CC BY
90
УДК 629.028
К. Ю. Машков, В. Н. Наумов, С. А. Харитонов, Д. А. Чижов
ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНОЙ ТРАНСМИССИИ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ
В рамках исследований, проводимых в МГТУ им. Н.Э. Баумана, рассмотрены проблемы роботизации, в частности влияние внешней среды на возможные схемы трансмиссии мобильных роботов, также методы повышения подвижности за счет применения гибридных силовых установок и предложены некоторые пути их решения.
E-mail: naumov-m9@yandex.ru; tantist83@mail.ru
Ключевые слова: мобильные роботы, гибридная трансмиссия, силовая
установка, повышение подвижности.
Решению задач обороны и защиты национальной безопасности посвящена единая программа по робототехнике, принятая в США еще 6 лет назад. Современные требования национальной безопасности предполагают, что семейство безэкипажных наземных машин должно быть разнообразным по применению, габаритным размерам, источникам энергии, трансмиссии, системам управления. Автоматизированные экскаваторы и бульдозеры, выпускаемые для нужд МЧС, патрульные машины, используемые для выполнения задач противодействия терроризму, малые переносные робототехнические системы для решения войсковых задач, универсальные телеуправляемые транспортные системы для боевого применения — все это многообразие робототех-нических средств требует специальных подходов к проектированию подобных машин и агрегатов.
Особенности управления колесными и гусеничными мобильными роботами и особенности условий их эксплуатации приводят к необходимости использования в качестве энергетической установки как двигателя внутреннего сгорания (ДВС), так и аккумуляторных батарей и источников солнечной энергии.
Проанализируем задачи, стоящие перед роботизированными средствами боевого обеспечения, среди которых можно отметить такие, как робот-имитатор боевой техники, робот-мишень, робот-санитар, робот подвоза боеприпасов и другие [1], а также маршруты передвижения машин обеспечения по дорогам и бездорожью.
Проведенные ранее исследования [2, 3] влияния неровностей на движущиеся с различными скоростями шасси выявили степень воздействия профиля местности (длины неровности L и высоты Н) на движущееся транспортное средство. Так, неровности длиной менее Lmin влияют на отдельные детали движителя, но не вызывают колебания машины в целом. Неровности длиной более Lmax не влияют на
шасси, но изменяют силу сопротивления прямолинейному движению. Неровности длиной от до Ьтах вызывают вынужденные продольные и поперечные колебания корпуса, а вертикальные линейные колебания затрудняют работу оператора, системы технического зрения и ухудшают функционирование специального оборудования.
Минимальная и максимальная длины неровностей определяются базой шасси Ьб, частотой колебаний ^ и скоростью V движения:
Ьшт = 0,75 Ьб; Ьшах = Ушах\/
Для роботов среднего класса, характерного для большинства средств боевого обеспечения, в отличие от полноразмерных боевых машин минимальная и максимальная длина микропрофиля дорог находится в пределах от 1,5 до 10 м (при Ьб = 2 ... 4 м, Ушах = 6 ... 10 м/с, ^ = 0,5 ... 1 Гц).
Ранее отмечалось, что неровности длиной более Ьтах не влияют на колебания машины, но изменяют сопротивление движению шасси.
Рассматривая спектральную плотность распределения высот неровностей (Бь) для каждого типа местности (рис. 1) можно определить обобщенные характеристики неровностей. Следует отметить, что спектральная плотность микропрофилей различного типа для танковых и полигонных трасс отличается четко выделенной полосой частот (и), а спектральная плотность неровностей местности вне дорог носит преимущественно низкочастотный характер и монотонно убывает.
Отсюда следует, что значительная часть (порядка 45 %) опорных поверхностей роботизированных комплексов среднего класса попадает в зону, мало влияющую на сопротивление прямолинейному движению. Это необходимо учитывать при определении различных параметров силовой установки и шасси в целом.
Исследование технических путей создания робототехнического комплекса (РТК) боевого обеспечения, предназначенного для решения различных задач, в том числе для оказания первой помощи и эвакуации раненых, доставки боеприпасов в любое время суток и в сложных погодных условиях при огневом воздействии противника, позволило определить ряд требований, необходимых для успешного функционирования комплекса.
Такое развитие двигательных установок образцов предполагает постепенный переход от простейших форм дистанционного управления
Рис. 1. Спектральная плотность неровностей пашни (1), луговины (2), "поля боя" (5), дорог в целом (4), танковых и полигонных трасс (5) при
V = 1 м/с
к интерактивному (без непрерывного участия человека) супервизор-ному управлению за счет введения элементов автономного функционирования образца при управлении движением и специальным оборудованием.
Дистанционное управление (ДУ) РТК обеспечивается при движении по заданным траекториям с учетом динамики шасси при движении по дорогам и пересеченной местности.
Архитектура силового привода должна позволять передвижение с транспортными скоростями до 20 км/ч и обеспечивать кратковременные режимы скрытого перемещения на дистанции не менее 500 м.
Отсюда можно определить ряд требований к силовому приводу РТК: обеспечение движения в экономичном режиме (при малых сопротивлениях прямолинейному движению, например шасси 6 х 6 в режиме 6 х 2); в условиях повышенного коэффициента сопротивления движению (6 х 6); при скрытом перемещении — выключенной силовой установке (одним из способов реализации данной задачи может быть применение гибридной силовой установки).
Все больший интерес и, следовательно, все увеличивающееся число исследований вызывают так называемые гибридные трансмиссии, в которых подвод мощности осуществляется от нескольких видов источников энергии. Гибридные трансмиссии позволяют получить тяговую характеристику, близкую к гиперболической, снизить расход топлива и увеличить пробег транспортного средства, уменьшить выброс вредных веществ. Кроме того, частота вращения двигателя не будет зависеть от скорости транспортного средства. Однако гибридные трансмиссии требуют мощных электродвигателей, а так как их нужно устанавливать на движущиеся объекты, то необходимым условием является компактность. Кроме того, нужны аккумуляторные батареи большой емкости.
Существует большое число вариантов построения гибридных трансмиссий. Наиболее часто встречаются последовательный и параллельный варианты построения гибридной трансмиссии (рис. 2). В настоящее время все большее распространение получают гибридные трансмиссии с разделением мощности ДВС (рис. 3).
При последовательном варианте (рис. 2, а) мощность передается от ДВС на генератор, далее к электродвигателю, который соединен с ведущими колесами. Между ДВС и ведущими колесами отсутствует прямая механическая связь (ДВС и ведущие колеса — независимы друг от друга). Пара электродвигатель-генератор, совместно с аккумуляторами, представляет собой электрическую трансмиссию, которая обеспечивает бесступенчатое изменение передаточного отношения и регулирование мощности между ДВС и ведущими колесами. В этом случае происходит двойное преобразование энергии ДВС: механической в электрическую и обратно. Каждое преобразование приводит
Рис. 2. Последовательный (а) и параллельный (б) варианты построения гибридной трансмиссии
Рис. 3. Трансмиссия с разделением мощности ДВС
к потере в среднем 10% мощности [4]. Таким образом, КПД трансмиссии в этом случае может быть не более 81 %. Кроме того, максимальная мощность, по крайней мере, одной электромашины должна соответствовать максимальной мощности ДВС. Это условие приводит к увеличению габаритных размеров и массы трансмиссии. По этим причинам последовательные варианты построения гибридной трансмиссии используются главным образом для коммерческих транспортных средств, работающих в режиме "stop-and-go".
В случае параллельной гибридной трансмиссии (рис. 2, б) электромашина располагается параллельно обычной механической трансмиссии. Электрическая машина может быть объединена с ДВС, трансмиссией или просто соединена с ведомым валом. В этом случае существует два независимых потока мощности. Регулирование передаточного отношения осуществляется с помощью механической коробки передач, а регулирование мощности — с помощью электромашины. Поскольку имеется прямая механическая связь между ДВС и ведущими колесами, то частоты их вращения зависят друг от друга. Параллельные гибридные трансмиссии хорошо себя зарекомендовали при движении по магистрали, но по экономическим соображениям оказались непригодными для городских условий движения. Жесткая связь частот вращения ДВС и ведущих колес требует в этом случае наличия в составе трансмиссии коробки передач или вариатора.
Простые варианты параллельного построения гибридной трансмиссии используются главным образом для систем, в которых мощность, проходящая через электрическую часть трансмиссии, не превышает 15 % мощности ДВС.
Трансмиссия с разделением мощности ДВС (см. рис. 3) является другим, наиболее перспективным вариантом построения гибридной трансмиссии, которая с недавнего времени пользуется повышенным вниманием со стороны разработчиков трансмиссий. Следует отметить, что в этом случае для разделения потока мощности ДВС в настоящее время используются как простые планетарные ряды, так и сложные планетарные механизмы.
Первая серийно выпускаемая гибридная трансмиссия — трансмиссия с разделением мощности ДВС (рис.4), называемая Toyota Hybrid
Рис.4. Трансмиссия Toyota Hybrid System (THS)
System (THS), используется в автомобилях Prius и фактически представляет собой электромеханический механизм, в котором мощность передается от ДВС на ведомый вал двумя потоками (механическим и электрическим) независимо от того, используется или не используется энергия аккумуляторных батарей. Трансмиссия THS позволяет бесступенчато изменять передаточное отношение, но для этого требуется использовать две электромашины.
Во всех гибридных трансмиссиях автомобилей Toyota используются синхронные электромашины переменного тока с постоянными магнитами.
Краткие технические характеристики электромашин, используемых в автомобилях различных марок
Марка автомобиля
Параметры электромашины Prius Camry RX400h/High- GS 450h
HV lander
Номинальная мощность, кВт......... 50 105 123 147
Максимальные обороты, об/мин..... 6700 12400 12400 14400
Номинальный момент, Н-м........... 400 270 333 275
Время разгона (до скорости
60 миль/ч), c........................ 10,1 8,5 6,9 5,2
Максимальное напряжение, В........ 500 650 650 650
Их перечисленных преимуществ и ограничений следует, что для мобильных роботов, особенно крупногабаритных, применение гибридных трансмиссий целесообразно и перспективно.
Используя гибридную трансмиссию можно уменьшить теплозамет-ность военного робота, улучшить его эксплуатационные качества, в частности стратегическую и тактическую мобильность, автономность, маневренность.
Следовательно, разрабатывая подобную технологию для перспективных робототехнических систем, можно повысить эффективность выполнения основных задач, стоящих перед РТК как оборонного, так и гражданского назначения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машков К. Ю., Наумов В. Н. О повышении проходимости транспортных роботов // Оборонная техника. - 2008. - № 1-2. - С. 63-67.
2. Наумов В. Н., М а ш к о в К. Ю., Р у б ц о в И. В. Существующие роботы специального назначения и методы повышения их эффективности для борьбы с террористами // Вопросы оборонной техники. - 2009. - № 5-6. - С. 42-47.
3. Машков К. Ю., Рубцов И. В., Н а у м о в В. Н. Боевые минироботы и обеспечение их подвижности на поле боя // Материалы III Научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления" Т. 1. - Таганрог, 2008. - С. 145-147.
4. Теорияи конструкция. Т. 8. - М.: Машиностроение, 1987. - 196 с.
Статья поступила в редакцию 21.12.2009
