Верификация методики виртуально-физических исследований динамики криволинейного движения автомобилей по результатам дорожных испытаний

УДК 629.113

Е.И. Торопов, А.С. Вашурин, А.В. Тумасов, А.А. Васильев

ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДИКИ ВИРТУАЛЬНО-ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ КРИВОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДОРОЖНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

В статье рассматриваются результаты проведенных испытаний по оценке эффективности системы электронного контроля устойчивости (ЭКУ) легкого коммерческого автомобиля согласно правилам ООН №13-11. Основная цель исследования - апробация методики виртуально-физических испытаний, а также валидация и верификация математической модели криволинейного движения легкого коммерческого автомобиля по результатам натурных испытаний.

Ключевые слова: Правила ООН № 13-11, sine with dwell, программно-аппаратный комплекс, hardware-in-the-loop, HIL, системы электронного контроля устойчивости, ЭКУ, ISO 19365.

Введение

Одной из актуальных проблем современного автомобилестроения является проблема повышения активной безопасности транспортных средств, которая определяется их тормозными свойствами, а также свойствами устойчивости и управляемости.

Наиболее перспективным методом оценки эксплуатационных свойств транспортных средств является применение имитационного моделирования движения автомобилей с использованием гибридных стендовых установок, включающих в себя как реальные агрегаты конструкции транспортного средства, так и специальное программное обеспечение. Такие комплексы позволяют моделировать практически любые условия движения автомобиля с учетом особенностей работы реальных компонентов, что расширяет возможности инженеров конструкторов при выполнении исследовательских работ, направленных на совершенствование конструкции автомобиля с целью улучшения его эксплуатационных свойств и повышения уровня активной безопасности. Специалистами Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева был разработан подобный стенд виртуально-физического моделирования (HIL-стенд), который должен позволить проводить оценку поведения легкого коммерческого автомобиля с установленной системой ЭКУ. Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проекта по договору № 02.G25.31.0193 от 27.04.2016 г. (постановление Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218) [1].

Внешний вид HIL-стенда изображен на рис. 1. Особенностью данной системы является то, что в качестве физической части используется реальная тормозная система от легкого коммерческого автомобиля (рис. 2).

Классический способ подтверждения эффективности работы электронных систем курсовой устойчивости - это проведение динамических маневров на реальном автомобиле, предписанных Правилами ООН № 13-11 (Приложение 21) и ООН № 140 [3, 4]. Стоит отметить, что данными правилами предусмотрена проверка соответствия требованиям нормативных документов модификаций транспортных средств, созданных на основе базового автомобиля по результатам моделирования на HIL-стенде (Добавление 1 «Моделирование динамической устойчивости» и Добавление 2 «Средство моделирования динамической стабильности и его аттестация»).

© Торопов Е.И., Вашурин А.С., Тумасов А.В., Васильев А.А.

Рис. 1. Внешний вид HIL-системы, разработанной в НГТУ:

1 - виртуальная часть: компьютер со средой Vi-Grade CRT Software; 2 - физическая часть с компонентами тормозной системы автомобиля, в том числе, с электронным блоком системы ЭКУ); 3 - компьютер реального времени

в) г)

Рис. 2. Компоненты физической части стенда полунатурных испытаний:

а) электрогидравлический блок системы ЭКУ; б) главный тормозной цилиндр + вакуумный усилитель; в) рабочий тормозной цилиндр с установленным датчиком давления;

г) вакуумный насос

Подготовка и проведение натурных испытаний

Для отладки комплекса и его аттестации была проведена серия натурных испытаний на легком коммерческом автомобиле (ЛКА), оснащенном ЭКУ. На автомобиле было установлен комплекс измерительного оборудования ЦКП «Транспортные системы» НГТУ для получения массива экспериментальных данных [1, 2]. Расположение измерительного оборудования в транспортном средстве показано на рис. 3, схема измерительной установки представлена на рис. 4.

в; г;

Рис. 3. Установка измерительного оборудования в испытуемом транспортном средстве:

а) установка комплекта многофункционального измерителя скорости; б) «рулевой» робот; в,г) установка датчиков давления в тормозную магистраль

и

ю

Рис. 4. Принципиальная схема измерительной установки:

1 - многофункциональный измеритель скорости Racelogic УЬох 31 100№; 2 - ручной триггер;

3 - ОР8-антенна измерителя скорости; 4 - 3-х осевой гироскоп; 5 - монитор;

6 - RTK-базовая станция; 7 - ОР8-антенна базовой станции; 8 - телеметрия базовой станции;

9 - система сбора данных TMR-200; 10 - датчики давления, встроенные тормозные магистрали;

11- лазерные датчики отрыва колес

Для предотвращения опрокидывания автомобиля при выполнении маневров с «рулевым» роботом было решено изготовить дополнительные опоры. На основании результатов собственных экспериментов и исследований NHTSA (Национальное управление безопасностью движения на трассах - США) была разработана конструкция «аутригера», учитывающая особенности конструкции ЛКА «ГАЗ» и выдерживающая необходимую нагрузку (установка на транспортном средстве - рис. 5а). Также были проведены необходимые прочностные расчеты (рис. 5б).

а) б)

Рис. 5. «Аутригер» НГТУ:

а) установка на испытуемом транспортном средстве; б) конечно-элементная модель

Испытания проводились на полигонах «Березовая пойма» ГАЗ и НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ» с активированной и деактивированной системой ЭКУ (всего было выполнено

более 500 заездов). В различных погодных условиях (сухой / влажный асфальт). При активированной системе ЭКУ испытания проводились при нажатой и отпущенной педали акселератора. Были выполнены следующие маневры:

• «вход в поворот радиусом 35м» (по ГОСТ 31507-2012 «Автотранспортные средства.

Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний»);

• переставка 20 м (по ГОСТ 31507-2012);

• двойная переставка по ISO 3888-2;

• синусоида с остановкой (sine with dwell);

• «рыболовный крючок» (fishook);

• ассиметричная синусоида;

• рывок руля;

• двойная переставка по ISO 3888-1;

• переставка (20 м) с переходом с высокого коэффициента сцепления на низкий.

С помощью измерительного оборудования фиксировались следующие параметры движения транспортного средства: траектория, скорость, продольное и поперечное ускорения, скорость рыскания, давления в тормозных механизмах, отрыв колес. Также часть необходимой информации была получена из бортовой CAN-шины: угол поворота руля, обороты двигателя, крутящий момент двигателя, угловая скорость вращения колеса, запрашиваемый водителем крутящий момент двигателя, запрашиваемый ЭКУ крутящий момент двигателя, срабатывание функций ЭКУ [1, 2]. После проведения маневров и обработки полученных данных встала задача по сопоставлению результатов моделирования и натурных испытаний.

Проверка адекватности моделирования

Подтверждение адекватности моделирования проводится путем сопоставления с результатами типовых натурных испытаний, предписанных Правилами ООН №13-11. Наиболее показательным маневром является «Sine with dwell», требования к адекватности получаемых результатов при моделировании данного маневра приведены в ISO 19365 «Passenger cars -Validation of vehicle dynamic simulation - Sine with dwell stability control testing» [5]. Результаты сопоставления приведены в табл. 1 и на рис. 6. Была получена приемлемая сходимость результатов моделирования с реальными испытаниями.

Таблица 1

Таблица сопоставления результатов моделирования и натурных испытаний

Параметр Значение Расхождение Максимальное расхождение по ISO 19365

Натурный эксперимент Моделирование

Значение первого пика скорости рыскания (у'1), 0/с 23,5 -22,47 4,1 % ±15 %

Значение второго пика скорости рыскания (у'2), 0/с 24,44 29,15 19 % ±25 %

Время перехода скорости рыскания через ноль, с 1,15 1,19 0,04 ±0.1 s

Боковое перемещение центра тяжести т.с, м 4.64 4,22 7,5 % ±18 %

3W

£

£ 200 I

CL

3 im

j

g

4

5

> D -100

-200

№

_____JLÏJ—

Рис. 6. График результатов натурных испытания и результатов моделирования

1 - график воздействия на рулевое колесо; 2 - скорость рыскания (эксперимент);

3 - скорость рыскания

Заключение

1. Максимальные значения сопоставляемых параметров имеют хорошую сходимость и не превышают значений, предписанных в ISO 19365.

2. Получена валидированная модель криволинейного движения легкого коммерческого автомобиля с возможностью компиляции в С-код для тестирования в режиме жесткого реального времени.

Библиографический список

1. Вашурин, А.С. Программно-аппаратный комплекс для оценки управляемости легких коммерческих автомобилей, оснащенных системами электронного контроля устойчивости. Проведение натурных испытаний для отладки работы комплекса / А.С. Вашурин , Ю.П. Трусов, Е.И. Торопов // Актуальные вопросы машиноведения. - Т.6. - 2017.

2. Вашурин, А.С. Проведение натурных испытаний для отладки программно-аппаратного комплекса для оценки управляемости легких коммерческих автомобилей, оснащенных системами электронными контроля устойчивости. Особенности выполнения маневров на сухом и влажном асфальте / Е.И. Торопов, Ю.П. Трусов, П.С. Мошков, А.А. Аникин, А.С. Вашурин, Ю.И. Палутин // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - № 4. - 2017. - С. 172-177.

3. Правила ООН №13-11 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения механических транспортных средств категорий M, N и O в отношении торможения. - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200027802, свободный.

4. Правила ООН №140 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения пассажирских автомобилей в отношении систем электронного контроля устойчивости (ЭКУ). - Режим доступа: http://rdocs3.cntd.ru/document/456073635, свободный.

5. ISO 19365 Passenger cars - Validation of vehicle dynamic simulation - Sine with dwell stability control testing.

Дата поступления в редакцию: 04.02.2019

E.I. Toropov, A.S. Vashurin, A.V. Tumasov, A.A. Vasiliev

VERIFICATION OF THE VIRTUAL PHYSICAL TESTING METHODOLOGY OF THE VEHICLES DYNAMICS BY RESULTS OF ROAD TESTS

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alekseev

Purpose: The aim is verification of virtual model for HIL-testbench electronic stability control system by results of the road tests.

Design/methodology/approach: International standards of road testing electronic stability control system were studied and was developed.

Findings: The obtained results of convergence satisfy requirements of ISO 19635. Also autriggers for testing were patented.

Research limitations/implications: A verified model of the curvilinear motion of the vehicle was developed based on the results of scientific developments.

Originality/value: Results and scientific developments of this project will allow to implement the national program of import substitution in transport engineering.

Keywords: UN Regulation No. 13-11, sine with dwell, HIL-testbench, Hardware-in-the-loop, HIL, electronic stability control system, ESC, ISO 19635.