боковое ускорение автомобиля что это

Немного теории и практики – пилотаж, траектории, телеметрия.

Заранее предупреждаю — пост длинный и скучный. Большинству он будет малоинтересен — прошу меня извинить 🙂
В комментариях к прошлому посту блога этой машины (Видео с МРВ), мой очень хороший знакомый Алексей Ковальчук (хорошо известный в мире спортивной подвески) задал интересный вопрос: «Есть ощущение, что Витя не вышел из режима гонки, и всё время кроется на входе. Вход везде очень ранний. Почему так?» (с)
Вопрос интересный и можно было бы ответить в двух словах, но пользы от этого было бы «пшик» :). Поэтому начну по порядку:
Что такое ранний/поздний вход в поворот и на что он влияет? Для начала скажу, что в мировой практике траекторию в повороте принято описывать несколько иначе – ранний или поздний апекс (хотя, на мой взгляд, точка входа/turn in является определяющей, т.к. если автомобиль движется на пределе сцепления с дорогой, то с этого момента и до апекса пилот становится «пассажиром»).
Так какой апекс (ранний/поздний или посередине) является правильным? Если упростить, то можно сказать так: Если после апекса (самая «узкая» точка на траектории – касание внутреннего паребрика трассы) пилот не уменьшает (или, что еще хуже, увеличивает) угол поворота руля то апекс слишком ранний = точка входа/turn in слишком ранняя. Это приводит к тому, что пилот вынужден позже/меньше открываться (дроссель) на выходе и теряет время на следующей за этим поворотом прямой.
Классическая гоночная траектория — поздний апекс, т.е. основную часть изменения направления (собственно поворота), пилот совершает в первой половине (до апекса), после чего распрямляет траекторию
Почему так? Дело в том, что шина (в нелинейной зависимости от вертикальной нагрузки в пятне контакта) обладает определенным бюджетом ускорения. Ускорение в данном случае это изменение скорости в том или ином направлении. Этот «бюджет» ускорений проще всего представить в виде такого графика:

Где ось Х это ускорения развиваемое в продольном направлении, ось Y — боковое ускорение. Окружность — это граница максимального ускорения развиваемого в одном направлении (в жизни это не совсем окружность). Предположим, что наши шины на данном автомобиле могут развивать в одном направлении 2g максимум. В этом случае, если пилот тормозит с ускорением (отрицательным) в 1.41g, то проведя горизонтальную прямую до пересечения с окружностью (2g) и оттуда вертикальную прямую до пересечения с осью Y мы видим, что развивая 1.41g продольного ускорения, автомобиль еще способен развивать 1.41g поперечного ускорения.
Что будет если, автомобиль тормозит с ускорением 1.8g?

На рисунке видно, что в этом случае автомобиль может дополнительно развивать 0.87g бокового ускорения. Думаю, что без дополнительного рисунка, уже понятно, что если автомобиль тормозит с максимально возможным ускорением в 2g, то «бюджета» на боковое ускорение больше НЕТ. Другими словами, если автомобиль использует весь запас сил развиваемых шинами в одном (в данном случае продольном) направлении то он способен генерировать боковое ускорение равное нулю :).
Что это означает в жизни, т.е. автомобиль тормозит на максимуме и пилот поворачивает руль? Два варианта (если нет АБС) — в зависимости на какой из осей (передней/задней) запас сцепления израсходован полностью то: а) (полностью использован запас на передней оси) автомобиль продолжит прямолинейное движение никак не реагируя на поворот руля, б) (полностью израсходован запас на задней оси) автомобиль все равно продолжит прямолинейное движение, одновременно перейдя в неконтролируемое вращение.
Второй вывод заключается в том, что комбинируя одновременно продольное и поперечное ускорение, суммарно автомобиль может развивать ускорение большее чем максимально возможное в одном направлении

На рисунке выше сумма продольного и бокового ускорения = 2.8g, что значительно больше 2g.

Если считать, что задача машины/пилота на трассе постоянно развивать максимально возможное ускорение (это и дает время круга), то понятно, что в идеале этот синий шарик на рисунке должен постоянно находиться на внешней окружности или близко к ней.

Всё вышесказанное общеизвестно и доступно во множестве источников. Какое это имеет отношение к вопросу Алексея Ковальчука kmstuning о слишком раннем входе? Имеем терпение и читаем дальше 🙂

Возвращаясь к траекториям/апексам и точкам входа — классический поздний апекс это хорошо, но есть нюанс. Все зависит от скорости на которой проходится поворот т.е. от «бюджета» момента (torque) на колесах:
Меньше скорость => ниже передача => больше запас момента. Чем больше доступного пилоту момента на колесах, тем большая часть «бюджета» ускорений будет использована при открытии дросселя на выходе из поворота. Это значит, что запаса на боковое ускорение будет мало, и значит нужен поздний апекс = как можно более прямая траектория на выходе из поворота, чтобы можно было реализовать весь доступный крутящий момент. Короче — чем выше доступный крутящий момент тем позже апекс и точка входа.
Когда скорость растет — скажем выше 140-160км/ч (это конечно зависит от конкретной машины/доступного момента), то машина не может интенсивно ускоряться из поворота => приоритет смещается в сторону как можно меньшей потери скорости на входе в поворот — т.е. нужна более прямая траектория на входе => более ранний апекс.
Но все вышесказанное это не более чем «первое приближение» т.е. основное правило, правильность которого зависит от конкретных обстоятельств — все трассы/повороты/машины разные. Есть еще серии поворотов, поворот после длинной прямой за которым следует короткая прямая и т.д. и т.п. Единственный способ узнать (с высокой степенью точности) какая траектория лучше это анализ записанных данных (телеметрия). Время по секторам — очень надежный способ выявления какая траектория ведет к улучшению времени круга. Но как узнать по какой траектории едет пилот? Видео — довольно ненадежный источник. Из-за разного фокусного расстояния, разного расположения на машине и т.д. видео может искажать реальность и (имхо) здесь мы имеем именно такой случай.
Традиционно (если говорить о «телеметрии») для этих целей используется анализ канала (math channel/математический канал — т.е. не прямой сигнал датчика, а результат формулы использующей несколько датчиков и/или констант) corner radius/радиус поворота. Этот канал показывает радиус по которому движется машина в течении каждого поворота трассы. В случае AIM (на нашей машине) формула выглядит так: (GndSpeed^2*KMH2MS)/Lateral_acc, т.е. квадрат скорости деленный на боковое ускорение. Т.е. если поворот пройден с поздним апексом то наименьший радиус поворота будет показан в его первой части, если ранний апекс, то соответственно во второй половине поворота. Предлагаю воспользоваться этим методом и проанализировать круг 1.38.6ХХ, который зафиксирован на видео.

На этом «скриншоте» мы имеем скорость (зеленый) и радиус поворота (синий). На прямых синий график стремится к бесконечности — вертикальные линии (прямая это о-очень большой радиус поворота), а в поворотах мы видим некие «холмы» (левые повороты) и «овраги» (правые повороты). Дальше все просто — смотрим в какой части холма/горки находится её «вершина/дно» и делаем выводы основываясь на фактах.
Зеленый график (скорость) позволяет увидеть повороты (овраги) и разгоны на прямых (горки). Если коротко, то во всех поворотах кроме шестого (левый после дальней прямой — быстрый поворот на четвертой передаче, где важно сохранить скорость) и восьмого (правый перед самой медленной шпилькой, где пилот не может раскрывать траекторию т.к. надо удерживать машину внутри, чтобы оказаться снаружи перед входом в шпильку) мы видим график типичный для позднего апекса. То же относится к девятому и десятому повороту — компромисс траектории в связке поворотов.

Кстати — так выглядит один из профилей (в AIM профиль это набор графиков посвященных какому то аспекту поведения пилота или машины) отведенных для анализа поведения пилота.

Источник

Активная подвеска

Активная подвеска, как и многие другие новации, была создана в мире Гран При. Теперь она постепенно становится, все более популярной при производстве обычных транспортных средств. Интересно отметить, что по мере того как некоторые команды, принимавшие участие в гонках «Формула-1», совершенствовали подвеску, правила изменились (1993-1994 гг.), чтобы предотвратить ее использование!

Обычные системы подвески — это всегда компромисс между мягкими пружинами для комфорта и более жестким подпружиниванием для лучшей устойчивости движения на поворотах. Система подвески должна выполнять четыре главных функции:

Это означает, что некоторые функции должны быть приняты с оговорками, чтобы другие выполнялись в большей степени.

Функционирование активной подвески

Активная подвеска позволяет получить лучшее сочетание из обоих миров. Активная подвеска получается при замене обычных пружин на гидравлические узлы двойного действия. Ими управляет блок управления (ECU), который получает сигналы от различных датчиков. Давление масла сверх 150 бар поставляется гидравлическим узлам от насоса. Клапан с сервоприводом контролирует давление масла, которое является, возможно, самым критическим параметром системы.

Главные выгоды от применения активной подвески состоят в следующем:

Датчики, приводы и функционирование системы активной подвески

Чтобы максимально эффективно управлять гидравлическими узлами, ECU должна «знать» определенную информацию. Она поступает в систему от датчиков, расположенных в различных частях транспортного средства.

Датчик нагрузки

Датчик нагрузки используется, чтобы определить фактическую нагрузку на каждый гидравлический узел.

Смещение и вертикальное ускорение

В качестве этого датчика могут использоваться простые переменные резисторы или более точные и чувствительные линейные датчики типа LVDT.

Боковое и продольное ускорение

Ускорение может быть определено при помощи маятникового датчика, использующего тензодатчики, связанные с массой, или устройства, подобные датчику ударов в двигателе.

Датчик заноса

Отклонение от курса может быть определено по боковому ускорению, если датчик установлен в передней или задней части транспортного средства.

Положение руля

Помимо положении руля, скорость изменения направления движения определяется по сигналу от датчика вращения. Это устройство может быть датчиком на основе луча света с детектором или чем-либо подобным. Если скорость изменения положения руля окажется за определенным порогом, то система переключится к более жесткому регулированию подвески.

Скорость транспортного средства

Скорость транспортного средства измеряется с помощью стандартною датчика, который используется для спидометра.

Датчик положения дроссельного клапана

Датчик положения дроссельного клапана аналогичен существующим потенциометрам. Он показывает намерение водителя ускорить или замедлить движение, позволяя подвеске перейти в более жесткий режим, если для этого предусмотрен соответствующий механизм.

Выбор режима подвески водителем

В системе предусмотрен выключатель, позволяющий водителю выбрать мягкие или жесткие параметры настройки системы. Но даже если будет выбрано мягкое регулирование, то система переключится на более жесткое при определенных эксплуатационных условиях.

Рис. Общая компоновка системы активной подвески и используемые датчики

На схеме компоновки системы активной подвески показано упрошенное представление гидравлического узла. По сути, это гидравлический домкрат, который может обеспечивать очень высокое давление масла, подаваемого к верхней или нижней камере. Функционирование всей системы происходит следующим образом. В момент, когда колесо встречает на дороге выпуклость, возникает вертикальное ускорение вверх и увеличение вертикальной нагрузки. Эта информация подастся к ECU, который вычисляет идеальное смешение колеса. Сигнал управления от ECU посылается сервоклапанам, которые управляют положением главных гидравлических узлов. Поскольку этот процесс может происходить сотни раз в секунду, колесо может точно следовать за контуром дорожной поверхности, Это смягчает действие нежелательных нагрузок на корпус автомобиля.

Благодаря анализу информации от других датчиков, вроде бокового датчика ускорения (данные о движении на повороте) и продольного датчика (информация о продольном торможении или ускорении), приводы могут перемещаться так, чтобы всегда обеспечивать максимальную устойчивость.

Активная подвеска обеспечивает комфортное движение, и в этом залог ее будущего. Так как цены на комплектующие падают, система скоро станет достоянием большого количества транспортных средств. Ожидается, что в ближайшем будущем активной подвеской могут быть оборудованы даже внедорожники.

Источник

Управляемости пост

В журнолажных статейках очень любят писать про управляемость, никак не раскрывая, что же это такое и с чем ее едят. К этому слову приделывают много красочных художественных эпитетов, таких как «отточенная», «острая» и т.д. и т.п., но стараниями больших рекламных бюджетов найти в современных статьях про автомобили реальные данные практически невозможно — никому не нужна объективная информация про автомобили, их продавать надо!

Но если порыться на просторах интернета, то можно кое-что интересное найти )) Так, например, когда-то управляемость серо и скучно оценивалась величиной предельного бокового ускорения в повороте — вот так вот уныло и обыденно целый ворох красивых слов заменяется одним сухим числом. Ну правда, кому такое может быть интересно? Но мы поищем и найдем!

Ниже представлена таблица, в которой собраны данные по реальной управляемости трех десятков моделей автомобилей. Повторюсь, это не журнолажа, а просто одна цифра для каждой модели автомобиля, которая определяет, при каком предельном боковом ускорении данный автомобиль может пройти поворот.

А теперь на закуску самое интересное. Каждый тазофоб прекрасно осведомлен о том, что наши авто не едут и не управляются, они валкие, у них дикие крены, адская раскачка, никакой отточенностью и остротой управления и не пахнет и т.д. до бесконечности — это же ТАЗ, чего от него хотеть? Поэтому, тазофобы, смотрим в приведенную таблицу, ищем в ней Ладу Калину и Ладу Калину Спорт и начинаем громко кукарекать — не подведите, ребята, я в вас верю ))

Ну а для обычных нормальных адекватных автовладельцев и автолюбителей это полезная информация и очередное подтверждение того, о чем они и так в курсе — что наши машины отлично управляются ) И что с минимальными доделками (Калина Спорт отличается от обычной Калины другими пружинами и амортизаторами, конструктивно автомобили одинаковы) они управляются лучше подавляющего большинства того, что ездит по дорогам )

Update: в комментариях выложили альтернативную таблицу со ссылками на источники — Лада Калина Спорт снова скромно затесалась между Феррари, Порше и Ламборгини. И это по объективным данным — тут уже не скажешь, что у Калины «размазанное» управление и т.д., в отличие от «острейшей» управляемости Соляриса ))))

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Динамика поперечного перемещения автомобиля

На страницах этого справочник мы уже неоднократно упоминали о динамике поперечного перемещения автомобиля. От того, как автомобиль может сопротивляться поперечному перемещению, во многом зависит его поведение на дороге. В этой статье мы подробно поговорим, что представляет собой динамика поперечного перемещения автомобиля.

Диапазоны бокового ускорения

Диапазон от 0 до 0,5 м/с 2 известен под на­званием диапазона малого сигнала. В этом диапазоне явление возникает при прямоли­нейном движении под действием таких воз­мущений, как неровности дороги и боковой ветер. Ветровые возмущения возникают вследствие порывов ветра и при въезде в за­крытые от ветра зоны и выезде из них.

Диапазон от 0,5 до 4 м/с 2 известен под на­званием линейного диапазона, поскольку по­ведение автомобиля в этом диапазоне может быть описано при помощи линейной, одноколейной модели. К типичным маневрам, свя­занным с динамикой поперечного движения, относятся резкое манипулирование рулем, пе­рестроения из ряда в ряд, а также комбинации маневров, связанных с изменением динамики как продольного, так и поперечного движения, например, вследствие реакций на изменения нагрузки при прохождении поворотов.

Боковое ускорение свыше 6 м/с 2 достигается только в экстремальных ситуациях, поэтому рассматривается как предельный диапазон. В этом диапазоне характеристики автомобиля в основном нелинейные и оказывают влияние на устойчивость автомобиля. Этот диапазон достигается на спортивных трассах или в си­туациях, в условиях обычного дорожного дви­жения приводящих к авариям.

Одноколейная линейная модель

Из одноколейной линейной модели могут быть получены важные выводы, касающиеся дина­мических характеристик поперечного движе­ния. В одноколейной линейной модели динами­ческие свойства одной оси и ее колес сведены в одно эффективное колесо. В простейшем ва­рианте, как показано здесь, рассматриваемые характеристики находятся в линейном диапа­зоне, что объясняет, почему модель этого типа называется одноколейной линейной моделью. Наиболее важными модельными предположе­ниями являются следующие:

Способность автомобиля к восстановлению прямолинейного движения

На рис. «Одноколейная модель заноса в установившемся состоянии» представлена однолинейная модель для условий быстрого и медленного заноса. Результатом этого представления являются следующие соотношения, описывающие ки­нематику углов скольжения:

Вместе с балансом моментов можно вычислить изменение угла поворота рулевого колеса, свя­занное с увеличением бокового ускорения, в условиях маневра с заносом при постоянном радиусе. Это дает определение градиента самовыравнивания управляемых колес EG:

Конструкция всех легковых автомобилей в линейном диапазоне бокового ускорения предусматривает недостаточную поворачиваемость. Значение EG для легковых авто­мобилей составляет около 0,25 градус⋅с 2 /м.

В отношении динамики бокового движения градиент самовыравнивания управляемых колес характеризует устойчивость и демпфирование автомобиля. Кроме того, значение градиента самовыравнивания для среднего водителя стано­вится очевидным, поскольку угол поворота колес увеличивается с ростом скорости прохождения поворота. Это привлекает внимание водителя к возрастающему боковому ускорению.

Градиент угла дрейфа (SG) можно вычислить, воспользовавшись схемой, представленной на рис. «Одноколейная модель заноса в установившемся состоянии». В целях повышения устойчивости авто­мобиля градиент угла дрейфа должен быть как можно меньше.

SG = dβ/da_y = ml_v/C_hl

Коэффициент усиления рыскания

На рис. «Зависимость коэффициента усиления рыскания от скорости» показан коэффициент усиления ры­скания для автомобиля, имеющего тенденцию к избыточной поворачиваемости (EG 0). При высоких скоростях движения приемлемой является только недостаточная поворачиваемость, обеспечивающая тре­буемую динамику автомобиля даже во время движения по прямой. Скорость, при которой автомобиль, имеющий тенденцию к недо­статочной поворачиваемости, демонстрирует максимальную реакцию рыскания, известна как характеристическая скорость v_char. В ли­нейной одноколейной модели эта скорость выражается как:

Коэффициент демпфирования

Из линейной одноколейной модели выведено следующее уравнение равновесия сил:

Для баланса моментов:

Коэффициент демпфирования D возмущения в отношении динамики поперечного движения может быть выведен из двух следующих уравнений:

Недемпфированная собственная частота вы­ражается следующим уравнением:

Коэффициент демпфирования автомобиля может быть определен, например, из реакции рыскания на резкий поворот рулевого колеса или иное ступенчатое входное воздействие. При разработке конструкции автомобиля раз­работчики стремятся получить как можно бо­лее высокий коэффициент демпфирования.

На рис. «Коэффициент демпфирования и коэффициент рыскания» показаны коэффициенты демп­фирования и усиления рыскания для различ­ных градиентов самовыравнивания. При этом имеет место следующий конфликт целей:

Диаграмма боковой подвижности автомобиля

Еще одной важной переменной, определяю­щей сбалансированность автомобиля, явля­ется общее передаточное отношение рулевого механизма i_l. Угол поворота рулевого колеса i_l вычисляется, исходя из угла поворота оси, как:

Это дает следующее уравнение для макси­мального коэффициента усиления рыскания:

Этот максимум построен на диаграмме бо­ковой подвижности (рис.»Диаграмма боковой подвижности» ) в функции пере­даточного отношения рулевого механизма. Дополнительно на диаграмме показаны изо­линии EG. Вдоль этих кривых градиент само­выравнивания постоянен. На этой диаграмме могут быть построены желаемые диапазоны коэффициента усиления рыскания и пере­даточного отношения рулевого механизма с Целью определения необходимых градиентов самовыравнивания.

Если в автомобиле изменяется только пе­редаточное отношение рулевого механизма, максимальный коэффициент усиления ры­скания можно определить при помощи диа­граммы боковой подвижности, сдвигая базо­вую линию вдоль изолиний EG. Если имеет место изменение характеристик оси, сдвиг осуществляется вдоль вертикальной оси.

Динамика поперечного движения автомобиля

Ветер может вызывать динамические эффекты в боковом направлении. Реакция автомобиля на эти внешние воздействия проявляется в виде отклонения от желаемой траектории дви­жения, бокового ускорения и изменения углов рыскания и крена. Чтобы противодействовать этим изменениям, водитель пытается вы­полнить корректирующие действия. Следова­тельно, необходимо учитывать скорость реак­ции водителя, а также способность автомобиля к коррекции. Согласно результатам исследова­ния, непосредственная реакция автомобиля на боковой ветер является основной переменной величиной для субъективной оценки общей устойчивости автомобиль под действием бо­кового ветра. Это дает преимущество, заклю­чающееся в том, что реакцию автомобиля на боковой ветер можно эффективно оценить посредством анализа.

Характеристически средний водитель вос­принимает два состояния, вызываемые возмущениями в виде бокового ветра:

В автомобилестроении стремятся свести к минимуму эффекты возмущений, вызываемых ветровыми нагрузками, учитывая следующие факторы:

Аэродинамические силы и моменты

Когда автомобиль движется со скоростью v при ветре, имеющем скорость v_w, на него воздействует ветер с результирующей скоростью v_r. При наличии бокового ветра угол воздействия τ в общем случае отличен от 0 градусов, что приводит к возникновению поперечной силы F_s и момента рыскания М_z, воздействующих на автомобиль.

В аэродинамике стандартной практикой является указание вместо сил и моментов безразмерных коэффициентов. Отсюда:

Момент М_z и поперечная сила Fs, определенные в средней точке колесной базы, могут быть представлены единой поперечной силой F_s, когда точка приложения воздействия совпадает с точкой приложения давления D (рис. «Автомобиль под действием бокового ветра» ). Расстояние d между аэродинамической опорной точкой В и точкой приложения давления D вычисляется следующим образом:

Чтобы в максимальной степени уменьшить влияние аэродинамических эффектов, следует принять меры к тому, чтобы точка приложения давления D находилась как можно ближе к центру тяжести автомобиля. Это существенно снизит эффективное влияние момента.

На рис. «Коэффициент поперечной силы и точка приложения давления» представлены аэродинамические коэффициенты для двух наиболее типичных кузовов автомобиля, универсала и седана, в функции угла воздействия τ. Результирующее расстояние d для универсалов значительно меньше, чем для седанов (см. рис. «Автомобиль под действием бокового ветра» ). Для автомобилей с центром тяжести, расположенным посередине колесной базы, конструкция универсала, следовательно, менее чувствительна к боковому ветру, чем у седана.

Поведение в повороте

Центробежная сила, действующая в повороте (рис. «Действие центробежной силы в повороте» ):

Боковой крен кузова в повороте

При движении в повороте центробежная сила, приложенная в центре тяжести автомобиля, наклоняет кузов. Величина крена зависит от упругих характеристик подвески и ее воспри­имчивости к деформации, а также от плеча действия центробежной силы (расстояние между осью крена и центром тяжести авто­мобиля). Ось крена является одновременно мгновенной осью вращения кузова относи­тельно поверхности дороги. Подобно всем жестким телам, кузов автомобиля подверга­ется совместному воздействию на него скру­чивающих и поворачивающих усилий, усу­губляющих крен; это движение дополняется боковым смещением вдоль мгновенной оси.

Чем ближе расположена ось крена к центру тяжести автомобиля, тем выше его попереч­ная устойчивость и меньше крен при движе­нии в повороте. Однако обычно это вызывает соответствующее перемещение вверх колес, что приводит к изменению колеи и оказывает негативное влияние на безопасность дви­жения. Поэтому следует стремиться к тому, чтобы высокое расположение мгновенного центра крена сочеталось с минимальными изменениями колеи автомобиля. Таким об­разом, целью конструкторов является рас­положение мгновенных осей наклонов колес как можно выше относительно кузова и одно­временно как можно дальше от него.

Таблица «Критические скорости при прохождении поворотов»

Часто для нахождения (приблизительного) оси крена определяются центры вращения (цен­тры крена) так называемого эквивалентного кузова. При этом рассматривают перемещение кузова в двух вертикальных относительно до­роги плоскостях, проходящих через переднюю и заднюю оси автомобиля. Центры крена — это те гипотетические точки на кузове, которые остаются неподвижными при крене. Ось крена, в свою очередь, представляет собой линию, соединяющую эти точки. Графическое пред­ставление центров крена базируется на правиле, согласно которому мгновенные центры враще­ния трех систем в состоянии относительного движения лежат на одной линии.

Сложность операций, требующихся для более точного определения пространствен­ных соотношений, описывающих движение колеса, делает целесообразным использова­ние трехмерной модели.

Источник