CC BY
36
УДК 629.113
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ В СЦЕПКЕ СЕДЕЛЬНОГО АВТОПОЕЗДА
В. И. ВАСИЛЕВСКИЙ
ОАО «Могилевоблавтотранс», г. Могилев, Беларусь, 212013, e-mail: abltrans@bru.mogilev.bu
(Поступила в редакцию 28.06.2017)
В работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию устройств измерения тормозных моментов, фактически реализуемых колесами с опорной поверхностью, и сил в сцепном устройстве седельного автопоезда МАЗ (АТС МАЗ), представляющих с собой новые источники информации алгоритмов управления движением АТС МАЗ и бортовых систем контроля качества функционирования его тормозной системы. На основе анализа результатов, проведенных экспериментальных исследований устройств измерения тормозных моментов и сил в сцепном устройстве седельного автопоезда МАЗ, установлены критерии формирования сигналов управления экстренным торможением автопоезда, обеспечивающего устойчивость торможения автопоезда, и контроль качества функционирования тормозной системы. Критерии формирования сигналов управления экстренным торможением и оценка качества функционирования тормозной системы АТС МАЗ основаны на анализе знаков производных от тормозных моментов и сил в сцепном устройстве по времени. Разработанные критерии могут быть использованы в АБС и в системах бортовой диагностики седельных автопоездов.
Ключевые слова: алгоритмы управления, тормозные моменты, силы взаимодействия, критерии формирования, условие сцепления, угловая скорость.
The paper presents results of theoretical and experimental studies on the creation of devices measuring brake torque, actually implemented by wheels with a supporting surface, and on forces in the coupling device of MAZ semitrailer, which are new information sources of algorithms of managing the movement of MAZ semitrailer coupler and onboard systems controlling the quality of functioning of its braking system. On the basis of the analysis of results of experimental studies of devices measuring the brake torque and forces in the coupling device of MAZ semitrailer, we have established criteria for the formation of signals controlling emergency braking of a road train providing braking stability of a road train and control of the quality offunctioning of the braking system. The criteria offormation of emergency braking control signals and evaluation of the quality offunctioning of brake system of MAZ semitrailer coupler are based on the analysis of signs of derivatives of braking torques and forces in the coupling device according to time. The developed criteria can be used in ABBS and in systems of onboard diagnostics of road trains.
Key words: control algorithms, brake moments, interaction forces, formation criteria, coupling condition, angular velocity.
Введение
Алгоритмы существующих систем управления движением седельных автопоездов (АТС) основаны на измерении и анализе угловых скоростей вращения колес автопоезда. В то же время, параметры движения автопоездов зависят от режимов их движения, задаваемых водителем, условий сцепления колес с опорной поверхностью, характеристик привода и исполнительных механизмов. Все перечисленные факторы оказывают прямое влияние на силы в контакте колес с опорной поверхностью и силы и на силы взаимодействия между звеньями седельных автопоездов, которые и определяют кинематику его звеньев в любом режиме их движения. Поэтому создание устройств измерения сил в контакте колес с опорной поверхностью и сил в сцепном устройстве между звеньями АТС позволят их использование в качестве источников первичной информации в алгоритмах управления движением автопоездов, а также в бортовых системах, позволяющих оценку качества функционирования исполнительных механизмов управления.
Основная часть
Для создания устройства измерения сил в сцепке были проведены теоретические исследования ударного нагружения шкворня седельно-сцепного устройства АТС МАЗ на ПЭВМ, которые наиболее ярким образом проявляются при запаздывании срабатывания тормозов полуприцепа. В результате исследования были определены расчетные силы, действующие на шкворень седельного автопоезда (АТС МАЗ), которые были необходимы для проектирования устройств измерения сил в сцепке АТС.
Процесс ударного нагружения шкворня АТС МАЗ условно был разбит на четыре этапа. Первый этап характеризуется высокой скоростью нарастания ударной силы на шкворень. Второй этап характеризуется значительными скоростями нарастания моментов в тормозных механизмах полуприцепа. Третий этап соответствует переходному процессу, при котором формируются тормозные моменты в колесных тормозах, превышающих моменты по сцеплению колес с опорной поверхностью. Вследствие чего происходит скольжение контактов колес тягача АТС относительно опорной поверхности, сопровождаемых полной блокировкой тормозящих колес и приводящих к снижению коэффициентов сцеплений колес с опорной поверхностью. Четвертый этап характеризуется полным нарушением кинематической связи контактов колес с опорной поверхностью, а реализуемый колесами тормозные моменты стабилизируется на некотором определенном значении («юз» колес). При значениях коэффициента сцепления = 0,7-0,8 величина тормозного момента близка к формируемому тормозному моменту. Условие, исключающее складывание звеньев автопоезда, определяется постоянством разности курсовых углов продольных осей тягача и полуприцепа: — = const, где ^ ,ф2— курсовые углы тягача и полуприцепа.
Установлено, что модуль силы, направленный вдоль продольной оси тягача, при начальной скорости торможения V = 60 км/ч может провоцировать возникновение боковых реакций колес передней оси тягача АТС, превышающие более чем в 3,5 раза силы по условиям сцепления колес с опорной поверхностью. Следствием возникновения значительных боковых реакций колес является складывание звеньев автопоезда. Для оценки нагруженности сцепного устройства АТС были проведены расчеты с использованием пакета прикладных программ при следующих исходных данных: коэффициент сцепления колес фсц = 0,7, угол между продольными осями тягача и полуприцепа ф = 3°, время запаздывания срабатывания тормозов полуприцепа А( = 0,2 с, полная масса груженого полуприцепа О = 25700,0 кг, материал пальца — конструкционная сталь, предел текучести ст = 620 МПа, предел прочности при растяжении ае = 723 МПа, модуль Юнга Е = 2,1105 МПа, коэффициент Пуассона / = 0,28, модуль сдвига О = 7,9-104 МПа. Результаты моделирования показали (рис. 1), что наибольшее напряжение наблюдается в области галтели шкворня, а его максимальная деформация превышала 0,058 мм.
Рис. 1. Блок-схема способа измерения тормозного момента в тормозных механизмах
Профессором В. А. Кимом установлено, что процесс скольжения пятна контакта колеса характеризуется отрицательным знаком производных от тормозных моментов. Данная закономерность может быть использована при разработке алгоритмов систем автоматического управления систем активной безопасности торможением АТС (САБ АТС), а также для разработки алгоритмов мониторинга процесса торможения седельных автопоездов, исключающих складывание их звеньев.
Нами были разработаны способы включения электронных датчиков, выдающих электрические сигналы, пропорциональных тормозным моментам и сил в сцепном устройстве, которые хорошо включаются в штатные конструкции тормозов и в конструкцию сцепного устройства АТС МАЗ. Созданы и испытаны макетные образцы устройств измерения тормозных моментов и сил в сцепном устройстве. Проведены стендовые и натурные испытания устройств, позволившие установить критерии формирования сигналов управления экстренным торможением и оценку качества функционирования тормозной системы АТС МАЗ.
Общая структурная схема способа измерения тормозного момента представлена на рис. 1 (ОУ — опорное устройство элемента тормоза (опорная пластина барабанного тормоза, суппорт тормозных колодок дискового тормоза и т. д.), УВТМ - устройство, воспринимающее фактически реализуемый колесом тормозной момент, ЭИУ — электронно-измерительное устройство).
На рис. 2 представлен график изменения тормозного момента барабанного тормоза в зависимости от изменения давления в пневмоприводе тормоза автомобиля МАЗ-544018-320-030.
+50
м
Нл
чоа
350 ЭТО 230 Ж 150 100
30
у
/
У
й
3 Т.£.и ^
Рис. 2. График изменения тормозных моментов автомобиля МАЗ-544018-320-030 в зависимости от изменения давления в тормозном приводе
Устройство измерения сил в сцепке АТС МАЗ предусматривает измерение сил в двух продольных и в двух поперечных направлениях относительно продольной оси тягача. Датчики измерения сил в сцепке базируется на остове тягача для определения составляющих сил, направленных вдоль продольной и поперечных осей тягача. Базирование датчика на тягаче позволяет определение равнодействующей силы в сцепке автопоезда. Для снижения концентрации напряжений в переходных галтелях шкворня поверхность крепления пальца в гнезде полуприцепа выполнена с конусностью (конусность не более 1:10). При этом величина локальных напряжений снижается на 12,6 %, а минимальный коэффициент запаса по пределу текучести материала повышается на 3,2 %. Анализ результатов стендовых испытаний устройств измерения тормозного момента и сил в сцепке показал, что электрические сигналы от датчиков пропорциональны тормозным моментам и силам в шкворне. Дрейф опорных сигналов не превышал 0,1 %. В качестве объектов испытаний были использованы седельный автопоезд МАЗ-64229+МТМ 9330 и автомобиль-тягач МАЗ-544018-320-030. Методика испытаний предусматривала торможение АТС с различными начальными скоростями по разным опорным поверхностям и по различным траекториям. Также были апробированы варианты экстренного торможения с отключенными тормозами полуприцепа для оценки эффекта «наезда» полуприцепа на тягач.
Анализ результатов измерений тормозных моментов при экстренном торможении АТС показал, что существует регулярная закономерность изменения тормозного момента. Изменение происходит таким образом, что блокировка тормозящего колеса отмечается спадом тормозного момента. Данная идентификация блокировки колес при торможении не зависит от условий сцепления колес и может быть использована в алгоритме БСМТ АТС для оценки качества функционирования тормозов. Бортовая система мониторинга осуществляет оценку работы тормоза при экстренном торможении седельного автопоезда по блокировке колес АТС.
Идентификация блокировки колес при экстренном торможении осуществляется по отслеживанию следующих условий:
d M = 0. M = 0. dt1 ' dt
Отсутствие этих условий означает служебное торможение АТС. В процессе анализа блокировок колес производится сравнение отрезков времени блокировок колес. При д > t , где t — время срабатывания
тормозного привода (по паспорту завода-изготовителя), алгоритм фиксирует неисправность /-го тормоза.
Алгоритм диагностики процесса торможения магистральной АТС идентифицирует условие торможения «микст» (j -split). Условие «микст» возникает при различной разности коэффициентов сцепления по бортам автомобиля (разность до 30 %). Условие «микст» идентифицируется по условию:
умбТп -УМбТП ,
У «тп У *тп -100 % > 30 % '
У мб- ТП +у мб- ТП
^^ I, л ^^ ¡,п
где Умб -Т-п уМб -Т -п - суммарные тормозные моменты по бортам тягача и полуприцепа.
^^ I, л 5 ^^ i, п
Скольжение контактов колес тягача при запаздывании тормозов полуприцепа сопровождалось возникновением отрицательных производных сил в сцепке:
dFxy < 0- dFxy < 0. dt dt
Опасные значения разворачивающих моментов, действующих на тягач и полуприцеп при испытаниях, идентифицировались появлением световой индикации на блоке БСМТ АТС.
Устройство измерения сил в сцепном устройстве базируется на платформе тягового устройства тягача автопоезда, что позволяет определить направление равнодействующей силы в сцепке. Критерием идентификации опасного запаздывания тормозов полуприцепа АТС является условие:
I 2 2
R = V Fx + Fy ^ GT -Фсц min '
где — вес тягача; m — минимальный коэффициент сцепления колеса тягача с дорогой,
T т'сц min
^c^mi n= 0,2 (допустимое усилие в сцепке).
При экстренном торможении седельного автопоезда с отключенными тормозами полуприцепа наблюдалась значительная скорость нарастания продольной силы в сцепном устройстве. Такое нарастание является результатом ударного воздействия полуприцепа на тягач («наезд» полуприцепа на тягач). Торможение АТС по криволинейной траектории всегда сопровождалось возникновением боковых сил в сцепке автопоезда. Причем идентифицировать торможение АТС по криволинейной траектории можно путем расчета угла между продольными осями тягача и полуприцепа:
, Fy'
a = arctg -— Fx
где ^ Fx - составляющие сил в сцепке автопоезда вдоль продольной оси и в направлении, перпендикулярном к ней. Знаки сил указывают ориентацию направления действия равнодействующей силы R .
Заключение
1 Экспериментально-теоретическими исследованиями установлено, что оценку синхронности срабатывания колесных тормозов автопоезда можно осуществить путем сравнения отрезков времени при которых достигается блокировка колес в заданном пороговом значении времени. Значение заданного порогового времени не должно превышать 0,25 с (время срабатывания пневмопривода
2 Результатами теоретических и экспериментальных исследований доказано, что идентификацию «наезда» полуприцепа на тягач можно осуществить путем сравнения модуля силы в сцепке с заданным пороговым ее значением. Пороговое значение силы в сцепке не должно превышать силу сцепления колес тягача с опорной поверхностью при коэффициенте сцепления <mm = 0,2. Сила сцепления
для тягача МАЗ при заданном коэффициенте сцепления составляет 1,2 кН.
3 Установлено, что идентификацию условия «микст» (ц -split) можно отслеживать по отрицательным знакам производных тормозных моментов и сил в сцепке. Отношение разности тормозных моментов по бортам звеньев автопоезда к суммарному тормозному моменту не должно превышать 30 %, что соответствует торможению звеньев автопоезда по условию «микст».
ЛИТЕРАТУРА
1. Василевский, В. И. Концепция создания бортовой системы диагностики тормозов магистральной АТС / В. И. Василевский // Вестник Белорусско-российского университета. - 2013. - № 1. - С. 11-17.
2. Василевский, В. И. Алгоритм бортовой диагностики тормозов магистральной АТС / В. И. Василевский // Вестник Белорусско-российского университета. - 2013. - № 1. - С. 5-10.
3. Василевский, В. И. Структуры управления тормозами АТС с АБС и оценка их эксплуатационных качеств / В. И. Василевский // Вестник МГТУ. - 2003. - № 1. - С. 31-33.
4. Пат. 9589 Республики Беларусь, МПК7 B 60 T 8/00, B 60 T 8/52. Способ регулирования торможением автопоезда / И. С. Сазонов, В. А. Ким, А. Т. Скойбеда, В. И. Василевский, Г. В. Бочкарев, В. В. Корсаков, Н. А. Коваленко, И. И. Цыганков, Л. Г. Красневский, В. В. Сикорский, В. Д. Рогожин ; заявитель и патентообладатель Белорус.-Рос. ун-т - № а20041020 ; заявл. 11.08.04; опубл. 19.04.07 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2007. - Бюл. № 4. - 4 с.
5. Пат. 15383 Республики Беларусь, МПК7 G 01 B 7/14, G 01 B 7/24, G 01 L 7/12. Устройство для измерения деформации шкворня тягово-сцепного устройства седельного автопоезда / В. А. Ким, Г. В. Бочкарев, И. С. Сазонов, Г. С. Леневский, А. Т. Скойбеда, Н. Г. Мальцев, В. В. Корсаков, Н. Ф. Пекарь, В. И. Василевский ; заявитель и патентообладатель Белорус.-Рос. ун-т - № а20071463 ; заявл. 21.10.05, опубл. 30.10.12 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2012. - Бюл. № 5. - 4 с.
