Система мониторинга ходовой части автотранспортного средства
А.Ю. Ефремов,
н.с.,
А.С.
Кудряшов,
аспир.,
С.В.
Сталянский,
аспир.,
ИПУ РАН, andre@ipu.ru, г. Москва
Аннотация
От состояния ходовой части
зависит устойчивость автомобиля на дороге, его маневренность и контроль, что соответственно
обеспечивает безопасность движения. Технические неисправности ходовой части
автотранспортного средства являются причиной 15-20% происшествий на
автомобильных дорогах, приводящих к серьёзным последствиям, включая гибель
людей. В работе рассматриваются принципы организации процесса диагностики
ходовой части автомобиля на основе анализа тренда параметров математической
модели. С этой целью автомобиль оснащается двумя трёхосевыми акселерометрами,
информация от которых записывается в энергонезависимую память цифрового
регистратора. Параметры математической модели определяются методами
параметрической идентификации.
Abstract
Stability of the car depends From condition of
the sought-after part on road, his(its) maneuverability and checking that accordingly
provides safety of the motion. The Technical faults of the sought-after part автотранспортного facility
are a reason 15-20% event on car road, bring about serious consequence,
including ruin of the people. In work are considered principles to
organizations of the process of the diagnostics of the sought-after part of car
on base of the analysis тренда parameter to mathematical model. For this
purpose car is equipped two three axis’s accelerometers, information from which
is written in nonvolatile memory of the digital recorder. The Parameters to
mathematical model are defined by methods to parametric identification.
Введение
Ходовая часть
автотранспортного средства наиболее
подвержена износу, так как ходовая часть
постоянно испытывает переменные нагрузки, достигающие в ряде случаев
значительных величин. От состояния ходовой зависит устойчивость автомобиля на
дороге, его маневренность и контроль, что соответственно обеспечивает безопасность
движения. Поэтому ходовая часть всегда должна находиться в исправном
состоянии. В этой связи требуется постоянный
контроль над состоянием ходовой части автомобиля. При соблюдении условий
профессионального подхода рекомендуется проводить регулярное обследование и диагностику
ходовой не реже чем 1 раз при пробеге 10 - 15 тысяч км.
Дорожно-транспортные
происшествия в значительной мере зависят и от уровня технической службы на
автомобильном транспорте. Установлено, что 15-20% происшествий на автомобильных
дорогах являются следствием технических неисправностей подвижного состава.
Поэтому особое значение приобретает в настоящее время организация механизированного
контроля технического состояния автомобилей, базирующегося на научной основе.
На современных предприятиях технического
обслуживания и ремонта автомобилей диагностика подвески производится на специальных стендах
имитирующих движение автомобиля по неровной дороге (автомобиль находится на
платформе, совершающей возвратно-поступательные движения). В соответствии с существующей в настоящее
время технологией технического обслуживания автомобилей диагностика подвески проводится либо в
соответствии с регламентом технического
обслуживания, либо когда в подвеске
возникает стук, движение машины по дороге становится неустойчивым. В первом
случае проводятся излишние работы по диагностике, в случае исправной подвески,
а во втором имеет место эксплуатации какое-то время транспорта с неисправной
подвеской.
Постановка задачи
Альтернативой традиционного подхода является
техническое обслуживание на основе постоянных измерений параметров состояния, с
последующим планированием и организацией технического обслуживания машин
крупных автотранспортных предприятиях на основе прогнозирования остаточного
ресурса ходовой части автомобиля [1]. Такой подход дает возможность полнее
использовать ресурс механизма, а также повысить их безотказность и долговечность.
Однако трудности, связанные с измерением значений параметров состояния и
обработкой результатов измерений не позволяют применить такой подход для
определения остаточного ресурса элементов
подвески автотранспортного средства. Вследствие большого разнообразия
ресурсов различных элементов подвески
пришлось бы часто останавливать автотранспортные средства для
диагностирования, профилактики отказов и замены элементов при самой
разнообразной периодичности обслуживания, что экономически нецелесообразно. С
учетом этих обстоятельств на практике
применяют прогнозирование остаточного ресурса по среднестатистическому изменению
параметров состояния. При среднестатистическом методе прогнозирования, заранее
рассчитанные допускаемые в эксплуатации значения контролируемых параметров
автомобилей вносят в технологические карты на диагностирование. Эти значения
являются основанием при решении вопроса о дальнейшей эксплуатации автомобиля.
Таким образом, автоматизация процесса
измерений параметров состояния позволит перейти к обслуживанию АС на основе
прогнозирования остаточного ресурса ходовой части автомобиля по текущему его
состоянию.
Организация системы
Информация
о текущем состоянии конкретного колесного
автотранспортного средства получается в процессе его эксплуатации путем мониторинга ходовой части. С этой целью
на автотранспортном средстве устанавливается
бортовая система сбора данных, структура которой представлена на рисунке 1.
Система является многоканальной автоматизированной
системы сбора информации.
рис. 1 Мобильная часть системы
В состав системы входит:
- два трёхосевых акселерометра, устанавливаемых вблизи точек
крепления подвески к кузову;
- два трехканальных
масштабирующих усилителя обеспечивающие согласование выходного акселерометра с
входом аналого-цифрового преобразователя;
- шестиканальный
аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
- Wi-Fi адаптер для
беспроводной связи;
- GPS приемник для регистрации географических координат от
навигационной системы GPS;
- цифровой регистратор
сигнала на флеш-диске.
Цифровой регистратор сигнала
параметров движения автомобиля предназначен для сбора, обработки и накопления
информации, поступающей от акселерометров
и приемника GPS. Таким образам осуществляется регистрация шести векторов
ускорений с фиксацией географических координат текущего положения и скорости
транспортного средства, текущего календарного времени. Накопленная информация
храниться в энергонезависимом запоминающем устройстве (Flash-память
SD-карты). Считывание информации из накопителей
осуществляется по беспроводной сети Wi-Fi
стандарта IEEE 802.11g , что
позволяет автоматически осуществлять считывание данных с автотранспортных средств, находящихся в
гараже или на открытой стоянке.
Информация, полученная в
процессе эксплуатации автотранспортного средства, поступает в стационарный центр обработки данных с целью оценки
текущего состояния и прогнозирования остаточного ресурса. Функциональная схема
стационарной части системы приведена на
рисунке 2. В состав стационарной системы входят следующий функциональные блоки:
- блоки математических моделей
включающих динамическую модель подвески автомобиля, модель рулевого управления,
модель тормозной системы;
- блок параметрической
идентификации;
- блок подбора эмпирических
формул описывающих модели изменения ресурсного и диагностических параметров;
- блок прогнозирования
остаточного ресурса с использованием линейной, квадратичной или экспоненциальной
экстраполяции.
рис. 2 Стационарная часть системы
Математическая модель динамики автотранспортного средства
Автомобиль представляет собой сложную
динамическую систему, включающую большое количество масс, соединённых различного
рода упругими связями. При движении все массы автомобиля совершают интенсивные
линейные и угловые колебания в различных плоскостях. Возбуждение колебаний
происходит в результате взаимодействия автомобиля с дорогой, а также из-за
неравномерности работы двигателя и агрегатов,
трансмиссий. Основу
математической модели системы составляют уравнения Лагранжа 2-го рода
в обобщенных координатах:
(1)
где T и П
– соответственно кинетическая и потенциальная энергия системы; Ф –
диссипативная функция Рэлея;– обобщенные координаты; Q – обобщенные
силы; 
– неопределенные множители Лагранжа; 
– коэффициенты уравнений неголономных связей; s –
число обобщенных координат; d – число неголономных связей. Для получения системы
дифференциальных уравнений, описывающих движение масс автомобиля как динамической системы
необходимо произвести дифференцирование по обобщенным координатам, подставить
полученные производные в уравнения Лагранжа и выполнить соответствующие преобразования
[2].
Модель учитывает инерционные
свойства кузова, дисков колес упругость рессор, упругость шин и позволяет определить
параметры продольного и вертикального поступательного движения, а также угловые
перемещения кузова относительно центра масс в вертикальной плоскости.
К
подвеске автомобиля относят все узлы и
детали, соединяющие мосты автомобиля с кузовом. В них различают три группы
элементов: направляющие устройства; упругие элементы; гасящие устройства.
Направляющие устройства определяют закон, по которому происходит перемещение
колес относительно рамы, и обеспечивают передачу усилий между мостами и рамой
(кузовом) автомобиля.
Упругие элементы предназначены для преобразования энергии толчков и ударов,
возникающих на неровностях дороги, в потенциальную энергию упругих элементов. Математически
автомобиль представлен как упруго-массовая
система в виде подрессоренного твердого тела, имеющего заданную массу и момент
инерции. Перемещение и скорость автомобиля имеют по шесть компонент
отражающих линейные и угловые составляющие. Массы элементов, имеющихся в автомобиле, делятся на
две группы: подрессоренные и неподрессоренные.
К подрессоренным массам относятся элементы автомобиля, вес которых
передается на упругие устройства подвески, к неподрессоренным относятся элементы, вес которых не воспринимается упругими
устройствами подвески автомобиля (колеса, мосты). Массы элементов, связывающих
подрессоренные и неподрессоренные части (упругие элементы, рычаги направляющего
устройства, амортизаторы, тяги рулевого привода), относят частично к
подрессоренным и неподрессоренным массам. Неподрессоренная масса каждого моста
- рассматривается отдельно и считается сосредоточенной. Основными упругими
элементами в модели являются рессоры подвесок и шины, принимается, что все эти
элементы расположены в плоскостях колес, а их упругие свойства оцениваются
приведенными характеристиками. Ограничения динамической модели - все колеса имеют
независимую подвеску и массу равную нулю,
автомобиль не подвержен деформациям, возникающим, при переезде через
препятствия (ход подвесок не смещается относительно центра масс), радиус колес равен нулю (колесо стягивается в
точку на конце пружины подвески) рис.3, где:
M
– подрессоренная масса транспортного средства (масса кузова);
Y I
– момент инерции подрессоренной массы вокруг оси 0;
М1, M2
– подрессоренные массы переднего и заднего мостов;
W1, W2 – функции изменения жесткости рессор переднего и заднего мостов;
g1, g2 – вертикальные перемещения
подрессоренных масс переднего
и заднего мостов;
g – вертикальное перемещение
центра масс подрессоренной массы;
p – высоты микропрофиля дороги в местах контакта переднего и заднего
колес с дорожным покрытием;
L1, L2 – коэффициенты нормальной жесткости
передней и задней покрышек;
L3, L4 – коэффициенты гашения
механической энергии амортизаторов
переднего и заднего мостов;
s – база транспортного средства;
a, b – расстояния между центром масс
подрессоренной массы транспортного средства и неподрессоренных масс передней и
задней подвески.
рис. 3 Трехмассовая динамическая модель подвески
Система дифференциальных
уравнений, описывающая упруго-массовую модель автомобиля, характеризуется
наличием степенных нелинейностей и параметров, значения которых определяются
профилем дорожного покрытия под колесом.
Моделируется отрыв колес от грунта, качения колеса с эластичной шиной по
неровным и ровным поверхностям, увода колеса при торможении и вертикальные ограничения хода
подвесок. Учет большого числа конструктивных
параметров в упруго-массовой модели позволяет использовать данную модель как
диагностическую модель ходовой части автотранспортного средства.
Математическая модель рулевого управления
В
основу математической модели рулевого
управления положены расчетные схемы и дифференциальные уравнения движения
неуправляемых колес и элементов трансмиссии, а также управляемых колес вместе с
рулевым управлением автомобиля
[2,3]. В модели учитывается наличие
зазора в рулевом механизме, упругость тяг рулевого привода, сухое и вязкое трение
в элементах рулевого управления, инерционность подвижных деталей.
Математическая модель тормозной
системы
Учитывает взаимодействие колеса
автомобиля с опорной поверхностью по отношению к силам, действующим на колесо в
различных режимах движения автомобиля в зависимости от состояния дорожного
покрытия (мокрая или сухая поверхность, поверхность, покрытая снегом) [4]. На основании работы [5] моделируется колебания
масс транспортного средства
при его экстренном
торможении.
Функционирование системы
Техническое состояние подвески оценивается
по величине затухания колебаний при совершении маневров или преодоления
неровностей дорожного покрытия. Затухание свободных колебаний автомобиля
происходит вследствие трения в амортизаторах,
рессорах, шинах и шарнирах рычагов подвески. Трение в рессорах и шарнирах является
постоянным и принято считать не
зависящим от скорости относительных
перемещений кузова и колес автомобиля, в то время как трение в гидравлических амортизаторах, затухание колебаний в шинах пропорциональны скорости
колебаний. Величина затухания колебаний подвески в целом может быть определена
путем анализа свободных колебаний автомобиля
в процессе его штатной эксплуатации. Для получения наиболее точной
диагностической информации, при каждом выезде на линию автотранспортное
средство должно проходить тестовый участок дороги, включающий преодоление неровностей для
идентификации параметров математической модели подвески автомобиля: разгон,
торможение, повороты. Для определения параметров математической модели тормозной
системы используется горизонтальный участок дороги с ровным, сухим покрытием
при скорости в начале торможения
По информации, поступающей с
акселерометров, зарегистрированной в бортовой системе при прохождении тестового
участка выполняется параметрическая идентификации модели, на основании анализа
изменения параметров которой производится
оценка текущего ресурса ходовой части автомобиля.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что возникающие при
движении автомобиля колебания, вызванные неровностями дороги, могут быть связаны
с эксплуатационно-технических свойств
автомобиля [6]. Экспериментально установлено, что ускорения элементов
автомобиля при его движении находятся в широком диапазоне частот (более 500
Гц). Весь спектр частот ускорений хорошо делится на два диапазона:
низкочастотный (0... 25 Гц) и высокочастотный (свыше 25 Гц). Дополнительной
информацией служит различие частот собственных колебаний масс автомобиля:
кузова 1—3 Гц; колес 7—12 Гц. С высокой частотой преимущественно колеблются неподрессоренные
массы, а с низкой—подрессоренные массы. Частоты колебания
остальных масс, не относящихся к подвеске
автомобиля значительно более высокие
В процессе диагностики элементов подвески
и рулевого управления изменение сигналов во времени исследуется
методами вейвлет (wavelet) анализа, а также строится корреляционная
зависимость низкочастотных и высокочастотных колебаний.
Заключение
Рассмотренная система мониторинга ходовой части колесного
автотранспортного средства, позволяет получать информацию
о его техническом состоянии в реальном времени, тем самым предотвращая
аварийные ситуации, что имеет большое значение для эксплуатации, прежде всего
общественного транспорта.
Литература
1.
РД 26.260.004-91 Методические указания. Прогнозирование остаточного
ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при
эксплуатации.
2.
А.А. Хачатуров Динамика системы шина - дорога - автомобиль - водитель. -
М.: Машиностроение, 1976. – 536 с.
3.
С.В. Иванников, Г.Л. Родионов, А.С. Сидоренко. О построении математической
модели движения автомобиля. Электронный журнал «Труды МАИ» №18, 2005.
4.
Г.А. Смирнов Теория движения колесных машин. - М.: Машиностроение, 1990.
– 353 с.
5.
О. Прентковский, Р. Печелюнас. Динамика транспортного средства в момент экстренного торможения. Сборник докладов
Международная научная конференция «RelStat. Надёжность и статистика на
транспорте и в связи». Вильнюс, 2004, стр.407-413.
6.
Р.В. Ротенберг. Подвеска автомобиля: Колебания и плавность хода. - М.:
Машиностроение, 1972, – 390 с.