля должен быть ограничен значением, при котором коэффициент сцепления μ колес с дорогой не становится меньше критического для данных состояний эластичности протектора колесных шин и дорожного покрытия. Одним из способов повышения коэффициента сцепления ц является применение в зимнее время более жесткой шипованной колесной резины.

На рис. 8.2, а приведена векторная диаграмма сил, приложенных к переднему колесу во время движения автомобиля на повороте, которая отображает физическую картину потери устойчивости при появлении юза под колесами.




На рис. 8.2, б показаны точки приложения векторных сил и момента разворота вокруг вертикальной оси, а также линейные координаты a, b, с, d этих точек относительно центра масс в системе координат х, у, z.

Угол α бокового увода колеса возникает под воздействием боковой силы F_S, когда эластичная шина деформируется в боковом направлении, в результате чего вектор скорости V автомобиля отклоняется от плоскости вращения колеса.

Увеличение боковой силы Fs является главной причиной увеличения угла α. Отношение F_S/α называется коэффициентом сопротивления уводу.

К_у=F_S/α (Н/град). Если угол а достигает значений 12...20°, то боковая сила F_S на сухом асфальте становится равной силе F_B сцепления шины колеса с дорогой (F_S=F_B) и увод колеса переходит в его боковое скольжение (юз).

При воздействии на колесо продольной тяговой силы F_L или тормозной силы F_B коэффициент сопротивления уводу (К_у) снижается. Если колесо наклоняется по вертикали, в сторону действия боковой силы, то угол увода колеса увеличивается, при обратном направлении силы F_B угол α уменьшается.

Если при повороте передние колеса вращаются свободно (без бокового юза и без торможения), то F_B=0 и λ=0, а результирующая сила F_R=F_S0.

Когда под передними колесами появляется юз, угол λ, определяющий направление скольжения, возрастает и, в зависимости от изменения коэффициента скольжения S в пределах 0≤S≤1, меняет свою величину от 0° до 90°. При этом за счет юза начинает увеличиваться сила F_B торможения колеса (без срабатывания тормозной системы), а боковая сила F_S в соответствии с векторной диаграммой (рис. 8.2, а) уменьшается.

Изменение направления скольжения (угол λ) при боковом юзе приводит к вращению результирующей силы F_R вокруг вертикальной оси поворота колеса, что вызывает перераспределение сил F_L, F_B, F_S, и образование момента М вращения кузова автомобиля относительно центра масс под воздействием скольжения данного колеса. Ясно, что при боковом скольжении S, близком к единице (S≈1), боковой увод автомобиля превышает критическое значение и автомобиль становится неуправляемым.

Суммарный момент М_Е вращения кузова вокруг вертикальной оси равен сумме моментов от каждого колеса в отдельности: М_Е = М₁ + М₂ + М₃ + М₄.

Управляя тяговыми силами F_D ведущих колес (F_D3+F_D4) и тормозными силами F_B всех четырех колес (F_B1, F_B2, F_B3, F_B4), возможно добиться такого состояния движения автомобиля на поворотах или на скользкой дороге, при котором М_Е << М_К. М_К — критическое значение суммарного момента М_Е, при котором углы бокового увода центров переднего и заднего мостов появляются не под воздействием бокового юза, а в результате эластичного прогиба шин всех четырех колес. В таком случае колеса не срываются в юз и автомобиль остается управляемым. (Согласно ОСТ 37.001.05186, управляемость автомобиля — это его способность точно следовать повороту передних колес). Функции автоматического управления подтормаживанием и тяговой силой колес при повороте автомобиля на большой скорости или при движении по скользкой дороге выполняет система управления курсовой устойчивостью (система VDC).