Метод комбинированного управления распределением мощности между ведущими колесами автомобильного базового шасси с прогнозированием возмущений Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

УДК 629.113

С. В. УШНУРЦЕВ А. В. КЕЛЛЕР В. Ю. УСИКОВ

Омский танковый инженерный институт

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

МЕТОД

КОМБИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ МЕЖДУ ВЕДУЩИМИ КОЛЕСАМИ АВТОМОБИЛЬНОГО БАЗОВОГО ШАССИ С ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ ВОЗМУЩЕНИЙ____________________________________

Приведены результаты исследования противобуксовочных систем автомобильных базовых шасси. Проанализирована роль блокировки дифференциалов при передаче крутящего момента.

Ключевые слова: мощность, дифференциал, автомобильное базовое шасси, противо-буксовочная система.

Важным условием качественной и эффективной работы системы управления распределением мощности является соответствие алгоритма функционирования системы, реализованного в блоке управления, особенностям конструкции автомобильного базового шасси (АБШ). В табл. 1. приведены основные параметры и их сочетание, используемые при формировании командных сигналов в логическом блоке автоматического управления блокировкой дифференциалов (АБД) и контроля тягового усилия — про-тивобуксовочной системы (ПБС) различными разработчиками [1—3].

Анализ данных, приведенных в табл. 1, свидетельствует о том, что все известные алгоритмы управления построены по принципу отклонения регулируемой величины, т.е. вступают в работу, когда нежелательное событие (например, буксование ведущего колеса) уже произошло. Только после этого идет управляющее воздействие, причем чаще всего методом приближения (т.е. постепенно увеличиваясь), а за это время колесо уже проходит определенное расстояние, дорожные условия под ним меняются и, следовательно, теряется эффективность управляющего воздействия.

Для повышения эффективности алгоритмов управления необходимо, чтобы нежелательное событие не происходило вовсе, а для этого необходимо знать состояние опорной поверхности перед колесами. Одним из достаточно эффективных способов получения информации о состоянии опорной поверхности является установка необходимых датчиков на переднюю ось АБШ. При этом, по данным, полученным от датчиков, можно своевременно корректировать силовые и кинематические факторы, под-

водимые к последующим осям АБШ (особенно эффективно такое решение является для многоосных автомобилей, в которых и применяют, в основном, индивидуальный привод колес). В свою очередь, корректировку силовых и кинематических факторов, подводимых к передней оси, можно вносить на основе статистических данных о свойствах опорных поверхностей [2].

Для повышения эффективности управления распределением мощности представляется целесообразным использование комбинированного управления по возмущению и отклонению с прогнозом возмущений. Функциональная схема системы распределения мощности, построенной на основе принципа комбинированного управления по отклонению, показана на рис. 1.

Алгоритм управления (рис. 2) формируется в зависимости от возмущающего воздействия на колесную машину. Формирование управляющего воздействия осуществляется таким образом, чтобы компенсировать действие возмущения z(t) на машину, при этом управляющее воздействие корректируется в зависимости от отклонения управляемой величины у относительно заданного ее значения х.

Управляющее воздействие u(t) определяется заданной программой x(t) и изменением z(t). Отличительной особенностью предлагаемого принципа управления является прогнозирование основных возмущений, что позволяет реализовать программный алгоритм управления. Компенсационное устройство (КУ) формирует дополнительное воздействие на устройство управления, в результате управляющее воздействие u(t) позволяет компенсировать влияние z(t) на изменение управляемой величины у.

Основные параметры, используемые при формировании командных сигналов в логическом блоке АБД и ПБС

Параметры состояния функциональных систем автомобиля, используемые для формирования управляющих команд Обозначение параметра

По неизменной пороговой величине углового ускорения колёс Юк

По пороговой величине углового ускорения с коррекцией: по продольной скорости по продольному замедлению Юк (V) Юк (]х)

По величине рассогласования угловых скоростей ведущего и условного колеса Аю = юу—Ют

По величине рассогласования угловых скоростей двух ведущих колёс: расположенных по диагонали передних и задних правых и левых одной оси Аю = АЮ = Ю1 —Ю2 Аю = + юп

По соотношению угловых скоростей ведущего и условного колёс Ют /Юх

По относительному проскальзыванию ведущего колеса

По соотношению угловых ускорений ведущего и условного колеса Ют /Юу

По отношению угловой скорости к угловому ускорению ведущего колеса Ют /Ю{

По буксованию колеса ит=0

По пороговому значению второй производной от угловой скорости колеса [ют]

По отношению сумм угловых скоростей колёс, расположенных по диагонали юл + юп

По соотношению угловой скорости колёс и линейной скорости автомобиля Ют/V

По соотношению угловых ускорений правого и левого колёс оси юп /юЛ

По соотношению первых и вторых производных от угловой скорости колеса Ют /Юу

По соотношению углового ускорения колеса и ведущего момента Ют / Мт

По соотношению углового ускорения колёс и продольного ускорения автомобиля Ют / ]х

По пороговой величине продольного ускорения автомобиля Их]

Рис. 1. Функциональная схема системы управления, реализующей принцип комбинированного управления с прогнозом возмущений

Для измерения отклонения А в схему введена дополнительная связь, направление сигнала в которой противоположно направлению сигнала управляющего воздействия и на объект управления. При возникновении отклонения А управляющее воздействие и корректируется в зависимости от его величины. В этом случае и = Цх — у).

Прогнозирование основных возмущений можно обеспечить путем получения необходимых данных от передних колес АБШ, на основе которых определяется тип опорной поверхности, а затем с использованием базы данных осуществляется прогноз параметров опорной поверхности (основных возмущений) при проходе последующих колес. При этом можно своевременно корректировать силовые и ки-

нематические факторы, подводимые к задним колесам АБШ. В свою очередь, корректировку силовых и кинематических факторов, подводимых к передней колесам, можно вносить на основе статистических данных о свойствах опорных поверхностей.

Основными параметрами, характеризующими внешние возмущения, являются: коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью; коэффициент сопротивления качению колеса; сила внешних сопротивлений движению АБШ; продольный и поперечный уклон опорной поверхности, высота (глубина) дорожных неровностей. Для их определения в качестве информационных переменных целесообразно использовать частоту вращения колес; скорость движения АБШ; значения крутящего

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

Параллельное измерение и регистрация компонентов множества информационных переменных

Uа, ^; Gh Mb Mfig, Pkif dpfo tty, Wz

Вычисление: полной окружной силы, коэффициентов буксования, сопротивления качению и тангенциальной эластичности передних колес

/Определение типа опорной I поверхности. Вычисление I коэффициентов сопротивления качению и/тангенциальной эластичности задних колес

База данных: зависимости коэффициентов тангенциальной эластичности и сопротивления качению от факторов машины для различных типов опорной поверхности

Определение количества и расположения ведущих колес

Вычисление

h

лiMkpi -~д~Мкрср

Формирование крутящих

к у: - сад'кк: с->,

подводимых к колесам

Расчет теоретических и реальных буксований ведущих колес и коэффициентов тангенциальной эластичности

Si > Sipac

Да

Вычисление Вычисление

. „ _ (шкср - шкі)Мкі т ~ ™ki Нет Л> о v. Да (лмкр) - л(мкР1 дм* = ”Лі

Корректировка крутящих моментов

Мкі- Мкі +^MSi

--------т--------

Рис. 2. Алгоритм комбинированного управления

момента, подводимого к передним колесам и развиваемую ими силу тяги; вес, приходящийся на передние колеса; величину крутящего момента двигателя. Дополнительными информационными переменными являются: угол поворота рулевого колеса; боковое ускорение АБШ и угловая скорость поворота.

На основе информационных переменных и базы данных система управления определяет тип опорной поверхности и через интервал времени, равный отношению расстояния между колесами передней и последующих осей к скорости движения, обеспечивает на колесах силовые факторы (крутящие моменты), определяемые исходя из следующего правила [4]:

крутящий момент, подводимый к колесу, должен быть равен сумме момента сопротивления качению колеса и части крутящего момента для преодоления внешних сил сопротивления, пропорциональной сцепным возможностям колеса, а буксования всех ведущих колес должны быть минимальны и пропорциональны между собой:

Р — Мк1

Рко ~ '

Тд1

(6)

Коэффициенты тангенциальной эластичности и сопротивления качению определяются для колес переднего моста путем измерения необходимых величин, а для колес последующих осей — с использованием статистических и экспериментальных данных об изменении этих параметров в зависимости от типа опорной поверхности (который определяется по данным о движении колес переднего моста) и нагрузок, приходящихся на них.

Внешнее сопротивление движению автомобиля определяется как отношение разности крутящего момента, подведенного от двигателя к ведущим колесам, и суммы моментов сопротивления качению всех колес к обобщенному радиусу качения АБШ:

М -У ґ От

кдв свг г дг

(7)

Мкг — ('свіОі + кпірвн )Ткі '

(1)

где Ґсві — момент сопротивления качению колес АБШ в свободном режиме;

— вес, приходящийся на колесо; кп — поправочный коэффициент, учитывающий условия взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью;

РХвн — суммарная сила внешних сопротивлений движению колесной АБШ;

Тц — динамический радиус колеса.

Величина поправочного коэффициента кпі находится из условия пропорциональности буксований 8 ведущих колес относительно опорной поверхности:

1

Мд

(2)

^Мі(Мі-1)

кі(кі-1)

(4)

Р - Р

ґ — ко 1 к -'сві

О,

(5)

Кинематические параметры (угловые скорости) колес АБШ необходимо определять, исходя из кривизны траектории движения АБШ и высоты (глубины) преодолеваемых неровностей:

Ші — ^ КИКМ.

Та

(8)

где X. — коэффициент тангенциальной эластичности системы шина — опорная поверхность:

(3)

где Мм(Мм_) — текущее и предыдущее значения крутящего момента, подведенного к колесу; гк(гк—1) — текущее и предыдущее значения радиуса качения колеса:

где им.(им._1) — текущее и предыдущее значения скорости движения машины.

Коэффициент сопротивления качению передних колес в свободном режиме равен отношению разности полной окружной силы (РКО), подведенной к колесу, и силы тяги колеса (Рк) к весу (£1), приходящемуся на него:

Полная окружная сила, в свою очередь, может быть определена из следующего выражения:

где — угловая скорость, подводимая от двигателя к колесам;

Км — поправочный коэффициент, учитывающий высоту (глубину) преодолеваемого колесом препятствия;

Ке. — поправочный коэффициент, учитывающий кривизну траектории движения АБШ.

Высоту (глубину) дорожных неровностей можно определить по перемещению колеса в вертикальной плоскости.

Кривизна траектории может быть найдена с использованием датчика угла поворота рулевого колеса [4].

Реализация принципа комбинированного управления с прогнозированием возмущений позволит значительно повысить эффективность движения АБШ в постоянно изменяющихся условиях движения за счет непрерывного регулирования мощности, подводимой к колесному движителю в зависимости от условий его качения.

Вышеизложенный принцип может быть реализован на АБШ с индивидуальным приводом ведущих колес или оснащенных системами управления распределением мощности (автоматически блокируемыми дифференциалами, противобуксовочными системами).

Библиографический список

1. Келлер, А В. Методологические принципы оптимизации распределения мощности между движителями колесных машин / А. В. Келлер // Вестник ЮУрГУ. — Челябинск : Изд. ЮУрГУ, 2006. - № 11(№ 66). - С. 96-101.

2. Кычев, В. Н. Эффективность использования полноприводных автопоездов в сложных дорожных условиях / В. Н. Кычев, А. В. Келлер, Р. Ф. Кунаккильдин // Грузовик &. — 2005. - № 3. - С. 24-28.

3. Марченко, С. Н. Математическая модель для исследования устойчивости двухосного автомобиля с индивидуальным приводом при разгоне на прямолинейном участке / С. Н. Мар-

-1

Р

Т

ср

ТпРка

к

Р1

кг-1

кг

Мкі - Ми-1

Ш

кі( кг-1)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

184

ченко, А. В. Келлер, Г. Д. Драгунов // Вестник ЮУрГУ. — Челябинск : Изд. ЮУрГУ, 2006. - № 11(№ 66). - С. 102-107.

4. Микрогазотурбинные двигатели-генераторы как основа комбинированных энергетических установок автотранспортных средств / Б. Л. Арав [и др.] // Автомобильная промышленность. — 2011. — № 7. — С. 9-13.

УШНУРЦЕВ Станислав Владимирович, лейтенант, офицер отдела организации научной работы Омского танкового инженерного института.

КЕЛЛЕР Андрей Владимирович, полковник, доктор технических наук, доцент, начальник кафедры тан-

ковых войск факультета военного обучения ЮжноУральского государственного университета. УСИКОВ Виталий Юрьевич, майор, преподаватель кафедры эксплуатации бронетанковой и автомобильной техники Омского танкового инженерного института.

Адрес для переписки: e-mail: stanislavushnurcev@ mail.ru

Статья поступила в редакцию 30.05.2012 г.

© С. В. Ушнурцев, А. В. Келлер, В. Ю. Усиков

УДК 621.01:062-182:531.1

А. Х. ШАМУТДИНОВ А. Г. КОЛЬЦОВ

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПАРАМЕТРА ЖЕСТКОСТИ СТРУКТУР МНОГОПОВОДКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИКИ___________________

Предложены параметры для оценки жесткостных характеристик механизмов параллельной кинематики. Введен коэффициент симметричности, который прямо пропорционален жесткости.

Ключевые слова: многоповодковый механизм, элементарная структура, механизм параллельной структуры, коэффициент симметричности, коэффициент универсальности, вариативная доля, платформа Стюарта, жесткость механизма.

Как было сказано в [1], степень совершенства структур параллельной кинематики будем оценивать параметром 5г, который условно назовем — коэффициент симметричности 1-ой группы:

Sj

(Kn,i )2 (Kn,i )1

(1)

где (Кп)1 и (К.)2 — это количество структур механизмов г-ой группы, соответственно в табл. 1 и 2 [1]. Для наглядности выпишем значения 5. в табл. 1:

По возрастанию коэффициента симметричности табл. 1 [1] перепишем в табл. 1.

Введем обозначение:

(Vm )2

(V™ ),

(2)

cm

(Vnm )1

(Vn“)2 = cm = sm • Vm . Так как ) = Xfc) =

ЕС , то (Kn,)2 = ЕsZ • VZ . Тогда

m=0 2

из определения

(Kn,i )2

коэффициента симметричности S{ = )2 и, учи-

n

тывая, что определению (Kn,j )1 = Е Vnn j , получим:

m=0

n

Esm • Vm

n,j n,j

jn

(3)

где я*. — представляет собой коэффициент универсальности 1-ой группы с т приводами;

(У“ )1 , (ут )2 — количество вариантов механизмов г-ой группы, в зависимости от числа приводов т и числа поводков п, взятых соответственно из табл. 1 и табл. 2 [1].

Имея данные табл. 1 и 2 из [1], вычислим коэффициенты я*. для всех групп и сведем их в табл. 3. Так как, по выражению (3) из [1], (Ут )2 = С* , то

У Vm

/ j n,i m=0

Преобразуем выражение (2):

Е smi • vz

S=

jn

Обозначим Vm )1 = Vnm j , тогда получим: = s

Уvm

n,j

m=0

(s° • V0 + s1 • V1 + • + sm • Vm)

Vsnj Vn,j^sn,j Vn— ——Пі Vn,0 =

VrTV:r+^ _

n,j n,j n,j

V0 V1

. • n,i + s1 n,i

n'j (v0. + Vі- + • + vm) n,j (v°. + Vі. + • + Vm)

n,j n,j n,j n,j n,j n,j

m=0

m=0

m=0

s

n,l

m=0

s