CC BY
21
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Соболевская Татьяна Алексеевна, доцент кафедры «Высшая математика», Волгоградского государственного аграрного университета (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26), кандидат технических наук.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9167-075X. E-mail: moonway13@rambler.ru.
Андреев Александр Сергеевич, ассистент кафедры «Высшая математика», Волгоградского государственного аграрного университета (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26). ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3763-0394. E-mail: aandreev.07.1988@gmail.com
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
УДК 519.245.53.08 DOI: 10.32786/2071-9485-2019-02-35
СИЛОВЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ РУЛЕВОГО УСИЛИТЕЛЯ
POWER AND KINEMATIC DEPENDENCE OF THE STEERING AMPLIFIER
Г.Д. Кокорев, доктор технических наук, доцент И.А.Успенский, доктор технических наук, профессор И.А. Юхин, доктор технических наук, доцент И.А. Афиногенов, аспирант
G.D. Kokorev, I.A. Uspensky, I.A. Yukhin, I.A. Afinogenov
ФГБОУ ВО «Рязанский государственный агротехнологический университет
имени П.А. Костычева»
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education Ryazan State Agrarian University named after P.A. Kostycheva
Дата поступления в редакцию 04.03.2019 Дата принятия к печати 12.05.2019
Received 00.00.2019 Submitted 12.05.2019
В статье рассматривается методика оценки силовых и кинематических зависимостей рулевого усилителя с помощью предложенных автором математических моделей на примере практического расчета гидравлического рулевого усилителя автомобиля Урал 4320. Определена актуальность исследования параметров и характеристик рулевого усилителя для выполнения предъявляемых к нему требований по кинематическому следящему действию (перемещению) и силовому следящему действию (по силе сопротивления повороту). Проведен теоретический и практический анализ предложенной методики и ее преимуществ перед другими. Рассмотрено математическое обоснование основных критериев и параметров гидравлического рулевого усилителя. Рассчитано усилие на штоке силового цилиндра от момента сопротивления повороту управляемых колес, давление рабочей жидкости в гидравлическом рулевом усилителе от скорости движения автомобиля на повороте, давление рабочей жидкости в силовом цилиндре в зависимости от дорожных условий. На основе проведенных расчетов определены числовые показатели исследуемых параметров и построены их графические зависимости. Сделан положительный вывод о целесообразности применения данной методики для оценки силовых и кинематических зависимостей рулевого усилителя. Предложенные математические модели расчета силовых и кинематических зависимостей могут быть применены для расчета характеристик и параметров других рулевых усилителей и повышения эффективности их работы.
The article discusses the method of assessing the power and kinematic dependencies of the steering amplifier using the mathematical models proposed by the author, using the example of practical calculation of the hydraulic steering amplifier of a Ural 4320 vehicle. ) and force tracking action (by the force of resistance to rotation). A theoretical and practical analysis of the proposed method and
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
its advantages over others has been carried out. The mathematical substantiation of the main criteria and parameters of the hydraulic power steering is considered. Calculated the force on the rod of the power cylinder from the moment of resistance to the rotation of the steered wheels, the pressure of the working fluid in the hydraulic power steering from the speed of the car on the turn, the pressure of the working fluid in the power cylinder depending on road conditions. On the basis of the calculations, the numerical indicators of the parameters studied are determined and their graphical dependencies are constructed. A positive conclusion was made about the feasibility of using this technique to assess the power and kinematic dependencies of the steering amplifier. The proposed mathematical models for the calculation of power and kinematic dependencies can be applied to calculate the characteristics and parameters of other steering amplifiers and increase the efficiency of their work.
Ключевые слова: рулевое управление, рулевой усилитель, гидравлический рулевой усилитель, математическая модель, силовой цилиндр, рабочая жидкость.
Key words: steering, steering amplifier, hydraulic steering amplifier, mathematical model, power cylinder, working fluid.
Цитирование. Кокорев Г.Д., Успенский И.А., Юхин, И.А. Афиногенов И.А. Силовые и кинематические зависимости рулевого усилителя. Известия НВ АУК. 2019. 2(54). 297-303. DOI: 10.32786/2071-9485-2019-02-35.
Citation. Kokorev G.D., Uspensky I.A., Yukhin I.A., Afinogenov I.A. Power and kinematic dependences of the steering amplifier. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2019. 2(54). 297303. (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2019-02-35.
Введение. Рулевое управление - одна из важнейших систем автомобиля, предназначенная для обеспечения поворота и поддержания заданного водителем направления движения и представляющая собой совокупность узлов и механизмов, необходимых для синхронизации положения рулевого колеса и угла поворота управляемых колес.
Составляющей системы рулевого управления, служащей для облегчения управления автомобилем, повышения его маневренности и безопасности движения, смягчающей толчки и удары дорожных неровностей, передаваемых от управляемых колес на рулевое колесо, является рулевой усилитель. Его принцип действия заключается в создании дополнительного усилия на рулевой привод под давлением жидкости, сжатого воздуха или усилия электрического привода, необходимого для поворота управляемых колес автомобиля.
К рулевым усилителям предъявляют требования, в соответствии с которыми они должны обеспечивать:
- кинематическое следящее действие (по перемещению), т.е. соответствие между углами поворота рулевого колеса и управляемых колес;
- силовое следящее действие (по силе сопротивления повороту), т.е. пропорциональность между усилием на рулевом колесе и силами сопротивления повороту управляемых колес;
- возможность управлять автомобилем при выходе усилителя из строя;
- действие только в случаях, когда усилие на рулевом колесе превышает требуемое значение;
- минимальное время срабатывания;
- минимальное влияние на стабилизацию управляемых колес автомобиля;
- смягчение и поглощение толчков и ударов, передаваемых от управляемых колес на рулевое колесо.
Обеспечение заданных требований, предъявляемых к рулевому усилителю, -сложная и комплексная задача.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА, НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Основная проблема настройки рулевого усилителя заключается в постоянно меняющихся условиях его работы. Анализ кинематических и силовых зависимостей - актуальная задача, стоящая перед инженерами, необходимая для обеспечения эффективной работы рулевого усилителя.
Цель исследования - определение силовых и кинематических зависимостей, действующих на рулевой усилитель и разработка методики их численных расчетов.
Материалы и методы. Необходимость понятия физическо-математической модели рулевого усилителя обусловлена определением его основных критериев. Для создания гармоничной системы рулевого управления автомобиля, уравновешивающей все силы, следует определить источники их появления и рассчитать их значение.
Проведя анализ совершенствования рулевого управления на примере работ ученых [4, 7, 3, 9, 1], мы сделали вывод о разобщенности теории определения сил, действующих на рулевой усилитель. Предложенные методики рассчитывают отдельные критерии рулевого усилителя и не дают общих данных, необходимых для его комплексной оценки.
Предложенная автором методика определяет силовые и кинематические зависимости, влияющие на работу гидравлического усилителя руля:
— усилие на штоке силового цилиндра от момента сопротивления повороту управляемых колес;
— давление рабочей жидкости в гидравлическом рулевом усилителе от скорости движения автомобиля на повороте;
— давление рабочей жидкости в силовом цилиндре в зависимости от дорожных условий.
Концепция определения этих зависимостей позволит решить задачу уравновешивания системы управления, расчета характеристик рулевого усилителя и выполнения предъявляемых к нему требований.
Математическое обоснование силовых и кинематических зависимостей, действующих на рулевой усилитель, рассмотрим на практическом примере гидравлического рулевого усилителя автомобиля Урал 4320-0010-31.
Представим математическую модель определения усилия на штоке силового цилиндра от момента сопротивления повороту управляемых колес.
На рассматриваемом автомобиле силовой цилиндр установлен в непосредственной близости у управляемых колес и усилие от штока силового цилиндра передается непосредственно на правую поворотную цапфу, соответственно равенство моментов для вала сошки будет иметь следующий вид [8]:
где Ршт - усилие на штоке рабочего цилиндра, Н; М£ - момент сопротивления повороту управляемых колес, Нм; Рр - допускаемое усилие на рулевом колесе, Н; h - плечо приложения усилия на штоке, м; Rш - радиус рулевого колеса, м; ир.п. - угловое передаточное число рулевого привода; и'р.п. - угловое передаточное число рулевого привода (со стороны колеса); т]рм - КПД рулевого механизма; ир.м- угловое передаточное число рулевого механизма.
Из этого равенства находим усилие на штоке силового цилиндра:
Произведя необходимые численные расчеты, можно построить графическую зависимость усилия на штоке силового цилиндра от момента сопротивления повороту управляемых колес, представленную на рисунке 1.
(1)
(2)
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
1.4
НЮ4
2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Нм 6000
МУ
Рисунок 1 - Зависимость усилия на штоке силового цилиндра от момента сопротивления повороту управляемых колес
Представляя математическую модель определения давления рабочей жидкости в силовом цилиндре гидравлического рулевого усилителя, используем зависимость [6]:
г» ршт
0,25п0,
(3)
ц
где Рц - давление рабочей жидкости в силовом цилиндре гидравлического рулевого усилителя, Па; Dц - диаметр силового цилиндра, м; Ршт — усилие на штоке рабочего цилиндра, Н.
Используя значения практически полученных значений, в зависимости от условий дорожного движения, строим графическую зависимость давления в силовом цилиндре от скорости движения автомобиля на повороте.
Рисунок 2 - Зависимость давления в силовом цилиндре от скорости движения
автомобиля на повороте: 1 - асфальтобетон, 2 - гравий, 3 - грунтоваясухая, 4 - грунтовая мокрая, 5 - песок, 6 - уплотненный снег
Из полученных расчетов следует, что наиболее тяжелым режимом работы гидравлического рулевого усилителя является поворот на песке, что соответствует максимальному давлению рабочей жидкости в гидравлическом рулевом усилителе.
Рассмотрим математическую модель определения максимального давления рабочей жидкости в силовом цилиндре в зависимости от дорожных условий.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Максимальная скорость поворота автомобиля определяется по условиям, при которых автомобиль может занести, то есть по условию безопасности прохождения поворота [1]:
Узан = ^дфКов , (4)
где ф - коэффициент сцепления шин в поперечной плоскости.
Результаты и обсуждение. Результаты числовых вычислений давления рабочей жидкости в силовом цилиндре в зависимости от дорожных условий представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика поворота автомобиля в зависимости от дорожных условий
Дорожные условия Асфальтобетон Гравий Грунтовая сухая Грунтовая мокрая Песок Уплотненный снег
Скорость, м/с 9,85 8,37 8,68 7,7 4,52 4,64
Рц, МПа 3,22 2,37 2,69 2,69 2,1 0,5
Из полученных результатов следует, что наибольшее давление в силовом цилиндре достигается при повороте автомобиля на асфальтобетонном покрытии.
Представленные математические модели на практическом примере позволяют рассчитать максимальные силовые и кинематические зависимости, действующие на рулевой усилитель. Расчет этих позиций позволит обеспечить уравновешивание системы управления, расчет характеристик рулевого усилителя и выполнение предъявляемых к нему требований.
Можно сделать вывод об эффективности и перспективности предложенной методики, о возможности ее применения для расчета критериев рулевого усилителя и применения в конструкторской деятельности.
Заключение. Рулевое управление - сложная и высокотехнологичная система автомобиля, составляющей которой является рулевой усилитель. Конструктивные параметры рулевого усилителя требуют математически обоснованных решений и расчетов, в том числе по определению силовых и кинематических зависимостей (усилие на штоке силового цилиндра от момента сопротивления повороту управляемых колес, давление рабочей жидкости в гидравлическом рулевом усилителе от скорости движения автомобиля на повороте и максимальное давление рабочей жидкости в силовом цилиндре в зависимости от дорожных условий).
Используя математический аппарат, на примере гидравлического рулевого усилителя автомобиля Урал 4320-0010-31, проводили расчет параметров силовой и кинематической зависимости рулевого усилителя, позволяющий определить численные значения сил, действующих на рулевой усилитель, для уравновешивания системы управления и определения предъявляемых к нему параметров и характеристик.
Предложенные математические модели расчета силовых и кинематических зависимостей могут быть применены для расчета характеристик и параметров других рулевых усилителей и повышения эффективности их работы.
Библиографический список
1. Жданов, А. В. Теоретические исследования рабочих процессов, протекающих в распределителях гидравлических рулевых механизмов [Текст]/ А. В. Жданов, Ю. Е. Меркушева // Омский научный вестник. - 2013. - №1 (117).
2. Ионова, Ю. Е. Алгоритм системы автоматизации проектирования основных параметров гидропривода рулевого управления [Текст] /Ю. Е. Ионова // Вестник СибАДИ. -2016. - №2 (48).
3. Исследование работы рулевых управлений с гидроусилителями [Текст] / А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова, Д.Е. Токарев, Ю.В. Лобанов // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
4. К вопросу о повышении эффективности рулевого управления автомобилей многоцелевого назначения [Текст]/ Е. С. Терещенко, И. А. Мурог, Д. Ю. Фадеев, Д. В. Шабалин // Омский научный вестник. - 2013. - №2 (120).
5. Меркушева, Ю.Е. Расчетные схемы гидросистемы рулевого управления [Текст] /Ю.Е. Меркушева // Омский научный вестник. - 2014. - № 1 (127). - С. 138-140.
6. Мурог, И.А. Математическая модель движения автомобиля [Текст]/ И.А. Мурог// Вестник Южно-Уральского государственного университета. - 2013. - №1.
7. Мурог, И.А., Решение уравнений математической модели рулевого управления с усилителем гидравлического типа [Текст] /И.А. Мурог, Г. Д. Драгунов, А. С. Заболотников// Вестник ЮУрГУ. Серия: Машиностроение. - 2013. - №1.
8. Степанов, В. М. Методика оптимизации параметров гидроусилительного агрегата рулевого управления автотранспортных средств [Текст]/ В. М. Степанов, Н. М. Меркулов // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2010. - №3-5.
9. Устранение неисправностей рулевого управления [Текст]/ И.А. Мурог, Е. С. Терещенко, Д. Ю. Фадеев, Д. В. Шабалин // Вестник СибАДИ. - 2013. - №4 (32).
10. Christoph, Nippold. Analysis and application of steering systems on a steering test bench [Tekst] / Nippold Christoph , Ku^ukay Ferit, Henze Roman // Automotive and Engine Technology. -2016. - Volume 1. - Issue 1-4 December. - Р. 3-13. DOI: 10.1007/s41104-016-0006-0
11. Electronic hydraulic steering system and its PID controller applied to third axle of multi-axle vehicles [Tekst]/L. Qian, W. Hu, L. Qiu, S. Liu // China Mechanical Engineering. - 2015. - 26. -№22. - Р. 3008-3013. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.005
12. Ma, J. Study on vehicle steering dynamics based on structural stability theory of nonlinear system [Tekst] / J. Ma, Z. Feng, Hong-xun Song //China Journal of Highway and Transport. -2015. - № 28(3). - Р. 110-116.
References
1. Zhdanov, A. V. Teoreticheskie issledovaniya rabochih processov, protekayuschih v raspredelitelyah gidravlicheskih rulevyh mehanizmov [Tekst]/ A. V. Zhdanov, Yu. E. Merkusheva // Omskij nauchnyj vestnik. - 2013. - №1 (117).
2. Ionova, Yu. E. Algoritm sistemy avtomatizacii proektirovaniya osnovnyh parametrov gidro-privoda rulevogo upravleniya [Tekst] /Yu. E. Ionova // Vestnik SibADI. - 2016. - №2 (48).
3. Issledovanie raboty rulevyh upravlenij s gidrousilitelyami [Tekst] / A. V. Skrypnikov, E. V. Kondrashova, T. V. Skvorcova, D. E. Tokarev, Yu. V. Lobanov // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. - 2014. - № 6.
4. K voprosu o povyshenii jeffektivnosti rulevogo upravleniya avtomobilej mnogocelevogo naznacheniya [Tekst]/ E. S. Tereschenko, I. A. Murog, D. Yu. Fadeev, D. V. Shabalin // Omskij nauchnyj vestnik. - 2013. - №2 (120).
5. Merkusheva, Yu. E. Raschetnye sxemy gidrosistemy rulevogo upravleniya [Tekst] /Yu. E. Merkusheva // Omskij nauchnyj vestnik. - 2014. - № 1 (127). - P. 138-140.
6. Murog, I. A. Matematicheskaya model' dvizheniya avtomobilya [Tekst]/ I. A. Murog// Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. - 2013. - №1.
7. Murog, I. A., Reshenie uravnenij matematicheskoj modeli rulevogo upravleniya s usilite-lem gidravlicheskogo tipa [Tekst] /I. A. Murog, G. D. Dragunov, A. S. Zabolotnikov// Vestnik YuUrGU. Seriya: Mashinostroenie. - 2013. - №1.
8. Stepanov, V. M. Metodika optimizacii parametrov gidrousilitel'nogo agregata rulevogo upravleniya avtotransportnyh sredstv [Tekst]/ V. M. Stepanov, N. M. Merkulov // Izvestiya TulGU. Tehnicheskie nauki. - 2010. - №3-5.
9. Ustranenie neispravnostej rulevogo upravleniya [Tekst]/ I. A. Murog, E. S. Tereschenko, D. Yu. Fadeev, D. V. Shabalin // Vestnik SibADI. - 2013. - №4 (32).
10. Christoph, Nippold. Analysis and application of steering systems on a steering test bench [Tekst] / Nippold Christoph , Ku^ukay Ferit, Henze Roman // Automotive and Engine Technology. - 2016. - Volume 1. - Issue 1-4 December. - Р. 3-13. DOI: 10.1007/s41104-016-0006-0
11. Electronic hydraulic steering system and its PID controller applied to third axle of multi-axle vehicles [Tekst]/L. Qian, W. Hu, L. Qiu, S. Liu // China Mechanical Engineering. -2015. - 26. - №22. - Р. 3008-3013. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.005
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
12. Ma, J. Study on vehicle steering dynamics based on structural stability theory of nonlinear system [Tekst] / J. Ma, Z. Feng, Hong-xun Song //China Journal of Highway and Transport. -2015. - № 28(3). -Р. 110-116.
Информация об авторах Кокорев Геннадий Дмитриевич, профессор кафедры «Техническая эксплуатация транспорта» ФГБОУ ВО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» (РФ, 390044, ул. Костычева, дом 1), доктор технических наук, доцент. E-mail: kgd5408@rambler.ru.
Успенский Иван Алексеевич, заведующий кафедрой «Техническая эксплуатация транспорта» ФГБОУ ВО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева», (РФ, 390044, ул. Костычева, дом 1), доктор технических наук, профессор. E-mail: ivan.uspensckij@yandex.ru.
Юхин Иван Александрович, профессор кафедры «Техническая эксплуатация транспорта» ФГБОУ ВО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева», (РФ, 390044, ул. Костычева, дом 1), доктор технических наук, доцент. E-mail: yuival@rambler.ru.
Афиногенов Игорь Александрович, аспирант кафедры «Техническая эксплуатация транспорта» ФГБОУ ВО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» (РФ, 390044, ул. Костычева, дом 1). E-mail: nls.ryazan@rambler.ru
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors no conflict of interest.
УДК 658.512:004.04:633 DOI: 10.32786/2071-9485-2019-02-36
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССА «ВЫПОЛНИТЬ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТНЫЕ РАБОТЫ» С ЦЕЛЬЮ ВНЕДРЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В БАЗОВЫХ ХОЗЯЙСТВАХ АГРАРНОГО ВУЗА
MODELING AND ANALYSIS OF THE PROCESS «PERFORM RESEARCH AND DESIGN WORKS» FOR IMPLEMENTATION OF DIGITAL TECHNOLOGIES IN BASIC FARMS OF AGRARIAN UNIVERSITY
О.В. Кочеткова1, доктор технических наук, профессор А.С. Матвеев1, кандидат физико-математических наук, доцент Е.В. Ширяева1, кандидат технических наук, доцент Д.П. Арьков1'2, кандидат технических наук, доцент
O.V. Kochetkova1, A.S. Matveev1, E.V. Shirayeva1, D.P. Arkov1'2
1Волгоградский государственный аграрный университет 2Федеральный научный центр агроэкологии, мелиорации и защитного лесоразведения РАН,
г. Волгоград
1 Volgograd State Agrarian University 2Federal Research Centre of Agroecology, amelioration and protective afforestation of Russian Academy of Science, Volgograd
Дата поступления в редакцию 14.03.2019 Дата принятия к печати 28.05.2019
Received 14.03.2019 Submitted 28.05.2019
Выполнены моделирование, исследование и анализ одного из важнейших в цепочке ценности бизнес-процесса «Выполнить научные исследования и проектные работы» сельскохозяйственного предприятия, занимающегося производством растениеводческой продукции. Установлено, что анализируемый бизнес-процесс имеет ряд существенных недостатков, таких как высокая трудоемкость и длительность операций по сбору и обработке данных; применение для сбора данных преимущественно ручных или механизированных способов, что снижает точность данных и повышает риски ошибок; результаты исследуемого процесса напрямую зависят от квалификации агронома и
