7 - 2 Специальный раздел (Программное средство исследования динамики движения автомобиля)

2 СПЕЦИАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ

2.1 Разработка структурной схемы виртуального стенда

Виртуальный стенд предназначается для проведения исследований студентами при выполнении лабораторных работ по дисциплине '' Теория автоматического управления ''. В связи с этим он должен включать автоматизированные рабочие места (АРМ) исследователей (студентов) и АРМ руководителя занятия. В соответствии с современными концепциями стенд должен реализовывать технологию '' клиент – сервер '' и поэтому состоит из двух частей:

• серверная часть;

• клиентская часть.

В серверной части находится сервер баз данных, на котором храниться справочная информация необходимая для выполнения лабораторных работ, а также результаты расчетов и анализа. Взаимодействие с базой данных (БД) осуществляется через систему управления базы данных (СУБД).

К клиентской части относится несколько автоматизированных рабочих мест (АРМ), оснащенных рабочими ПЭВМ небольшой мощности:

• автоматизированное рабочее место преподавателя (АРМП);

• автоматизированное рабочее место студента (АРМС);

• удаленное автоматизированное место студента (УАРМС для реализации дистанционного управления).

Каждое АРМ состоит из аппаратной части (АЧ), общего программного обеспечения (ОПО) и прикладного (ППО).

Структурная схема виртуального стенда представлена на листе 24.

В соответствии с заданием на дипломное проектирование разработке подлежит только программное средство, позволяющее проводить виртуальные эксперименты по исследованию динамики автомобиля.

С помощью локальной вычислительной сети (ЛВС) студенты взаимодействуют с собой и с БД. Они могут выполнять работы на одном или разных компьютерах по очереди или индивидуально.

Используя ЛВС, преподаватель может задавать обучаемому различные параметры для проведения опытов (параметры автомобиля, параметры дорожных участков, коэффициенты чувствительности водителя), а также просматривать результаты выполнения лабораторных работ и анализировать статистику по студентам и по выполненным работам.

При работе с программой, в зависимости от выполняемой задачи, обучаемый также имеет возможность самостоятельно менять параметры установки: коэффициенты чувствительности водителя, параметры дорожных участков и др.

Для дистанционного обучения (выполнения лабораторных работ) студент использует ресурсам Internet посредством обмена электронной почтой.

Преподаватель формирует пакет с заданием для студента (теоретическая справка, методические указания, набор работ, начальные параметры) и отправляет его по электронной почте обучаемому. Студент изучает теоретическую справку и выполняет лабораторную работу согласно методическим указаниям. По выполнении студентом работы, он составляет отчет о проделанной работе и отправляет преподавателю. Программа реализует ряд математических моделей, описывающих динамику движения автомобиля.

С ерверная часть

Internet

Клиентская часть

2 .2 Разработка математической модели трансмиссии

П ередача энергии от двигателя внутреннего сгорания (рисунок 2.1 ) через трансмиссию к ведущему колесу происходит с существенными потерями, связанными с сухим и вязким трением при работе элементов трансмиссии, а также с работой сцепления в момент переключения коробки передач. В момент трогания автомобиля, а также при переключении передач, во избежание больших динамических перегрузок в трансмиссии применяют дросселирование эффективного момента с помощью сцепления.

Процесс нарастания момента M₁ хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью от времени:

( 2.1 )

где T₁ – постоянная времени включения сцепления.

Постоянная времени T₁ регулируется водителем. На первой передаче, когда V=0, постоянная T₁ наибольшая – водитель медленно включает сцепление.

С ростом скорости процесс включения сцепления ускоряется, при этом постоянная времени может быть существенно сокращена. Зависимость T₁ от скорости движения автомобиля также может быть аппроксимирована экспонентой

( 2.2 )

где T_1j – постоянная времени включения сцепления на j-той передаче (j=1, 2, 3…), которой соответствует определенная скорость движения автомобиля;

T_V – постоянная скорости движения автомобиля.

Функциональная зависимость (2.1) работает лишь в момент первого переключения передачи. Далее аргумент непрерывно растет, и значение момента M₁ становится практически постоянным.

Для того чтобы рост момента M₁ осуществлялся после каждого переключения передачи, необходимо, чтобы в момент включения сцепления отсчет времени начинался с нуля. Поэтому в качестве аргумента применяется разность (t–t_kj), где t_kj – значение времени в момент включения сцепления на j-той передаче. Тогда аргумент (t–t_kj) будет изменяется в соответствии с циклограммой (рисунок 2.2).

Система уравнений, описывающих движение каждого из звеньев приняла вид:

( 2.3 )

где I_д – момент инерции вращающихся частей двигателя;

I_knj – момент инерции вращающихся деталей коробки передач;

I_тр – момент инерции вращающихся деталей трансмиссии;

I_k – момент инерции ведущего колеса;

r_knj – коэффициент демпфирования в коробке передач;

r_тр – коэффициент демпфирования в трансмиссии;

M_cknj, M_стр – модули моментов от сил сухого трения соответственно в коробке передач и трансмиссии;

M_f – момент сопротивления качению колеса;

M_кр – крутящий момент на ведущем колесе.

Учитывая соотношения

( 2.4 )

система уравнений (2.3) сводится к одному уравнению, описывающему сумму моментов на ведущем колесе при неустановившемся продольном движении

( 2.5 )

где

(2.6)

Из (2.5) следует, что момент M_кр формируется как результат вычитания из эффективного момента, подведенного к колесу, моментов, которые затрачиваются на преодоление сил инерции, вязкого и сухого трения, а также сил сопротивления качению колеса.

В теории управления автомобилем, чаще всего в описании работы трансмиссии, используется КПД трансмиссии . В статике при полностью включенном сцеплении КПД выражается уравнением

( 2.7 )

Откуда можно записать

(2.8)

Тогда (33) примет вид

( 2.9 )

Выражение (2.9) адекватно описывает процесс лишь при полностью включенном сцеплении. В момент включения сцепления в выражении (2.7) необходимо в числителе и знаменателе эффективный момент домножить на экспоненциально возрастающую во времени до единицы функцию, что приводит к резкому изменению , а это, в свою очередь, лишает смысла введение этого параметра в уравнение.

Сформированный на ведущем колесе момент M_кр не всегда полностью расходуется на совершение поступательного движения автомобиля. Продольное перемещение автомобиля обеспечивается величиной касательной реакции P_x опорной поверхности на колесе, которая будет определена из выражения

( 2.10)

где P_z – нормальная реакция на колесе;

_x – коэффициент сцепления шины с дорогой в продольном направлении;

s_x – относительное скольжение колеса в продольном направлении;

 – крутильная деформация шины.

Полезная доля крутящего момента M_kn на ведущих колесах составляет

( 2.11 )

Этот момент обусловлен сцепными свойствами шины с поверхностью дороги. Лишняя часть момента, превышающая момент вызывает фрикционный срыв контактного пятна относительно опоры. Это приводит к скольжению автомобильного колеса, которое можно выразить в уравнении моментов связанного с фрикционным срывом контакта относительно опоры

( 2.12 )

где соответственно угловые скорость и ускорение скольжения

Из (2.12), с учетом (2.11) угловое ускорение фрикционного скольжения колеса

( 2.13 )

Угловая скорость упругого скольжения (псевдоскольжения) получена из (2.12) при условии _фк=0.

( 2.14 )

Относительную угловую скорость качения колеса легко выразить через продольную скорость V движения автомобиля

( 2.15 )