Badania kierowalności i stateczności pojazdów samochodowych - ebook

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

-------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------- -----------------------
1^(o), deg, rad – stopień jako miara kąta, miara kąta, miara kąta
a_(y) – przyspieszenie poprzeczne
a_(y0) – przyspieszenie poprzeczne początkowe
a_(yN) – przyspieszenie poprzeczne unormowane przyspieszeniem
E’ – wysiłek kierowania lub
F_(h) – siła hamowania
F_(n) – siła napędowa
i_(s) – kinematyczne przełożenie całkowite układu kierowniczego
_(L) – rozstaw osi kół pojazdu
M_(H) – moment na kole kierownicy
P – ciśnienie w układzie hamulcowym
R – promień toru ruchu środka masy pojazdu
R₀ – promień początkowy toru ruchu środka masy pojazdu
T – czas
T_(ay) – czas reakcji przyspieszenia poprzecznego
T_(ay,max) – czas reakcji maksymalnego przyspieszenia poprzecznego
T_(˙ψ) – czas reakcji prędkości odchylenia
T_(˙ψmax) – czas do pierwszego maksimum prędkości odchylenia
U_(ay) = (a_(ymax\ -\ ayss))/ a_(yss) – współczynnik przewyższenia dynamicznego dla przyspieszenia poprzecznego
U_(˙ψl) = (_(˙ψ1max) - _(˙ψ1ss))/ _(˙ψ1ss) – współczynnik przewyższenia dynamicznego dla prędkości kątowej odchylenia ,
V – prędkość pojazdu lub
v_(o) – prędkość początkowa pojazdu lub
v_(x) – prędkość wzdłużna (składowa prędkości pojazdu w kierunku osi X) lub
v_(y) – prędkość poprzeczna (składowa prędkości pojazdu w kierunku osi Y) lub
v_(z) – prędkość pionowa (składowa prędkości pojazdu w kierunku osi Z) lub
v_(h) – prędkość pozioma (wypadkowa prędkości wzdłużnej v_(x) i poprzecznej v_(y) pojazdu) lub
X, Y, Z – układ współrzędnych spoziomowany (pośredni)
X_(E), Y_(E), Z_(E) – układ współrzędnych nieruchomy związany z jednią
β – kąt znoszenia pojazdu lub
δ_(A) – kąt Ackermann’a lub
δ_(D) – porównawczy, dynamiczny kąt skrętu koła lub
δ_(H) – kąt obrotu kierownicy lub
ΔS_(y) – poprzeczne odchylenie trajektorii środka masy pojazdu od trajektorii odniesienia
φ – kąt bocznego przechyłu lub
_(ψ) – kąt odchylenia lub
_(˙ψ), dψ/dt – prędkość odchylenia lub
_(˙ψss) – prędkość odchylenia w stanie ustalonym lub
(_(ψ)/δ_(H))_(ss) – współczynnik wzmocnienia (transmitancja) prędkości odchylenia w stanie ustalonym
∂M_(H)/∂a_(y) – gradient momentu na kole kierownicy
∂δ_(H)/∂a_(y) – gradient kąta obrotu kierownicy ] lub ]
∂β/∂a_(y) – gradient kąta znoszenia pojazdu ] lub ]
∂φ/∂a_(y) – gradient kąta przechyłu pojazdu ] lub ]
∂δ_(H)/∂β – gradient kąta obrotu kierownicy względem kąta znoszenia pojazdu
-------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------- -----------------------

Za podstawę oznaczeń zastosowanych w pracy przyjęto międzynarodową normę PN-ISO 8855, a także pozostałe, specjalistyczne normy ISO oraz źródłową literaturę dotyczącą dynamiki podłużnej i poprzecznej pojazdów samochodowych. W znacznej mierze dotyczy to również użytych definicji i określeń.

Należy zwrócić uwagę na to, że w przedmiotowej literaturze (książkach,
czasopismach i innych publikacjach) można spotkać także inne oznaczenia, definicje i określenia wspomnianych wielkości. Jeśli nie mieszczą się one we wspomnianej literaturze źródłowej, to autorzy użyli te najczęściej stosowane i ogólnie przyjęte w środowisku zajmującym się omawianą problematyką.

W miarę potrzeby zostanie to dodatkowo skomentowane w odpowiednich miejscach pracy.OD AUTORÓW

Przez szereg dziesięcioleci powstało wiele opracowań i publikacji dotyczących kierowalności i stateczności pojazdów samochodowych, w tym wiele dokumentów normatywnych. Jednakże brak jest jednego, zbiorczego i syntetycznego opracowania w tym zakresie.

Niniejsze opracowanie może stanowić „przewodnik” dla osób, które zaczynają swoje działania w dziedzinie stateczności i kierowalności pojazdów samochodowych, jak również dla tych, którzy posiadają już określoną wiedzę i doświadczenie w tej dziedzinie.

Zagadnienia kierowalności i stateczności pojazdów samochodowych należą do szczególnie ważnych problemów bezpieczeństwa czynnego. W teorii systemów układ: „kierowca-pojazd-otoczenie” , w przypadku analizy kierowalności samochodu, jest zamkniętym systemem sterowania (ang. close loop). Natomiast w przypadku badania stateczności jest układem otwartym (ang. open loop). Ze względu na złożone, wzajemne sprzężenia zwrotne elementów, zagadnienia te są często trudne do analizy i jednoznacznej oceny.

Wykonując różnego rodzaju badania, można uzyskać pewną ocenę pojazdów w tym zakresie. Pomocna jest standaryzacja. Opisane w dokumentach normatywnych metody badań, uwzględniające międzynarodowe wymagania oraz wskaźniki, umożliwiają obiektywną ocenę właściwości pojazdu. Przy czym oceny te dotyczą zarówno nowych konstrukcji, jak również zmodernizowanych. Należy mieć na uwadze, że badania takie nie pozwalają na pełną ocenę kierowalności i stateczności pojazdu na drodze. Z kolei oceny oparte na badaniach teoretycznych i empirycznych często nie pokrywają się z subiektywnymi ocenami kierowców doświadczalnych. Należy pamiętać, że dokumenty normatywne niewątpliwie stanowią pomoc, ale nie zastąpią praktycznej wiedzy i doświadczenia osób zajmujących się badaniami.

Badania kierowalności i stateczności prowadzone są od wielu lat. Przyczyniły się do rozpoznania i poprawy właściwości pojazdów, a także były podstawą do wyznaczenia kierunków modernizacji i rozwoju konstrukcji pojazdów. Zagadnienia te są ważne i wzajemnie się uzupełniają.

Autorzy tej pracy od wielu lat zajmują się problematyką kierowalności i stateczności. Oddając do rąk Czytelników niniejszą pracę, chcą podzielić się swoim doświadczeniem, a także złożyć należny hołd swoim Nauczycielom, którzy wprowadzali ich w te zagadnienia, a później doradzali oraz korygowali ich działania.

Badania eksperymentalne samochodów mają, jak wiadomo, charakter pracy zespołowej. W tym miejscu autorzy dziękują Kolegom – Współpracownikom z krajowych ośrodków naukowo-badawczych i badawczo-rozwojowych,
zajmujących się eksperymentalnymi badaniami samochodów: z Politechniki Krakowskiej, Przemysłowego Instytutu Motoryzacji, Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Samochodów Małolitrażowych BOSMAL (obecnie Instytutu Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL) w Bielsku Białej, Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej, Politechniki Warszawskiej, Wojskowej Akademii Technicznej, Wojskowego Instytutu Techniki Pancernej i Samochodowej, Politechniki Poznańskiej, Politechniki Świętokrzyskiej i innych, z którymi przebadali i ocenili wiele pojazdów samochodowych różnych kategorii, co walnie przyczyniło się do powstania niniejszej pracy.1. WPROWADZENIE

1.1. SYSTEM CZŁOWIEK–POJAZD–OTOCZENIE (CPO)

Bezpieczeństwo ruchu samochodu jest związane z jego właściwościami konstrukcyjnymi. Dlatego w zagadnieniach dotyczących bezpieczeństwa przyjmuje się do analizy układ człowiek–pojazd–otoczenie (CPO) . Na rys. 1.1. przedstawiono ogólny schemat blokowy uwzględniający czynniki mające wpływ na utrzymanie kierunku jazdy pojazdu . Jest to model ze sprzężeniem zwrotnym między pojazdem a kierowcą, ze szczególną rolą układu kierowniczego, kształtujący przebieg procesu kierowania. Istnieją też inne modele systemu człowiek–pojazd–otoczenie (CPO). Na przykład w pracy przedstawione zostały cztery takie modele. Pierwszy, to model o najwyższym stopniu ogólności, ze sprzężeniem zwrotnym między człowiekiem i pojazdem, zawierający podsystem „elektronika”, obejmujący elektroniczne układy sterowania. Drugi, uproszczony model, nie zawiera sprzężenia zwrotnego kierowca-pojazd, polecenia kierowcy skierowane są tylko do układu hamulcowego i kierowniczego. Kolejny, uproszczony model zawiera sprzężenie zwrotne kierowca-pojazd, nie uwzględnia urządzeń automatycznego sterowania. Ostatnim przedstawionym w publikacji obiektem jest model bez sprzężenia zwrotnego kierowca-pojazd, uwzględniający natomiast działanie urządzenia przeciwblokującego ABS. Modele fizyczne systemu CPO mogą być rozbudowywane o inne elementy rozwiązań lub upraszczane w określony sposób, wynikający z postawionego celu badań symulacyjnych, do których dany model będzie wykorzystywany. Samochód kierowany przez kierowcę można rozpatrywać jako układ regulacji ze sprzężeniem zwrotnym, w którym kierowca jest regulatorem, a samochód obiektem regulacji. Zewnętrzne otoczenie zaś jest źródłem sygnałów, głównie zakłócających, wpływających na ruch pojazdu . Poznanie reakcji samochodu na różnorodne wymuszenia zewnętrzne i wewnętrzne umożliwiłoby prognozowanie zachowania kierowca-pojazd, mogłoby też doprowadzić do zbudowania idealnego regulatora, czyli określenia cech idealnego kierowcy, z którym można byłoby porównywać kierowców rzeczywistych. Jednocześnie wykorzystanie charakterystyk opisujących reakcje na wymuszenia do odpowiedniego ukształtowania właściwości jezdnych samochodu powinno ułatwić kierowcy prowadzenie samochodu podczas normalnej jazdy,
jak również w sytuacjach skrajnych i krytycznych.

Samochód powinien zapewniać możliwość łatwego prowadzenia i utrzymywania kierunku jazdy zadanego przez kierowcę. Zależy to od wielu właściwości
samego pojazdu, a szczególnie od: rodzaju zawieszenia przedniej i tylnej osi, rozkładu mas, położenia środka masy, rodzaju mechanizmów sterujących (układ kierowniczy), geometrii układu jezdnego, rodzaju ogumienia (w tym ciśnienia w oponach), wreszcie od rodzaju napędu (przedni, tylny, wszystkich osi). Mogą one odegrać decydującą rolę w kształtowaniu chwilowych stanów ruchu pojazdu. Podanie gotowych receptur właściwych rozwiązań konstrukcyjnych jest niemożliwe. Wymienione cechy są bowiem ściśle ze sobą powiązane i dopiero ich wzajemny dobór metodami obliczeniowymi i doświadczalnymi może zapewnić uzyskanie określonych i pożądanych parametrów technicznych samochodu. Zmiany konstrukcyjne dokonane w ostatnim okresie przyczyniły się do podniesienia poziomu rozwoju systemów związanych z bezpieczeństwem czynnym i biernym. Wprowadzane są coraz ostrzejsze wymagania, które muszą spełniać samochody nowo wprowadzane na rynek. Analiza rozwiązań istniejących pokazuje, że istnieją rezerwy w zakresie ich udoskonalania.

Najstarszymi ze znanych metod oceny poziomu konstrukcji są badania drogowe/poligonowe. Są one kosztowne i pracochłonne. Tym niemniej ich udział i rola w rozwoju techniki samochodowej są nadal bardzo ważne. Zastosowanie nowoczesnych metod badań sprawia, że techniki badawcze zostają włączone w procesie tworzenia pojazdu już we wstępnej fazie . Wzrastające znaczenie badań eksperymentalnych drogowych i stanowiskowych oraz symulacyjnych – komputerowych przyczyniło się także do rozwoju metod badawczych.

W prezentowanej pracy omówiono podstawowe zagadnienia kierowalności i stateczności samochodów w aspekcie badań eksperymentalnych drogowych oraz symulacyjnych (komputerowych). Mogą z niej korzystać zarówno studenci specjalności samochodowych, jak i osoby pracujące w branży samochodowej, zajmujące się zawodowo problematyką kierowalności i stateczności oraz związanymi z tym zagadnieniami.

1.2. POJĘCIA PODSTAWOWE

Na wstępie zasadniczych rozważań zostaną zdefiniowane, również dla przypomnienia, ogólne pojęcia i określenia związane z podjętą problematyką. Można je tutaj przytoczyć za pracą .

Badania – działanie empiryczne obejmujące eksperyment i obserwacje, zmierzające do rozwiązania jakiegoś zadania teoretycznego lub praktycznego.

Eksperyment – zabieg badawczy polegający na celowym wywołaniu określonego zjawiska (lub jego zmiany), w warunkach sztucznie stworzonych, oraz zbadanie jego przebiegu, cech lub występujących zależności.

Obserwacja – celowe, selektywne (tzn. uwzględniające tylko to, co jest ważne z uwagi na cel badań) spostrzeganie przedmiotów i zjawisk w warunkach ich normalnego funkcjonowania bądź występowania.

Każde postępowanie badawcze podporządkowane jest celowi badań i z tego względu rozróżnia się :

– postępowanie indukcyjne: wyprowadzanie wniosków ogólnych z przesłanek będących ich szczególnymi przypadkami;

– weryfikację doświadczalną: sprawdzanie hipotez, założeń, rozwiązań konstrukcyjnych;

– identyfikację: ustalenie tożsamości badanego obiektu lub zjawiska;

– ocenę porównawczą: wyznaczenie relacji między właściwościami badanego obiektu lub zjawiska a właściwościami odniesienia (np. właściwościami wzorców, wymaganiami norm i przepisów, wartościami granicznymi).

Badania mogą być prowadzone na obiektach rzeczywistych lub na modelach. Badania modelowe obejmują badania zjawisk naturalnych na podstawie zjawisk podobnych lub zachodzących w innej skali, opartych na teorii podobieństwa i modelowania. Model jest to układ fizyczny lub opis matematyczny o pewnych właściwościach zbliżonych do niektórych, wybranych właściwości obiektu modelowanego.

Rys. 1.1. Ogólny schemat blokowy elementów mających wpływ na kierunek i tor jazdy pojazdu

LITERATURA

Gidlewski M.: Modelowanie dynamiki samochodu do badań kierowalności i stateczności ruchu.
Rozprawa doktorska. Warszawa: Wojskowa Akademia Techniczna, 1992.

Januszewski W.: Analiza metrologiczna metody badań układów kierowniczych pojazdów przy pomocy urządzenia "Programowany Kierowca". Rozprawa doktorska. Warszawa: Politechnika Warszawska, 1981.

Litwinow A.: Kierowalność i stateczność samochodu. Warszawa: WKŁ, 1975.

Orzełowski S.: Badania samochodów. Warszawa: WNT, 1988.

Szczepaniak C.: Podstawy modelowania systemu Człowiek–Pojazd–Otoczenie. Warszawa–Łódź:
Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999.

Wicher J.: Zagadnienia bezpieczeństwa samochodu. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1997.2. KIEROWALNOŚĆ, ZWROTNOŚĆ I STATECZNOŚĆ POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH

2.1. WPROWADZENIE

Zagadnienia kierowalności i stateczności pojazdów samochodowych są ogólnie opisane w pracach dotyczących Mechaniki Ruchu Samochodu, między innymi w . Zwrotność jest właściwością związaną z ruchem pojazdu, ponieważ wpływa na kształt uzyskiwanego toru jazdy.

Kierowalność, zwrotność i stateczność należą do podstawowych właściwości decydujących o bezpieczeństwie czynnym pojazdu. Wszystkie trzy cechy stanowią również o właściwościach eksploatacyjnych samochodu .

2.2. KRÓTKI ZARYS HISTORII ROZWOJU BADAŃ KIEROWALNOŚCI, ZWROTNOŚCI I STATECZNOŚCI POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH

Za początek rozwoju teorii kierowalności samochodów przyjmuje się prace Instytutu Inżynierów Samochodowych (Proceedings of Institution of Automobile Engineers). Pierwsza z nich została opublikowana w 1907 r. W latach dwudziestych XX wieku badania z dziedziny kierowalności samochodów wykonywane były we Francji (Senso de Lavaud). W tym okresie w Niemczech, w 1925 r. zostało odkryte zjawisko znoszenia elastycznych kół (G. Becker, H. Fromm, H. Maruna) . W byłym ZSRR na ten temat publikowali: Czudakow, N.E. Żukowski, W.P. Wietczikin, A.A. Rzeczmiedłow (na podstawie ). W latach trzydziestych ukazały się prace z zakresu badania ruchu krzywoliniowego samochodu z kołami sztywnymi (G. Lenko, G. Kluge, G. Kola, W. Kamm, G. Goldbeck) oraz dotyczące stateczności ruchu samochodu (F.W. Lanchester , V.D. Seze oraz E.A. Czudakow , W.A. Głuch, J.M. Piewzner, A.A. Trutin i inni – na podstawie ). Jednocześnie ukazały się prace M. Olleya uważanego za twórcę współczesnej teorii kierowalności i stateczności samochodów z uwzględnieniem bocznego znoszenia (prace prowadzone początkowo w USA przez firmę General Motors Corporation, a następnie w Anglii przez firmę Vauxhall). Zapoczątkowały one badania z dziedziny kierowalności i stateczności samochodów z uwzględnieniem elastyczności opon . W pracach M. Olleya wprowadzone zostało pojęcie nadsterowności i podsterowności oraz termin prędkości krytycznej. W latach czterdziestych (XX wieku) i później nastąpiła dalsza kontynuacja tematów (rozwinięcie wyników) zapoczątkowanych przez M. Olleya. Rozwinęli je: M. Julien, I. Rocard, D. Uitkom, U. Milliken. W tym czasie we Francji ukazały się prace z zakresu stateczności ruchu samochodu z uwzględnieniem elastyczności opon (I. Gratzmuller). W Niemczech zagadnienia te omawiane były przez L. Hubera, O. Dietza , R. Horlingera, a także przez P. Riekerta i T. Schunka. W byłym ZSRR tematy te realizowali: W.M. Klennikow, W.A. Iłarionow, A.S. Ratman, M.W. Kiełdysz, G.W. Michajłow i inni – na podstawie . Na uwagę zasługuje opublikowanie w latach czterdziestych hipotezy współpracy koła z jezdnią w odniesieniu do samochodów, niezależnie przez Y. Rocarda i M. Kiełdysza . Dalszy rozwój teorii kierowalności i stateczności odbywał się w kierunku teorii ruchu na zakręcie oraz badań ruchu samochodów z uwzględnieniem sił aerodynamicznych. Te ostatnie realizowali: L. Huber, E. Schwatzki, F. Gauss, G. Schlick, I. Saito, O.I. Winkelmann, F. Böhm, J. Ficher, A. Slibar, P.R. Pasley .

Następnie rozwój teorii kierowalności i stateczności samochodów zmierzał w kilku kierunkach, z równoczesnym uwzględnieniem badań eksperymentalnych dla:

– ruchu nieustalonego (procesów przejściowych) przy zmianie kierunku ruchu z prostoliniowego w krzywoliniowy i z powrotem;

– krzywoliniowego ruchu samochodu, jako układu ciał połączonych więzami sprężystymi;

– kierowalności i stateczności przy nieliniowej zależności między siłami bocznymi i kątami znoszenia;

oraz z uwzględnieniem:

– wpływu parametrów konstrukcyjnych samochodu i jego zespołów na stateczność i kierowalność;

– jednoznacznego zdefiniowania wskaźników oceny charakteryzujących zachowanie się samochodu jako obiektu kierowanego;

– kierowcy jako ogniwa kierującego.

Obecnie obserwuje się bardzo duże zainteresowanie i rozwój dotyczący badań właściwości dynamicznych i analizy zachowania się pojazdów kołowych . Spowodowane to zostało zarówno koniecznością zapobiegania wypadkom drogowym (względy bezpieczeństwa), jak również szybko rozwijającymi się możliwościami techniki komputerowej. Jednocześnie szeroko rozwijają się badania symulacyjne (eksperymenty numeryczne) w ramach systemu: człowiek–pojazd–otoczenie (CPO) , poświęcone modelowaniu ruchu i zjawisk dynamicznych zachodzących w pojazdach.

W pracach opisano metody pomiarowe parametrów regulacyjnych układów: kierowca–samochód–otoczenie. Dzięki technice komputerowej symulacja stała się łatwiejsza i bardziej wiarygodna. Powszechnie zaczęto zdawać sobie sprawę, iż samochód jest również źródłem wielu negatywnych zjawisk, takich jak: efekty ekologiczne, zagrożenia związane z wypadkami drogowymi (bezpieczeństwo powypadkowe, bezpieczeństwo ekologiczne) . W ramach systemu CPO zaczęto oceniać, jak poszczególne jego elementy przyczyniają się do powstania wypadku drogowego .

Już te zagadnienia uzasadniały nie tylko kontynuowanie, ale i dalszy rozwój badań eksperymentalnych oraz badań symulacyjnych związanych z modelowaniem ruchu i zjawisk dynamicznych. Szczególną uwagę zaczęto zwracać na weryfikację eksperymentalną tworzonych modeli symulacyjnych .

Coraz szerzej zaczęto stosować modele ruchu samochodu, w ramach których można wyodrębnić :

1) Najbardziej złożone, służące wspomaganiu konstruktorów oraz wspomagające kosztowne i długotrwałe badania eksperymentalne. Mają one bogatą strukturę wymagającą wprowadzenia dużej liczby danych.

2) Średnio złożone, bardziej użyteczne do ogólnej oceny właściwości pojazdu, dla badań pożądanych kierunków zmian konstrukcji. Trudniej je bezpośrednio powiązać z detalami konstrukcji układów. Mimo wielu założeń upraszczających modele takie wymagają dokładnego opisu wzajemnych oddziaływań elementów składowych, analiz przedwypadkowych i wypadkowych.

3) Modele najprostsze, opisujące najbardziej ogólne właściwości pojazdu, wymagające ograniczonej liczby danych. Wykorzystywane są do ogólnych badań jakościowych.

Pomimo opisanego wyżej rozwoju modelowania ruchu samochodu bardzo popularny stał się jednośladowy model dynamiczny (często zwany „rowerowym”) wykorzystywany do oceny kierowalności i stateczności. Korzystali z niego: M. Mitschke, A. Zomotor, H.P. Willumeit, H. Wallentowitz, R. Rönitz, E. Bisimis, H.D. Beckman oraz w Polsce: K. Studzinski, J. Ignatowicz, K. Kamiński, A. Kleczkowski, J. Lanzerdorfer, W. Momot i inni . Dalszym krokiem były dynamiczne modele dwuśladowe dla analizy ruchu krzywoliniowego z osią przechyłu położoną na jezdni lub ze stałą osią przechyłu, a następnie z ruchomą osią przechyłu. Wiązało się to z uwzględnieniem kinematyki zawieszeń i układów kierowniczych. Zagadnienia te analizowane były między innymi w pracach .

Powszechność prowadzenia badań spowodowała podjęcie prac w ramach standaryzacji realizowanych przez organizacje międzynarodowe, takie jak: Międzynarodowa Organizacja Standaryzacji ISO oraz Europejska Komisja Gospodarcza ONZ-ECE. Dokumenty te będą omówione w dalszej części opracowania.

Upowszechnianie się i wzrost liczby samochodów doprowadziły do coraz liczniejszych wypadków drogowych. Na plan pierwszy zaczęły wysuwać się zagadnienia bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Pojawiają się programy – systemy, których zadaniem jest ostrzeganie kierowcy o niebezpieczeństwie lub wspomaganie kierowcy w kierowaniu pojazdem.

Ze względu na obszerną tematykę oraz wysokie koszty realizacji programów tworzone są zespoły i grupy badawcze, zarówno w ramach poszczególnych państw, jak i międzynarodowe.