ObciąŜenia układu kierowniczego w granicznych stanach ruchu samochodu osobowego

Transkrypt

1 JANCZUR Robert KURANOWSKI Aleksander ObciąŜenia układu kieronicego granicnych stanach ruchu samochodu osoboego WSTĘP Układ kieronicy ojadu samochodoego oinien sełniać odoiednie ymagania iąane komfortem roadenia ojadu ora beieceństem cynnym i biernym. Wymagany oiom beieceństa i komfortu jady ymusa ogranicenie sił ystęujących na kole kieronicy, mniejsenie ooró skrętu kół, ięksenie cułości układu ora ogranicenie drgań i ibracji renosonych jedni na koło kieronicy. Wroadenie urądeń somagających układy kieronice, ocątkoo hydraulicnych, elektrohydraulicnych, a latach 9-tych elektrycnych, soodoało rede systkim mniejsenie sił ymaganych do kieroania ojadem ora enym stoniu ogranicenie renosenia sił kół kieroanych na koło kieronicy. W stanach ruchu samochodu bliŝonych do granicnych, na odstaie ielkości i mian momentu na kole kieronicy, kieroca moŝe być oinformoany o bliŝaniu się do granicy utraty kieroalności lub statecności ruchu ojadu. Warunki racy i steroania urądeń somagających układ kieronicy były redmiotem ielu oracoań teoretycnych i badacych [,,,7]. Wły na renosenie sił kół kieroanych na koło kieronicy ma nie tylko samo urądenie somagające, ryadku roiąań elektrycnych takŝe moŝliością racy dóch trybach somagania (n. tryb normal i city ), ale takŝe oory tarcia i inne oory enętrne urądeniach somagających. W artykule redstaiono yniki omiaró sił drąŝkach kieronicych ora momentu na kole kieronicy niektórych stanach granicnych ruchu samochodu osoboego średniej klasy, dla diałającego i niediałającego somagania układu kieronicego.. PODSTAWY TEORETYCZNE Zasadnicym źródłem momentu diałającego okół osi atacania rotnicy są oisane literature siły i momenty ostające śladie sółracy koła jednią, tj. siły: ionoa (naciski koła), odłuŝna (naęd, hamoanie, siła ooru tocenia) i orecna (bocna casie jady o łuku, odcas jady koleinach cy n. odcas skośnego jadu na kraęŝnik) ora moment stabiliacyjny oony. Rys.. ZaleŜności geometrycne mechanimie rotnicym (tu o ujemnym romieniu atacania koło rae) Politechnika Krakoska im. Tadeusa Kościuski, Wydiał Mechanicny, - Krakó, ul. Warsaska, Tel: --, Fax: --, robertj@mech.k.edu.l Politechnika Krakoska im. Tadeusa Kościuski, Wydiał Mechanicny, - Krakó, ul. Warsaska, Tel: --, Fax: --, Instytut Ekserty Sądoych im. Jana Sehna Krakoie, - Krakó, ul. Westerlatte 9 aleksander.kuranoski@octa.onet.l 9

2 Sumarycny moment okół osi atacania rotnic kół kieroanych moŝna oblicyć aleŝności: M M = ({( Wt, Wt, ) [ r r β, sr tg τ] ( U U )[ r r β, sr tg τ] tg r tg δ gdie: ( M M ) ξ tg δ ( M M ) β tg τ tg δ} ( M M )[ ξ tg δ] ( M M ) β tg τ tg δ ( W ( U U ) β [ r tg τ n tg δ] tg δ ( U U )[ r β, s ] ( S S )[ nk rβ, s ] ( S S ) β [ r tg τ n tg δ tg τ r tg δ] ( P P ) β [ r tg δ n tg τ] ( P P )[ ± r tg τ n tg δ] I ϕε ɺɺ tg τ) ( δ ξ ) r tg r k t, k W t, ) β r tg τ ( W r = ± () We orach () i () górne naki odnosą się do dodatniego romienia atacania, naki dolne do ujemnego. Onacenia: I k - głóny moment beładności koła M s - moment stabiliacyjny oony n k - odcinek yredenia konstrukcyjnego n = nk r tg τ P - nacisk ionoy koła r - romień dynamicny oony r - romień atacania dla ustaienia koła na rost (be uględnienia bieŝności) r - romień atacania środka koła S - siła bocna śladie oony U - siła obodoa koła (naęd, hamoanie) W t - siła ooru tocenia β - całkoity kąt skrętu koła β - kąt skrętu koła yołany re kierocę β,s - kąt bieŝności koła ε - kąt obrotu koła okół osi ionoej δ - kąt ochylenia osi atacania rotnicy τ - kąt yredenia osi atacania rotnicy Φ - kąt obrotu koła okół łasnej osi ξ - kąt ochylenia koła ry jeźdie na rost Indeksy: enętrny, enętrny, l ley, ray We ore () yraŝenie naiasie{} naleŝy uględnić jedynie óca gdy moment hamujący rónoaŝony jest re rotnice. Podcas naędu, sobodnego tocenia lub hamoania hamulcami umiesconymi ry rekładni głónej, naleŝy to miejsce staić ero [,]. Dla uyskania ięksonych sił drąŝkach, które i tak okonyane są re somaganie, celoe jest ięksenia romienia atacania i ięksenie kąta yredenia osi atacania rotnicy. W niektórych modelach samochodó osoboych nadoiach reidiano juŝ da róŝne unkty mocoań kolumn McPhersona o ięksonym kącie yredenia gdy model ten jest yosaŝany e somagania kieronicy i e mniejsonym gdy ocyjnie somaganie montoyane nie jest. PonieaŜ momenty diałające okół osi atacania rotnic są rónoaŝone siłami drąŝkach kieronicych stąd najomość sił drąŝkach dostarca informacji o stanie ruchu jakim chiloo nalał się ojad i dalsej kolejności oala na dooania dostarcanego enątr momentu t, W t, ) rξ k ()

3 somagania układu kieronicego. DrąŜki akońcone są regubami kulistymi, stąd drąŝki odlegają jedynie oosioym siłom rociągającym lub ściskającym. Pomiar takich sił jest tani, technicnie łaty do reroadenia, a n. metoda tensometrycna jest ystarcająco dokładna, trała i nie ooduje obniŝenia ytrymałości drąŝka. Z amiesconej ceśniej aleŝności teoretycnej () ynika, Ŝe moment diałający okół osi atacania rotnicy aleŝy od geometrii aiesenia, a tym samym aleŝy od modelu ojadu. Wartości sił drąŝkach kieronicych tym samym stanie obciąŝenia enętrnego, jako aleŝące od konstrukcji rotnic, kaŝdym modeli samochodu będą co do asady róŝne. Pry sybkich obrotach kołem kieronicy, jakie ystęują n. ry gałtonie ykonyanym manere odójnej mianie asa ruchu łaśnie moment Ŝyroskooy ynikający obrotu kół jest dominujący.. BADANIA DROGOWE SAMOCHODU OSOBOWEGO.. Obiekt badań i aaratura omiaroa Na rysunku okaano sosób tensometrycnego omiaru sił obydóch drąŝkach kieronicych uŝytego do badań samochodu FIAT Punto. Moment na kole kieronicy mierono dynamometrycną kieronicą firmy Corrsys Datron Messsysteme GmbH o nastęujących arametrach: akres omiaroy momentu obrotoego ± Nm dokładnością ±, %, akres omiaroy kąta obrotu koła kieronicy ± º dokładnością ±, %. Prebiegi yŝej ymienionych ielkości charakteryujących diałanie układu kieronicego rejestroano torem omiaroym yosaŝonym retornik analogoo cyfroy HBM Sider i komuter renośny IBM orogramoaniem Catman (firmy HBM). Wartości dodatnie sił drąŝkach kieronicych ystęują dla ich rociągania, a artości dodatnie kąta obrotu koła kieronicy i momentu na kole kieronicy odoiadają stanoi układu kieronicego jak dla skrętu leo. Prędkość samochodu mierono bestykoo głoicą Correvit Corrsys S-CE dokładnością do, km/h, a rędkość odchylania i rysiesenie orecne bokiem omiaroym Crossbo VGCA- dokładnością ±, %. F F l Rys.. Lokaliacja cujnikó sił drąŝkach kieronicych Widok aaratury omiaroej redstaiono na rysunku. Ze ględu na ilość ykonanych rób, reentacja systkich arejestroanych rebiegó nie jest moŝlia ramach niniejsego artykułu.

4 W iąku tym oniŝej redstaiono ybrane, rykładoe rebiegi ielkości charakteryujących stan obciąŝenia układu kieronicego dla niediałającego układu somagania ora diałającego trybie normal i city, a chiloe artości maksymalne tych ielkości, ebrane e systkich rób, estaiono tabelach. Rys.. Widok aaratury omiaroej ykorystanej badaniach drogoych samochodu FIAT Punto II v a_x 7 - Fdk [N] ,,,,,,, 7 7, - Mδ H [Nm] ax [m/s] v [m/s].. Wyniki badań drogoych PoniŜej estaiono yniki omiaru sił ystęujących drąŝkach kieronicych ora momentu na kole kieronicy dla kilku ekstremalnych lub bliŝonych do ekstremalnych arunkó ruchu samochodu FIAT Punto. a/. Ekstremalne rysiesanie na suchej naierchni asfaltoej Badany samochód ostał yosaŝony silnik ałonem iskroym o ojemności skokoej cm ora maksymalnym momencie obrotoym Nm roijanym ry rędkości obrotoej ału korboego obr/min i maksymalnej mocy kw osiąganej ry rędkości obrotoej ału korboego obr/min. Podcas rysiesanie samochodu ykorystyano ekstremalne osiągi silnika. Z unktu idenia obciąŝenia układu kieronicego, najistotniejse są arametry ystęujące odcas roędania na biegu I. Prykładoe rebiegi ielkości mieronych ora ich estaienie kilku reroadonych rób redstaiono oniŝej. - - drąŝek k. ley -,,,,,,, 7 7, - drąŝek k. ray roędanie na I biegu Rys.. Prykładoe rebiegi arametró ruchu samochodu ora sił drąŝkach kieronicych i momentu na kole kieronicy rostolinioe ekstremalne rysiesanie na suchej naierchni asfaltoej, urądenie somagające układ kieronicy yłącone. Tab.. Zestaienie mienności ielkości charakteryujących ruch samochodu i stan obciąŝenia układu kieronicego odcas ekstremalnego roędania na biegu I Tryb racy urądenia somagającego układ kieronicy Wielkość mierona Średnie rysiesenie [m/s] Maks. siła drąŝku kier. leym [N] Maks. siła drąŝku kier. raym [N] Maks. moment na kole kieron. [Nm] Wyłącony Włącony / normal Włącony / city,, 9 9,,, 9 9,,, 97,

5 Moment na kole kieronicy ojaiający się odcas ekstremalnego roędania samochodu ynika głónie róby utrymania re kierocę rostolinioego toru jady casie ośligu kół i remiescenia bocnego rodu samochodu iąanego nieróną naierchnią jedni lub róŝnicą arunkach sółracy ogumienia kół naędanych jednią (rebiegi casie do ok., s od chili rusenia samochodu). Nie mniej jednak e systkich ykonanych róbach siły drąŝkach kieronicych nie rekracały nacąco artości N. b/. Ekstremalne hamoanie samochodu Próby ekstremalnego hamoania samochodu ( ykorystaniem systemu ABS) na tore rostolinioym, reroadono na suchej naierchni asfaltoej (o sółcynniku ryceności rylgoej ok.,7,), ariantoo dla hamoania systkimi kołami (hamoanie symetrycne ) i dla odłąconego hamulca redniego raego koła (hamoanie niesymetrycne ). PoniŜej na rysunkach areentoano rykładoe rebiegi arametró ruchu samochodu ora sił drąŝkach kieronicych i momentu na kole kieronicy, a tabeli estaiono akresy mienności artości licboych e systkich ykonanych rób. Prędkość ocątkoa hamoania bliŝona była do m/s (ok. km/h). v a_x v [m/s],,,, a x [m/s ] F dk [N],,,, drąŝek k. ley drąŝek k. ray Rys.. Prykładoe rebiegi arametró ruchu samochodu ora sił drąŝkach kieronicych i momentu na kole kieronicy rostolinioe hamoanie symetrycne rędkości ocątkoej ok. m/ urądenie somagające układ kieronicy yłącone M δh [Nm] Tab.. Zestaienie mienności ielkości charakteryujących ruch samochodu i stan obciąŝenia układu kieronicego dla hamoania symetrycnego Tryb racy urądenia somagającego układ kieronicy Wielkość mierona Wyłącony Włącony / normal Prędkość ocątkoa [m/s],,,, Średnie oóźnienie hamoania [m/s ] 7, 7, 7, 7,7 Maks. siła drąŝku kier. leym [N] Maks. siła drąŝku kier. raym [N] 9 9 Maks. moment na kole kieron. [Nm],,,, Ze ględu na niesymetrycne siły hamujące ystęujące na kołach kieroanych (takŝe ry diałaniu systemu ABS), efekt sumoania tych sił na listie rekładni kieronicej i tarcie układie kieronicym, nacnie mniejsyły relacje omiędy ulsacjami momentu na kole kieronicy, a ulsacjami sił (scególnie drąŝku leym odcas róby, której yniki okaano na rys. ). Z danych tabelarycnych idocny jest tylko nieielki ły trybu racy urądenia somagającego układ kieronicy na moment ystęujący na kole kieronicy. Wynika to rede systkim faktu ykonyania rób na tore rostolinioym. Analogicne rebiegi ora dane redstaiono oniŝej dla hamoania niesymetrycnego, uyskanego ore brak siły hamującej na kole rednim raym.

6 ,,,,,,,,, drąŝek k. ley drąŝek k. ray Mδ H [Nm] Fdk [N] v a_x ax [m/s] v [m/s] Rys.. Prykładoe rebiegi arametró ruchu samochodu ora sił drąŝkach kieronicych i momentu na kole kieronicy rostolinioe hamoanie niesymetrycne rędkości ocątkoej ok. m/ urądenie somagające układ kieronicy yłącone Tab.. Zestaienie mienności ielkości charakteryujących ruch samochodu i stan obciąŝenia układu kieronicego dla hamoania niesymetrycnego Tryb racy urądenia somagającego układ kieronicy Wielkość mierona Prędkość ocątkoa [m/s] Średnie oóźnienie hamoania [m/s] Maks. siła drąŝku kier. leym [N] Maks. siła drąŝku kier. raym [N] Maks. moment na kole kieron. [Nm] Wyłącony Włącony / normal,,,, 7 7,,,,,, 7,, Analia uyskanych ynikó skauje, iŝ artości sił drąŝkach kieronicych samochodu FIAT Punto II odcas ekstremalnego hamoania na tyoej suchej naierchni asfaltoej, nie rekracają nacąco artości N. Oscylacje mian tych sił odcas diałania systemu ABS są nacne i decydują one o dynamicnym obciąŝeniu międy innymi regubó kuloych. Wystęujące e systkich róbach nieco iękse chiloe obciąŝenie drąŝka kieronicego leego (ry nienacnej artości momentu na kole kieronicy dodatniego) mogło ynikać niesymetrycnego obciąŝenia samochodu i mogło być iąane lokalnym róŝnicoaniem sółcynnika ryceności kół leych i raych. c/. Prejad re nacne nieróności naierchni jedni Próby drogoe, olegające na rejeźdie re yukłe, niesymetrycne dla kół obu stron ojadu i nieregularne nieróności (okaane na rys. 7), ostały ykonane dla róŝnych rędkości jady i dla róŝnych trybó racy urądenia somagającego układ kieronicy ( łącony/normal i łącony/city ). Prykładoe rebiegi mian ielkości mieronych okaano na rys., a estaienie otrymanych artości licboych stanoi tabela. Rys. 7. Widok odcinka naierchni nieregularnymi nierónościami ykorystanymi do badań. Odcinek ten najduje się jednej dróg enętrnych firmy TRW Bielsku Białej

7 F dk [N] -,,, -, drąŝek k. ley drąŝek k. ray, 7,, - -7, - -, - M δh [Nm] F dk [N] -,,, drąŝek k. ley drąŝek k. ray Rys.. Prykładoe rebiegi sił drąŝkach kieronicych i momentu na kole kieronicy uyskane odcas rejadu re nieregularne nieróności rędkością ok. m/s (o leej stronie) i ok. 7 m/s (o raej stronie), urądenie somagające układ kieronicy łącone trybie normal M δh [Nm] Tab.. Zestaienie mienności ielkości charakteryujących ruch samochodu i stan obciąŝenia układu kieronicego, rejad re nieróności jedni dla dóch trybó diałania somagania układu kieronicego Tryb racy urądenia somagającego układ kieronicy Wielkość mierona Włącony / normal Włącony / city Prędkość jady [m/s], 7,, 7, Maks. siła drąŝku kier. leym [N] 9 Maks. siła drąŝku kier. raym [N] Maks. moment na kole kieron. [Nm],,,,7 Oisane róby rejadu re nacne nieregularne nieróności naierchni, reroadone dla rędkości rędu 7 m/s (tj. ok. km/h), charakteryoały się juŝ dyskomfortem ynikającym nie tylko e nacnych drgań nadoia i koła kieronicy, ale takŝe subiektynego odcucia rekrocenia akcetoalnej granicy ekstremalnych arunkó eksloatacji samochodu. Pry rędkościach jady od do km/h siły drąŝkach kieronicych były mniejse niŝ ry rędkości jady ok. km/h. Nieco mniejse niŝ dla rędkości km/h obciąŝenie układu kieronicego ry rędkości jady km/h, ynikało reskakiania kół nad niektórymi nierónościami. W najgorsych arunkach obciąŝenia układu kieronicego, chiloe siły drąŝkach kieronicych dochodiły do N. Nieielkie artości momentu na kole kieronicy ryadku obu trybó racy somagania, ynikały orusania się kół obu stron ojadu o odobnych nierónościach odłoŝa i sumoania się sił układie na listie rekładni kieronicej. WNIOSKI Preroadone badania drogoe samochodu osoboego średniej klasy ooliły na określenie akresu obciąŝenia układu kieronicego soodoanego ekstremalnym rysiesaniem i hamoaniem na rónej naierchni asfaltoej ora rejadem re nacne i nieregularne nieróności odłoŝa. Najiękse obciąŝenia układu kieronicego, skutkujące ystęoaniem sił drąŝkach kieronicych o artościach dochodących do N, uyskano odcas rejadu re nacne, nieregularne nieróności odłoŝa. Pomiar sił drąŝkach kieronicych oala na identyfikację obciąŝenia koła kieroanego samochodu i ośrednio takŝe na identyfikację arunkó orusania się tego koła. Informacje te, łącnie omiarem momentu na kole kieronicy i kąta obrotu koła kieronicy, moŝna ykorystać do steroania urądeniem somagającym układ kieronicy, sosób oraiający beieceństo cynne ruchu ojadu.

8 Strescenie W artykule redstaiono metodykę badań obciąŝeń układie kieronicym tym omiar sił drąŝkach orecnych układu kieronicego. Siły drąŝkach są sumoane na listie ębatej układu kieronicego i siła yadkoa na listie jest renosona na koło kieronicy. PonieaŜ momenty okół osi atacania rotnic aleŝą od seregu arametró konstrukcyjnych i od arunkó ruchu, stąd i siły drąŝkach kieronicych są funkcją stanu ruchu ojadu. Do badań ykorystano samochód FIAT Punto elektrycnym urądeniem somagającym układ kieronicy. Loading of the steering system in extreme states of the car motion Abstract The aer resents the methodology of the steering system load testing including the measurement of the forces in the tie rods. The forces in tie rods are summaried on the toothed bar of the steering system and the resultant force is transmitted to the steering heel. Since the moments/torques around the stub axles deend on many design arameters as ell as on the motion condition the forces in tie rods are a function of the car motion state. The testing as erformed using FIAT Punto ith electric oer assisted steering system. BIBLIOGRAFIA. Kleckoski A., Kuranoski A., Ujemny romień atacania a statecność i kieroalność samochodu. Analia teoretycna. Technika Motoryacyjna /79.. Kuranoski A., Wły arametró miennego ymusenia ejścioego na charakterystyki elektrycnego urądenia somagającego układ kieronicy. VIII Międynarodoa Konferencja Naukoo Technicna. Problemy Beieceństa Pojadach Samochodoych. Wyd. Polit. Śiętokryska, Kielce, s Kuranoski A., Effect of the Variable Inut Function Parameters on the Characteristics of an Electric Poer Steering System, monografia: Automotive Safety Problems, Vol.. Wyd. Polit. Śięt. Kielce, s. -.. Kuranoski A., Effect of Variable Inut and Outut on the Characteristics of a Steering System ith EPS (Electric Poer System), Journal of KONES Poertrain and Transort, Vol. 9 No., Euroean Science Society of Poertrain and Transort Publication, Warsa, s. -.. Jaksch F.O., Driver- Vehicle Interaction ith Resct to Steering Controllability,SAE Technical Paer 797, 97.. Mitschke M., Dynamika samochodu. WKiŁ Warsaa Nogocyk P. Kstałtoanie charakterystyk układu kieronicego, ry ykorystaniu rysiesenia orecnego ojadu, Praca doktorska, Krakó 9. Pracę ykonano ramach rojektu badacego, finansoanego re Narodoe Centrum Nauki, nr N9 7 Kstałtoanie charakterystyk urądeń somagających kieronicę dla oray beieceństa cynnego samochodu