Методики динамических испытаний автомобилей в соответствии со стандартами ISO

Методики динамических испытаний

В конце 1970-х годов были разработаны международные стандартизованные методики испытаний. С одной стороны, они имеют це­лью как можно более объективно и последо­вательно описать поведение автомобиля; с другой стороны, они служат для определения характерных переменных величин, которые хорошо коррелируют с субъективными впе­чатлениями водителя. Кроме того, стандар­тизованные методики испытаний могут быть использованы для сравнения результатов ис­пытаний с результатами моделирования при идентичных граничных условиях.

 

 

 

Обзор методик динамических испытаний

 

Комплексная система "водитель-автомобиль-дорога" как замкнутая система управленияПри изучении поведения автомобиля, обычно исследуют систему «водитель — автомо­биль — дорога» (см. рис. «Комплексная система «водитель-автомобиль-дорога» как замкнутая система управления»). Водитель оце­нивает управляемость автомобиля, исходя из собственных субъективных впечатлений. Большинство стандартизованных методик испытаний выполняется в режиме разом­кнутого контура, т.е. при определенном сту­пенчатом входном воздействии со стороны рулевого управления без вмешательства водителя. При этом поведение автомобиля определяется без влияния стиля вождения различных водителей. Только некоторые методики выполняются в режиме замкнутого контура, т.е., когда входные воздействия осуществляются индивидуальным образом водителем.

В настоящее время существует около 20 стан­дартов ISO на методики динамических испыта­ний, из которых я опишу следую­щие, наиболее часто используемые методики:

  • установившееся криволинейное движение;
  • методики испытаний в переходном режиме;
  • испытания в режиме малых колебаний и в переходном режиме;
  • торможение на кривой или в повороте.

Дополнительные методики испытаний, которые я не буду описывать:

  • двойное перестроение из ряда в ряд (в ре­жиме замкнутого контура);
  • комбинации боковой устойчивости авто­мобиля;
  • устойчивость под действием бокового ве­тра;
  • изменения нагрузки при прохождении по­воротов.

Эти методики испытаний первоначально были разработаны для легковых автомобилей. В дальнейшем на основе этих стандартов были созданы методы испытаний для тяжелых коммерческих автомобилей с их большой мас­сой и инерцией с целью определения их уни­кальных характеристик поведения.

Общие граничные условия, которые должны быть в равной степени соблюдены для всех методик динамических испытаний, такие как, например, состояние дорожной поверхности, окружающие условия и состояние шин, опре­делены в отдельном стандарте ISO, который дополнительно определяет требо­вания к средствам измерения динамических параметров.

Количественные оценки поведения автомобиля

 

Для оценки поведения автомобиля в основ­ном используются следующие измеряемые количественные параметры (рис. «Количественные динамические параметры автомобиля»):

  • угол поворота рулевого колеса и момент, прилагаемый к рулевому колесу;
  • поперечное ускорение;
  • скорость рыскания;
  • угол крена;
  • угол дрейфа.

Количественные динамические параметры автомобиля

В зависимости от методики испытаний, из этих и иных количественных параметров определя­ются характеристические значения, служащие для описания и оценки поведения автомобиля. Эти измеряемые величины и характеристиче­ские значения определены в отдельном стан­дарте ISO.

Установившееся криволинейное движение

 

Методика испытаний «Установившееся кри­волинейное движение» обычно вы­полняется следующим образом: автомобиль разгоняется на круговой трассе с постоян­ным радиусом начиная с очень низкой стартовой скорости, и заканчивая максимально достижимым для данного автомобиля поперечным ускорением. Обычно для легковых авто­мобилей выбирается радиус 40 м, а для гру­зовых автомобилей — 80 м. Чтобы поведение автомобиля можно было считать установившимся, продольное ускорение не должно превышать (приблизительно) 1 м/с.

Используемыми в основном критериями оценки являются данные угла поворота ру­левого колеса, угла крена и угла дрейфа, построенные в зависимости от поперечного ускорения, которые показаны на рис. «Установившееся криволинейное движение» для легкового автомобиля и грузового автомо­биля с полуприцепом.

Установившееся криволинейное движение

Из кривой зависимости угла поворота ру­левого колеса от поперечного ускорения, используя одноколейную модель (см. главу «Динамика поперечного движения») можно определить эффект самовыравнивания. Конструкция современных автомобилей, как легковых, так и грузовых, как правило, предусматривает недостаточную поворачиваемость. Другими словами, при возраста­нии скорости во время движения по кривой с постоянным радиусом они требуют значи­тельного увеличения угла поворота рулевого колеса. Предельный уровень недостаточной поворачиваемости автомобиля определяется максимальным направляющим усилием при повороте, вызывающим резкое увеличение угла поворота рулевого колеса при высоком поперечном ускорении.

Кривая зависимости угла крена от по­перечного ускорения описывает боковой на­клон автомобиля, который может ощущаться водителем. Угол крена также сильно зависит от нагрузки автомобиля, в особенности в случае коммерческих автомобилей. Из этого можно сделать вывод, что для коммерческих автомобилей с высоко расположенным цен­тром тяжести, при полной загрузке, макси­мальное достижимое поперечное ускорение определяется не направляющими усилиями шин при повороте, а предельным моментом опрокидывания автомобиля.

В случае грузовых автомобилей угол крена дополнительно определяется не только в об­ласти центра тяжести автомобиля, но также, в связи с наличием слабой в торсионном от­ношении рамы и отдельного крепления во­дительской кабины, в нескольких фиксиро­ванных точках измерения (рис. «Установившееся криволинейное движение»).

Кривая зависимости угла дрейфа от попереч­ного ускорения является показателем по­перечной устойчивости автомобиля, которая может ощущаться водителем и определяется прежде всего свойствами шин.

Кроме свойств шин значительное влияние на поведение автомобиля в установившемся режиме могут оказывать следующие параметры:

  • нагрузка и распределение нагрузки между осями;
  • жесткость пружин и амортизаторов;
  • кинематические и эластокинематические перемещения компонентов подвески колес.

Переходные режимы

 

Методики испытаний в переходных режимах служат для определения реакций автомобиля на быстрые, динамические воз­мущения со стороны рулевого управления, например, во время выполнения быстрых маневров уклонения. Часто используемыми методиками испытаний и моделирования яв­ляются «Ступенчатое воздействие» и «Сину­соидальное воздействие со стороны рулевого управления (частотная характеристика)».

Ступенчатое воздействие

 

Ступенчатое воздействиеМетодика испытаний «Ступенчатое воздей­ствие» заключается в том, что автомобиль на­чинает двигаться в прямом направлении с по­стоянной скоростью, а затем рулевое колесо резко поворачивается на определенный угол и остается в этом положении. Это приводит к движению по кругу с определенным постоян­ным поперечным ускорением. Для легковых автомобилей скорость изменения угла пово­рота рулевого колеса составляет приблизи­тельно 360о/с, а поперечное ускорение -4 м/ с2 при скорости движения 80 км/ч.

Во время этого маневра определяются временные задержки и значения перерегу­лирования скорости рыскания, поперечного ускорения, угла крена и угла дрейфа, при сту­пенчатом воздействии со стороны рулевого управления (рис. «Ступенчатое воздействие»). С одной стороны, реак­ция автомобиля на это ступенчатое воздей­ствие не должна быть слишком медленной, с другой стороны, не должно иметь место чрезмерное перерегулирование.

Синусоидальное воздействие со стороны руле­вого управления (частотная характеристика)

 

Ступенчатое воздействиеМетодика испытаний «Синусоидальное воз­действие со стороны рулевого управления (ча­стотная характеристика)» заключается в том, что во время движения с постоянной скоростью автомобиль подвергается синусоидальному воздействию со стороны рулевого управления. Угол поворота рулевого колеса изменяется в соответствии с синусоидальным законом. Ам­плитуда сигнала остается постоянной, а частота увеличивается, начиная с медленных переме­щений рулевого колеса с частотой 0,2 Гц, и за­канчивая быстрыми перемещениями с частотой 2,0 Гц. Амплитуда угла поворота рулевого ко­леса, как правило, выбирается таким образом, чтобы автомобиль оставался в линейном диа­пазоне движения. Например, в случае легко­вых автомобилей, это должно делаться таким образом, чтобы при минимальной частоте ко­лебаний рулевого колеса и скорости движения 80 км/ч поперечное ускорение составило не более 4 м/с2. Это дает возможность оценить по­ведение автомобиля во всем диапазоне частот.

Для оценки поведения автомобиля опреде­ляются такие параметры, как фазовый угол, момент, прилагаемый к рулевому колесу, скорость рыскания, поперечное ускорение, угол крена и угол дрейфа и строятся гра­фики их зависимости от частоты колебаний рулевого колеса. Значения собственных ча­стот, угла возникающего наклона и фазовых углов могут быть использованы в качестве критериев оценки подвижности и устойчиво­сти автомобиля под действием динамических возмущений со стороны рулевого управле­ния. Такая оценка для грузового автомобиля массой 18 т показана на рис. «Синусоидальное входное воздействие».

Кроме параметров, влияющих на поведе­ние автомобиля в стационарных режимах, в случае динамичных маневров основное влияние оказывают демпфирующие свойства и моменты инерции автомобиля, а также ди­намические свойства шин, системы рулевого управления и подвески колес.

Испытания в режиме малых колебаний и в переходном режиме

 

Методики «Испытания в режиме малых ко­лебаний» и «Испытания в переходном ре­жиме», были разработаны для опре­деления реакций автомобиля на небольшие, медленные перемещения рулевого колеса относительно положения прямолинейного движения. Поведение автомобиля и системы рулевого управления при этом хорошо со­гласуется с субъективными впечатлениями водителя о контролируемости автомобиля в процессе повседневной эксплуатации.

Испытания в переходном режиме

 

В ходе испытаний в переходном режиме автомобиль начинает движение в прямом направлении с постоянной скоростью дви­жения, после чего рулевое колесо медленно поворачивается в сторону (например, при скорости 80 км/ч скорость поворота руле­вого колеса составляет 5°/с) до перехода в режим движения по кругу с низким попереч­ным ускорением от 1 до 2 м/с2. На практике это соответствует входу в поворот с низкой скоростью на второстепенной дороге.

Прежде всего выполняется оценка вре­менных характеристик скорости рыскания и поперечного ускорения. Удобной коли­чественной оценкой также может быть время реакции автомобиля на воздействие со стороны рулевого управления в форме рыскания, которое может ощущаться во­дителем.

Испытания в режиме малых колебаний

 

Гистерезис при испытаниях в режиме малых колебанийВ ходе испытаний в режиме малых колебаний автомобиль во время движения с постоянной скоростью (например, 80 км/ч) подвергается синусоидальному воздействию со стороны рулевого управления с низкой частотой от 0,1 до 0,2 Гц. При этом максимальное попе­речное ускорение составляет от 2 м/с2 (для грузовых автомобилей) до 4 м/с2 (для легко­вых автомобилей), т.е. автомобиль постоянно находится в линейном диапазоне движения.

Для оценки поведения автомобиля и влияния рулевого управления используются кривые зависимости момента, прилагаемого к рулевому колесу, поперечного ускорения, скорости рыскания и угла дрейфа от угла поворота рулевого колеса. Нелинейность (среди прочего, трение) в системе рулевого управления, шинах и подвеске колес вы­зывает образование гистерезисных петель, которые схематично показаны на рис. 6. Амплитуды гистерезиса и градиенты наклона кривых являются удобными критериями оценки. Например, поведение автомобиля, демонстрирующего переплетающуюся петлю гистерезиса, как автомобиль «В» на рис. «Гистерезис при испытаниях в режиме малых колебаний», воспринимается водителем, как «индиффе­рентность относительно центрального поло­жения» и «плохая стабильность при прямо­линейном движении».

Торможение на кривой или в повороте

 

Методика испытаний «Торможение на кривой или в повороте» также моделирует ситуацию, часто возникающую в ходе повседневного дорожного движения. Во время стационарного движения по кривой с поперечным ускорением от 3 м/с (обычное значение для грузовых ав­томобилей) до 5 м/с2 (обычное значение для легковых автомобилей) автомобиль тормозит с определенным замедлением, определяемым ходом педали тормоза, требуемым для его создания. Торможение на прямой или в повороте, временные характеристикиВыполняются несколько испытаний с различными значениями замедления — от лег­кого до максимально возможного торможения.

На рис. «Торможение на прямой или в повороте, временные характеристики» представлены временные ха­рактеристики скорости рыскания, бокового ускорения и угла дрейфа для грузового автомобиля массой 7,5 т вовремя тормо­жения с замедлением 3 м/с2. После начала торможения (отметка времени 3,0 с) на гра­фиках можно видеть резкий скачок значений динамических параметров. Графики демон­стрируют, что во время торможения при постоянном угле поворота рулевого колеса, установленном до начала торможения, авто­мобиль имеет тенденцию к повороту внутрь кривой движения.

В качестве критерия оценки устойчивости автомобиля используется степень изменения динамических количественных параметров в зависимости от переменного продольного замедления.

Так же как параметры автомобиля, опи­санные выше, на поведение автомобиля во время этого маневра значительное влияние оказывает распределение тормозных сил между передней и задней осями и конструк­ция антиблокировочной тормозной системы ABS и системы курсовой устойчивости ESP. Большое значение также имеет настройка этих систем.

В следующей статье я расскажу об аэродинамике автомобиля.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *