Все о системе курсовой устойчивости ESP

Электронная система курсовой устойчивости, у которой, в зависимости от производителя, имеется несколько названий (ESP – «Electronic Stability Program», ESC — «Electronic Stability Control» либо DSC – «Dynamic Stability Control» и прочие), является системой активной безопасности автомобиля. Эволюционно эта система представляет собой усовершенствованную антиблокировочную систему тормозов, главная функция которой – помочь водителю удерживать автомобиль в заданной траектории при потере управляемости.

История

Первым шагом в развитии систем активной безопасности автомобилей стало создание антиблокировочной системы тормозов, которая при торможении разблокировала тормоза, позволяя водителю сохранить контроль над управлением машиной. Однако с течением времени инженеры, исследующие проблемы безопасности автомобилей поняли, что простой разблокировки тормозов недостаточно для того, чтобы удержать машину от ухода в занос. После проведения массы испытаний, конструкторы решили расширить функционал системы активной безопасности, «научив» ее контролировать тягу и притормаживать определенные колеса, направляя автомобиль по заданной водителем траектории. Основной фронт работ по созданию эффективной системы курсовой устойчивости развернулся в конце 1980-х — начале 1990-х годов, причем, как в Европе (BMW Mercedes-Benz), так и в Азии (Mitsubishi). Более всего в этом преуспели специалисты Mercedes-Benz, которые в сотрудничестве с компанией Bosch уже в 1992 году имели опытный образец системы курсовой устойчивости, которая испытывалась на различных моделях марки.

Впрочем, особой спешки при внедрении системы на серийные авто не наблюдалось: немецкие инженеры со свойственной им педантичностью проверяли каждый параметр. Однако даже такие тщательные испытания и исследования не могли гарантировать стопроцентной безопасности автомобиля, сорвавшегося в занос при прохождении крутого поворота. Лишь в 1995 году инженерам удалось усовершенствовать систему курсовой устойчивости настолько, что руководство компании дало добро на оборудование ею нескольких серийных моделей.

Mercedes-Benz A 190 UK-spec

Первой такой моделью стал компактный городской хэтчбек A-Class, который был под угрозой снятия с производства и переделки из-за склонности к переворачиванию при прохождении поворотов даже не небольших скоростях. Чтобы спасти модель и честь бренда, инженеры Mercedes-Benz установили на хэтчбек систему курсовой устойчивости, которая полностью решила проблему переворачивания автомобиля. С тех пор ESP получила всемирное признание, и практически все автомобильные бренды стали оснащать свои модели этой системой активной безопасности.

Конструктивно система курсовой устойчивости автомобиля представляет собой систему датчиков, которые, будучи установлены на передней и задней оси автомобиля, рулевом механизме контролируют положение автомобиля на дороге. Помимо датчиков, в состав ESP входит акселерометр, определяющий положение автомобиля на дороге при поворотах. Эффективность этой системы заключается в ее совместном использовании с антиблокировочной и антипробуксовочной системами активной безопасности машины.

Устройство ESP

Система курсовой устойчивости активируется в двух случаях – при избыточной либо недостаточной управляемости автомобиля. В обоих случаях система, анализируя полученную с указанных выше датчиков и акселерометра (это занимает не более 20 миллисекунд), выбирает, какое колесо следует притормозить, чтобы направить машину по безопасной траектории. Одновременно с притормаживанием, ESP понижает обороты двигателя, что позволяет водителю снова войти в траекторию движения, нарушенную при сносе или заносе автомобиля.

Если управляемость автомобиля при входе в поворот избыточная, и передние колеса идут в снос, система курсовой устойчивости задействует задние тормоза, притормаживая то колесо, которое находится на внутреннем радиусе поворота. Это позволяет выровнять уходящую в снос переднюю часть автомобиля.

BMW M3 в заносе

Если же управляемость автомобиля при входе в поворот недостаточная, то возникает занос – то есть, с траектории движения уходят задние колеса. В таком случае система ESP активирует передние тормоза, притормаживая колесо, которое идет по внешнему радиусу поворота.

Кроме обеспечения безопасного движения в поворотах, система курсовой устойчивости помогает избежать аварии и когда у автомобиля начинают проскальзывать все четыре колеса (например, при передвижении по обледенелой дороге). В этом случае система определяет, какие именно колеса нужно притормозить, чтобы выровнять траекторию движения.

Сегодня именно ESP во всем мире признана наиболее эффективной системой активной безопасности автомобиля. В некоторых странах (Израиль, США, Канаде, странах Евросоюза) установка на автомобили систем курсовой устойчивости закреплена законодательно.

19 Курсовая устойчивость автомобиля

Свойство автомобиля двигаться прямолинейно без корректирующих действий водитель при неизменном положении рулевого колеса, называется курсовой устойчивостью.

Нарушение курсовой устойчивости при прямолинейном движении автомобиля может быть из-за бокового ветра, ударов колес о неровности дороги, разных по величине тяговых или тормозных сил на колесах правой и левой стороны. Это может быть вызвано и неправильными приемами вождения (резким торможением или разгоном), а также техническими неисправностями (неправильная регулировка тормозных механизмов, прокол или разрыв шины и т.п.).

Часто предпосылкой потери курсовой устойчивости является скорость автомобиля, не соответствующая дорожным условиям, когда тяговая сила Р_т на ведущих колесах приближается к силе сцепления Р_сц и возможно их буксование. Условие отсутствие буксования для заднеприводного автомобиля

Р_Т<Рсц2

Сила тяги при ускоренном движении:

Поэтому большая скорость сама по себе не может нарушить курсовую устойчивость, но она усиливает вероятность опасных последствий.

Вместе с тем водитель имеет возможность уменьшить силу тяги, уменьшив подачу топлива. Поэтому начавшееся буксование колес может привести к аварии, только в результате неправильных или несвоевременных действий водителя. При движении автомобиля по неровной дороге со скоростью близкой к Vб_укс. наезд колеса на выступ или впадину приводит к изменению вертикальной и соответственно касательной реакции на одном из ведущих колес автомобиля, что приводит к заносу

При криволинейном движении автомобиля поперечной силой, вызывающей его занос или опрокидывание, является центробежная сила. Для ее определения рассмотрим схему

Из рисунка видно, что на участке 1-2 автомобиль движется прямолинейно и его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. На участке 2-3 водитель поворачивает рулевое колесо, и автомобиль движется по кривой уменьшающегося радиуса. На участке 3-4 управляемые колеса остаются повернутыми на угол и, а автомобиль движется по дуге постоянного радиуса. На участке 4-5 водитель поворачивает рулевое колесо в обратном направлении и радиус траектории движения увеличивается. На участке 5-6 управляемые колеса находятся в нейтральном положении, и автомобиль снова движется прямолинейно.

Суммарная боковая сила, действующая на автомобиль при криволинейном движении:

Сила Р_у действует только во время поворота передних колес. При входе автомобиля в поворот скорость положительна, и сила Р_у, складываясь с силой Р_у, увеличивает опасность опрокидывания или заноса.

Как видно из схем на рисунке 21, под действием центробежной силы Р_у, автомобиль может опрокинуться относительно оси, проходящей через центры контактов шин наружных (по отношению к центру поворота) колес с дорогой.

Для обеспечения безопасности движения автомобиля по кривым малого радиуса на дороге устраивают виражи, на которых проезжая часть и обочины имеют поперечный наклон к центру кривой.

Конструкция самолета

— Что такое боковая, продольная и путевая устойчивость?

Ответ здесь можно найти в Справочнике пилотов по авиационным знаниям (и, возможно, в другом месте) и выглядит следующим образом:

Продольная ось самолета является более или менее прямой линией, проходящей через носовой обтекатель самолета или ступицу винта и конечная точка фюзеляжа (центр тяжести самолета обычно также располагается вдоль или чуть выше/ниже этой линии). Это ось, вокруг которой катится самолет, управляемый элеронами. Боковая ось параллельна крыльям и проходит через центр тяжести самолета. Это ось, вокруг которой качается самолет, управляемый рулями высоты. Наконец, вертикальная ось является «нормальной» (перпендикулярной во всех направлениях) геометрической плоскости, образованной продольной и поперечной осями, параллельной основному вектору подъемной силы самолета и (в горизонтальном полете) его вектору веса. Это ось, вокруг которой самолет рыскает, управляемый рулем направления.

Вращение вокруг любой оси — это работа одного связанного набора управляющих поверхностей, как указано выше. Стабильность по той же оси, грубо определяемая как удержание этой линии, проходящей через ваш самолет, направленной в одном и том же направлении, является совместной работой двух других поверхностей, но в первую очередь той, которая будет перемещать конечные точки этой оси вверх или вниз относительно самолет. Так, рули высоты обеспечивают боковое вращение для достижения продольной устойчивости, а элероны наоборот.

Немного отличается по вертикальной оси, как будто ваш самолет стабилен как в продольном, так и в поперечном направлении, он также «вертикально устойчив», однако самолет стабилен в продольном и поперечном направлениях, но совершенно неуправляем в «плоском штопоре». Таким образом, устойчивость по вертикальной оси является вторичной по отношению к «направленной устойчивости», которая удерживает продольную ось в определенном направлении вдоль геометрической плоскости, образованной поперечной и продольной осями. В этом случае руль направления одновременно контролирует рыскание и обеспечивает курсовую устойчивость.

Помимо управляющих поверхностей, вес и особенно центр тяжести самолета важны для устойчивости. В идеале большинство небольших самолетов наиболее устойчивы в горизонтальном полете, когда центр тяжести самолета находится точно на осевой линии самолета (между кончиком носа и кончиком хвоста) и немного впереди центра подъемной силы самолета (что зависит от угла атаки крыла, но обычно близка к самой толстой точке поперечного сечения крыла). В этой конфигурации, пока самолет движется вперед в обычном режиме, нисходящая струя от крыльев течет через верхнюю часть горизонтального стабилизатора, удерживая нос на одном уровне. В сваливании конфигурация с небольшим утяжелением носа вместе со стабилизаторами в задней части заставит нос мягко указывать вниз, восстанавливая нормальный воздушный поток и позволяя пилоту восстановиться.

Если ЦТ сдвинута слишком далеко вперед, пилоту потребуется увеличить тангаж или дифферент, чтобы сохранить уровень носа. Это уменьшит количество хода, которое он будет иметь для подъема по тангажу, а в сваливании самолет резко опустится, и руль высоты может дать пилоту недостаточное усилие для выхода из пикирования.

Если ЦТ слишком далеко от кормы, самолет будет постоянно стремиться задирать нос, и пилоту придется использовать руль высоты или триммер вниз. В сваливании самолет с задней ЦТ не будет опускаться, что не позволит пилоту восстановить нормальный обдув крыльев воздушным потоком. Это особенно опасно при нескоординированном стойле, известном как вращение; задний центр тяжести в сочетании с прямой тягой двигателя «стабилизирует» самолет в штопоре и сделает невозможным восстановление.

Если ЦТ находится за пределами осевой линии самолета, самолет будет склоняться к крену в сторону более тяжелой стороны. Это компенсируется элеронами или триммером элеронов, и для большинства повседневных полетов это компенсировать проще всего, но это может вызвать непривычное поведение по крену и склонность к спирали, о чем пилот должен знать и исправлять.

Стабилизация курсовой устойчивости транспортного средства (автомобиль)

27.5.

Стабилизация курсовой устойчивости автомобиля

27.5.1.

Свойства прохождения поворотов шин Усилие прохождения поворотов и угол скольжения

Когда колеса находятся в движении, шины подвергаются воздействию вертикальных, а также боковых (боковых) сил из-за развала дорог, бокового ветра, переноса веса и центробежной силы, возникающих при движении преодолевать кривые пути и управлять автомобилем на поворотах. Когда боковая сила действует на опорное колесо и шину, между пятном контакта протектора шины и поверхностью дороги действует сила сопротивления, противодействующая любому боковому движению. Эта противодействующая сила сопротивления известна как угловая сила (рис. 27.33), величина которой равна боковой силе. Увеличение

Рис. 27.33. Деформация пятна контакта шины при торговле под действием боковой силы.
в этом повороте сила примерно пропорциональна увеличению поперечной силы до тех пор, пока шина не потеряет сцепление с землей. За пределами этой точки пропорциональность не сохраняется при дальнейшем увеличении поперечной силы, так что, вероятно, произойдет отрыв шины. Однако чем больше сила поворота, создаваемая между шиной и землей, тем лучше сцепление шины с дорогой.
Когда боковая сила толкает гибкие стенки шины в стороны, сила сопротивления заставляет пятно контакта шины принимать искривленную изогнутую форму. Следовательно, жесткое колесо указывает и катится в том направлении, в котором оно управляется, тогда как область шины, соприкасающаяся с землей, следует по колеи, непрерывно проложенной деформированным контуром протектора пятна контакта (рис. 27.33А). Угол между направлением плоскости колеса и направлением, в котором оно фактически движется, называется углом скольжения. При небольшом угле увода каждый элемент шины остается в контакте с землей без проскальзывания.

Рис. 27.34. Влияние угла увода на силу поворота.
Величина угловой силы, развиваемой между шиной и дорогой, зависит от следующих факторов.

Угол скольжения.

Усилие при повороте увеличивается линейно с увеличением угла увода, примерно до четырех градусов, после чего усилие при повороте увеличивается нелинейно и со значительно меньшей скоростью (рис. 27.34), что в значительной степени зависит от конструкции шины.

Вертикальная нагрузка на шину.

Поскольку вертикальная или радиальная нагрузка на шину увеличивается для заданного угла скольжения, угловая сила возрастает очень незначительно при малых углах скольжения, но гораздо быстрее при больших углах скольжения (рис. 27.35).

Рис. 27.35. Влияние вертикальной нагрузки шины на повороты.

Рис. 27.36. Влияние давления в шинах на повороты.

Давление в шинах.

При заданном угле скольжения угловая сила (рис. 27.36) возрастает линейно с увеличением давления в шинах, а также с увеличением угла скольжения в шинах.

Жесткость при прохождении поворотов или Мощность при прохождении поворотов.

Центробежная сила (боковая сила), возникающая при движении автомобиля по криволинейной траектории, отталкивает каждое колесо в сторону против противодействующей реакции пятна контакта шины с землей. Следовательно, каркас шины и протектор очень слабо деформируются в полукруг в области пятна контакта. В результате путь, по которому движется шина на уровне земли, не совпадает с направлением движения колеса. Сопротивление, предлагаемое короной шины или брекерной частью протектора каркаса, предотвращающее его деформацию и создание «угла увода», является мерой способности шины проходить повороты. Жесткость при повороте определяется как усилие при повороте, развиваемое для каждого градуса создаваемого угла скольжения.

Жесткость шины при повороте представляет собой наклон кривой зависимости силы при повороте от проскальзывания, обычно вдоль ее линейного участка (рис. 27.34). Чем больше угловая сила, развиваемая на градус угла увода, тем больше жесткость шины при повороте и тем меньше поправка на угол поворота рулевого колеса, чтобы поддерживать намеченный путь транспортного средства.

Самоустанавливающийся крутящий момент.

Если неподвижное колесо нагружено, пятно контакта распространяется вокруг геометрического центра шины на уровне земли. При качении нагруженного колеса вперед кожух, поддерживающий беговую дорожку, деформируется и немного оттесняется назад (рис. 27.37). В результате большая часть угловой силы, создаваемой между землей и каждым элементом протектора, смещается от статического центра давления к некоторому динамическому центру давления, расположенному за вертикальным центром шины. Однако величина смещения зависит от конструкции колеса, нагрузки, скорости и тягового усилия. Большая часть площади реакции протектора на грунт сосредоточена за статическим центром колеса. Фактическое распределение угловой силы показано заштрихованной областью между центральной линией шины и нанесенной линией угловой силы (рис. 27.37). Полная угловая сила приблизительно пропорциональна этой заштрихованной области, и ее результирующее динамическое положение известно как центр давления. Расстояние между статическим и динамическим центрами давления известно как пневматический след (рис. 27.37). Величина пневматического следа зависит от степени проскальзывания между шиной и землей, вертикальной нагрузки на колесо, давления в шине, скорости автомобиля и конструкции шины. Более длинное пятно контакта обычно обеспечивает больший пневматический след. Радиальные шины имеют более длинное пятно контакта, чем шины с поперечным расположением слоев.

Рис. 27.37. Иллюстрация самоустанавливающегося крутящего момента.
Как объяснялось выше, если движущееся транспортное средство управляется на повороте дороги, поперечная (боковая) сила Fs вызывает равную и противоположную силу реакции на уровне земли, называемую силой поворота Fc. Центр давления угловой силы находится позади геометрического центра колеса, а боковая сила действует перпендикулярно через центр ступицы колеса. Из-за смещения между этими двумя силами, известного как пневматический след, tp, создается пара вокруг геометрического центра колеса, которая стремится повернуть оба рулевых колеса в направлении прямолинейного движения. Этот самогенерирующийся крутящий момент, который стремится восстановить плоскость колес с направлением движения, известен как самоустанавливающийся крутящий момент (рис. 27.37). Характеристики шины заставляют управляемые шины возвращаться в исходное положение после преодоления поворота дороги. Момент самовыравнивания Tsat может быть определен как произведение угловой силы Fc и пневматического следа tp.

Таким образом, Tsat = Fcx tp, Нм.
Увеличение прогиба шины из-за высокой нагрузки увеличивает пятно контакта. Пневматическая дорожка удлиняется, и, следовательно, момент самовыравнивания увеличивается с увеличением площади пятна контакта. С другой стороны, увеличение давления в шине для заданной нагрузки на шину укорачивает пневматический след и уменьшает самоустанавливающийся крутящий момент. Передача нагрузки при торможении, ускорении и прохождении поворотов также влияет на момент самовыравнивания, поскольку это изменяет площадь пятна контакта. На момент самовыравнивания мало влияют малые углы скольжения при торможении или ускорении, но при больших углах скольжения торможение снижает выравнивающий момент и ускорение.0039 сминает его (рис. 27.38). Статический крутящий момент рулевого управления, т. е. крутящий момент, необходимый для поворота рулевого управления, когда колеса не вращаются, выше, чем самовыравнивающийся крутящий момент, создаваемый при движении транспортного средства, и не зависит от него. Высокий статический крутящий момент на рулевом колесе обусловлен деформацией каркаса шины и трением, создаваемым между элементами протектора шины на уровне земли.
27.5.2.

Курсовая устойчивость

Нейтральное управление.

Рассмотрим ситуацию, когда автомобиль движется вперед по прямому пути. Пусть боковая сила, вызванная, возможно, порывом ветра, действует через центр тяжести транспортного средства, и для простоты предполагается, что она действует посередине между передней и задней осями. Если из-за боковых сил, действующих на переднюю и заднюю шины, создаются равные установившиеся углы увода, то автомобиль движется по новой прямолинейной траектории под углом, пропорциональным образовавшимся углам увода (рис. 27.39). Это движение свободно от скорости рыскания, которая вызвана вращением вокруг вертикальной оси, проходящей через

Рис. 27.38. Изменение самоустанавливающегося крутящего момента в зависимости от угловой силы.

Рис. 27.39. Нейтральное рулевое управление на прямом пути.
через центр тяжести и, следовательно, известен как нейтральное рулевое управление. В этой ситуации проекционные линии, проведенные перпендикулярно направлению движения протектора шины, никогда не пересекаются без какого-либо поворота транспортного средства.

Избыточная поворачиваемость.

Рассмотрим ситуацию, когда транспортное средство движется вперед по прямому пути, через центр тяжести транспортного средства действует возмущающая боковая сила, а средние установившиеся статические углы наклона задних колес больше, чем передних. Это может быть возможно из-за конструкции подвески, конструкции шины, давления в шинах или распределения веса. Направленный путь транспортного средства в этом случае представляет собой кривую в направлении приложенной боковой силы (рис. 27.40А). Чтобы понять эту неустойчивость направления, проекционные линии нарисованы перпендикулярно направлению протектора качения шины.

Эти проекционные линии грубо пересекаются друг с другом в некоторой общей точке, мгновенном центре. В результате создается центробежная сила, которая действует в том же направлении, что и приложенная боковая сила. В аффекте все транспортное средство пытается вращаться вокруг этого центра, склоняясь к возмущающей силе. Это состояние известно как чрезмерная поворачиваемость. Чтобы исправить эту ситуацию, транспортное средство должно быть направлено в том же направлении, что и боковая сила от центра вращения.
Теперь предположим, что автомобиль поворачивает, когда углы увода шин задних колес также больше, чем у шин передних колес (рис. 28.40B). В этом состоянии все спроецированные линии, проведенные перпендикулярно направлению движения каждой шины, соответствующему ее углу увода, сливаются вместе в некоторой общей точке, называемой динамическим мгновенным центром. Эта общая точка

Рис. 27.40. Занос. А. На прямой дороге. Б. На поворотах.
впереди задней оси и дальше внутрь. Таким образом, получается меньший радиус поворота, чем у мгновенного центра Аккермана для данного угла поворота рулевого колеса. В этих условиях вождения автомобиль склонен поворачивать в сторону поворота. Поскольку радиус поворота уменьшается, величина центробежной силы, действующей через центр тяжести транспортного средства, становится больше, так что повышается склонность транспортного средства к избыточной поворачиваемости. Эта реакция на чрезмерную поворачиваемость еще более усиливается при более высоких скоростях автомобиля на заданном круговом пути, потому что увеличение центробежной силы вызывает большую реакцию шины на землю, так что углы увода на каждом колесе соответственно увеличиваются. Ситуация с чрезмерным рулевым управлением вызывает неустойчивое состояние вождения, поскольку автомобиль имеет тенденцию более резко поворачивать в поворот с увеличением скорости, если только водитель не уменьшит блокировку. Автомобиль с задним приводом имеет большую склонность к избыточной поворачиваемости, так как приложение тягового усилия во время поворота снижает жесткость при прохождении поворотов и увеличивает углы увода задних колес. Недостаточная поворачиваемость.

Предположим, что на транспортное средство, первоначально движущееся по прямому пути, действует возмущающая боковая сила, проходящая через центр тяжести, и угол увода передних колес больше, чем у задних

Рис. 27.41. Недостаточная поворачиваемость. А. На прямой дороге. Б. На поворотах.
(рис. 27.41А). В этом случае линии проекции, перпендикулярные направлению движения протектора шины, пересекаются примерно в общей точке на стороне, противоположной боковой силе. Направленный путь транспортного средства представляет собой кривую в сторону от приложенной боковой силы. Это приводит к возникновению центробежной силы, которая действует в направлении, противоположном возмущающей боковой силе. Следовательно, транспортное средство вращается вокруг мгновенного центра и движется в том же направлении, что и возмущающая сила. Такое состояние рулевого управления известно как недостаточная поворачиваемость. Это можно исправить, повернув руль в направлении, противоположном возмущающей силе, от мгновенного центра вращения.
Когда транспортное средство выполняет поворот, если углы увода шин передних колес больше, чем у задних колес (рис. 27.4 IB), все проекционные линии, проведенные перпендикулярно направлению движения каждой шины, пересекаются. примерно в одной точке перед задней осью. Радиус поворота в этом случае больше, чем у мгновенного центра Аккермана. Из-за больших углов скольжения, возникающих на передних колесах, автомобиль имеет тенденцию уклоняться от поворота. Поскольку радиус поворота больше, величина центробежной силы, создаваемой в центре тяжести транспортного средства, меньше, чем в условиях избыточной поворачиваемости. Таким образом, недостаточная поворачиваемость, как правило, менее выражена, и ее можно исправить, повернув рулевое колесо сильнее в сторону поворота. Когда переднеприводное транспортное средство движется по криволинейной дороге, жесткость передних шин на поворотах снижается, так что при приложении тягового усилия углы увода увеличиваются спереди, что приводит к недостаточной поворачиваемости.