Способ идентификации максимальных значений коэффициентов трения скольжения колёс транспортного средства
METHOD FOR IDENTIFYING THE MAXIMUM VALUES OF THE SLIDING FRICTION COEFFICIENTS OF THE VEHICLE WHEELS

Изобретение относится к автомобилестроению, в частности, к способам и устройствам активной безопасности транспортных средств (ТС).
Известен способ идентификации максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес транспортного средства, в котором определяют оценки максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес, и реализующее его устройство для оценки коэффициента трения скольжения колес с дорогой, в котором реализуются действия способа оценки коэффициента трения колес с дорогой, в котором коэффициент трения скольжения колес с дорогой определяется на основе отношения расчетной силы поворота к расчетному углу бокового скольжения шины. Транспортное средство движется по нескольким дорожным поверхностям, которые отличаются коэффициентом трения, а углы бокового скольжения шин и силы поворота на дорожных поверхностях определяются заранее. Блок оценки коэффициента трения хранит в памяти корреляцию между обнаруженными углами бокового скольжения шины, обнаруженными силами поворота и коэффициентами трения дороги в виде числовых значений или математического выражения и оценивает коэффициент трения дороги, используя корреляцию, хранящуюся в памяти (см. патент ЕС ЕР 2572947 А1, заявители JTEKT Corp, опубл. 26.10.2016).
Основным недостатком способа является приближенность определяемого значения коэффициента трения скольжения колес ТС, сложная процедура обработки данных с датчиков ТС и применимость метода только в условиях неоднородности дорожного покрытия.
Известен способ определения коэффициента трения скольжения колес на основе базы данных, в котором информация о текущем коэффициенте трения скольжения колес, геометрических особенностях участка, координатах и времени принимается от других транспортных средств в виде базы данных (см. заявку на патент США US 20170357669 А1, заявитель Robert Bosch GmbH, опубл. 14.12.2017).
Основным недостатком способа является необходимость наличия приемо-передающих устройств в ТС, значительный объем полученной и переданной информации и вопрос об актуальности этой информации.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения коэффициента трения дорожного покрытия. Известен способ идентификации максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес ТС путем регистрации сигналов, формируемых датчиками первичной информации о физических переменных, характеризующих состояние колес, и передачи их в блок обработки информации, в котором определяют оценки максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес. В рассматриваемом способе, коэффициенты трения скольжения колес определяются при пересчете частот вращения колес от ABS-датчиков в скорости скольжений колес и другие величины, необходимые для расчета коэффициентов трения скольжения каждого из колес. Средний коэффициент трения определяется при использовании весовой функции для коэффициентов трения всех колес, (см. патент Японии JP 2004025907 A, заявители Koji Takao, опубл. 01.10.2008).
Недостатком способа является неопределенность выбора весового коэффициента для каждого из усредненных значений итогового коэффициента трения скольжения.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в косвенных измерениях максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес транспортного средства.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе идентификации максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес транспортного средства, путем регистрации сигналов, формируемых датчиками первичной информации о физических переменных, характеризующих состояние колес, и передачи их в блок обработки информации, в котором определяют оценки максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес, вначале регистрируют импульсы, формируемые датчиками частот вращения колес, которые используются в качестве датчиков первичной информации о физических переменных, характеризующих состояние колес ТС, и подают их на вход блока обработки информации, в котором по значениям частот вращения колес определяют в реальном времени максимальные значения коэффициентов трения скольжения колес как результат решения обратной задачи кусочно-линейной аппроксимации зависимости коэффициентов трения скольжения от скольжения, параметрически связанной с максимальным значением коэффициента трения скольжения на всех участках аппроксимации, на выходе блока обработки информации формируют сигнал с информацией о максимальных значениях коэффициентов трения скольжения колес и передают на средство визуального отображения информации и на внешние блоки управления движением для использования в качестве входных данных для обеспечения безопасного управления тягой, тормозами и рулем.
Технический результат состоит в получении максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес ТС, которые могут быть использованы для повышения безопасности движения ТС.
Способ идентификации максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес транспортного средства путем регистрации сигналов, формируемых датчиками первичной информации о физических переменных, характеризующих состояние колес, и передачи их в блок обработки информации, в котором определяют оценки максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес, отличающийся тем, что регистрируют импульсы, формируемые датчиками частот вращения колес, которые используются в качестве датчиков первичной информации о физических переменных, характеризующих состояние колес ТС, и подают их на вход блока обработки информации, в котором по значениям частот вращения колес определяют в реальном времени максимальные значения коэффициентов трения скольжения колес, как результат решения обратной задачи кусочно-линейной аппроксимации зависимости коэффициентов трения скольжения от скольжения, параметрически связанной с максимальным значением коэффициента трения скольжения на всех участках аппроксимации, на выходе блока обработки информации формируют сигнал с информацией о максимальных значениях коэффициентов трения скольжения колес и передают на средство визуального отображения информации и на внешние блоки управления движением для использования в качестве входных данных для обеспечения безопасного управления тягой, тормозами и рулем.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
s
На фиг. 1 приведено семейство кривых зависимости коэффициентов трения скольжения k от величины продольного скольжения S.
m
На фиг. 2 приведена зависимость  от скорости V на различных покрытиях.
Фиг. 3 содержит алгоритм работы вычислительного блока максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес ТС.
s
s
s
Предложение поясняют рисунки, где на фиг. 1 приведено семейство зависимости коэффициентов трения скольжения k от величины продольного скольжения S, представленных в виде нечетных функций k(S)=-k(-S) для различных поверхностей с максимальными значениями .
Опыт, накопленный в результате исследований свойств шин, показывает, что в условиях реальной эксплуатации величины коэффициентов трения скольжения  (1≤i≤4 для 4-х колесной схемы) шин и передаваемые силы при разгонах, торможениях и поворотах, существенно зависят от целого ряда определенных факторов и могут изменяться в достаточно широких пределах.
К числу основных факторов, существенно влияющих на , относятся:
- скорости продольного скольжения шины;
- состав резиновой смеси материала протектора шины;
- глубина и форма рисунка протектора шины;
- температура шины и поверхности дорожного покрытия;
- ширина профиля шины;
- давление воздуха в шине;
- состояние поверхности дорожного покрытия;
- глубина водного слоя на поверхности дорожного покрытия;
- скорость продольного движения центра масс автомобиля.
Диапазон изменений максимальных значений коэффициентов трения скольжения  современных шоссейных шин ограничен сверху величиной порядка 1, 2 для сухого асфальтобетона, а для сликов может доходить до значений 1,8 и более, снизу эти значения ограничены величиной порядка 0,05 в случае движения по таящему льду. В режиме аквапланирования величина  может снижаться практически до нулевых значений.
m
На фиг. 2 приведена зависимость  от скорости V на различных покрытиях.
Изменения  сопровождаются соответствующими изменениями граничной скорости пробуксовок ведущих колес, граничных скоростей заноса и сноса колес задней и передней осей, граничных значений безопасных дистанций между попутными ТС и тормозного пути.
Идентификация коэффициентов трения скольжения заключается в формировании адекватных оценок  максимальных значений коэффициентов трения скольжения в соответствии с третьим законом Ньютона и основана на уравнении равенства тягово-тормозных сил и сил трения скольжения.
Fi - тягово-тормозная сила, воздействующая на i-e колесо;
Ni
F - нормальная составляющая динамической нагрузки на i-e колесо;
Si
k - коэффициент трения скольжения i-го колеса.
Sdi
Sqi
Коэффициенты трения скольжения в продольных k и поперечных k направлениях связанные между собой ограничением "круга Камма":
- топовое (максимальное) значение коэффициента трения скольжения i-го колеса.
Фиг. 3 содержит вычислительный блок алгоритма максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес ТС, реализующий следующие действия способа:
1 - ввод данных настроечных параметров математической модели ТС;
2 - ввод данных о частотах вращения колес;
3 - вычисление параметров движения ТС;
4 - вычисление нормальных составляющих динамической нагрузки на каждое колесо;
5 - вычисление тягово-тормозных сил, воздействующих на каждое колесо;
6 - решение обратной задачи кусочно-линейной аппроксимации коэффициента трения скольжения;
7 - фильтрация оценок максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес;
8 - вывод данных на внешние устройства.
Ввод настроечных данных параметров математической модели ТС и используемых шин выполняют однократно при настройке системы в случаях внесения изменений, например, при замене шин с летних на зимние или наоборот.
Изменения сезонных настроек параметров используемых шин выполняют автоматически при вводе команд «Лето» или «Зима» с устройства ввода данных.
Сигналы, формируемые импульсными датчиками частот вращения колес ТС, регистрируют и передают их через блок сопряжения в блок обработки информации.
m
m
q
с
i
В блоке вычисления параметров движения колесного ТС по известному способу косвенных измерений (Патент РФ №2335805 «Способ предотвращения столкновения автомобиля с препятствиями и система для его осуществления») определяют скорость центра масс ТС (V), продольные и поперечные ускорения (a, a), угол поворота управляемых колес (ϕ) и продольные скольжения колес (S, 1≤i≤4).
В блоке вычислений нормальных составляющих динамических нагрузок вычисляют значения нагрузок на колеса.
Ni
Нормальные составляющие нагрузки на i-е колесо F определяют в виде:
1
2
3
4
m, m, m, m - массы, приходящиеся соответственно на переднее левое (i=1), переднее правое (i=2), заднее левое (i=3) и заднее правое (i=4) колесо; q - ускорение свободного падения;
O
m - суммарная масса автомобиля;
dT
d
Т
a=(a-а) - продольное тягового-тормозное ускорение центра масс;
- тяговое ускорение центра масс;
di
F, 1≤i≤4, - тяговая сила, приложенная к i-му колесу;
- тормозное замедление центра масс;
Ti
F, 1≤i≤4, - тормозная сила, приложенная к i-му колесу;
- поперечное ускорение центра масс;
m
R - радиус поворота;
m
b - колесная база; a - ширина колеи; h - высота центра масс;
d
R - динамический радиус колес;
Т
а - угол тангажа;
k
β - угол крена дорожного покрытия;
z1
z2
z3
z4
k, k, k, k - коэффициенты аэродинамического сопротивления по вертикальной оси;
m
V - продольная скорость центра масс.
q
Т
k
В условиях движения, близкого к прямолинейному (a≈0) на горизонтальной гладкой поверхности, без продольных (а≈0) и поперечных уклонов (β≈0) дорожного покрытия и антикрыльев, систему уравнений (3) использует для вычисления нормальных составляющих нагрузки на каждое колесо.
dT
Величину тягово-тормозного ускорения a определяют из уравнения второго закона Ньютона в виде:
x
где: k - коэффициент лобового аэродинамического сопротивления;
тр
k - коэффициент трения качения шин.
m
m
x
тр
o
Т
dT
Величины a и V, входящие в вектор параметров движения, измеряют по данным частот вращения колес, значения k, k и m вводят как параметры настройки. В условиях движения по поверхностям, близким к горизонтальным (а≈0), величина a определяется однозначно.
di
Ti
Распределение тяговых F и тормозных сил F по колесам (1≤i≤4) задается уравнениями:
3i
K - коэффициенты усиления i-го тормоза;
- управляющее воздействие на тормозную систему;
Т
Р - давление в тормозной системе;
Tmax
P - максимальное давление в тормозной системе.
3
dT
Величину U определяют по данным измерения a в виде:
min
a - минимальное значение замедления при торможении с не отключенной трансмиссией, задаваемое в настроечных данных;
max
a - максимальное значение замедления.
Зависимость коэффициента трения скольжения в продольном направлении от величины продольного скольжения  колеса аппроксимируют кусочно-линейной функцией вида:
Гр1
Гр2
Гр1
Гр2
Е, S, S - параметры настройки для используемых моделей шин в условиях летней и зимней эксплуатации (например, Е=0.005, S=0.15, S=0.3);
0
0
0
0
а, b, - вещественные числа, задаваемые при настройке кусочно-линейной аппроксимации (например, а=0.25, b=5.0).
Si
Текущие значения коэффициентов трения скольжения k определяют из уравнения (1) 3-го закона Ньютона, соответствующих равенству действующих на колеса внешних сил и сил трения скольжения.
si
i
Оценки максимальных значений коэффициентов трения скольжения  в дискретном времени определяют как решение обратной задачи кусочно-линейной аппроксимации k (S):
dT
Оценки максимальных (топовых) значений коэффициентов трения скольжения ведомых колес не определяют в режимах разгона и движения с постоянной скоростью (a>0) и устанавливают равными оценкам ведущих колес одного борта  и .
Фильтрацию оценок максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес с целью ограничения влияния шумов измерения на результаты, выполняют по известным алгоритмам ограничений по допустимому диапазону и гладкости по ограничениям по первой и второй производной.
Итоговая оценка максимального значения коэффициентов трения скольжения колес определяется в виде:
Вывод данных на внешнее устройство выполняют, например, на устройство визуального отображения информации и/или на блоки управления движением для использования в качестве входных данных для обеспечения безопасного управления, тягой, тормозами и рулем.
Рассмотренный алгоритм идентификации максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес был реализован программно для задач управления автомобилем и зарегистрирован в Роспатенте (См. свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2007610818 «Идентификация максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес автомобиля», 2007).
Описанная последовательность действий способа и используемое для его реализации минимальное число технических средств позволяет достичь следующих технических преимуществ над известными способами:
- идентификация максимальных значений коэффициентов трения скольжения шин выполняется при разгонах, движении с постоянной скоростью и торможениях;
- низкая стоимость технических средств, обусловленная отсутствием введения дополнительных физических датчиков первичной информации, необходимых для решения задачи;
- возможность функционирования в неполной конфигурации датчиков частот вращения колес, включая отказы одного или двух датчиков разных бортов автомобиля;
- пониженное энергопотребление, обусловленное отсутствием дополнительных датчиков информации;
- более высокая эксплуатационная надежность, обусловленная минимальной конфигурацией используемых технических средств, включая датчики первичной информации;
- отсутствие влияния состояния внешней среды, включая освещенность, осадки, туман и прочее, на эффективность функционирования системы.
На основании изложенного можно утверждать следующее.
Поставленная техническая задача решается техническими средствами и может быть использована в предложенном виде для оснащения как новых транспортных средств, так и транспортных средств, находящихся в эксплуатации в народном хозяйстве, следовательно, предложение соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».
Предложение имеет отличия от известного способа работы, следовательно, соответствует критерию изобретения «новизна».
Предложение при выполнении всех известных и новых действий способа позволяет достичь новых, ранее неизвестных технических результатов, следовательно, соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».