CC BY
53
УДК 629.113 С. В. УШНУРЦЕВ
А. В. КЕЛЛЕР В. Ю. УСИКОВ
Омский танковый инженерный институт
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ МЕЖДУ ВЕДУЩИМИ КОЛЕСАМИ АВТОМОБИЛЯ
МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПО ВЗАИМНОМУ ОТКЛОНЕНИЮ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ______________________________________
Приведены результаты исследования противобуксовочных систем автомобилей многоцелевого назначения. Проанализирована роль блокировки дифференциалов при передаче крутящего момента.
Ключевые слова: мощность, дифференциал, автомобиль многоцелевого назначения, противобуксовочная система.
Для управления распределением мощности между ведущими колесами автомобиля многоцелевого назначения (АМН) в настоящее время используются различные системы управления блокировкой дифференциалов, противобуксовочные системы, индивидуальный привод (электромеханический или гидрообъемный).
Однако, несмотря на значительный объем работ по созданию систем автоматического управления блокировкой дифференциалов (АБД) и контроля тягового усилия противобуксовочными системами (ПБС), широкого распространения они не получили вследствие недостаточной эффективности. Например, ПБС работоспособна лишь при движении по твердой опорной поверхности. А в выполненных конструкциях АМН с индивидуальным приводом главное его преимущество — возможность индивидуального распределения мощности по колесным движителям в зависимости от дорожных условий и режимов движения практически не используется [1].
Объяснить это положение можно не высоким совершенством логик функционирования систем управления, которые за последние два десятилетия существенных изменений не претерпели.
Как известно, функциональная задача любой современной системы АБД, ПБС управления индивидуальным приводом сводится к тому, чтобы поддерживать максимально возможные для конкретно сложившихся дорожных условий значения сил тяги колес АМН с опорной поверхностью. Во всех реально выполненных системах логика управления основана на общеизвестной диаграмме изменения коэффициента сцепления от буксования относительно опорной поверхности.
При этом принимается, что коэффициент сцепления достигает максимального значения при буксова-
нии порядка 18...30 %, тогда как известно, что величина коэффициента буксования, при котором коэффициент сцепления используется максимально, имеет различные значения, характерные только для данных дорожных условий, при этом диапазон изменения величины критического буксования в зависимости от условий эксплуатации значительно шире [2].
По выражению передаточного отношения меж-осевого дифференциала в общем случае движения АМН в г-х дорожных условиях, величина критического буксования на твердой опорной поверхности определяется, с одной стороны, значением сцепления, а с другой — такими параметрами колеса, как коэффициент тангенциальной эластичности и сопротивления качению при определенной вертикальной нагрузке:
кР =
М V + 271Ра®1 + к1Гк1®1 к2Гк2®2 г
1 мїсу2Ш2 ^ 0л._ , о». ~ к2
271® 1 + 272^2 м ® + 272-Рд®2 + к2Гк2®2 ~ к1Гк1®1 г
М*&п1^1 ' ~ - -*И
271И1 + 272И2
(1)
где у. — коэффициент тангенциальной эластичности; К. — коэффициент, учитывающий влияние передаваемого колесом крутящего момента на его сопротивление качению.
Величину критического буксования выразим, приравняв правые части зависимости радиуса качения от передаваемого колесом момента:
Гк = Гко-1Мк '
(2)
где гко — радиус свободного качения колеса;
1 — коэффициент тангенциальной эластичности.
*
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
°н
О
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
Таблица 1
Зависимость критического буксования шины КАМА-1260 от давления воздуха в шинах и вертикальной нагрузки в различных дорожных условиях
Нагрузка, кг Критическое буксование
Давление воздуха в шине, МПа Давление воздуха в шине, МПа Давление воздуха в шине, МПа
0,050 0,143 0,235 0,330 0,420 0,050 0,143 0,235 0,330 0,420 0,050 0,143 0,235 0,330 0,420
Асфальтобетон
(р = 0,32 (р = 0,о4 (р = 0,75
1250 0,248 0,260 0,271 0,283 0,294 0,356 0,370 0,384 0,398 0,410 0,436 0,452 0,466 0,481 0,494
1500 0,280 0,285 0,290 0,296 0,301 0,393 0,400 0,406 0,413 0,419 0,476 0,483 0,489 0,496 0,502
1750 0,308 0,301 0,308 0,308 0,308 0,427 0,417 0,427 0,427 0,427 0,511 0,502 0,511 0,511 0,511
2010 0,336 0,325 0,326 0,321 0,308 0,458 0,446 0,447 0,441 0,435 0,543 0,530 0,531 0,525 0,519
2250 0,360 0,351 0,241 0,331 0,322 0,484 0,474 0,464 0,453 0,442 0,568 0,558 0,548 0,537 0,527
Сухая грунтовая дорога
(р = 0,20 (р = 0,39 (р = 0,57
1250 0,171 0,180 0,189 0,198 0,206 0,284 0,297 0,310 0,322 0,334 0,370 0,385 0,399 0,413 0,426
1500 0,195 0,200 0,204 0,208 0,212 0,318 0,324 0,330 0,336 0,341 0,409 0,415 0,422 0,428 0,434
1750 0,218 0,212 0,218 0,218 0,218 0,349 0,341 0,349 0,349 0,349 0,443 0,434 0,442 0,442 0,442
2010 0,241 0,232 0,232 0,228 0,224 0,379 0,367 0,368 0,362 0,357 0,474 0,462 0,463 0,457 0,451
2250 0,260 0,253 0,245 0,237 0,229 0,404 0,394 0,384 0,374 0,364 0,500 0,490 0,480 0,459 0,458
Укатанный снег
(р = 0,12 (р = 0,22 (р=0,31
1250 0,110 0,117 0,123 0,129 0,135 0,182 0,191 0,201 0,210 0,219 0,242 0,254 0,266 0,277 0,287
1500 0,127 0,130 0,133 0,136 0,139 0,207 0,211 0,216 0,220 0,225 0,273 0,279 0,284 0,289 0,294
1750 0,144 0,139 0,143 0,143 0,143 0,231 0,225 0,230 0,230 0,230 0,302 0,294 0,302 0,301 0,301
2010 0,160 0,153 0,154 0,150 0,147 0,254 0,245 0,245 0,241 0,236 0,329 0,318 0,319 0,314 0,309
2250 0,175 0,169 0,163 0,150 0,151 0,275 0,266 0,258 0,250 0,242 0,353 0,343 0,334 0,324 0,315
0,25-
0,2
0,15-
0,1
0,05
0 1250
1750 нагрузка, кг
2010
2250
Рис. 1. Зависимость критического буксования от вертикальной нагрузки и давления воздуха в шинах
В зависимости от реализованного колесом коэффициента сцепления, подводимого к нему крутящего момента, для установившегося движения:
Ф =
мк
йл
- о
(3)
где їо — коэффициент сопротивления качению, приняв при этом, что величина передаваемого колесом момента находится из выражения:
откуда получим:
з кр =
1 + V! - 4Ш/о,
2(Фmax + 4 М • К
[1 + (Фтах + 0 )1К* ] • [1 + V1 - 'Ш, ]
(4)
(5)
Для повышения эффективности управления распределением мощности необходимо использовать взаимосвязь между кинематическими и силовыми параметрами ведущих колес.
В качестве кинематического параметра целесообразно использовать радиус качения колеса гк, который можно определить, зная действительную скорость движения АМН и частоту вращения колеса
гк=и/°\-
(6)
Отсюда следует, что реализация одного и того же значения коэффициента сцепления различными колесами, отличающимися соотношениями указанных параметров, практически исключает получение одинакового значения критического буксования. Реализации различных значений коэффициента сцепления различными колесами будут соответствовать и различные значения критического буксования, что согласуется с имеющимися в большом количестве результатами экспериментальных исследований [3].
Так, результаты расчета по выражению (5), представленные на рис. 1 и в табл. 1, показывают, что в зависимости от вертикальной нагрузки и давления воздуха в шине величина критического буксования изменяется в диапазоне от 11 до 35 %.
Следовательно, точность реагирования АБД (ПБС) на дорожные условия недостаточная и при движении в дорожных условиях с 8хр> 30 % тяговые возможности ведущих колес будут использоваться не в полном объеме, а при 8хр<18 % — будут иметь место повышенные потери мощности на буксование.
Таким образом, логика управления, основанная на использовании кинематических параметров движения АМН, недостаточно эффективна.
Как известно, радиус качения колеса при отсутствии буксования определяется максимальной величиной окружного сжатия элементов протектора в передней части контакта. Радиус качения может быть представлен в виде двух сложных функций, одна из которых зависит от окружной деформации шины, вызванной нормальной нагрузкой, а вторая -от окружной деформации, вызванной приложенным к колесу моментом. Причем крутящий момент, подводимый к колесу, может быть реализован в контакте колеса с опорной поверхностью лишь при условии, что он не превышает предельной величины по условиям сцепления. Следовательно, крутящий момент, реализуемый на колесе, можно использовать как силовой параметр в качестве источника первичной информации.
Зависимость радиуса качения от приложенного к нему крутящего момента при отсутствии буксования имеет почти линейную зависимость, а затем, с началом буксования, начинается интенсивное снижение радиуса качения, сопровождаемое уменьшением реализуемого колесом крутящего момента. Таким образом, для определения взаимосвязи между кинематическими и силовыми параметрами ведущих колес при движении АМН можно использовать зависимость радиуса качения от передаваемого колесом момента.
Это позволит уточнить и упростить существующие логики управления АБД (ПБС), так как непрерывный анализ информации о характере изменения радиуса качения колеса от реализуемого им крутящего момента позволит более точно формировать сигналы управления АБД (ПБС) в каждый момент времени [4].
Блок-схема системы управления АБД (ПБС) на основе такого подхода должна включать следующие элементы: датчики для измерения крутящего момента, фактически реализуемого на колесах; датчики частоты вращения колес; датчик скорости движения АМН; блок обработки сигналов датчиков; блок формирования сигналов управления АБД (ПБС); исполнительные механизмы.
Алгоритм управления, реализующий предлагаемый способ, представлен на рис. 2.
При движении АМН непрерывно контролируются скорость движения, угловые скорости колес и крутящие моменты на ведущих колесах колесной АМН.
Радиус качения при этом определяют по выражению (6). При движении АМН в хороших по сцеплению условиях изменение радиуса качения ведущих колес будет обратно пропорционально передаваемому ими крутящему моменту. При достижении ведущим колесом максимального значения коэффициента сцепления начнется его буксование, сопровождаемое уменьшением радиуса качения колеса и снижением реализуемого колесом крутящего момента. Таким образом, нарушится обратная пропорциональность между изменением крутящего момента
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
Да < 1
Mm const
Рис. 2. Алгоритм распределения мощности по взаимному отклонению кинематических и силовых факторов
и радиуса качения. Это послужит сигналом для начала работы АБД (ПБС). Блок управления подаст сигнал на блокирование дифференциала (приложение тормозного момента к буксующему колесу), при этом момент блокировки (тормозной момент) будет увеличиваться ступенчато до тех пор, пока крутящий момент на колесе и его радиус качения начнут увеличиваться.
После этого степень блокирования дифференциала (тормозной момент на ведущих колесах) удерживается постоянной, до того времени, пока не начнется снижение крутящего момента, сопровождаемое дальнейшим увеличением радиуса качения колеса. Затем блок управления начнет ступенчатое снижение степени блокирования межколесного дифференциала (воздействия на тормоза ведущих колес), при постоянном контроле за взаимным изменением радиуса качения колеса и передаваемого им крутящего момента.
В случае если при блокировании межколесного дифференциала (воздействии на тормоза ведущих колес) повышения крутящего момента на колесе при снижении буксования не происходит, или буксуют одновременно оба ведущих колеса одной оси, необходимо дополнительно снизить мощность, развиваемую двигателем (уменьшая подачу топлива).
Реализация принципа управления работой АБД (ПБС) по взаимному изменению крутящего момента, передаваемого колесом, и его радиуса качения позволит повысить эффективность работы систем распределения мощности между ведущими колес колес-
ной АМН, так как их работа будет определяться конкретными дорожными условиями.
Библиографический список
1. Аксенов, П. В. Критерии для оценки схем [Текст] / П. В. Аксенов, Б. Н. Белоусов //Автомобильная промышленность. - 1997. - № 6. - С. 50-53.
2. Александров, Е. Б. Современные механизмы распределения мощности в трансмиссии легковых автомобилей [Текст] / Е. Б. Александров, А. А. Трикоз, С. В. Шеметов. - М. : ЦНИИТЭНИавтопром, 1989. - С. 118-137.
3. Антонов, Д. А. Теория движения боевых колесных машин [Текст] / Д. А. Антонов, С. И. Беспалов. - М. : Изд. Академии БТВ им. Р. Я. Малиновского, 1993. - С. 97-123.
4. Васильченков, В. Ф. Автомобили и гусеничные машины. Теория эксплуатационных свойств [Текст] / В. Ф. Васильченков. - Рыбинск : Изд. АООТ «РДП»- АРП, 2004. - 432 с.
УШНУРЦЕВ Станислав Владимирович, лейтенант, офицер отдела (организации научной работы) Омского танкового инженерного института (ОмТИИ). КЕЛЛЕР Андрей Владимирович, полковник, доктор технических наук, доцент, начальник кафедры танковых войск факультета военного обучения ЮжноУральского государственного университета. УСИКОВ Виталий Юрьевич, майор, преподаватель кафедры эксплуатации бронетанковой и автомобильной техники ОмТИИ.
Адрес для переписки: 81аш81ауи8Ьпигсеу@таЦ .т
Статья поступила в редакцию 29.11.2011 г.
© С. В. Ушнурцев, А. В. Келлер, В. Ю. Усиков
