CC BY
60
УДК 621.113
МОДЕРНИЗАЦИЯ ТРАНСМИССИЙ АВТОМОБИЛЕЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
И. А. Мурог, Е. С. Терещенко, Д. Ю. Фадеев, Д. В. Шабалин
Аннотация. На основе имитационного моделирования исследованы и обоснованы технические решения по совершенствованию распределения мощности между ведущими колесами автомобилей многоцелевого назначения посредством механической трансмиссии, реализующие: рациональное распределении мощности между ведущими мостами; метод периодически отключаемого полного привода; метод управления буксованием ведущих колес путем приложения тормозного момента и (или) уменьшения подачи топлива; метод блокирования межколесных и межосевых связей.
Ключевые слова: трансмиссия, автомобиль многоцелевого назначения, дифференциал, передаточное отношение.
Введение
В настоящее время необходимо проведение единой обоснованной технической политики в области развития и использования парка автомобильной техники. Экономически целесообразным является обновление парка автомобильной техники путем модернизации машин и разработки модельного ряда на основе базовой модели. В специфических условиях проведения таких работ эффективным является применение математических моделей процессов и методов численного эксперимента. Однако в настоящее время методология модернизации парка автомобильной техники в окончательном виде на проработана.
Основными направлениями модернизации трансмиссии перспективных автомобилей многоцелевого назначения являются [1]:
- полный привод с рациональным значением передаточного отношения межосевого дифференциала;
- реализация возможности периодического отключения части ведущих мостов при движении в хороших дорожных условиях;
- управление буксованием ведущих колес путем уменьшения подачи топлива или приложения тормозного момента к буксующему колесу;
- обеспечение в процессе движения возможности переключения передач в раздаточной коробке;
- обеспечение в процессе движения блокирования дифференциалов и компенсации кинематического несоответствия путем регулирования давления воздуха в шинах.
Основная часть
Разработаны зависимости для определения дополнительных затрат мощности вследствие неравномерного распределения сил тяги по ведущим колесам, возникающие при движении автомобилей многоцелевого назначения с ме-жосевым дифференциалом [1]:
Автомобили многоцелевого назначения типа 4X4:
N
= У-
со
2 •Р •
(/а^а - Ы^гГ/1 )
{и+1)3
•(2 - и2 •!)+
(/а^а - и^1-/1)
(и +1)2
(2)
(1)
Автомобили многоцелевого назначения типа 6X6:
а>
2^Р ■-
(Га •Ра - uRr.fi )
(и +1)3
•(2 - и2 • 1) +
Автомобили многоцелевого назначения типа 8X8:
(/а-Рд - и^г/1) (и +1)2
(3)
(2)
N.
доп.8 • 8
= г
со 4
2^Р •
(Га Ра - и^гГ )
(и +1)3
•(2 - и2 2
+
(/д'Рд - и^гГ ) (и +1)2
(4)
(3)
2
Автомобили многоцелевого назначения типа 10X10:
N
доп. 10- 10
= у.
а>
6
2- Р„
(/а'Од - Ы-КгГ/1) (ы +1)3
-(3
-ы
■і)+(/а'в( “'£г/і)-(5)
(ы + 1) _
(4)
При движении по твердым опорным поверхностям эти потери мощности могут достигать 3...8 % от общей мощности, необходимой для движения автомобиля многоцелевого назначения. Имеется зона минимума потерь мощности, которая обеспечивается оптимизацией передаточного отношения межосевого дифференциала.
Так как создать механический дифференциальный механизм с автоматическим изменением передаточного отношения на сегодняшний день невозможно, то снизить потери мощности и повысить тягово-скоростные свойства автомобилей многоцелевого назначения можно, применив в межосевом приводе дифференциальный механизм с рациональным передаточным отношением [2].
Методика создания дифференциального механизма с рациональным передаточным отношением включает в себя:
- сбор статистической информации об условиях движения и нагружения автомобиля многоцелевого назначения;
- определение передаточного отношения межосевого дифференциала в конкретных дорожных условиях с конкретной нагрузкой.
При выполнении научно-
исследовательских работ получены зависимости для определения передаточного отношения межосевого дифференциала, обеспечивающего минимальные потери мощности в заданных условиях движения [2]:
Автомобили многоцелевого назначения типа 4X4:
и
мод.б-6
Ра-Я21-/і + 3-Ра-/а-Оа + 2Р1-/1-/а-Оа + 2 -/2 -О,
Ра-/а-Оа + 3-Ра-ЯгГ/1 + 2 - Р./ - /1 + 2-Р21-/г/а -Оа
Автомобили многоцелевого назначения типа 6X6:
и.
мод4-4
1
(Ра- /а' Оа + ^
+ 3 - Ра - Рґ /1 +
+ 3 - Р1 -/1 +
(-4 - Ра- Рґ /1 +^ +3 - /2- О+
+ 2 - Ра - /а - Оа +
+3 - Р- /2
+
ио- Р - $1 -/2 +96-Ра -р - /г /2- о+^
+ 64- Р - Р - / - /а - Оа +48-%Г/!-Ра +
+9-/4-О + 24-/3-О3-Ра +
+54-р2ґ/2-/2-о+28-Р-/2-О2+
+120 Ра- Р2Ґ /2- /а- оа +9 - Р4г /4+
+36- рг /3-/а-оа +36- /3-О-Р,1 - /,
(+3 - Р.Г/1- /а - Оа / _
Автомобили многоцелевого назначения типа 8X8:
(5)
(6)
и
мод.8-8
(Р.,- Р. -/: + 3-Ра-/а-Оа + 2 - Р, ■/1 ■■ О, + 2 -/2 - О] ) Ра-/а-Оа + 3-Ра-РгГ/1 + 2 - Р.1 - /1 + 2-РгГ/Г/а -Оа
(7)
Автомобили многоцелевого назначения типа 10X10:
и„.
(*Ра-/а-Оа + ^
+6 • Ра' ЯГ / +
+5 • РЛ // +
+5• Р'/г/а • 0аУ
(-6 • Ра- Р- / +^
+5 • /2 • 0 +
+ 4 • Ра• /а' 0а +
+5 • Р- /2
+
(108Р • р • /2 +280Ра • Р • /1 • /2 • 02 + Т2
+192 %• р- /г /а• 0а +120 р• /Зг Ра + +25 /:• 0 +80 /• 0 • Ра +
+150 р- /Ц • /2 • 0 +88 %• /2• 02 + +320Ра• % • /2• /а• 0а +25- рг /4 + +100рг /3^ /а• 0а +100 /2 • 03 • Р-/ ;
. (8)
Для определения рационального передаточного отношения межосевого дифференциала, соответствующего математическому ожиданию для всей совокупности вероятных условий эксплуатации применительно к различным дорожным условиям и видам оборудования, обеспечивающего требуемый уровень производительности и проходимости автомобилей многоцелевого назначения получена зависимость:
(
1
3 = 1
\
S
^Рз
3 =1
•£ Р
I Рз '='
т ..
3 имодУ
.=1
где рТ - вероятность движения автомобиля многоцелевого назначения в /-х дорожных условиях; Ру - вероятность монтажа на автомобиле многоцелевого назначения у-го типа оборудования; тимоду - математическое ожидание рационального передаточного отношения межосевого дифференциала в /'-х дорожных условиях с у-м типом оборудования; п - число разновидностей дорожных условий; 5 - число
разновидностей оборудования, монтируемого на автомобиле многоцелевого назначения.
При проведении научно-
исследовательских работ на основании разработанной методики найдены следующие передаточные отношения межосевых дифференциалов автомобилей многоцелевого назначения: УАЗ-3151 (4X4) - 1,2; ГАЗ-3308 (4X4) -1,3; ЗИЛ-131 (6X6) - 2,4; КАМАЗ типа 4X4 - 1,3; КАМАЗ типа 6X6 - 2,8; КАМАЗ типа 8X8 - 1,2.
Для оценки эффективности применения предлагаемых решений проводилось имитационное моделирование движения автомобилей многоцелевого назначения по типовому маршруту с серийной трансмиссией, автомобилей многоцелевого назначения с рекомендованным передаточным отношением межосевого дифференциала. Моделирование показывает, что оснащение автомобилей многоцелевого назначения межосевым дифференциалом с рекомендованным передаточным отношением, позволяет повысить на 5...9 % среднюю скорость движения по твердым опорным поверхностям и снизить на 6.8 % расход топлива по сравнению с серийным автомобилями многоцелевого назначения (Рис. 1.) [3].
М1и1ВШ
тип
□ УАЭ-3151 ПУАЗ-3151 мод ■ УАЗ-2966 ■ УАЗ-2966 мод ■ ГАЗ-66 ■ ГАЗ-66 мод ■ ГАЭ-3308 □ ГАЭ-3308мод
Шмьи
дорога с усов. фунт. дорога разбитая грунт, покр. удовл.состояния дороге
снежная целина Средняя по марщэугу
□ ЗИЛ-131 □ ЗИЛ-131 мод ■ ЗИЛ-433420 ■ ЗИЛ-433420 мод ■ Урал-43206 ■ Урал-43206 мод ИК^МАЗ-4350 □ МАЭ-4350 мод
дорога с усов. грунт, дорога разбитая грунт,
покр. удовл. состояния дороге
□ Урал-375Д □ Урал-375Д мод ■ Урал-4320-10
■ КАМАЭ-43101 □ КАМАЭ-43101 мод ■ КАМАЭ-43114
песок дорога в сне>кная целина Средняя по
распутицу маршруту
В Урал-4320-10 мод ■ Урал-4320-31 ■ Урал-4320-31 мод
I КАМАЭ-43114 мод □ КАМАЭ-43118 ■ КАМАЭ-43118 мод
45.0 -
40.0 -1| ! 35,0 -I ! 30,0 -I ! 25,0 -I
1 20,0 -I
ь
1ВМВ
IКАМАЭ-6350 И КАМАЭ-6350 мод ■ Урал-5323-01 а Урал-5323-01 мод
Рис. 1. Оценка скоростных свойств автомобилей многоцелевого назначения с различными передаточными отношениями межосевого дифференциала
Результаты научно-исследовательской
работы подтверждают целесообразность и эффективность отключения части ведущих мостов автомобиля многоцелевого назначения. Граничным условием включения ведущего моста в работу является превышение суммы потерь мощности в п-ведущих мостах и на проскальзывание 2п-работающих колес над суммой потерь мощности в (п+1)-ведущих мостах и на проскальзывание 2(п+1)-работающих колес:
N + N < N + N
трп букс2п ~ тр(п+1) букс2(п+1)
. (9)
Дополнительным условием является отключение ведущего моста у раздаточной коробки и у ведущих колес. Для определения закона управления включением в работу ведущего моста в качестве информационной переменной предложено использовать значение коэффициента буксования ведущихколес. Граничное значение буксования может быть определено из следующего выражения:
5И,п =
^М^п + р1п ) + ч-рТп----
. 4 {М-/п + Ра1п)
■100-
(10)
На основе выражения (10) определены режимы целесообразного включения переднего моста автомобилей многоцелевого назначения типа 4X4 (Урал-43206), 6X6 (Урал-432031) 8X8 (Урла-5323-01). В ходе моделирования установлено, что включение в работу переднего моста целесообразно при движении с буксованием более 3 %.
В работе проведено экспериментальное исследование топливной экономичности АМН типа 4X4 (Урал-43206), типа 6X6 (Урал-4320-31), и типа 8X8 (Урал-532301) с имитацией максимальной нагрузки (4, 6 и 10 т соответственно) при движении по асфальтированной дороге с полным приводом и отключенными передними мостами. Результаты экспериментального исследования показали, что при своевременном переходе от полноприводной схемы к неполноприводной и отключении потока мощности в двух точках, снижение расхода топлива составляет 5.7 %. Причем увеличение скорости движения приводит к увеличению экономической эффективности отключения передних мостов, что связано с увеличением гидравлических потерь в ведущем мосту при увеличении скорости движения.
Для обеспечения возможности блокирования межосевых и (или) межколесных диффе-
ренциалов в процессе движения автомобиля многоцелевого назначения в работе предложен метод предварительного выравнивания угловых скоростей буксующих колес путем приложения тормозного момента к буксующим колесам и (или) уменьшения подачи топлива. В связи с этим, предложены конструкции систем управления блокировкой межосевого и межколесного дифференциалов.
Существенное влияние на эффективность блокирования межколесных и межосевых связей оказывает наличие кинематического несоответствия между мостами автомобиля многоцелевого назначения, при этом одной из основных причин кинематического несоответствия при прямолинейном движении автомобиля многоцелевого назначения является различие в радиусах качения его колес. В исследованиях, выполненных в НАМИ и 21 НИИИ МО РФ, установлена дробно-линейная (гиперболическая) зависимость радиуса колеса от давления воздуха в шинах. Следовательно, кинематическое несоответствие, возникающее при прямолинейном движении между ведущими мостами автомобиля многоцелевого назначения, можно устранить путем изменения давления воздуха в шинах. Таким образом, для обеспечения требуемой подвижности автомобиля многоцелевого назначения при движении в сложных дорожных условиях в систему управления блокированием дифференциалов необходимо интегрировать систему регулирования давления воздуха в шинах (СРДВШ).
Для корректировки кинематического несоответствия необходимо существенное повышение быстродействия СРДВШ. В работе показано, что наиболее эффективным способом повышения быстродействия в зоне низких давлений воздуха (ниже 0,15 МПа) является применение корректирующих устройств эжекторного типа.
Оснащение автомобилей многоцелевого назначения предложенными средствами введения и корректировки параметров блокированной связи позволяет повысить на 6.8 % среднюю скорость движения по размокшим грунтовым дорогам и бездорожью и снизить на 10.15 % расход топлива по сравнению с серийным автомобилями многоцелевого назначения. В целом рациональное передаточное отношение межосевого дифференциала в комплексе с блокированием межколесных и межосевых связей позволяет повысить на 6.10 % среднюю скорость движения и снизить на 5.10 % расход топлива (рис. 2.).
дорога с усов. покр. грунт, дорога удовл. разбитая грунт. песок дорога в распутицу снеииая це/мна Средняя по
состояния дороге маршруту
□ Урап-375Д □ Урал-375Д мод ■ Урал-4320-10 И Урал-4320-10 мод ■ Урал-4320-31 ■ Урал-4320-31 мод
■ КАМАЗ-43101 □ КАМАЭ-43101 мод ■ КАМАЭ-43114 ■ КАМАЗ-43114 мод □ КАМАЗ-43118 □ КАМАЗ-43118 мод
□ КрАЗ 260 □ КрАЗ 260 мод ■ КАМАЭ-6350 □ КАМАЭ-6350 мод ■ Урал-532301 □ Урал-532301 мод
Рис. 2. Сравнительная оценка скоростных свойств автомобилей многоцелевого назначения с различными методами распределения мощности
Выводы
На основе имитационного моделирования исследованы и обоснованы технические решения по совершенствованию распределения мощности между ведущими колесами автомобилей многоцелевого назначения посредством механической трансмиссии, реализующие: рациональное распределении мощности между ведущими мостами; метод периодически отключаемого полного привода; метод управления буксованием ведущих колес путем приложения тормозного момента и (или) уменьшения подачи топлива; метод блокирования межколесных и межосевых связей.
Имитационное моделирование показало, что оснащение автомобилей многоцелевого назначения межосевым дифференциалом с рекомендованным передаточным отношением позволяет повысить на 5.9 % среднюю скорость движения по твердым опорным поверхностям и снизить на 6.8 % расход топлива по сравнению с серийным автомобилем многоцелевого назначения.
Экспериментальное исследование топливной экономичности автомобилей многоцелевого назначения показало, что при равномерном движении по асфальтобетонному шоссе без значительных дополнительных сил сопротивления движению (разгона, подъема, буксирования) автомобили с отключенными передними мостами имеют лучшие показатели топливной экономичности. Снижение расхода топлива составляет при переходе от полноприводной схемы к неполноприводной 5.7 %. Причем увеличение скорости движения приводит к увеличению экономической эффективности отключения передних мостов, что связано с увеличением гидравлических потерь в ведущем мосту при увеличении скорости движения.
Для обеспечения возможности блокирования межосевых и (или) межколесных дифференциалов в процессе движения автомобилей многоцелевого назначения предложен метод предварительного выравнивания угловых скоростей буксующих колес путем приложения тормозного момента к буксующим колесам и (или) уменьшения подачи топлива и разработаны средства его реализации.
Оснащение автомобилей многоцелевого назначения предложенными средствами блокирования силового привода и корректировки кинематического несоответствия позволяет повысить на 6.8 % среднюю скорость движения по грунтовым дорогам и бездорожью и снизить на 10.15 % расход топлива по сравнению с серийным автомобилем многоцелевого назначения.
Библиографический список
1. Мурог, И. А. Принципы и методы распределения мощности между ведущими колесами полноприводных армейских автомобилей [Текст] / И. А. Мурог, А. В. Келлер - Челябинск, 2009 - 218 с.
2. Плиев, И. А. Особенности теории и конструирования полноприводных автотранспортных средств с «интеллектуальными» трансмиссиями [Текст] / И. А. Плиев, А.М. Сайкин, А. А. Ахмедов, А. В. Архиров -М.: Изд-во ФГУП «НАМИ», 2012 - 158 с.
3. Мурог, И. А. Методика оптимизации распределения мощности в трансмиссиях автомобилей многоцелевого назначения [Текст] / И. А. Мурог, А. В. Келлер, А. Н. Торопов И. А. // Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы пути их решения: Материалы международной научно-
технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения М. Ф.Балжи. - ЮУрГУ - Челябинск., 2008. - С. 79-85.
MODERNIZATION OF THE TRANSMISSION MULTI-PURPOSE VEHICLES
I. A. Мурог, E. S. Tereshchenko,
D. YU. Fadeev, D.V. Shabalin
On the basis of simulation modeling investigated and substantiated by the technical-technological solutions to improve the allocation of power between the leading wheels of cars multi-purpose by means of a mechanical transmission, implement: rational distribution of power between the leading axles; the method of periodically switchable all-wheel drive; method of management of a slipping drive wheel by the application of brake torque and (or) reduction of the fuel supply; method of blocking the automatic brake and axial connections.
Мурог Игорь Александрович - кандидат технических наук, профессор, заместитель губернатора Челябинской области. Основные направления научной деятельности: методика совершенствования и модернизации конструкции автомобилей многоцелевого назначения. Общее количество работ: 95. pr06@reginf. urc. ас. ru
Терещенко Евгений Сергеевич - кандидат технических наук, преподаватель кафедры двигателей Омского филиала Военной академии материальнотехнического обеспечения. Основные направления научной деятельности: автоматизация систем управления двигателей транспортных средств многоцелевого назначения. Общее количество работ: 37. [email protected]
Фадеев Дмитрий Юрьевич - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей Омского филиала Военной академии материально-технического обеспечения. Основные направления научной деятельности: автоматизация систем управления двигателей транспортных средств многоцелевого назначения. Общее количество работ: 34. [email protected]
Шабалин Денис Викторович - кандидат технических наук, преподаватель кафедры двигателей Омского филиала Военной академии материальнотехнического обеспечения. Основные направления научной деятельности: автоматизация систем
управления двигателей транспортных средств многоцелевого назначения. Общее количество работ: 35. [email protected]
УДК 656.1
УРОВНИ УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ
Е. А. Петров, В. А. Краус
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы построения интеллектуальной транспортной системы и разработки комплекса поддержки принятия решений с использованием алгоритмов расчёта управляющих воздействий на транспортный поток, экономической эффективности использования различных решений.
Ключевые слова: интеллектуальная транспортная система, автоматизированная система управления дорожным движением, безопасность дорожного движения.
Введение
Транспортные заторы становятся все более актуальной проблемой в мегаполисах. Поэтому местные органы власти должны постоянно работать над максимизацией эффективности подведомственной им улично-дорожной сети (УДС), сводя при этом к минимуму последствия нарушений движения, связанные с дорожнотранспортными происшествиями (ДТП) и проведением различных мероприятий.
Изменившиеся условия мобильности, характеризующиеся увеличением количества автомобилей в течение последних лет, привели к повышению нагрузки на дорожную транспортную инфраструктуру и окружающую среду. Растущую потребность в улучшении условий передвижения нельзя полностью удовлетворить ни внутри населённых пунктов, ни за их пределами только лишь созданием новых транспортных сообщений или проведением иных строительных мероприятий [2]. С целью выхода из сложившейся ситуации необходимо внедрение сложнейшего комплекса технических и программных средств, проведение соотвествующих организационных мероприятий, опирающихся на передовые достижения науки и техники.
Интеллектуальная транспортная система (ИТС) является важным инструментом для управления и информирования всех участников движения на УДС, которая автоматически реагирует на колебания в интенсивности и скорости движения транспорта, происшествия, мероприятия и др. благодаря использованию многих источников данных, в том числе
детекторов транспорта, бортовых устройств. Создание ИТС, использующей самые прогрессивные технологии управления, позволяет получить множество преимуществ, включая сокращение транспортных заторов, увеличение пропускной способности УДС и повышение безопасности движения, что в свою очередь идет на пользу местной окружающей среде и экономике.
Основная часть
Современные системы организации и управления дорожным движением в составе ИТС должны учитывать любые изменения транспортной ситуации, все виды перевозок и транспортных корреспонденций в городских районах, в том числе для приоритетного движения средств транспорта общественного пользования, не создавая при этом помех движению остальных участников дорожного движения, обеспечивать надежный
альтернативный способ передвижения.
Архитектура ИТС (рис. 1.) подразделяется на три уровня:
периферийный - дорожные контроллеры, детекторы транспорта, светофоры знаки и табло переменной информации и др.;
центральный (оперативный) - программные комплексы, осуществляющие управление непосредственно периферийным
оборудованием;
стратегический - программные комплексы, осуществляющие агрегацию и управление комплексами центрального уровня.
