Чтобы выполнить перечисленные требования, обеспечивающие устойчивость движения автомобиля, был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований. В первую очередь пересмотру подверглись возможности уже серийно выпускаемых системы антиблокировки тормозов (ABS) и систе.мы регулирования крутящего момента двигателя (ASR). Дополнительно к ним была разработана система управления активной подвеской (ABR), позволяющая регу.чировать дорожный просвет.

Van Zanter и др. [32] исследовали распределение скольжения колес в процессе полного тор.можения при движении автомобиля на поворотах. Ставилось условие обеспечить .MHHHMajibHoe отклонение от требуемого направления движения при получении .минимального тормозного пути. ИcпoльзoвaJacь совместная работа систем ABS и ASR. Теоретически было доказано и экспсриментсщыю подтверждено, что для получения оптимального текущего мгновенного значения угла бокового увода колеса, которое подвергается управляемому торможению, не обязательно оптимизировать его тор.мозпое скольжение, как это делается в системе ABS. Напротив, для достижения MaKCHMajibiio возможной тормозной силы при движении автомобиля па поворотах значения тор.мозного скольжения должны оставаться больше оптимальных для ABS. При это.м инерционные силы бокового увода авто.мобиля ограничиваются действием систе.мы ASR и не превышают сил трения колесных шин о дорогу. Это исключает возможность срыва колес в боковой юз.

Помимо систем ABS и ASR в систему управления динамикой движения автомобиля немецкими инженерами НееВ и др. [33] было пред/Южепо включить систему управления активной подвеской (ACR) и систе.му контроля рулевого ynpaaie-ния (APS). Так четырьмя ранее разработанными систе.ма.ми (ABS, ASR, ACR, APS) был образован единый комплекс автоматического управления курсовой устойчивостью движения автомобиля в чрезвычаЙ1И11х ситуациях. Этот комплекс получил 11азвание система VDC (от нем. Vehicle Dynamics Control*).

VDC - это систе.ма активной безопасности авто.мобиля, которая постоянно контролирует действия водителя и в чрезвычайных ситуациях, например при резких поворотах на скользкой дороге, автоматически включается в процесс управления и предотвращает возможность возникновения боковых уводов (заносов) автомобиля. При этом система VDC, подобно профессиона.,1Ьному автогошцику, адаптирует крутящий тяговый момент двигателя (посредством системы ASR) и тормозные усилия на колесах (посредством системы ABS) под заданное рулем (посредством, системы APS) направление движения. Система активной подвески (ACR) удерживает автомобиль от бокового накюнепия.

Для реализации такого способа автоматического управления курсовой устойчивостью в компонентный состав систе.мы VDC включается гироскопическое устройство, которое является датчиком сигнала отклонения направления движения от продольной оси авто.мобиля. Гироскоп - это своего рода вестибулярный аппарат систе.мы VDC, реагирующий на малейшие флуктуации направления движения.

Однако следует заметить, что сисгема VDC не является системой беспилотного управления, а лишь дополняет действия водителя, оставляя за ним ответственность за выбор направления движения на дороге, не вмешиваясь в его управляющие манипуляции до тех пор, пока движение автомобиля протекает штатно (без юза колес и без заноса автомобиля) [34].

С 1995 года система VDC вышла из стадии экспериментальных исследований и стала устанавливаться на эксклюзивных легковых автомобилях.

Траектория при низком значении коэффициента н

Угол бокового увода атомобиля р

Траектория при высоком значении коэффициента ц

Шаг воздействия руля

(установленный угол поворота рулевого колеса)

Рис. 8.1. Зависимость траектории движения автомобиля от состояния полотна

дорожного покрытия

8.2. Концепция и вариационные параметры системы VDC

в штатных условиях движения траектория перемешения автомобиля по дорожному полотну задается управляюшими манипуляциями водителя. Эти манипуляции, с помощью соответствующих датчиков, преобразуются в электрические сигналы угла поворота рулевого колеса, крутящего момента двигателя (по углу поворота оси дроссельной заслонки) и давления жидкости в тормозной системе.

Однако этих сигналов для автоматической стабилизации устойчивости движения в критических ситуациях недостаточно и дополнительно требуется информация о таких непрерывно изменяющихся величинах, как угол бокового увода передних колес (а), угол бокового сноса авто.мобиля (р), боковое скольжение (S) колес относительно дорожного покрытия и его направление (угол у), коэффициент (ц) сцепления колес с дорогой. Все эти величины являются входными вариационными параметрами системы VDC и значительно апияют на траекторию движения автомобиля, как только под колесами появляется юз.

На рис. 8.1 показано, какую траекторию будет описывать автомобиль, заходящий на скорости 80 к.м/час в крутой поворот при одном и том же неизменном положении руля, на постоянно.м газе без торможения, но при различных состояниях дорожного покрытия. Кривая А соответствует траектории поворота автомобиля с радиусом 40 м ]ia сухо.м асфальте, когда боковое скольжение колес относительно дорожного покрытия не имеет места (ц>0,95). Фактическое направление движения соответствует }1аправлению, выбранному водителем посредством соответствующего поворота рулевого колеса. Кривая В отображает траекторию движения автомобиля при повороте на мокрой дороге сразу после дож;, когда асфальтное покрытие особенно скользкое (ц < 0,65). Появляющееся боковое скольжение пе-

8.2. Концепция и вариационные параметры системы VDC

редних колес приводит к боковому сносу автомобиля от заданного рулем направления движения, и радиус поворота зависит не только от положения руля, но и от силы бокового увода. На зимней дороге при гололеде (ц<0,15) боковой снос автомобиля на повороте может стать настолько большим, что потеряется контроль над управлением и автомобиль независимо от действий водителя перейдет в переметение по автодороге боковым юзом (кривая С на рис. 8.1) или, более того, может начать врашаться вокруг вертикальной оси.

Из рассмотрения траекторий, показанных на рис. 8.1, очевидно, что при повороте автомобиля на скользкой дороге угол бокового увода (сноса) авто.мобиля должен быть ограничен значением, при котором коэффициент сцепления ц колес с дорогой не становится меньше критического для данных состояний эластичности протектора колесных шин и дорож1Юго покрытия. Одним из способов повышения коэффициента сцепления ц является при.менение в зимнее время более жесткой шипованной колесной резины.

На рис. 8.2, а приведена векторная диаграмма сил, приложенных к переднему колесу во время движения автомобиля на повороте, которая отображает физическую картину потери устойчивости при появлении юза под колесами.

На рис. 8.2, б показаны точки приложения векторных сил и момента разворота вокруг вертикальной оси, а также линейные координаты а, Ь, с, d этих точек относительно центра .масс в системе координат х, у, z.

Угол а бокового увода колеса возникает под воздействием боковой силы F когда эластичная шина дефор.мируется в боково.м направлении, в результате чего вектор скорости V автомобиля отююняется от плоскости врашения колеса [22].

Увеличение боковой силы F, является главной причиной увеличения угла а. Отношение ¥Ja называется коэффипиептом сопротивления уводу.

Ку= ¥ja (Н/град). Если угол а дости1ает значений 12...20°, то боковая сила F, на сухом асфальте становится равной силе F, спепления ишны колеса с дорогой (F, = F,) и увод колеса переходит в его боковое скольжение (юз).

При воздействии на колесо продольной тяговой силы Fl или тормозной силы F коэффициент сопротивления уводу (Ку) снижается. Если колесо наклоняется по вертикали, в сторону действия боковой силы, то угол увода колеса увеличивается, при обратном направлении силы F угол а у.меньшается.

Если при повороте передние колеса враш,аются свободно (без бокового юза и без торможения), то F = О и л = О, а результирующая сила F = Ец.

Когда иод передними колесами гюявляется юз, угол Х. определяющий направ-ле1те скольжения, возрастает и, в зависимости от изменения коэффициента скольжения S в пределах О < S < 1, меняет свою величину от 0° до 90°. При этом за счет юза начинает увеличиваться сила F торможения колеса (без срабатывания тормозной системы), а боковая сила F, в соответствии с векторной диаграммой (рис. 8.2, а) уменьшается.

Изменение направления скольжения (угол X) при боковом юзе приводит к вращению результирующей силы F, вокруг вертикалрзной оси поворота колеса, что вызывает перераспределение сил F F , F, и образование момента М вращения кузова авто.мобиля относительно центра масс под воздействие.м скольжения данного колеса. Ясно, что при боковом скольже1П1И S, близко.м к единице (Ssl), боковой увод автомобиля превьинает критическое значение и автомобиль становится неуправляемым.

Суммарный момент вращения кузова вокруг BcpTHKajibnoft оси равен сум.ме моментов от каж;10го колеса в отдельности: = М, + М2 + М3 + М4.