Обеспечение управляемости наземных машин посредством регулирования тяговых усилий колес Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

При обработке временных сигналов крутящих моментов, нагружающих полуоси ведущего моста, был выявлен ряд особенностей в нагружении длинной и короткой полуосей. В частности, короткая полуось работает в более жестком режиме, так как уровень крутящих моментов на короткой полуоси несколько выше, чем на длинной, вследствие маневрирования троллейбуса при выезде с остановки в момент трогания, когда наблюдаются максимальные крутящие моменты в трансмиссии. Необходимо отметить, что амплитуды колебаний на длинной полуоси в 1,5-2 раза выше, чем на короткой.

В Ы В О Д

По существующим методикам при обработке нагрузочных режимов автомобилей отрицательные моменты (торможение двигателем), нагружающие трансмиссию, ввиду их малого удельного веса, не учитываются. Однако для троллейбуса эти моменты составляют около 50 % по пробегу от общего количества крутящих моментов. В связи с этим требуется переработка существующих методик обработки нагрузочных режимов и оценки характеристик надежности зубчатых зацеплений.

Поступила 15.09.2004

УДК 629.113-587

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ НАЗЕМНЫХ МАШИН ПОСРЕДСТВОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГОВЫХ УСИЛИЙ КОЛЕС

Канд. техн. наук ДУБОВИК Д. А.

Научно-инженерное республиканское унитарное предприятие «Белавтотракторостроение »

Для управления динамикой наземных машин и улучшения их управляемости в настоящее время широкое применение получают системы Electronic Stability Program, Dynamic Stability Со^го1, Automatisches Stabilitats-Mana-gement-System, Fahr-Dynamik-Regelung, Vehicle Stability Control, Vehicle Stability Assist и др. Их действие основано на регулировании тормозных усилий колес машины, а также общего тягового усилия посредством вмешательства в управление двигателем. При недостаточной пово-рачиваемости они притормаживают заднее внутреннее по отношению к центру поворота колесо. В условиях избыточной поворачиваемости притормаживается переднее внешнее колесо.

В научно-технической литературе не получили должного отражения методы регулирования тяговых усилий колес для управления динамикой движения с целью достижения наилучших эксплутационных характеристик и максимальной эффективности использования машин. Целью настоящей работы является раз-

работка метода регулирования тяговых усилий колес для обеспечения наилучшей управляемости наземных машин. Приводятся результаты моделирования реализации предложенного метода на примере регулирования тяговых усилий колес внедорожной машины с колесной формулой 8x8.

Постановка задач исследований. Управляемость наземной машины определяется свойством ее конструкции реализовывать заданный режим движения и исполнять сигнал управления с необходимыми точностью и быстродействием при минимальном уровне психомоторных затрат со стороны водителя [1].

В соответствии с определением понятия управляемости непосредственными характеристиками данного эксплутационного свойства являются величина и скорость реакции машины на управляющее воздействие водителя. Наихудшая управляемость соответствует случаю, когда машина никоим образом не реагирует на управляющие действия водителя, сохраняя при

этом прямолинейное направление движения. В то же время исследования, выполненные авторами [2-4], позволяют в качестве машины с наилучшей управляемостью принять машину с нейтральной поворачиваемостью или же в точности реализующую кривизну траектории движения, задаваемую водителем в результате поворота рулевого колеса.

Приведенные положения дают основание в качестве критерия управляемости наземных машин использовать показатель [5] следующего вида:

\\Кп - Кг\<1х

где

х

- общая проекция тяговых усилий

= 1 -

\K\dt

(1)

где Кп - кривизна траектории движения машины с нейтральной поворачиваемостью; Кг -кривизна действительной траектории движения машины.

Анализ выражения (1) свидетельствует о том, что показатель «Я учитывает отклонение кривизны Кг действительной траектории движения машины от кривизны Кп траектории движения машины с нейтральной поворачиваемостью и оценивает в комплексе как величину реакции машины на рулевое воздействие водителя, так и скорость этой реакции. Последняя выражается в запаздывании увеличения или уменьшения кривизны Кг действительной траектории движения по отношению к изменению кривизны Кп траектории движения машины с нейтральной поворачиваемостью. Чем выше значение показателя «у, тем лучше управляемость колесной машины.

Таким образом, задача регулирования тяговых усилий колес для достижения наилучшей управляемости машины сводится к условной однокритериальной оптимизации

(2)

при следующих ограничениях, наложенных на выступающие в качестве управляемых параметров тяговые силы колес:

0 ^ рк,г ; 0 ^ рк11 г 1 п; (3)

ведущих колес на продольную ось машины, необходимых для реализации задаваемого режима движения машины; РШг и Рш - тяговые силы колес г-го моста, знаки г и I относятся к правому и левому колесам моста соответственно; фГРгг и фг7Ргг7 - предельные значения тяговых усилий по условиям сцепления колес с опорной поверхностью; фгг и фг7 - коэффициенты сцепления колес с опорной поверхностью; Ргг и Рг1 - нормальные реакции колес; а гг и аи -углы поворота управляемых колес; г - номер ведущего моста; п - количество ведущих мостов.

Метод регулирования тяговых усилий колес для обеспечения наилучшей управляемости заключается в реализации ведущими колесами в процессе движения машины оптимальных значений тяговых усилий, получаемых в результате решения задачи однокритериальной оптимизации (2). В соответствии со структурой критерия оптимальности (1) целью регулирования тяговых усилий является реализация таких их распределений, которые в плоскости дороги создают момент рыскания (рис. 1), оптимальный по направлению и величине для совмещения действительных параметров движения с параметрами, характерными нейтральной поворачиваемости.

а б

Рис. 1. Регулирование тяговых усилий для обеспечения управляемости машины при поворачиваемости: а - избыточной; б - недостаточной

Ркъ х = Е (ркг С05 аг + РІ1 соэ а Д (4)

і=і

Решение задачи однокритериальной оптимизации (2) и реализация предлагаемого метода

регулирования тяговых усилий основываются на математическом описании движения наземной машины.

В общем случае наземную машину можно представить т-осной машиной с п ведущими и к управляемыми мостами, расчетная схема которой приведена на рис. 2.

Для реализации предлагаемого метода составим уравнения криволинейного движения т-осной машины с п ведущими и к управляемыми мостами в системе неподвижных координат ХОУ. С центром масс машины свяжем систему подвижных координат хОу. Криволинейное движение машины в плоскости опорной поверхности характеризуется тремя координа-

тами центра масс: Хч, Уу и углом ру между продольной осью машины и осью ОХ.

Для математического описания воспользуемся уравнениями движения в форме Аппеля [6]:

п 1 -з

— = ; ч = 1, з, (5)

дп ч ч

где « - энергия ускорения машины; п - квазиускорение, соответствующее ч-й квазикоординате; Qq - обобщенная сила, соответствующая ч-й квазикоординате; ч - порядковый номер квазикоординаты.

Рис. 2. Расчетная схема движения колесной га-осной машины с п ведущими и к управляемыми мостами

0

Для составления уравнений в форме (5) введем три квазикоординаты, связанные с координатами центра масс машины Xv, Yv и pv следующими соотношениями:

Xv = л 1 cos Pv -л2 sin Pv;

Yv = Пi sin Pv +П2 cos Pv; (6)

Pv = П3 .

Энергия ускорения S машины, слагаемая из энергии ускорения поступательного движения и энергии вращательного движения относительно центра масс, определяется на основании (6)

s=m- X + Yv2+Pv2p2 )= =mm (л — 2П1П2П3 + л п3 + П2 + 2П2П1П3 +

+ П2П2 + pVn2), (7)

где mv и pv - масса машины и ее радиус инерции относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс.

Обобщенные силы Qq, соответствующие введенным квазикоординатам, определяются на основе выражения для виртуальных работ:

8Aq = Qq8nq , q = 1, 3. (8)

Предположим, что углы поворота управляемых колес air и а в направлении, противоположном вращению часовой стрелки, положительны, а в направлении вращения часовой стрелки - отрицательны.

Тогда, с учетом (5), (6) и (8) уравнения криволинейного движения машины принимают следующий вид:

mte - П2П3) = (pi - pr)cos ai - Pi sin ai +

+ (Pkl - Pfil )cos aa - Ps,l sin a,l - Pa ; (9)

ткПз + П1П3) = (риг - Pi?r)sin ai + Pi COs ai +

+ (pn - p?/)sin an + pCos ai; (10)

mPVn3 = 0,5eI(Pr - PJCos ar - (Pi - Pi)cos a l] +

+ (lv - l’)[(pS3r - PA-)sin ai- + (pi - Pi?l)sin ai] -

- Ы, 81П аг - Р181П а ^+

+ (К-^Рг™* а1г + ^СОв а/7) - Мг , (11)

где 5г - коэффициент учета вращающихся масс; Д - колея г-го моста; 1г и Д, - расстояние от первого моста до г-го моста и центра масс машины соответственно.

Для решения системы уравнений криволинейного движения (9)-(11) машины требуется исключить из нее лишние неизвестные. С этой целью силы сопротивления качению Ра необходимо выразить через произведение нормальных реакций колес Рг на коэффициенты сопротивления качению колес /, найденные с учетом поступательной скорости движения автомобиля, углов 8г бокового увода, числа г проходов колес по колее и совпадения последних в случае движения по деформируемым поверхностям.

Нормальные реакции колес Р^ рассчитываются на основе пространственной расчетной схемы автомобиля с учетом его массовых, геометрических показателей, характеристик системы «подвеска - колесо - дорога» и кинематических параметров движения.

Боковые реакции колес Р^ выражаются согласно нелинейной теории бокового увода [1]:

Р, = Ks,8 г = qs,, г 1 т (12)

где К0 - тангенс угла наклона кривой Рц = /(8) в начале координат; ч^ - общий коэффициент коррекции, равный произведению частных коэффициентов, отражающих влияние различных факторов [1]; 8г - углы увода колес г-го моста.

Сопротивление движению машины воздушной среды Ра определяется по зависимостям [7]. Момент Мг сопротивления повороту машины в контакте колес с опорной поверхностью складывается из моментов сопротивления повороту отдельных колес и рассчитывается по формулам [8]. Углы поворота управляемых колес агг и ап принимаются известными и рассчитываются в зависимости от задаваемой водителем траектории движения по формулам [9].

Предлагаемый метод регулирования тяговых усилий основан на решении второй (обратной) задачи динамики. В рамках решения обратной задачи динамики считается известной зависимость между такими кинематическими

параметрами, как ускорение и скорость движения, которые, как и углы поворота управляемых колес, задаются водителем в результате воздействия на органы управления машиной. В большинстве случаев при исследованиях криволинейного движения моделируется движение машины с постоянной поступательной скоростью п1 и ускорением вдоль продольной оси п1, равным 0.

В отдельных случаях возникает необходимость исследования ускоренного движения машины. Тогда используется функциональная зависимость между ускорением п1 и скоростью поступательного движения п1 [10].

Таким образом, приведенные положения позволяют выразить из уравнения (9) общую проекцию тяговых усилий ведущих колес на продольную ось машины, которая является исходной для поиска оптимальных значений тяговых усилий отдельных колес:

Р =

т

= Е (Р1 с08 аг + Р1вШ аг + Р1 сое а/7 +

1=1

+ РШ^ а1 + Ра + т(5А - П2Пз) . (13)

Сканирование возможных вариантов распределения тяговых усилий между ведущими колесами при соблюдении ограничений (3) и (4) позволяет определить такие значения тяговых усилий ведущих колес машины, которые соответствуют максимальным значениям критерия (1). Эти значения и принимаются в качестве оптимальных для обеспечения наилучшей управляемости.

Результаты исследований. Рассмотрим применение предложенного метода для регулирования тяговых усилий наземной машины с колесной формулой 8x8 с двумя передними управляемыми мостами, близкой по своим массовым и геометрическим параметрам к параметрам внедорожной машины МЗКТ-79091 с шинами 1500x600-635.

Для оценки эффективности разработанного метода проводились расчетные исследования движения данной машины при выполнении маневра «переставка» (машина 1). Скорость движения принималась из диапазона средних

технических скоростей внедорожной машины МЗКТ-79091 и составляла 8 м/с. Моделирование осуществлялось на грунтовой поверхности удовлетворительного состояния с коэффициентом сцепления 0,55 и сопротивления качению колес 0,03.

Для сопоставительной оценки проводилось моделирование движения машины с такими же массогеометрическими параметрами и симметричным распределением тяговых усилий между колесами (машина 2). Симметричное распределение тяговых усилий характерно для простого дифференциального привода ведущих колес, который, как известно, является наиболее предпочтительным из всех традиционных приводов с точки зрения управляемости колесных машин.

Результаты исследований представлены на рис. 3-5.

К. и

3 2 1 О

О 9 18 27 XV. м 36

Рис. 3. Траектория движения машин 1 и 2

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что критерий управляемости «V машины 2 с симметричным распределением тяговых усилий при выполнении маневра «переставка» составляет 0,52.

К,. м'1

0.03 0.015

•0.015 -0,03

О 1 2 3 Л С 4

Рис. 4. Изменение кривизны Кг действительной траектории

Невысокое значение критерия Sv у машины 2 объясняется запаздыванием ее реакции на

производимое рулевое воздействие водителя вследствие перекатывания профиля эластичных шин и натягивания их в боковом направлении при формировании боковых реакций колес Рбгг и Рцц (12). Запаздывание проявляется в замедленных увеличении кривизны Кг действительной траектории движения машины при повороте рулевого и управляемых колес из нейтрального положения (при входе в поворот) и уменьшении кривизны Кг при повороте рулевого колеса к нейтральному положению (при выходе из поворота) (рис. 4).

Выполненные исследования позволили

установить зависимость управляемости машины от распределения тяговых усилий между ведущими колесами и реализуемого этими силами тягового момента рыскания Мук машины (рис. 5).

Мук, кН * М

Рис. 5. Изменение тягового момента рыскания Мук

Момент рыскания Мук машины с симметричным распределением тяговых усилий формируется за счет поворота водителем управляемых ведущих колес в направлении предполагаемого поворота машины и реализации подводимого к ним крутящего момента. Вследствие только симметричного распределения тяговых усилий Мук при выполнении маневра «переставка» не превышает 6,7 кН • м и не оказывает существенного влияния на реализуемые машиной 2 кинематические параметры криволинейного движения.

В то же время реализация предложенного в настоящей работе метода способствует перераспределению тяговых усилий между ведущими колесами машины 1 и созданию в плоскости дороги управляемого момента рыскания Мук. В соответствии со структурой критерия (1) направление и величина

момента рыскания Мук оптимизируются для достижения наилучшего приближения реализуемых кинематических параметров криволинейного движения к параметрам, задаваемым водителем поворотом рулевого колеса. В результате такого регулирования повышается динамическая чувствительность к рулевому воздействию и управляемость машины улучшается.

Установлено, что реализуемый тяговыми усилиями момент рыскания машины в данном случае значительно возрастает и достигает значения 53,3 кН • м. При этом управляемость машины 1 улучшается на 14 % по отношению к машине с симметричным распределением тяговых усилий колес и соответствует значению критерия равному 0,66.

В Ы В О Д Ы

1. Разработан метод регулирования тяговых усилий колес для обеспечения наилучшей управляемости наземной машины. Метод основан на реализации ведущими колесами во время движения оптимальных значений тяговых усилий с целью совмещения действительных кинематических параметров движения машины с параметрами, задаваемыми водителем в результате управляющего воздействия на рулевое колесо, посредством создания в плоскости опорной поверхности управляемого по направлению и величине момента рыскания.

2. Подтверждена эффективность предложенного метода на примере регулирования тяговых усилий наземной машины с колесной формулой 8x8 с двумя передними управляемыми мостами и массогеометрическими параметрами, близкими к параметрам внедорожной машины МЗКТ-79091, при моделировании маневра пе-реставка.

3. Установлена возможность улучшения управляемости внедорожной машины МЗКТ-79091 на 14 % по сравнению с такой же машиной, но с симметричным распределением тяговых сил между колесами в результате реализации предложенного метода регулирования тяговых усилий на практике.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Антонов, Д. А. Расчет устойчивости движения многоосных автомобилей / Д. А. Антонов. - М.: Машиностроение, 1984. - 168 с.

2. Гинцбург, Л. Л. Управляемость автомобиля на повороте / Л. Л. Гинцбург. - М.: НИИНавтопром, 1968. -47 с.

3. Носенков, М. А. Управляемость автомобилей и автопоездов. Рулевой привод / М. А. Носенков // Тр. НАМИ. - М., 1971. - Вып. 129. - С. 21-27.

4. Лефаров, А. Х. Конструирование и эксплуатация автомобилей и тракторов / А. Х. Лефаров, В. С. Войтешо-нок // Республиканский межведомственный сборник. -Минск, 1991. - Вып. 6. - С. 66-69.

5. Дубовик, Д. А. Количественная оценка реакции АТС на управляющее воздействие водителя / Д. А. Дубовик // Механика машин на пороге III тысячелетия: материалы междунар. науч. конф. / НЦ ПММ НАН Беларуси. -Минск: НИРУП «Белавтотракторостроение», 2001. -С. 203-205.

6. Аппель, П. Теоретическая механика: в 2 т. / П. Аппель; пер. с 6-го франц. изд. И. Г. Малкина. - М.:

Физматгиз, 1960. - Т. 2: Динамика системы. Аналитическая механика. - 487 с.

7. Евграфов, А. Н. Аэродинамика колесных машин / А. Н. Евграфов, М. С. Высоцкий. - Минск: НИРУП «Белавтотракторостроение», 2001. - 368 с.

8. Фаробин, Я. Е. Теория поворота транспортных машин / Я. Е. Фаробин. - М.: Машиностроение, 1970. -176 с.

9. Дубовик, Д. А. Повышение проходимости внедорожной машины посредством рационального привода колес управляемых мостов: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.03 / Д. А. Дубовик. - Минск, 2003. - 253 с.

10. Ванцевич, В. В. Вторая (обратная) задача динамики как основа для построения теории движения мобильных машин / В. В. Ванцевич, М. С. Высоцкий // Доклады Национальной академии наук Беларуси. - 1998. -Т. 42, № 6. - С. 104-110.

Поступила 30.03.2006

УДК 622.684:622.874

РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОДИТЕЛЕЙ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ

Канд. техн. наук САВЧЕНКО В. В.

Институт механики и надежности машин НАН Беларуси

Исследования в области транспортной безопасности приводят к однозначному выводу: основной причиной большинства аварий и катастроф на транспорте является человеческий фактор, а именно ошибки водителей и диспетчеров. Понятно, что ошибки проектирования и изготовления транспортных средств или элементов инфраструктуры в конечном итоге тоже являются ошибками людей. И все же 90 % всех несчастных случаев обусловлены ошибками водителей. В 57 % происшествий человеческая ошибка - практически единственный фактор аварии (ИПр://м>м>м>.вгяо2его. com/pages/гoadaccidents.htmD. Лишь 2,4 % несчастных случаев можно объяснить технической неисправностью, а неблагоприятная окружающая среда (например, гололед) полностью «ответственна» за 4,7 % дорожных происшествий, 35,9 % автопроисшествий происхо-

дят в силу сложного сочетания различных факторов.

Сегодня используются два основных пути повышения эффективности деятельности водителей автомобилей. Первый из них, основанный на учете психофизиологических характеристик водителя, связан с комплексной оптимизацией рабочей среды. Достаточно важен учет эргономических требований, предъявляемых к рабочим местам. Однако особенности деятельности водителей таковы, что, следуя лишь первым путем, не представляется возможным учитывать и контролировать информационные перегрузки, факторы монотонии, изменения функционального состояния, поведение в нештатных и аварийных ситуациях. Второй путь повышения надежности выполнения алгоритмов деятельности - это повышение надежности оператора как лица, принимающе-