Автоматизация управления автомобилей и отдельных агрегатов как метод повышения активной безопасности автомобиля

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное  учреждение

Московский автомобильно-дорожный институт

(Государственный технический  университет)

Волжский филиал

 

Факультет: заочный

Кафедра:

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

           по дисциплине: «Безопасность транспортных средств»

        тема: «Автоматизация управления автомобилей  и отдельных агрегатов как  метод повышения активной безопасности  автомобиля.».

 

Рег.№ ____

Дата сдачи_________

 

                                                                   Ф.И.О. студента Кудряшов Д.Ю.

                                                              Курс 4

                                                              Группа 2

                                                           Специальность 190702п

                                                             Факультет заочный

                                                            Проверил      

 

 

Чебоксары 2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Практически с момента  своего создания автомобили стали представлять потенциальную опасность для  окружающих и участников движения. Поскольку полностью избежать дорожно-транспортных происшествий пока не представляется возможным, автомобиль совершенствуется в направлении снижения вероятности  аварии и минимизации ее последствий.

Безопасность автомобиля имеет две составляющие — активную и пассивную. Активная безопасность включает различные приспособления и устройства, уменьшающие вероятность  попадания автомобиля в аварийную  ситуацию. Пассивную безопасность автомобиля определяют конструкция машины, устройства и приспособления, уменьшающие травмируемость водителя и пассажиров при столкновениях  и авариях.

В данной работе мы рассмотрим следующие вопросы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Параметры активной безопасности автомобиля.

  Активная безопасность автомобиля — комплекс его свойств, снижающих возможность возникновения дорожно-транспортных происшествий. Ее уровень определяется множеством параметров, основные из которых перечислены ниже. 

 Безотказность узлов,  агрегатов и систем автомобиля  является определяющим фактором  активной безопасности. Особенно  высокие требования предъявляются  к надежности элементов, связанных  с осуществлением маневра —  тормозной системе, рулевому управлению, подвеске, двигателю, трансмиссии  и т. д. Повышение безотказности  достигается совершенствованием  конструкций, применением новых  технологий и материалов.

Переднемоторная — компоновка автомобиля, при которой двигатель  расположен перед пассажирским салоном. Является наиболее распространенной и  имеет два варианта: заднеприводную (классическую) и переднеприводную. Последний вид компоновки получил  в настоящее время широкое  распространение благодаря ряду преимуществ перед приводом на задние колеса:

- лучшей устойчивости и управляемости при движении на большой скорости, особенно по мокрой и скользкой дороге;

- обеспечению необходимой весовой нагрузки на ведущие колеса;

- меньшему уровню шума, чему способствует отсутствие карданного вала.

В то же время переднеприводные автомобили обладают и рядом недостатков:

- при полной нагрузке ухудшается разгон на подъеме и мокрой дороге;

- в момент торможения слишком неравномерное распределение веса между осями (на колеса передней оси приходится 70-75% веса автомобиля) и соответственно тормозных сил ;

- шины передних ведущих управляемых колес нагружены больше, соответственно более подвержены износу;

- привод на передние колеса требует применения сложных узлов — шарниров равных угловых скоростей (ШРУСов);

- объединение силового агрегата (двигатель и коробка перемены передач) с главной передачей усложняет доступ к отдельным элементам.

Компоновка с центральным  расположением двигателя, когда  он находится между передней и  задней осями, для легковых автомобилей  является достаточно редкой. Она позволяет  получить наиболее вместительный салон  при заданных габаритах и хорошее  распределение весовой нагрузки по осям.

Заднемоторная компоновка с  расположением двигателя за пассажирским салоном была распространена на микролитражных автомобилях. При приводе на задние колеса она позволяла получить недорогой  силовой агрегат и распределение  такой нагрузки по осям, при которой  на задние колеса приходится около 60% веса. Это положительно сказывалось на проходимости автомобиля, но отрицательно на его устойчивости и управляемости, особенно на больших скоростях. Автомобили с этой компоновкой выпускаются  в настоящее время практически  только фирмами, традиционно использующими  эту компоновку (“Фольксваген”, “Рено”, “Порше” и др.).

 Возможность предотвращения  ДТП чаще всего связана с  интенсивным торможением, поэтому  необходимо, чтобы тормозные свойства  автомобиля обеспечивали его  эффективное замедление в любых  дорожных ситуациях.

  Для выполнения этого условия сила, развиваемая тормозным механизмом, не должна превышать силы сцепления с дорогой, зависящей от весовой нагрузки на колесо и состояния дорожного покрытия. Иначе колесо заблокируется (перестанет вращаться) и начнет скользить, что может привести (особенно при блокировке нескольких колес) к заносу автомобиля и значительному увеличению тормозного пути. Чтобы предотвратить блокировку, силы, развиваемые тормозными механизмами, должны быть пропорциональны весовой нагрузке на колесо. Реализуется это с помощью применения на передней оси более эффективных дисковых тормозов, а на задней — барабанных, причем с ограничителем тормозных сил.

 На современных автомобилях  используется антиблокировочная  система тормозов (АБС), корректирующая  силу торможения каждого колеса  и предотвращающая их скольжение. Зимой и летом состояние дорожного  покрытия разное, поэтому для  наилучшей реализации тормозных  свойств необходимо применять  шины, соответствующие сезону (см. материал  “Шины для лета”).

  Тяговые свойства (тяговая динамика) автомобиля определяют его способность интенсивно увеличивать скорость движения. От этих свойств во многом зависит уверенность водителя при обгоне, проезде перекрестков. Особенно важное значение тяговая динамика имеет для выхода из аварийных ситуаций, когда тормозить уже поздно, маневрировать не позволяют сложные условия, а избежать ДТП можно, только опередив события.

 Так же как и в  случае с тормозными силами, сила  тяги на колесе не должна  быть больше сцепления с дорогой,  в противном случае оно начнет  пробуксовывать. Предотвращает это  противопробуксовочная система  (ПБС). При разгоне автомобиля  она подтормаживает колесо, скорость  вращения которого больше, чем  у остальных, а при необходимости  уменьшает мощность, развиваемую  двигателем.

  Устойчивость — способность автомобиля сохранять движение по заданной траектории, противодействуя силам, вызывающим его занос и опрокидывание в различных дорожных условиях при высоких скоростях движения. Различают следующие виды устойчивости:

- поперечная при прямолинейном движении (курсовая устойчивость). Ее нарушение проявляется в рыскании (изменении направления движения) автомобиля по дороге и может быть вызвано действием боковой силы ветра, разными величинами тяговых или тормозных сил на колесах левого или правого борта, их буксованием или скольжением, большим люфтом в рулевом управлении, неправильными углами установки колес и т.д.;

- поперечная при криволинейном движении, нарушение которой приводит к заносу или опрокидыванию автомобиля под действием центробежной силы. Особенно ухудшает устойчивость повышение положения центра масс автомобиля (например, большая масса груза на съемном багажнике на крыше);

- продольная. Ее нарушение проявляется в буксовании ведущих колес при преодолении затяжных обледенелых или заснеженных подъемов и сползании автомобиля назад. Особенно это характерно для автопоездов.

Управляемость — способность  автомобиля двигаться в направлении, заданном водителем.

  Одной из характеристик управляемости является поворачиваемость — свойство автомобиля изменять направление движения при неподвижном рулевом колесе. В зависимости от изменения радиуса поворота под воздействием боковых сил (центробежной на повороте, силы ветра и т.п.) поворачиваемость может быть:

1. недостаточной — автомобиль увеличивает радиус поворота;
2. нейтральной — радиус поворота не изменяется;
3. избыточной — радиус поворота уменьшается. Различают шинную и креновую поворачиваемость.

Шинная связана со свойством  шин двигаться под углом к  заданному направлению при боковом  уводе (смещении пятна контакта с  дорогой относительно плоскости  вращения колеса, рис. 1). При установке  шин другой модели поворачиваемость может измениться и автомобиль на поворотах при движении с большой  скоростью поведет себя иначе. Кроме  того, величина бокового увода зависит  от давления в шинах, которое должно соответствовать указанному в инструкции по эксплуатации автомобиля.

Креновая поворачиваемость связана с тем, что при наклоне  кузова (крене) колеса изменяют свое положение  относительно дороги и автомобиля (в  зависимости от типа подвески). Например, если подвеска двухрычажная, колеса наклоняются  в сторону крена, увеличивая увод.

  Дальнейшим развитием электронных систем, повышающих активную безопасность, является система управления движением. Она улучшает управляемость и устойчивость автомобиля и выполняет функции АБС и ПБС. ESP получает информацию от датчиков числа оборотов колес, угла поворота рулевого колеса, положения педали акселератора, угловой скорости рыскания, поперечного ускорения и сравнивает траекторию, задаваемую водителем, с действительной. При отклонении от заданного курса система притормаживает определенное колесо и “возвращает” автомобиль на заданную траекторию.

 Информативность —  свойство автомобиля обеспечивать  необходимой информацией водителя  и остальных участников движения. Недостаточная информация от  других транспортных средств,  находящихся на дороге, о состоянии  дорожного покрытия и т. д.  часто становится причиной аварии.

 Информативность автомобиля  подразделяют на внутреннюю, внешнюю  и дополнительную.

Внутренняя обеспечивает возможность водителю воспринимать информацию, необходимую для управления автомобилем.

 Она зависит от следующих  факторов:

Обзорность должна позволять  водителю своевременно и без помех  получать всю необходимую информацию о дорожной обстановке. Неисправные  или неэффективно работающие омыватели, система обдува и обогрева стекол, стеклоочистители, отсутствие штатных  зеркал заднего вида резко ухудшают обзорность при определенных дорожных условиях.

Расположение панели приборов, кнопок и клавиш управления, рычага переключения скоростей и т. д. должно обеспечивать водителю минимальное  время для контроля показаний, воздействий  на переключатели и т. п.

Внешняя информативность  — обеспечение других участников движения информацией от автомобиля, которая необходима для правильного  взаимодействия с ним. В нее входят система внешней световой сигнализации, расположение световозвращателей, звуковой сигнал, размеры, форма и окраска  кузова. Информативность легковых автомобилей  зависит от контрастности их цвета  относительно дорожного покрытия. По статистике, автомобили, окрашенные в  черный, серый, зеленый и синий  цвета, в два раза чаще попадают в  ДТП из-за трудности их различения в условиях недостаточной видимости  и ночью. Неисправные указатели  поворотов, стоп-сигналы, габаритные огни не позволят другим участникам дорожного  движения вовремя распознать намерения  водителя и принять правильное решение.

Дополнительная информативность  — свойство автомобиля, позволяющее  эксплуатировать его в условиях ограниченной видимости: ночью, в тумане и т. д. Она зависит от характеристик  приборов системы освещения и  других устройств (например, противотуманных  фар), улучшающих восприятие водителем  информации о дорожно - транспортной ситуации.

 Комфортабельность автомобиля  определяет время, в течение  которого водитель способен управлять  автомобилем без утомления. Увеличению  комфорта способствует использование  автоматических коробок перемены  передач, регуляторов скорости (круиз-контроль) и т. д. В настоящее время  выпускаются автомобили, оборудованные  адаптивным круиз-контролем. Он  не только автоматически поддерживает  скорость на заданном уровне, но и при необходимости снижает  ее вплоть до полной остановки  автомобиля.

 

2 Современные массовые средства активной безопасности и тенденции на ближайшие годы.

 

Основным предназначением  систем активной безопасности автомобиля является предотвращение аварийной  ситуации.

 Применение систем  активной безопасности позволяет  в различных критических ситуациях  сохранять контроль над автомобилем  или, другими словами, сохранить  курсовую устойчивость и управляемость  автомобиля.

Наиболее известными и  востребованными системами активной безопасности являются:

- антиблокировочная система тормозов;

- антипробуксовочная система;

- система курсовой устойчивости;

- система распределения тормозных усилий;

- система экстренного  торможения.

Тормозные системы. Самая  важная система для обеспечения  безопасности водителя и пассажиров. Непрерывно совершенствуется. Двадцать лет назад появились первые варианты антиблокировочной системы тормозов или АБС (Antilock Brakes System, ABS), обеспечивающие эффективное и надёжное торможение в экстренных ситуациях. ABS предотвращает  колёса от блокировки во время торможения. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, электронные датчики определяют, какое колесо теряет сцепление, и  уменьшают давление тормозных колодок  на это колесо. Машина остаётся управляемой. Чтобы от действия системы был  значительный эффект, водителю необходимо отучиться резко и импульсивно  давить на тормозную педаль. На скользкой  дороге, на машине с тормозами системы ABC, нажав на педаль, не следует сразу  отпускать её вверх. Однако на рыхлом снегу или мелком гравии тормозной  путь может несколько увеличиться  в сравнении с обычными дисковыми  тормозами.

Система АБС устанавливается  в штатную тормозную систему  автомобиля без изменения ее конструкции.

 Наиболее перспективной  является антиблокировочная система  томозов с индивидуальным регулированием  скольжения колеса. Индивидуальное  регулирование позволяет получить  оптимальный тормозной момент  на каждом колесе в соответствии  с дорожными условиями и, как  следствие, минимальный тормозной  путь.

 Антиблокировочная система  имеет следующее устройство:

- датчики угловой скорости колёс;

- датчик давления в тормозной системе;

- блок управления;

- гидравлический блок;

- контрольная лампа на панели приборов.

 

  Датчик угловой скорости устанавливается на каждое колесо. Он фиксирует текущее значение частоты вращения колеса и преобразует его в электрический сигнал.

 На основании сигналов  датчиков блок управления выявляет  ситуацию блокирования колеса. В  соответствии с установленным  программным обеспечением блок  формирует управляющие воздействия  на испольнительные устройства - электромагнитные клапаны и электродвигатель  насоса обратной подачи гидравлического  блока системы.

  Гидравлический блок обединяет следующие конструктивные элементы:

- впускные и выпускные электромагнитные клапаны;

- аккумуляторы давления;

- насос обратной подачи с электродвигателем;

- демпфирующие камеры.

 В гидравлическом блоке  каждому тормозному цилиндру  колеса соответствует один впускной  и один выпускной клапаны, которые  управляют торможением в пределах  своего контура. 

  Аккумулятор давления предназначен для приема тормозной жидкости при сбросе давления в тормозном контуре.

  Насос обратной подачи подключается, когда емкости аккумуляторов давления недостаточно. Он увеличивает скорость сброса давления.

  Демпфирующие камеры принимают тормозную жидкость от насоса обратной подачи и гасят ее колебания.

  В гидравлическом блоке устанавливается два аккумулятора давления и две демпфирующие камеры по числу контуров гидропривода тормозов.

 Контрольная лампа  на панели приборов сигнализирует  о неисправности системы. 

 Работа антиблокировочной  системы тормозов носит цикличный  характер. Цикл работы системы  включает три фазы :

- удержание давления;

- сброс давления;

- увеличение давления.

 На основании электрических  сигналов, поступающих от датчиков  угловой скорости, блок управления ABS сравнивает угловые скорости  колёс. При возникновении опасности  блокирования одного из колёс,  блок управления закрывает соответствующий  впускной клапан. Выпускной клапан  при этом также закрыт. Происходит  удержание давления в контуре  тормозного цилиндра колеса. При  дальнейшем нажатии на педаль  тормоза давление в тормозном  цилиндре колеса не увеличивается. 

  При продолжающейся блокировке колеса, блок управления открывает соответствующий выпускной клапан. Впускной клапан при этом остается закрытым. Тормозная жидкость перепускается в аккумулятор давления. Происходит сброс давления в контуре, при этом скорость вращения колеса увеличивается. При недостаточной емкости аккумулятора давления, блок управления ABS подключает к работе насос обратной подачи. Насос обратной подачи перекачивает тормозную жидкость в демпфирующую камеру, уменьшая давление в контуре. Водитель при этом ощущает пульсацию педали тормоза.

  Как только угловая скорость колеса превысит определённое значение, блок управления закрывает выпускной клапан и открывает впускной. Происходит увеличение давления в контуре тормозного цилиндра колеса.

  Цикл работы антиблокировочной системы тормозов повторяется до завершения торможения или прекращения блокирования.

Антипробуксовочная система (другое наименование – противобуксовочная система) предназначена для предотвращения пробуксовки ведущих колёс.

 В зависимости от  производителя антипробуксовочная  система имеет следующие торговые  наименования:

 - cистема ASR (Automatic Slip Regulation, Acceleration Slip Regulation) на автомобилях Mercedes, Volkswagen, Audi и др.;

 - система ASC (Anti-Slip Control) на автомобилях BMW;

- система A-TRAC (Active Traction Control) на автомобилях Toyota;

 - система DSA (Dynamic Safety) на автомобилях Opel;

- система DTC (Dynamic Traction Control) на автомобилях BMW;

 - система ETC (Electronic Traction Control) на автомобилях Range Rover;

 - система ETS ( Electronic Traction System) на автомобилях Mercedes;

 - система STC (System Traction Control) на автомобилях Volvo;

 - система TCS (Traction Control System) на автомобилях Honda;

 - система TRC (Traking Control) на автомобилях Toyota.

 Несмотря на многообразие названий, конструкция и принцип работы данных противобуксовочных систем во многом похожи, поэтому рассмотрены на примере одной из самых распространенных систем - системы ASR.

  Антипробуксовочная система построена на конструктивной основе антиблокировочной системы тормозов В системе ASR реализованы две функции:

- электронная блокировка дифференциала;

- управление крутящим моментом двигателя.

  Для реализации противобуксовочных функций в системе используется насос обратной подачи и дополнительные электромагнитные клапаны на каждое из ведущих колес в гидравлическом блоке ABS:

- переключающий клапан;

- клапан высокого давления.

  Управление системой ASR осуществляется за счет соответствующего программного обеспечения, включенного в блок управления ABS.

  В своей работе блок управления ABS/ASR взаимодействует с блоком управления системы управления двигателем.

Принцип работы антипробуксовочной системы 

  Система ASR предупреждает пробуксовку колес во всём диапазоне скоростей автомобиля:

 - при низких скоростях движения (от 0 до 80 км/ч) система обеспечивает передачу крутящего момента за счёт подтормаживания ведущих колёс;

- при скорости выше 80 км/ч усилия регулируются за счёт уменьшения передаваемого от двигателя крутящего момента.

 На основании сигналов  датчиков угловых скоростей колёс  блок управления ABS/ASR определяет  следующие характеристики:

- угловое ускорение ведущих колёс;

- скорость движения автомобиля (на основании угловой скорости неведущих колёс);

- характер движения автомобиля - прямолинейное или криволинейное (на основании сравнения угловых скоростей неведущих колёс);

- величину проскальзывания ведущих колёс (на основании разницы угловых скоростей ведущих и неведущих колёс).

  В зависимости от текущего значения эксплуатационных характеристик производится управление тормозным давлением или управление крутящим моментом двигателя.

 Управление тормозным  давлением осуществляется циклически. Рабочий цикл имеет три фазы - увеличение давления, удержание  давления и сброс давления. Увеличение  давления тормозной жидкости  в контуре обеспечивает торможение  ведущего колеса. Оно производится  за счет включения насоса обратной  подачи, закрытия переключающего  клапана и открытия клапана  высокого давления. Удержание давления  достигается за счет отключения  насоса обратной подачи. Сброс  давления производится по окончании  пробуксовки при открытых впускном  и переключающем клапанах. При  необходимости цикл работы повторяется. 

  Управление крутящим моментом двигателя осуществляется во взаимодействии с системой управления двигателем. На основании информации о проскальзовании ведущих колес, получаемой от датчиков угловой скорости колес, и фактической величине крутящего момента, получаемой от блока управления двигателем, блок управления противобуксовочной системы вычисляет величину необходимого крутящего момента. Данная информация передается в блок управления системы управления двигателем и реализуется с помощью следующих действий:

- изменения положения дроссельной заслонки;

- пропуска впрыскиваний топлива в системе вспрыска;

- пропуска импульсов зажигания или изменения угла опережения зажигания в системе зажигания;

- отмены переключения передачи в автомобилях с автоматической коробкой передач.

  Следующий шаг — разработка электронной схемы управления торможением. При нажатии на педаль тормоза микрокомпьютер, специальные датчики которого сигнализируют о характере и состоянии дорожного покрытия, скорости и нагруженности автомобиля, оценивает силу, с которой нога давит на педаль и обеспечивает оптимальное тормозное усилие на каждое колесо. При изменении отслеживаемых параметров тормозные усилия мгновенно перераспределяются. Таким образом, автомобиль может эффективно и безопасно затормозить даже при резком повороте на мокрой дороге. Такие системы (фирменные названия Sensotronic Brake Control, Brake Assistance) устанавливаются на спорт-седанах и люкс (Mercedes-Benz, BMW, Land Rover Discovery и др).

Большинство легковых моделей  и траков образца 2004 г. имеет тормозной  путь при торможении на сухом покрытии со скорости 60 миль/час до полной остановки  — 40-44 м. У некотoрых (Audi A6, Land Rover Freelander) — 39 м. У тяжёлых пикапов и больших  спорт-универсалов, например, Ford Excursion, Dodge Durango, Dodge Ram 1500 — это 47-51 м.

Противобуксовочная система (Traction Control). Перераспределяет крутящий момент двигателя между ведущими колёсами таким образом, чтобы увеличить  нагрузку на тот диск, у которого в данный момент выше сцепление с  дорогой. Система притормаживает вращение колеса, которое проскальзывает (буксует). Впервые была создана известной  немецкой фирмой Bosch и установлена  на автомобилях Mercedes-Benz. Особенно эффективно работает на полноприводных моделях  и при наличии антиблокировки колёс.

Противозаносная или система  динамической устойчивости (Dynamic Stability Control). При прохождении крутых поворотов  на большой скорости на мокрой, обледенелой  или заснеженной дороге, когда  начинается скольжение передних колёс, система самостоятельно сбрасывает газ и подтормаживает задние колёса, удерживая тем самым автомобиль от сноса в кювет. Если возникает  при крутом повороте руля проскальзывание  задних колёс, система подтормаживает передние колёса и стабилизирует  автомобиль. Oсобенно эффективна на полноприводных моделях.

Исследования на специальном  автомобильном тренажёре (National Advanced Driving Simulator) показали, что при наличии  системы динамической устойчивости количество водителей, сумевших в предаварийной  ситуации сохранить контроль над  автомобилем возрастает от 34% до 88%.

В 2004 г. у многих массовых моделей за 13-20 тыс. дол. антиблокировка колёс имеется в стандартной  комплектации одновременно с противобуксовочной системой в опциях (Ford Taurus, Chevrolet Impala, Chrysler PT Cruiser). У некоторых недорогих  моделей в стандартной комплектации также только антиблокировка колёс, а в опциях предлагаются противобуксовочная и противозаносная системы. Среди  них есть и массовые модели с базовой  стоимостью 15-19 тыс. дол.: Мini Cooper, Volkswagen Golf, Jetta и New Beetle, Subaru Legacy/Outback, а также  пикап Nissan Frontier за 13 тыс. дол. У нескольких моделей семейных седанов стоимостью до 25 тыс. дол. (Toyota Camry, Mazda 6, Pontiac Grand Prix) и небольшого Ford Foсus Traction и Stability Control также только в опциях. Антиблокировку колёс (АBS) и противобуксовочную систему  в стандартной комплектации и  противозаносную в опциях предлагают для седанов Аcura TL, Cadillac CTS, Infiniti I35, Lexus IS300, Volkswagen Passat и Volvo S60, купе Acura CL и  минивэна Nissan Quest. В 2004 г. названные системы  одновременно имеются в стандартной  комплектации всех моделей Audi, BMW 3-Series и Mercedes-Benz C-Class, минивэне Volkswagen EuroVan, новом  купе Chrysler Crossfire и японских Infiniti G35, Mazda RX-8 и Toyota 4Runner.