Оценка степени герметичности кузовов автомобилей

УДК 629.01

Ю.И. Палутин

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КУЗОВОВ АВТОМОБИЛЕЙ

Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия

Выведены два критерия, позволяющие производить сравнительную оценку степени герметичности кузовов различных автомобилей. Введено понятие эффективных площадей неплотностей, позволяющее получать количественную оценку уровня герметичности кузовов автомобилей. Приведены полученные расчетным путем значения допустимых и предельных уровней герметичности кузовов.

Ключевые слова: критерии герметичности, эффективная площадь неплотностей, допустимый уровень герметичности.

Критерии оценки степени герметичности кузовов автомобилей

Одной из причин, сдерживающих развитие работ, направленных на повышение герметичности кузовов отечественных автомобилей, является отсутствие объективного критерия, который позволял бы как оценивать эффективность направленных на это мероприятий, так и проводить сравнение между собой герметичности кузовов различных моделей автомобилей. Анализ применяющихся в настоящее время в различных областях науки и техники подобных сравнительных оценок показывает, что они в обязательном порядке являются относительными величинами, причем чаще всего подобные критерии безразмерны. Кроме того, наиболее удачны из них те, которые включают в себя полный набор величин, характеризующих сравниваемые параметры.

Из рекомендуемых в ГОСТ 24054-80 [1] способов определения степени герметичности изделий наиболее полную её оценку можно получить путём измерения падения величины давления в единицу времени, с помощью которой не только оценивается протекание газа или жидкости через неплотности изделия, но и определяется их влияние на состояние параметров среды, заполняющей изделие. Однако для автомобилей, кузова которых малогерметичны, такой метод явно не подходит. Падение давления в них будет происходить за слишком короткий отрезок времени.

Для автомобилей самым приемлемым способом определения степени герметичности является измерение расхода воздуха, поступающего в салон, и величины создаваемого в результате этого подпора давления. Определяющими величинами при этом являются количество воздуха, подаваемого в салон, величина возникающего в салоне подпора давления и плотность воздуха, характеризующая его физические свойства.

Однако оценка герметичности только по этим трем параметрам приводит к получению критерия, который не учитывает размеры салона автомобиля, что явно снижает его ценность, так как равноценное количество неплотностей в кузовах автомобилей, имеющих разные по объёму салоны, оказывает на качество их воздушной среды различное влияние. С помощью такого критерия невозможно сравнивать между собой по герметичности различные модели автомобилей. В критерий, оценивающий степень герметичности кузова, должен в обязательном порядке входить характерный размер салона или величина, учитывающая количество воздуха в нём. В качестве подобной величины можно использовать и площадь поверхности всех ограждающих панелей салона, и величину внутреннего его объема. Найдем и проанализируем оценочный критерий с использованием каждой из этих величин.

В качестве определяющих герметичность салонов автомобилей величин используем следующие пять параметров:

© Палутин Ю. И., 2011.

Ж,АР,р,Ус Л.

где Ж - воздухообмен салона; АР - перепад между наружными и внутренним давлением; р -плотность воздуха; ¥с - внутренний объем салона; ^ - площадь ограждающих панелей салона.

Для поиска безразмерного соотношения определяющих герметичность салона величин воспользуемся теорией размерностей. В соответствии с её л-теоремой из пяти определяющих величин при трех основных физических величинах можно получить две безразмерные их комбинации. Расчет показывает, что одна из этих комбинаций при выборе в качестве размерной характеристики салона его объема представляет собой следующее выражение:

Ж -р05

К =-ЖгР-.

у/з .ар05

Другая комбинация при выборе в качестве характерного размера салона величины площади всех ограждающих салон панелей выглядит следующим образом:

Ж -р0 5

кК = * р ^ .

К К -АР05 ^

Безразмерную комбинацию величин (2) обозначим символом Ку и назовем её степенью герметичности (объемной), а безразмерную комбинацию величин 3 - символом КК и назовем её степенью герметичности (поверхностной).

Если проанализировать выражение (2), представляющее собой степень герметичности (объемную), то первый член его числителя является величиной объемного расхода воздуха, подаваемого в салон, а первый член знаменателя - корнем кубическим из величины внутреннего объема салона, возведенной во вторую степень; отношение же этих величин представляет собой определенную долю кратности воздухообмена салона автомобиля. Поэтому физический смысл выражения (2) заключается в том, что оно оценивает ту часть воздуха, выраженную в долях кратности воздухообмена, которая приходится на одну единицу величины давления, поддерживаемого в салоне при данном расходе воздуха.

Если с выражением (3) провести следующие преобразования:

К КгТАР К Гк

к„ = * £ = Л/2— Ж -К*

К -

\ р

= ,

2-АР Ж

Т

где - ЖТ теоретически возможный воздухообмен, то из полученного выражения видно, что степень герметичности (поверхностная) представляет собой отношение действительного количества воздуха, выходящего из салона через неплотности под действием перепада давления АР, к теоретически возможному количеству воздуха, которое могло бы проходить через площадь, равную сумме площадей всех панелей, ограждающих салон, под действием перепада давления, равного АР, при полном отсутствии какого-либо гидравлического сопротивления данному движению. Отношение действительного количества воздуха, проходящего через какое-либо сопротивление, к теоретически возможному количеству воздуха, проходящего при полном отсутствии сопротивления, представляет собой коэффициент расхода воздуха через данное сопротивление [3]. Поэтому физический смысл степени герметичности (поверхностной) равноценен физическому смыслу коэффициента расхода воздуха, проходящего через сечение, равное площади всех поверхностей кузова автомобиля, под действием перепада давления, равного АР.

Оба полученные коэффициента, позволяют сравнивать между собой герметичность кузовов различных автомобилей. Оба коэффициента несут много информации о герметичности автомобилей и потому будут полезны в качестве сравнительной оценки герметичности различных автомобилей.

Понятие эффективной площади неплотности

Для получения более полного представления о сущности оценочных критериев герметичности салонов автомобилей раскроем значение величины воздухообмена. Будем считать при этом, что воздух несжимаем. Учитывая, что герметичность салона автомобиля определяют на неподвижном автомобиле, примем, что давление снаружи на все части кузова одинаковое. Давление по всему салону внутри него также будем считать одинаковым.

Для определения величины воздухообмена воспользуемся общеизвестным уравнением, описывающим расход жидкости или газа через какое-либо отверстие, в том числе и через неплотность [3]:

W = v - F •

2AP

Р

где Щ - воздухообмен через отдельную неплотность; дг- - коэффициент расхода воздуха через неплотность; ¥ - площадь отдельной неплотности.

На основе (5) для кузова автомобиля, имеющего обычно большое количество отверстий и неплотностей, суммарный расход воздуха через них можно описать следующим образом:

W = XW =

i=1

2AP n --X V F,

Р i=i

где - п количество отверстий и неплотностей.

Если в выражениях (2) и (3) с помощью уравнения (6) раскрыть значение величины расхода воздуха, подаваемого в салон, и провести с ними следующие преобразования:

w-УР _i

k =. _

v V23-л/Ap

2-AP " n

--P-XV • F, Xv,  F

Р '=1 - = 42 м

v 23 - tap

2/

V/3

w-VP _j

kp fk-4ap

2-Ap

P

-P-XVi - Fi XVi - F

1=1 - = 42 - ^

fk -jap

f

k

то из полученных выражений видно, что в знаменателе обоих коэффициентов находится член, характеризующий величину салона, а числителем является сумма произведений величины каждой площади неплотности кузова на величину коэффициента расхода через неё воздуха. Рассмотрим физический смысл суммы данных произведений.

Коэффициент расхода воздуха д, входящий в произведение д^, представляет собой известное отношение [3]:

Ж

Д =

W

т .

n

n

показывающее, какая часть от того теоретически возможного количества воздуха, которое могло бы проходить через отверстие, если бы не было гидравлических потерь, действительно через него проходит. Отсюда произведение площади отверстия на коэффициент расхода че-

рез него воздуха представляет собой ту часть его площади, которой было бы достаточно для прохождения, поступившего через данное отверстие воздуха, если бы он проходил без гидравлических потерь, то есть он показывает, насколько эффективно используется площадь отверстия для прохождения воздуха.

Соответственно, сумма произведений каждой площади неплотности на коэффициенты расхода через неё воздуха представляет собой ту часть суммарной площади всех неплотностей кузова, через которые мог бы пройти весь воздух, если бы он проходил через них без потерь. Поэтому произведение д - F можно назвать эффективной площадью отверстия или неплотности, а сумму этих произведений Е д ^ для кузова автомобиля - суммарной эффективной площадью неплотностей [4].

Величину суммарной эффективной площади неплотностей можно использовать в качестве критерия, позволяющего оценивать величину общей герметичности кузова автомобиля, так как её значение достаточно полно характеризует величину неплотностей кузова. Отношение этой величины к величине внутреннего объёма салона или к величине площади всех ограждающих салон панелей, как это следует из выражений (7) и (8), позволяет получить сравнительную объективную оценку степени герметичности кузова автомобиля.

В странах с развитой автомобильной промышленностью для оценки герметичности кузовов нашло применение понятие эффективной площади эквивалентного сечения неплотностей кузова. Если сравнить данное понятие с предлагаемым понятием эффективной площади неплотностей, то выясняется, что они равнозначны. Однако понятие эффективной площади неплотностей кузова более полно отражает физическую сущность движения через них воздуха, поэтому привлекать для него менее понятное название эквивалентного сечения, по-видимому, не имеет смысла.

Сравнительные оценки герметичности кузовов необходимо получать при фиксированных значениях внутреннего давления. Так, при сравнении между собой герметичности кузовов различных автомобилей можно рекомендовать для получения величины степени герметичности кузова давление в салоне, равное 150 Па. В пользу данной величины свидетельствует тот факт, что такого давления в салоне при экспериментальных исследованиях можно достаточно легко достичь даже в не очень герметичном кузове автомобиля. Значение коэффициента расхода воздуха при данном значении перепада давления, как показывают экспериментальные исследования, практически у всех неплотностей является почти постоянной величиной, очень мало изменяющейся при дальнейшем увеличении давления в салоне.

Экспериментальное определение величины эффективных площадей неплотностей

Согласно уравнениям (5) и (6) для оценки воздухообмена через любые отверстия, в том числе и через неплотности, необходимо иметь значения их площадей, коэффициентов расхода воздуха, перепадов давлений и плотности воздуха. Так как величины перепадов давлений и плотности воздуха обычно задаются исходя из условий стоящей задачи, то при расчёте воздухообмена через неплотности кузова автомобиля неизвестными величинами являются площади неплотностей и коэффициенты расходов через них воздуха. Теоретическое определение значений данных величин в настоящее время невозможно. Причём определение значений каждой из этих двух величин по отдельности для большинства неплотностей даже экспериментальными методами является чаще всего не решаемой задачей. Однако значения произведения этих величин, которое является ни чем иным, как эффективной площадью неплотности, определяется очень легко. Для этого достаточно использовать следующее уравнение, полученное из уравнения (5):

кузовов автомобилей

Уравнение для определения суммарной величины эффективных площадей всех неплотностей кузова, полученное из уравнения (6), выглядит следующим образом:

П Ж

ЕдК =^==.

I=1

Л

2-АР

р

Как видно из уравнений (10) и (11), экспериментальное определение величин эффективной площади отдельных неплотностей и суммарной величины эффективных площадей всех неплотностей кузова не представляет особых трудностей. Для этого необходимо с определённым расходом осуществить подачу воздуха в салон, измерить возникший при этом подпор давления и расчетным путем определить величину суммарной эффективной площади неплотностей.

Величина эффективной площади отверстия не зависит от значений физических параметров воздуха, однако от изменений перепада давлений имеет определённую зависимость. При малых значениях перепада давления при его возрастании значение эффективной площади также возрастает, причём очень быстро. Но после превышения величины перепада давления определенного значения, конкретного для каждого отверстия или неплотности, величина эффективной площади становится постоянной, не изменяющей своего значения при дальнейшем возрастании значений перепадов давлений.

Оценка минимально необходимой герметичности кузовов автомобилей

Возможность проводить расчет воздухообмена через неплотности позволяет провести оценку той минимальной герметичности, которой должен обладать кузов автомобиля, чтобы в нем можно было создать комфортные условия для человека. Для этого необходимо, воспользовавшись уравнением (11), подставить в него значение максимального воздухообмена, который должна обеспечивать вентиляционная система автомобиля, и величину подпора давления, которую необходимо поддерживать в салоне. В результате будет получено то значение суммарной величины эффективных площадей всех неплотностей кузова, превышение которой на реальном автомобиле не позволит его вентиляционной системе поддерживать в салоне запроектированное давление.

В табл. 1 даны результаты проведенных автором подобных расчётов для различных моделей автомобилей. При этом в качестве допустимого взят воздухообмен для легкового автомобиля малого класса, равный 500 м3/ч [5], для легкового автомобиля среднего класса -равный 600 м3/ч, для автобуса, имеющего два ряда двухместных сидений и высоту потолка в пределах 1900 - 2000 мм, равный - 2000 м3/ч, для кабины грузового автомобиля - равный 300 м3/ч.

В качестве предельного взят воздухообмен для легкового автомобиля малого класса, равный 1000 м3/ч, для легкового автомобиля среднего класса - равный 1200 м3/ч, для автобуса равный - 4000 м3/ч, для кабины грузового автомобиля - равный 600 м3/ч. В качестве величины внутреннего давления в салоне автомобиля выбран подпор давления, равный 150 Па. Данная величина подпора выбрана исходя из того, что такой подпор является вполне реальной, уже достигаемой величиной (Мерседес-Бенс 260Е) и при нем может быть обеспечена защита салона от проникновения, например, через неплотности днища, задней и нижней части боковых панелей автомобиля, вредных веществ до скоростей движения, превышающих 180 км/ч.

Для сравнения значений расчётных величин (табл. 1) с реально существующими величинами суммарных эффективных площадей неплотностей и вытяжных лючков на современных автомобилях в табл. 2 приведены экспериментально определенные автором значения суммарных эффективных площадей неплотностей и вытяжных лючков при подпоре давления в салоне, равном 150 Па. Кроме того, даны значения производительности вентиляцион-

ных установок и подпоров давления в салоне, создаваемого вентиляционными установками некоторых отечественных и зарубежных автомобилей на стоянке.

Таблица 1

Максимально допустимые и предельные значения суммарных площадей неплотностей

и вытяжных отверстий, см2

Легковой Легковой

автомобиль автомобиль Автобус Грузовой

Воздухообмен малого среднего автомобиль

класса класса

2 Допустимый 90 108 360 45

3 Предельный 180 216 720 90

Таблица 2

Суммарные эффективные площади неплотностей и вытяжных лючков при подпоре давления, равном, 150 Па, производительность вентиляционной установки и подпор давления

в салоне на стоянке

Марка автомобиля Суммаэффективных площадей неплотностей и вытяжных лючков, 2 см Производительность вентиляционой установки, м3/ч Подпор давления в салоне, Па

2 МЕРСЕДЕС-БЕНС 260 Е 100+7 570+28 150

3 ФОРД-СКОРПИО 100+7 510+25 125

4 АУДИ-200 112+8 450+22 80

5 ГАЗ-3102 136+11 290+15 20

6 ГАЗ-3105 150+14 450+22 40

7 УАЗ-3151 (УАЗ-469) 196+19 200+10 5-10

8 УАЗ-39621 (санитарный) 236+24 в кабине 280 в салоне 210 20

9 ГАЗ-3307 66+3,5 200+10 40

1 ГАЗ-3302 95+7 320+16 50

1 КавЗ-3270 342+35 - -

Сравнение данных, приведенных в табл. 1 и 2, показывает, что у легковых автомобилей Мерседес-Бенс 260Е и Форд-Скорпио сумма величин эффективных площадей неплотностей вместе с величинами площадей вытяжных проемов обеспечивают высокий подпор давлений в салоне даже при величине воздухообмена меньше допустимого. При допустимой величине воздухообмена значение подпора давления в салоне этих автомобилей будет явно выше 150 Па. На автомобиле Ауди-200 сумма величин эффективных площадей неплотностей и вытяжных лючков несколько превышает допустимую величину суммарных эффективных площадей неплотностей и вытяжных лючков, приведённую в табл. 1. Соответственно, величина воздухообмена в 450 м3/ч, создаваемая его вентиляционной системой на стоянке, позволяет поддерживать подпор давления в салоне хотя и достаточно высокий, но все же на уровне только в 80 Па. Во всех остальных автомобилях величины суммарных эффективных площадей неплотностей их кузовов намного ниже допустимых, приведенных в табл. 1, соот-

ветственно, подпоры давлений, создаваемых в их салонах вентиляционными системами, далеки по величине от необходимых значений.

Приведённые примеры наглядно показывают, насколько существенные результаты можно получить при использовании понятия эффективной площади отверстий и неплотностей кузова автомобиля.

Библиографический список

1. ГОСТ - 24054 - 80. Методы испытаний на герметичность. Общие требования. - М.: Госкомитет СССР по стандартам: Издательство стандартов, 1982.

2. Палутин, Ю.И. Способ определения степени герметичности изделий / Ю. И. Палутин [и др.]. Авторское свидетельство СССР N 1796949 G 01 М 3/26 от 8.10.92 г.

3. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е.Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

4. Пат. РСФСР RU N 2042108 Способ измерения величин площадей неплотностей / Палутин Ю. И. С1 6 О 01 В 13/20; опубл. 16.02.1993.

5. Палутин, Ю.И. Требуемый воздухообмен салона автомобиля. Улучшение технико-эксплутационных показателей мобильной техники / Ю.И. Палутин [и др.] // Материалы 13-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья. Нижний Новгород, 2003. С.195-198.

Дата поступления в редакцию 25.04.2011

Yu. I. Palutin

CRITERION OF HERMETIC AUTOMOBILE BODIES

This article shows two criteria helping estimate hermetic bodies of different automobiles. It also introduces the determination "effective space of incompactness" and lists the possible levels of hermetic bodies.

Key words: criteria of hermetic automobile bodies; effective space of incompactness; possible levels of hermetic bodies.

УДК 629.113

12 3 1

A.M. Грошев , В.В. Михайлов , В.А. Никольский , A.B. Тумасов

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОРМОЗНЫХ СВОЙСТВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева 1, ООО Торгово-производственное предприятие «ПЕЛЕНГ» 2, НП Институт сертификации автомототехники 3

Описаны принципиальные схемы программно-аппаратных комплексов, позволяющих оценивать тормозные свойства транспортных средств с пневматической и гидравлической тормозными системами в лабораторных условиях по результатам имитационного моделирования.

Ключевые слова: имитационное моделирование, программно-аппаратный комплекс, тормозные свойства, транспортное средство.

Исследование свойств активной безопасности, в том числе тормозных свойств, является важной задачей на этапах проектирования, доводки и сертификации транспортных средств (ТС). Все большее значение при выполнении работ, направленных на повышение активной безопасности ТС, приобретает имитационное моделирование, представляющее процесс конструирования на ЭВМ модели сложной реальной системы, функционирующей во времени, и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы [1]. Имитационные модели транспортных средств и систем могут быть использованы для оценки их эксплуатационных свойств, определения возможных способов совершенствования их конструкций, оценки влияния определенных конструктивных изменений на управляемость, устойчивость и тормозные свойства.

В последнее время наиболее перспективным является проведение имитационного моделирования движения ТС с использованием программно-аппаратных комплексов (ПАК), включающих в себя реальные компоненты автомобиля, специальный измерительный комплекс, современное программное обеспечение. Такой подход позволяет моделировать поведение транспортных средств с учетом особенностей работы реальных агрегатов и блоков управления [2].

Следует отметить, что применение ПАК имеет важное практическое значение, например, Правилами ЕЭК ООН №13-11 [3], принятыми 10 сентября 2009 г. постановлением Правительства Российской Федерации №720 в составе Технического регламента о безопасности колесных транспортных средств, допускается оценка движения ТС, оснащенного системой электронного контроля устойчивости (ЭКУ), как по результатам натурных испытаний, так и по результатам имитационного моделирования [4]. В связи с этим, оценка эффективности системы ЭКУ с помощью ПАК имеет хорошие перспективы, поскольку полученные результаты могут быть реализованы на практике не только в виде конкретных конструкторских решений, но также использованы при сертификации ТС.

На рис. 1 показана схема ПАК, используемого специалистами компании «Кнорр-Бремзе» при проведении исследовательских работ и позволяющего оценивать эксплуатационные свойства большегрузных транспортных средств.

На стенде могут быть размещены реальные агрегаты пневматической тормозной системы автобуса или тягача и прицепа / полуприцепа. Все агрегаты соединяются между собой соответствующими трубопроводами. Тормозная система питается сжатым воздухом и по-

© Грошев А.М., Михайлов В.В., Никольский В.А., Тумасов А.В., 2011.

средством органов управления (главного многосекционного тормозного крана и крана стояночной тормозной системы) приводится в действие.

а) б)

Рис. 1. ПАК для имитации движения большегрузных ТС

а - стенд с реальными агрегатами тормозной системы; б - виртуальная модель ТС

На рис. 2 показана принципиальная схема аналогичного стенда, разработанная специалистами НГТУ им Р.Е. Алексеева, на котором установлена тормозная система грузового автомобиля с антиблокировочной системой (АБС) и противобуксовочной системой (ПБС). На компьютере (поз. 1) установлено специальное программное обеспечение, которое позволяет создавать модель ТС, учитывающую основные конструктивные особенности: геометрические и инерционные характеристики узлов и агрегатов, характер распределения массы по осям, высоту центра тяжести ТС, параметры двигателя, трансмиссии, подвески, колес, шин и др. При имитационном моделировании может рассматриваться как нагруженное, так и порожнее состояние транспортного средства, при этом в нагруженном состоянии учитываются масса перевозимого груза, характер распределения массы и высота его центра тяжести.

Программное обеспечение позволяет сымитировать дорожные условия (микро- и макропрофиль дороги, коэффициент сцепления шин ТС с полотном пути, направление и скорость ветра), а также действия водителя (управляющее воздействие на органах управления). Таким образом, учитываются основные факторы, воздействующие на траекторию движения ТС, способные привести к потере устойчивости или возможному опрокидыванию.

В процессе моделирования движения модель ТС начинает разгоняться и двигаться по определенной траектории. В том случае, если имитируется процесс торможения, то сигнал о начале торможения через преобразователь сигналов (поз. 2) передается на исполнительные цилиндры (поз. 15 и 17), способные привести в действие главный тормозной кран (служебное торможение) и кран стояночного тормоза (аварийное торможение). В то же время сигнал с компьютера передается на электронный блок управления тормозной системой (поз. 14), который получает информацию об угловой скорости вращения «виртуальных» колес модели ТС. Электронный блок анализирует данные о движения автомобиля и управляет режимами работы модуляторов системы АБС (поз. 10), контролируя тем самым давление в тормозных механизмах передней и задней оси.

Штоки тормозных камер (поз. 11 и 19) упираются в специальные упругие элементы, называемые имитаторами тормозных механизмов (поз. 12). При этом характеристики упругих элементов подбираются таким образом, чтобы характеристика имитатора (зависимость усилия сжатия от деформаций) наиболее полным образом соответствовала характеристике реального тормозного механизма. В качестве таких имитаторов могут использоваться резиновые цилиндрические буферы либо стальные пружины.

При срабатывании тормозной системы, в результате нарастающего давления, штоки тормозных камер совершают поступательное движение, которое фиксируется датчиками абсолютных перемещений (поз. 13). Сигнал с датчиков передается в компьютер, где с помощью специальных алгоритмов определяется величина тормозного момента, создаваемого на том или ином колесе модели ТС. После этого на мониторе компьютера отображается пове-

дение ТС с учетом работы агрегатов тормозной системы. Затем процесс передачи данных, характеризуемый относительно высокой скоростью передачи сигналов, повторяется.

Рис. 2. Принципиальная схема ПАК

1 - компьютер с ПО и виртуальной моделью ТС; 2 - преобразователь сигналов (ЬАБСАЯ); 3 - компрессор; 4 - ресивер; 5 - модуль подготовки воздуха (осушитель, регулятор давления, многоконтурный защитный клапан); 6 - ресивер переднего контура тормозной системы; 7 - ресивер заднего контура тормозной системы; 8 - ресивер стояночной тормозной системы; 9 - клапан регулирования давления противобуксовочной системы; 10 - модулятор (клапан контроля давления); 11 - тормозная камера; 12 - имитатор тормозного механизма (пружина либо резиновый буфер); 13 - датчик перемещения штока тормозной камеры; 14 - электронный блок управления; 15 - исполнительный пневмоцилиндр, воздействующий на главный тормозной кран; 16 - главный тормозной кран; 17 - исполнительный пневмоцилиндр, воздействующий на кран стояночной тормозной системы; 18 - кран стояночной тормозной системы; 19 - тормозная камера с энергоаккумулятором; 20 - ускорительный клапан; 21 - клапан управления тормозами прицепа; 22 - питающая соединительная головка; 23 - управляющая соединительная головка; 24 - регулятор давления исполнительных пневмоцилиндров; 25 - двухмагистральный защитный клапан

Программно-аппаратные комплексы, предназначенные для оценки тормозных свойств транспортных средств с гидравлическими тормозными системами, несколько отличаются от ПАК, показанных на рис. 1 и 2.

Например, имитационный стенд-тренажер, разработанный специалистами ВолгГТУ [5, 6] и предназначенный для проведения виртуальных испытаний тормозных систем легковых автомобилей, включает в себя три соединенных между собой персональных компьютера, реальные компоненты тормозной системы легкового автомобиля, устройство для имитации воздействий на рулевое колесо, устройство сопряжения объектов, энергетическую и измерительную системы. Для исследования характера движения в режиме торможения на имитационном стенде-тренажере перед водителем установлен монитор, при этом на персональном компьютере реализуется построение и отображение дорожной обстановки и динамики изменения дорожной ситуации.

На рис. 3 показана функциональная схема аналогичного ПАК, разработанного специалистами НГТУ им Р.Е. Алексеева и ООО ТПП «ПЕЛЕНГ», предназначенного для оценки эффективности гидравлических тормозных систем ТС, оснащенных системами ЭКУ.

Рис. 3. Функциональная схема ПАК для испытаний тормозных гидравлических систем с ЭКУ

ПАК состоит из вычислительной и физической частей. Вычислительная часть представляет собой две электронные вычислительные машины: головную и целевую. Головная ЭВМ реализует пространственную математическую модель криволинейного движения ТС с использованием среды прикладного графического программирования. Специальное программное обеспечение позволяет моделировать конструктивные параметры ТС, дорожные условия и управляющие воздействия водителя, которые могут быть либо заданы заранее, либо осуществляться оператором ПАК в режиме реального времени путем воздействия на виртуальные органы управления автомобилем для обеспечения требуемых скорости и траектории движения ТС.

Целевая ЭВМ осуществляет обработку в режиме реального времени управляющих сигналов от головной ЭВМ. Целевая ЭВМ передает на физическую часть ПАК (прежде всего на электронный блок управления (ЭБУ) системы ЭКУ) те сигналы, которые физически не могут быть получены на стенде: угловые скорости вращения колес, угол поворота рулевого колеса, продольное и поперечное ускорение ТС, угловое ускорение вращения ТС относительно вертикальной оси (скорость рыскания), а также сигналы от других ЭБУ: двигателя, коробки передач и др. Часть этих сигналов должна быть преобразована в аналоговый вид с помощью мультиплексора, а часть - в протокол CAN посредством соответствующего интерфейса.

Физическая часть представляет собой стенд с установленными на нем реальными компонентами тормозной системы автомобиля: главным тормозным цилиндром (ГТЦ) в сборе с питательным бачком, педалью тормоза и вакуумным усилителем тормозов (ВУТ), интегрированным ЭБУ и гидравлическим блоком управления (ГБУ), рабочими тормозными цилиндрами (РТЦ) с имитаторами колесных тормозных механизмов (ТМ) и трубопроводами соответствующей длины. При этом, как и в случае с ПАК для испытаний тормозных систем с

пневматическим приводом, характеристики упругих элементов имитаторов подбираются таким образом, чтобы наиболее полно соответствовать характеристике реального тормозного механизма.

Кроме того, на стенде установлены вакуумный насос для обеспечения корректной работы ВУТ и измерительный комплекс для регистрации актуальных состояний и реакций системы. Принципиальная схема ПАК представлена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема ПАК для испытаний тормозных гидравлических систем с ЭКУ

ЭБУ системы ЭКУ получает сигналы от целевой ЭВМ и генерирует управляющие воздействия на компоненты ТС: модуляторы давления, питающие и отсечные клапаны, возвратный и питающий насосы. Соответствующие изменения в состоянии ТС регистрируются измерительным комплексом, который обеспечивает регистрацию следующих параметров:

• давление в обоих контурах ГТЦ;

• давление в четырех контурах колесных ТМ;

• перемещение исполнительных устройств в колесных ТМ.

С помощью АЦП сигналы датчиков давления и перемещения преобразуются в цифровой вид и передаются в головную ЭВМ для обработки и пересчета в значения тормозных усилий. Также с помощью интерфейса CAN регистрируются и преобразуются исходящие из ЭБУ системы ЭКУ цифровые сигналы, предназначенные для других ЭБУ ТС.

Таким образом, осуществляется непрерывный процесс контроля и взаимодействия между виртуальной и физической составляющими модели.

Необходимо отметить важное отличие при работе системы в режиме торможения и в режиме контроля курсовой устойчивости и управляемости. В режиме торможения давление в системе создается с помощью педали тормоза, а в режиме контроля курсовой устойчивости и управляемости - питающим и возвратным насосами.

Рассмотренные ПАК позволяют в режиме реального времени оценить характер поведения ТС с учетом особенностей работы реальных агрегатов тормозной системы (пневматической или гидравлической).

Следует подчеркнуть, что имитационное моделирование имеет целый ряд преимуществ по сравнению с дорожными испытаниями:

• независимость от погодных условий;

• гибкие возможности по изменению модели и оценки влияния различных конструктивных параметров на динамику движения ТС;

• возможность имитирования практически любых дорожных ситуаций (различных маневров и дорожных условий);

• возможность моделирования отказа отдельных компонентов;

• возможность получения полного массива данных о процессе движения ТС.

Библиографический список

1. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука / Р. Шеннон. - М.: Мир, 1978. - 415с.

2. Тумасов, А.В. Применение электронных систем курсовой устойчивости на коммерческом транспорте российского производства / А.В. Тумасов, А.М. Грошев, Л. Палкович // Журнал ассоциации автомобильных инженеров. 2010. №1 (60). С. 34-37.

3. Правила ЕЭК ООН №13-10 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств категорий М, N и О в отношении торможения».

4. Технический регламент о безопасности колесных транспортных средств. Постановление Правительства Российской Федерации № 720 от 10.09.2009 г.

5. Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология моделирования в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем / В.Г. Дыгало, А.А. Ревин // Известия ВолгГТУ: межвузовский сборник научных статей. Волгоград. 2007. №8 (34). С. 23-27.

6. Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология лабораторных испытаний систем активной безопасности автотранспортных средств: монография / В.Г. Дыгало, А.А. Ревин; ВолгГТУ. -Волгоград, 2006. - 316 с.

Дата поступления в редакцию 25.04.2011

A.M. Groshev, V.V. Mikhailov, V.A. Nikolsky, A.V. Tumasov

APPLICATION OF HARDWARE-SOFTWARE COMPLEXES FOR VEHICLE BRAKING CHARACTERISTICS ESTIMATION ON BASIS OF SIMULATION RESULTS

The article describes principal schemes of hardware-software complexes that could be used for estimation of braking characteristics of vehicles with hydraulic and pneumatic braking systems in laboratory conditions on basis of simulation results.

Key words: simulation, hardware-software complex, vehicle braking characteristics, vehicle