УПРАВЉАЊЕ, СТАБИЛНОСТ И УПРАВЉИВОСТ МОТОРНИХ ВОЗИЛА (1)

Transcription

1 Универзитет у Београду - Саобраћајни факултет Предмет: ВОЗНА ДИНАМИКА; проф. др Властимир Дедовић Предавање 11 УПРАВЉАЊЕ, СТАБИЛНОСТ И УПРАВЉИВОСТ МОТОРНИХ ВОЗИЛА (1) Школска година 2013 / 2014 Београд, Мај 2014

2 Основни појмови (1) Управљање представља скуп акција које возач предузима у циљу утицаја на кретање возила. Стабилност се односи на опирање возила да промени (у принципу жељену) путању којом се креће. Управљивост је способност возила да успешно скреће, а тим термином обухваћено је и проучавање начина на који возило скреће, као и проучавање возачеве перцепције понашања возила при скретању. Прочитати: Динамика возила (Дедовић), стр

3 Основни појмови (2) Возач управља возилом тако што мења величину и карактер сила које делују на њега. На возило делују силе које он може да регулише (контролне или управљачке силе) и силе чије дејство може да опази, али на које не може директно да утиче (поремећајне силе). Силе које контролише возач ограничене су конструкцијским параметрима возила и коефицијентом приањања. Силе које возач не контролише или их контролише само индиректно и делимично пропорционалне су маси возила (силе инерције и центрифугалне силе), одн. облику и површини каросерије (аеродинамичке силе). 2

4 Основни појмови (3) Аеродинамичке силе у принципу су знатно мање од осталих сила које се преносе преко пнеуматика. Њихова величина расте са брзином возила и о њима мора да се води рачуна још у фази пројектовања возила. Аеродинамичке силе код тркачких возила могу бити веома велике и значајно утичу на понашање возила. Аеродинамичка анализа возила одвија се у два правца: Одређивање аеродинамичких сила које делују на возило, Одређивање одзива возила на дејство тих сила. Аеродинамички отпор има најважнији утицај на потрошњу горива. Његови утицаји на управљивост и стабилност знатно су мањи. Подсећање: Предавање 2 - Аеродинамика 3

5 Основни појмови (4) Атмосферски услови делују на понашање возила на различите начине. Они утичу на: Аеродинамичке силе које дејствују на возило и зависе пре свега од густине ваздуха, Снагу мотора, Приањање пнеуматика за подлогу, које зависи од влажности подлоге, одн. количине воде, снега или леда у контакту, Температура и сунчево зрачење могу осетно да утичу на трење између пнеуматика и подлоге. Посебно значајан утицај на управљивост возила има ветар - кретање ваздушних маса у атмосфери. Најгори случај представља кретање возила кроз местимично заклоњен предео са јаким бочним ветром, што проузрокује јако променљиве бочне силе. Велики утицај на стабилност кретања возила могу имати и вртлози које производе велика возила, нарочито при брзом кретању по аутопутевима. 4

6 Карактеристике механизма за управљање (1) Основни елементи: точак управљача, вратило, зупчасти преносник, полужни преносни механизам, осовинице рукаваца и точкови са пнеуматицима M T = M Tl + M Td M T = M U * i U Укупни преносни однос: i U = i ZP * i PM = U / i U 5

7 Карактеристични елементи геометрије управљачког точка ОЗНАКЕ: Правац вожње - бочни нагиб осовинице рукавца - подужни нагиб осови- нице рукавца (затур) g- бочни нагиб точка - подужни нагиб (усмереност) точкова a'- крак закретања точка a"- крак стабилизације a - полупречник (крак) закретања Аналогија: a ( a' 2 a'' 2 ) а 6

8 Терминологија Терминологија: закретање точкова (ради управљачке акције), скретање возила (услед управљачке акције или поремећаја) и радијус (полупречник) скретања и радијус (полупречник) кривине. 7

9 Управљивост возила Управљивост возила (Handling) је широко коришћен термин за објашњење реакције возила на команде возача, одн. за једноставност управљања возилом у ширем смислу. Термин управљивост односи се на укупну меру одзива система возило-возач. Возач и возило представљају "систем са повратном спрегом" - (или систем са затвореном петљом - Closed Loop System) - Возач узима у обзир правац, положај, реакције и начин понашања возила и коригује своје командне акције како би постигао жељене параметре кретања. 8

10 Блок дијаграм система возач - возило са повратном спрегом Podloga ispod vozila Atmosferski uslovi Uslovi puta ispred vozila Uslovi saobraćaja Vozaĉ Ubrzanje i kočenje Upravljanje Vozilo POVRATNA SPREGA Kretanje Овај систем укључује субјективност јер возач током кретања коригује понашање возила. 9

11 Систем без повратне спреге (1) У циљу добијања објективних карактеристика самог возила разматра се "систем без повратне спреге" (или систем са отвореном петљом - Open Loop System). Изостављањем повратне спреге добија се могућност да се оцени понашање возила као реакција на специфичне управљачке команде без корекције. Ова карактеристика се прецизније дефинише као "управљачки одзив". 10

12 Систем без повратне спреге (2) POREMEĆAJNE SILE USLOVI PRIANJANJA UPRAVLJAĈKA KOMANDA MOTORNO VOZILO UPRAVLJAĈKI ODZIV SILE VUĈE I KOĈENJA BOĈNE SILE 11

13 Стабилност кретања Код неких возила у задатим условима поремећено кретање не одступа значајније од непоремећеног кретања. За таква возила каже се да су стабилна или неутрална. Код неких возила у истим условима разлика између непоремећеног и поремећеног кретања током времена расте, па се каже да она имају нестабилно кретање. Нестабилност се може манифестовати као појачана реакција на управљачку команду (која се назива преуправљивост), или као смањена реакција на управљачку команду, када се назива подуправљивост. 12

14 Скретање при малој брзини (1) Код скретања при малој брзини нема бочног убрзања Због тога није потребно да пнеуматици остварују бочне силе. Точкови се котрљају као крути. Центар скретања налази се на оси задње осовине. Да би се остварило котрљање управљачких точкова без клизања, геометрија механизма мора да обезбеди да нормале на равни предњих точкова пролазе кроз исту тачку (центар скретања). 13

15 Скретање при малој брзини (2) Углови закретања управљачких точкова могу се одредити према геометрији приказаној на слици: o i За мале углове скретања возила (sin ), коректни углови заокрета точкова дати су изразима: o L R t 2 (за спољни точак) L CS i L R t 2 (за унутрашњи точак) t R Средњи угао предњих точкова (и даље предпостављајући мале углове) дефинисан је као Акерманов угао (Ackermann): L R [rad] 14

16 Акерманова геометрија - Жантоов трапез Термини "Акерманов систем" или "Акерманова геометрија" често се користе да означе тачну геометрију закретања предњих точкова која одговара предходној слици. У француској литератури тачна геометрија, која се постиже полужним механизмом према слици, приписује се инжењеру Жантоу (Jeantaud). Углови закретања точкова зависе од: размака осовина, размака точкова и угла скретања. Жантоов трапез 15

17 Други значајан аспект скретања при малој брзини је излазак задњих точкова из трага. Величина изласка из трага,, може да се израчуна из основне геометријске релације у облику: R1 cos L R Скретање при малој брзини (2) Представљајући косинус редом: cos z 1 2 z 2! добија се: 4 z 4! 6 z... 6! 2 L 2R Излазак из трага је веома значајан за возила са великим међуосним размаком као што су теретна возила и аутобуси. 16

18 Скретање при великој брзини (1) Приликом скретања при великој брзини јавља се бочно убрзање. Постојање бочног убрзања представља основну разлику у односу на скретање при малој брзини. Да би се супротставили његовом дејству, пнеуматици морају да остваре бочне силе. Када пнеуматик при скретању остварује бочну силу, поред котрљања долази и до бочног клизања. Контактна површина пнеуматика и подлоге помера се у односу на осну раван точка, а правац котрљања пнеуматика излази из вертикалне равни точка (тзв. повођење пнеуматика). На точку се због дејства бочне силе и његове еластичности појављује угао клизања. 17

19 Boĉna sila F y (kn) др Властимир Дедовић - ВОЗНА ДИНАМИКА Својства пнеуматика при скретању (1) Дијаграм промене бочне силе у функцији угла клизања Pravac kretanja Ugao klizanja ( 0 ) 10 0 C Ugao klizanja ( 0 ) F y Угао клизања или угао бочног 4 клизања (Slip Angle - ) је угао између осе усмерености пнеуматика и тренутног правца кретања. 18

20 Својства пнеуматика при скретању (2) Бочна сила, када је угао бочног нагиба точка једнак нули, означена са F y, назива се сила управљања или бочна реакција (Cornering Force). При датом вертикалном оптерећењу пнеуматика, бочна реакција расте са углом клизања. При малим угловима клизања (до 5 0 ) релација је линеарна, па је бочна реакција (сила управљања) одређена изразом: F y = C Константа пропорционалности C назива се крутост при скретању и дефинисана је нагибом криве у систему F y -, када је точак управан на подлогу (за g=0). 19

21 Својства пнеуматика при скретању (3) Крутост пнеуматика при скретању зависи од много варијабли. Најзначајније су: величина и тип пнеуматика (радијални/дијагонални), однос висине и ширине балона (h/b - Aspect Ratio), број платна, угао корда, ширина точка и врста протектора. За неки конкретни пнеуматик главне варијабле су вертикално оптерећење и притисак. Брзина не утиче значајно на бочне реакције које се развијају у пнеуматику. Дијаграми на наредним сликама показују утицај најважнијих од ових варијабли. 20

22 Својства пнеуматика при скретању (4) 40 (kn) 30 Ugao klizanja 6 o 5 o 4 o b Boĉna sila F y o 2 o 1 o h (kn) Vertikalno opterećenje F z R Веза вертикалне и бочне силе и угла клизања и основне димензије пнеуматика 21

23 Krutost pri skretanju C (N/ o ) Krutost pri skretanju C (N/ o ) др Властимир Дедовић - ВОЗНА ДИНАМИКА Својства пнеуматика при скретању (5) 1000 Radijalni 1500 Visina balona (h/b) Dijagonalni Pritisak u pneumatiku (bar) 0 E F G H Oznaka veliĉine pneumatika Крутост при скретању у функцији притиска и димензије пнеуматика 22

24 Коефицијент скретања (1) Због велике зависности бочне реакције од оптерећења, својства пнеуматика при скретању се описују помоћу коефицијента скретања (CC ) који се добија делењем крутости при скретању са вертикалним оптерећењем. Коефицијент скретања дат је изразом: CC = C /F z (N y /N z / 0 ) Коефицијент скретања обично је највећи при малим оптерећењима и континуално се смањује до номиналне вредности оптерећења. При номиналном оптерећењу коефицијент скретања има типичну вредност око 0.12 (N силе скретања по N вертикалног оптерећења по степену угла клизања) 23

25 Krutost pri skretanju C (N/ o ) Koeficijent skretanja CC др Властимир Дедовић - ВОЗНА ДИНАМИКА Својства пнеуматика при скретању (6) 1500 (N/ o ) Visina balona 70 Visina balona 15" Veličina naplatka 14" 15" 14" a) (kn) Vertikalno opterećеnje F z Procenat od nominalnog opterećenja Крутост при скретању и коефицијент скретања у функцији оптерећења 24

26 Једначина скретања (1) Једначина скретања возила у статичким условима изводи се применом II Њутновог закона и израза који описују геометрију при скретању, укључујући угао клизања пнеуматика. За ову анализу користе се упрошћени, тзв. једнотражни модели. Модели са једним трагом ("бицикл модели") користе се ради једноставнијег разматрања понашања возила при скретању на великим брзинама. Уводе се предпоставке које поједностављују систем, а немају битан утицај на тачност разматрања. 25

27 Скретање једнотражног ("бицикл") модела (1) Основне предпоставке: 1. Линеарни модел има масу целог возила, а предњи и задњи точак носе оптерећење целе осовине. Бочно нагињање се не узима у обзир. Пренос тежине са унутрашњих на спољне точкове под дејством центрифугалне силе занемарује се. 2. Тежиште возила се налази у равни коловоза (полупречник точкова је једнак нули). На тај начин центрифугална сила својим моментом не мења оптерећење точкова. 3. Систем се посматра у зони линеарности (мали углови, sin, када је угао изражен у радијанима). Тада је бочна сила пропорционална углу. 4. Возило се посматра само у статичким или квазистатичким условима. Прелазни режими се не разматрају. 26

28 Скретање једнотражног ("бицикл") модела (2) L/R f r f L b T R CS c r 27

29 Једначина скретања (2) При великим брзинама полупречник кривине R много је већи од размака осовина возила L. Углови закретања точкова због тога су мали, па је разлика углова спољног и унутрашњег точка занемарљива. То дозвољава да се оба предња точка представе једним точком који је закренут за угао, са бочном реакцијом (одн. силом управљања) која одговара укупној сили која се остварује на оба точка предње осовине. Исто важи и за точкове задње осовине. За возило које се креће унапред брзином V, сума сила на пнеуматицима у бочном правцу мора бити једнака производу масе и центрипеталног убрзања: F y F yf F yr MV 2 R 28

30 Једначина скретања (3) Ознаке имају следеће значење: F yf - бочна реакција (сила управљања) на точковима предње осовине M - маса возила V - брзина возила (унапред) F yr - бочна реакција на точковима задње осовине R - полупречник скретања Да би на возилу била обезбеђена равнотежа момената око тежишта, сума момената од предњих и задњих бочних реакција мора бити једнака нули. F yf b - F yr c = 0 Тада је: F yf = F yr c/b Заменом у предходној једначини добија се: MV 2 R Fyr ( c / b 1) Fyr ( b c) / b Fyr L / b односно: F yr =(b/l) (M V 2 /R) = M(b/L)(V 2 /R) 29

31 Једначина скретања (4) Пошто је M(b/L) само део масе возила који оптерећује задњу осовину (тј. W r /g, где је W r део тежине возила који оптерећује задњу осовину), предходна једначина показује да остварена бочна реакција на задњој осовини мора бити производ W r /g и бочног убрзања у тој тачки. Решавањем по F yf на исти начин добија се бочна реакција на предњој осовини, која представља производ W f /g и бочног убрзања. Ако је позната бочна реакција потребна за скретање возила, углови клизања на предњим и задњим точковима могу се одредити из раније наведене једначине. Тада је: f = W f V 2 / (C f g R) и r = W r V 2 / (C r g R) а произилази и да је: = 57.3 L/R + f - r 30

32 Једначина скретања (5) Заменом f и r у предходну једначину добија се једначина скретања у облику: 57.3 L R W V C f f 2 gr W V C r r 2 gr одн L R W C f f W C r r 2 V gr Ова једначина позната је као једначина скретања. Она је веома важна за описивање својстава управљачког одзива моторног возила. Повезује угао закретања управљачких точкова возила (), радијус скретања (R) и брзину или бочно убрзање (V 2 /(gr) = a y ). Ознаке имају следеће значење: - угао закретања предњих точкова ( о ) W р - оптерећење задње осовине (N) L - размак осовина (m) R - радијус скретања (m) V - брзина возила (унапред) (m/s) g - убрзање земљине теже (m/s 2 ) W f - оптерећење предње осовине (N) C f - крутост при скретању предњих пнеуматика (N y / о ) C r - крутост при скретању задњих пнеуматика (N y / о ) (180/ = о /rad) 31

33 КРАЈ 11. ПРЕДАВАЊА