CC BY
9
Таким образом, можно сделать вывод о том, что беспилотные вертолеты, использующие двигатель внутреннего сгорания в качестве источника энергии, способны закрыть широкий спектр задач в логистике, поисково-спасательной деятельности, экологическом мониторинге, сельском хозяйстве, геодезии и картографии, строительстве, нефтегазовом секторе и телекоммуникациях, а также способны вести наблюдение; выдачу целеуказания и корректировка огня систем оружия; охрану мест дислокации; обеспечение действий армейской авиации в ходе огневой поддержки наземных частей; ретрансляцию сигналов связи; проведение ударных операций; решение логистических, транспортных задач. Развитие сферы беспилотных вертолетов имеет критическое значение для рынка всех беспилотных летательных аппаратов России [3].
Список литературы
1. Бодрова А.С., Безденежных С.И. Перспективы развития и применения комплексов с беспилотными летательными аппаратами: конф. г. Коломна, 2016. С. 106-113.
2. Беспилотные летательные аппараты. Справочное пособие. Воронеж: Издательство Полиграфический центр «Научная книга», 2015. 616 с.
3. Василин Н.Я. Беспилотные летательные аппараты. Минск: «Попурри», 2003. 272 с.
4. Бауэрс П. Летательные аппараты нетрадиционных схем. М.: Мир, 2016. 320 c.
Цуканов Иван Русланович, магистр, оператор, era_1@mil.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ
«ЭРА»,
Азман Андрей Владимирович, магистр, оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
SOLVED PROBLEMS, ADVANTAGES AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF UMANNED HELICOPTERS
I.R. Tsukanov, A.V. Azman
The main disadvantages of unmanned aerial vehicles of the horizontal take-off method are considered. The main disadvantages of unmanned aerial vehicles of the vertical take-off method. It has been established which of these disadvantages can be solved by unmanned helicopters.
Key words: horizontal take-off method, vertical take-off method, payload, maximum flight time.
Tsukanov Ivan Ruslanovich, magister, operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Azman Andrey Vladimirovich, magister, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 629.331
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-225-232
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОХОДИМОСТИ ВОЕННЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН
С.В. Шаповалов
Проведен анализ существующих систем активной безопасности, в ходе которого было выявлено, что все они работают в условиях дефицита информации, поскольку построены на кинематических параметрах, которые лишь косвенно характеризуют силовое взаимодействие колес с опорным основанием. Эффективность применения силовых датчиков подтверждена исследованиями на математической модели движения колесной машины на подъем с использованием дифференциальной трансмиссии с электронной блокировкой дифференциала на силовых и кинематических датчиках.
Ключевые слова: проходимость, несущая способность, система активной безопасности, анализ силовых факторов.
Известно, что основные эксплуатационные свойства (тягово-динамические качества, проходимость, экономичность) во многом зависят от эффективности распределения мощности между ведущими колесами. Блокированные или дифференциальные трансмиссии не позволяют принудительно изменять подводимую к одним колесам мощность независимо от других. Поэтому в некоторых транспортных средствах используется индивидуальный привод, который позволяет регулировать подводимый крутящий момент в соответствии с условиями движения независимо от других колес. Однако для правильной работы такой трансмиссии необходима эффективная система управления.
225
Для повышения эксплуатационных свойств колесных машин (КМ) также используются системы активной безопасности и системы регулирования динамики движения. Но все они основаны на измерении параметров опорного основания по кинематическим датчикам. Этого оказывается достаточно для эффективной работы на высоких скоростях при перемещении по дорогам общего пользования [1, 2, 3]. Движение спецтехники по неподготовленному грунту сопряжено со значительными неопределённостями свойств опорного основания под каждым колесом.
Эффективным решением для улучшения тактико-технических характеристик военных колёсных машин и гражданских шасси специального назначения может быть система активной безопасности, основанная на анализе силового взаимодействия движителя и опорной поверхности. Для оценки возможности создания такой системы необходимо проанализировать существующие решения в данной области, а также изучить способы непосредственного измерения силовых факторов, действующих на колесо.
Обзор систем активной безопасности и повышения проходимости. В современных автомобилях принято строить системы активной безопасности (САБ) и системы регулирования динамики движения (СРДД) [3-10] по следующим принципам: 1 - регулирование по коэффициенту относительного скольжения контакта колеса; 2 - регулирование по максимальной реализации тангенциальной силы колеса; 3 - регулирование по производной от коэффициента сцепления по коэффициенту относительного скольжения контакта колеса (градиентный метод). Причем источниками первичной информации практически всех алгоритмов являются кинематические датчики. Так построены противобуксовочная система (ПБС, ASR - Automatic Slip Regulation), система блокировки дифференциала (ЭБД - электронная блокировка дифференциала), антиблокировочная система (АБС), система контроля курсовой устойчивости (ESP - Electronic Stability Program). Все они предназначены для поддержания оптимального соотношения между коэффициентом сцепления колеса с дорогой и коэффициентом относительного скольжения контакта колеса относительно опорной поверхности.
АБС предназначена для реализации максимальной величины продольной реакции опорной поверхности, а также для возможности управления движением во время торможения. Данный эффект достигается регулированием тормозного усилия на колёсах по определённому алгоритму. Элементы системы АБС стали основой для создания многих других систем, в том числе и электронных блокировок дифференциалов.
График изменения коэффициента сцепления от скольжения для связанного грунта (сухой бетон) представлен на рис. 1.
0.8 0,6 0,4 0,2
__ 1
ф
!
Фп
О 0.2 0,4 0.6 0,8 S,
У
Рис. 1. Зависимость коэффициента продольной реакции от скольжения для связанного грунта
На графике (рис. 1) заметна область значительных величин коэффициента продольной реакции, что позволяет реализовывать максимально возможные для данного грунта продольную и поперечную реакции при регулировании скольжения и его удержании в этом диапазоне.
Для несвязанного грунта такая зависимость выглядит иначе. Зависимость не имеет экстремума, а монотонно возрастает, что не позволяет создать подобную АБС систему, эффективно работающую на несвязанных грунтах, таких как снег и песок.
Таким образом, АБС является необходимой каждому автомобилю, передвигающемуся по опорному основанию из связанного грунта, однако нуждается в отключении при торможении на снеге либо песке, а также элементы системы могут быть использованы для более сложных дополнительных систем.
Противобуксовочная система [3-5, 8] предназначена для реализации максимально возможной силы тяги на опорном основании с небольшим коэффициентом продольной реакции. Принцип работы заключается в поддержании скольжения в заданном диапазоне, но, в отличие от АБС, в тяговом режиме. Зависимости коэффициента продольной реакции в тяговом и тормозном режимах практически не отличаются. Для несвязанных грунтов имеет смысл не использовать ПБС, а подводить максимум мощности к ведущим колёсам, что подтверждается на практике, но при интенсивном буксовании происходит фрезерование грунта и КМ может потерять подвижность из-за недостатка геометрической проходимости. Наиболее сложные системы представляют собой единую структуру из АБС и ПБС.
Если из алгоритма работы ПБС, использующей тормозные механизмы, исключить минимизацию скольжения колеса и минимизировать разность скоростей вращения колёс, то образуется система с названием «Электронная блокировка дифференциала (ЭБД)». Примером является система, разработанная компанией «ФАГ Кюгельфишер» - «Elrctronichen Differentialbremse (EDS)».
Система электронного контроля устойчивости (Electronic Stability Program) [3-5, 11, 12] срабатывает в опасных ситуациях, когда возможна или уже произошла потеря курсовой устойчивости автомобиля. Система стабилизирует движение путём затормаживания отдельных колес. Она вступает в работу, когда на большой скорости при прохождении поворота передние колеса сносит с заданной траектории в направлении действия сил инерции, то есть по радиусу большему, чем радиус поворота. ESP в этом случае притормаживает заднее колесо, идущее по внутреннему радиусу поворота, придавая автомобилю большую поворачиваемость и восстанавливая траекторию движения и положение продольной оси автомобиля. Одновременно с притормаживанием колес ESP снижает обороты двигателя с помощью электронно-управляемой заслонки.
Если при прохождении поворота происходит занос задней части автомобиля, ESP активизирует тормоз переднего колеса, идущего по наружному радиусу поворота. Таким образом, появляется момент от реакций опорной поверхности, исключающий боковой занос. Когда скользят все четыре колеса, ESP самостоятельно решает, тормозные механизмы каких колес должны вступить в работу.
Элементами, сообщающими информацию о характеристиках движения колёсной машины, являются датчики скорости вращения колёс, ЭБУ двигателя и коробки передач, датчик положения руля и датчик линейных и угловых ускорений, который чаще всего расположен в одном корпусе с контроллером ESP. Исполнительные механизмы аналогичны ПБС, алгоритмы работы которой предусматривают использование тормозов.
Рассматривая все указанные системы, можно сделать вывод, что они фактически не нуждаются в собственных чувствительных и исполнительных элементах и представляют собой программные надстройки на систему ESP или даже АБС. Последние используют информацию о движении машины от блока управления двигателем, датчика положения руля, кинематических датчиков скоростей вращения колёс и модуля измерения ускорений. По известным кинематическим параметрам вращения колес производится расчет скольжения и буксования, вычисляется коэффициент сцепления, который является косвенной характеристикой сил в контакте колес с опорной поверхностью. Погрешности измерения каждого из кинематических параметров, использующихся системой, негативно отражаются на расчетной величине коэффициента сцепления, характеризующего силы в контакте колес с дорогой. Действительные же реакции в пятне контакта каждого колеса для блока управления данных систем остаются неизвестными, и системы работают в условиях дефицита информации. Эта проблема может быть решена, если найти способ измерения сил, действующих на колесо.
Анализ методов повышения проходимости КМ. В настоящее время обеспечение повышенной проходимости достигается применением блокируемых межосевых и межколесных дифференциалов, дифференциалов повышенного трения, а также электронных систем, задействующих тормозные механизмы для подтормаживания буксующего колеса (ЭДС). Блокированный привод позволяет в значительной степени реализовать условия сцепления ведущих колес с опорной поверхностью, однако он отрицательно влияет на курсовую устойчивость автомобиля, затрудняет поворот (криволинейное движение), увеличивает нагруженность трансмиссии. Подтормаживание буксующего колеса часто используется в колесных машинах с дифференциальным приводом. Однако до настоящего времени нет исследования и обоснования оптимальных режимов применения данного способа и его эффективности в сравнении с блокированием межколесного дифференциала [1].
Как показывает практика, обеспечение идеального распределения мощности по колесам полноприводной машины при всех эксплуатационных условиях благодаря совершенствованию конструкции привода невозможно. Полноприводные конструкции с избирательно изменяющимися динамическими качествами могут быть реализованы только с помощью электронно-управляемых элементов привода [1]. Тем не менее в основе всех систем, регулирующих распределение мощности по колесам и динамику движения автомобиля в автоматическом режиме, лежат алгоритмы, которые используют данные, получаемые с кинематических датчиков. Поэтому максимальная эффективность распределения крутящего момента в соответствии с максимальными возможностями по сцеплению каждого колеса не достигается, пробуксовка колес при использовании таких систем неизбежна. Применение системы на основе анализа силовых факторов в пятне контакта колеса с опорной поверхностью позволит значительно повысить проходимость транспортного средства.
В настоящее время существуют образцы антиблокировочных систем, использующие значения тормозных моментов на колесах вместо кинематических параметров. Результаты теоретических и экспериментальных исследований [1-3], подтверждают не только возможность практической реализации системы активной безопасности автотранспортных средств на основе силового анализа, но и их превосходство над существующими системами благодаря обеспечению максимальной реализации коэффициентов сцепления колес с опорной поверхностью.
В настоящее время существуют и продолжают разрабатываться системы по измерению сил и моментов, действующих на колесо автомобиля.
Одной из таких систем является тензоступица [12], входящая в измерительный комплекс исследования управляемости и устойчивости автомобиля (рис. 2).
Наиболее современной конструкцией в настоящее время является динамометрическое колесо RoaDyn швейцарской фирмы Kistler [13], которое позволяет выполнять измерения всех сил и моментов на колесе.
Похожая система, позволяющая измерять силы и моменты, действующие на колесо, была разработана на кафедре СМ10 МГТУ им. Н. Э. Баумана [14]. В основе разрабатываемой конструкции лежит шестикомпонентный датчик сил и моментов, 3D модель которого представлена на рис. 2, а. Фотографии колеса с тензоступицей показаны на рис. 2, б, в.
Рис. 2. 3В-модель датчика: а - в сборе 1 - датчик; 2 - скобы крепежные; 3 - внутренний предохранительный фланец; 4 - фланец, передающий крутящий момент; 5 - внешний предохранительный фланец; б, в - колесо с тензоступицей
Крепежные скобы 2 служат для присоединения датчика к ободу. Фланец 4 крепится к ступице колеса и передает крутящий момент. Фланцы 3 и 5 защищают чувствительный элемент датчика 1 от разрушения.
Шестикомпонентный датчик сил и моментов представляет собой два концентрических фланца (внешний и внутренний), соединенных упругим элементом, выполненным в виде равномерно расположенных по окружности датчика упругих балок. При воздействии сил и моментов на внешний фланец упругие элементы датчика деформируются, при этом их деформация регистрируется закрепленными на них двенадцатью тензорезисторами. По электрическим аналоговым сигналам, снимаемым с них, вычисляются вектора сил нагрузки и моменты сил нагрузки.
Исследование эффективности работы системы ЭБД на силовых датчиках. Для анализа эффективности применения систем, основанных на измерении силовых факторов, в среде МАТЬАВ Sim-иИпк были построены математические и имитационные модели корпуса колесной машины, двигателя и управляющей системы в виде водителя, дифференциальной трансмиссии с ЭБД на кинематических и силовых датчиках. На рис. 3-5 показаны расчетная схема дифференциальной трансмиссии и блок схемы в среде МАТЬАВ БшшИпк.
М12=" т+ЯХ12г1} ТЭБВ12
1 М 22 -М(22 +^х22 ТЗВП22
Мат/2
Мгкп/2
'г/7 гт ыгт Г
Мст/2
1'гп -1гП2\ЫГП2 '
Мггт/2
--<*>11
М хпг ¡1+М ТШ11
КП
!кп
ШГТ\а
МСГП2/2
Нггп2/2
ЛВС
.-' и>2!
ТЭБЛ21
Рис. 3. Расчётная схема модели трансмиссии с дифференциальной связью и ЭБД
На основе полученной модели было проведено исследование движения КМ на подъем при следующих параметрах опорного основания:
— по правому борту покрытие укатанный снег, посыпанный песком с фтах = 0,38;
— по левому борту - укатанный обледенелый снег с фтах = 0,15;
— начало движения на подъёме со скорости, соответствующей 2500 об/мин по тахометру, с момента начала эксперимента водитель начинает регулировать подачу топлива так, чтобы частота вращения соответствовала 3500 об/мин.
Свойства проходимости в данном случае определялись максимальным углом подъёма, который смог преодолеть автомобиль.
При исследовании движения на подъём колёсной машины с дифференциальной связью колёс по опорной поверхности с уклоном 12° движение исследуемой модели КМ возможно, что подтверждает рис. 6, а, а при увеличении угла ОП до 12,5° происходит остановка, это можно увидеть на рис. 6, б.
А* туе тор ЭБД
Рис. 4. Блок-схема для колеса и системы ЭБД
При исследовании движения на подъём колёсной машины с дифференциальной связью колёс и ЭБД на динамических датчиках по опорной поверхности с уклоном 12,1° движение исследуемой модели КМ возможно, что подтверждают рис. 7, а, а при увеличении угла ОП до 12,5 происходит остановка, это можно увидеть на рис. 7, б.
1 «я а
8.0.3 ш ал
,^1111шшш1шш)шшш1шш1111111>111111111шшш111>1ши 1
г _ .. _ ОДШЦ'ММШОиишмцми г„'_ _*1и.........
Рис. 6. Параметры движения КМ с дифференциальной трансмиссией и ЭБД: а - при подъёме на ОП с уклоном 12°; б - при подъёме на ОП с уклоном 12,5°
бремя с Вр(шя,с
Рис.7. Параметры движения КМ: а - с ЭБД с динамическими датчиками при подъёме на ОП с уклоном 12,1 градуса; б - с дифференциальной трансмиссией и ЭБД при подъёме на ОП
с уклоном 12,5°
По результатам исследования видно, что КМ с дифференциальной трансмиссией с ЭБД на кинематических датчиках смогла преодолеть подъем в 12° (21,3%), а на силовых датчиках - 12,1° (21,4%).
Таким образом, использование силовых датчиков в системе дало улучшение проходимости в рассматриваемом случае. Кроме того, общая тенденция использования динамических датчиков показывает положительное влияние на систему, так как система поддерживает буксование в оптимальном диапазоне, исследуя грунт. К тому же, при использовании силовых датчиков, возможно применение блокированной трансмиссии, что позволит получить большую проходимость КМ. Также для многоосных колесных машин можно создать систему прогнозирования проходимости на анализе свойств грунта на маршруте движения - по известным силам взаимодействия колес каждой оси с опорной поверхностью методом экстраполяции можно спрогнозировать свойства грунта на ближайшем участке пути. Такая система может позволить сократить количество ситуаций, связанных с потерей подвижности многоосной военной колесной техники, тем самым подняв маневренность Вооруженных Сил.
Выводы:
1. В результате анализа современных систем активной безопасности было выявлено, что их недостатки заключаются в том, что источниками первичной информации являются кинематические параметры, которые лишь косвенно характеризуют силовое взаимодействие колес с опорной поверхностью.
2. Проведенное исследование подтверждает, что система активной безопасности на основе силового анализа позволит обеспечить максимальную реализацию коэффициентов сцепления колес с опорной поверхностью и тем самым повысить безопасность движения автомобиля, а также его проходимость.
3. На многоосных колесных машинах применение аппаратуры, оценивающей силовое взаимодействие колес с опорной поверхностью, позволит прогнозировать несущую способность грунта и предотвращать потерю подвижности транспортных средств.
Список литературы
1. Основы создания САБ АТС на силовом анализе: монография / под ред. И.С. Сазонова. Могилев: Белорусско-Российский университет, 2016. 256 с.
2. Ким В.А. Методология создания САБ АТС на основе анализа сил. Минск: Белорусский национальный технический университет, 2004. 42 с.
3. Ким В.А. Методология создания адаптивных САБ АТС на основе силового анализа. Могилев: Белорусско-Российский университет, 2003. 346 с.
4. Сазонов И.С. Динамическое регулирование режимов движения полноприводных колесных машин. Минск: БГПА, 2001. 185 с.
5. Bosch. Автомобильный справочник. М.: За рулем, 2000. 896 с.
6. Гируцкий О.И., Есеновский-Лашков Ю.К., Поляк Д.Г. Электронные системы управления агрегатами автомобиля. М.: Транспорт, 2000. 213 с.
7. Кадаков М. Renault Scenic RX4. Почти внедорожник // Авторевю. 2000. № 1. С. 4.
8. Нефедьев Я.Н. Конструкции и характеристики электронных антиблокировочных систем зарубежных фирм. М.: НИИАВТОПРОМ, 1979. 60 с.
9. Нефедьев Я. Н. Теория, разработка и исследование унифицированной системы автоматического управления антиблокировочным торможением грузовых автотранспортных средств: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1987. 307 л.
10. Antiskid braking systems: пат. 1296494 Великобритания, МКИ 60 Т 8/00 / Daimler-Benz AG. ФРГ. № 95742105; заявл. 01.03.70; опубл. 21.03.72. 1972. № 45. 18 с.
11. Диваков А., Голованов Л. Lancer на тропе войны // Авторевю. 2000. № 7. С. 33-35.
12. Кушвид Р.П. Испытания автомобиля. М.: МГИУ, 2011. 351 с.
13. Instruction Manual. Basic Principles for Use in Over-the-Road-Testing. For RoaDyn® System 2000 Measuring Wheels. Kistler Group, Switzerland, Winterthur, 2000.
14. Шаповалов С.В. Система активной безопасности на силовых факторах в контакте колес с опорной поверхностью // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2021. № 2 (133). С. 113-123.
15. Larkin E.V., Akimenko T.A., Bogomolov A.V. Modeling the reliability of the onboard equipment of a mobile robot. Izvestiya of Saratov University. New Series. Series: Mathematics. Mechanics. Informatics. 2021. Vol. 21. No 3. P. 390-399.
16. Ларкин Е.В., Нгуен В.Ш. Метод моделирования цифровых систем управления с нелинейными приводами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 3-11.
Шаповалов Сергей Вячеславович, старший преподаватель, ser150386@mail.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
ANALYSIS OF METHODS FOR IMPROVING THE OFF-ROAD CAPABILITY OF MILITARY WHEELED VEHICLES
S.V. Shapovalov
The analysis of existing active safety systems was carried out, during which it was revealed that they all work in conditions of information scarcity, since they are built on kinematic parameters that only indirectly characterize the force interaction of wheels with the support base. The effectiveness of the use ofpower sensors was investigated on a mathematical model. A study of the movement of a wheeled vehicle on the rise using a differential transmission with an electronic differential lock on power and kinematic sensors was carried out.
Key words: off-road capability, load-bearing capacity, active safety system, analysis of force factors.
Shapovalov Sergey Vyacheslavovich, senior lecturer, ser150386@mail.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University
