CC BY
31
УДК 621.113
УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
И. А. Мурог, Е. С. Терещенко, Д. Ю. Фадеев, Д. В. Шабалин
Аннотация. В статье представлены результаты исследования и обоснованы технические решения по устранению недостатков рулевого управления автомобилей многоцелевого назначения, а также представлена зависимость требуемого угла наклона силовой статической характеристики рулевого управления от момента сопротивления повороту управляемых колес.
Ключевые слова: рулевое управление, автомобиль многоцелевого назначения, рулевой усилитель, угол поворота.
Введение
Годовое производство полноприводных автомобилей с 90-х годов сократилось в 2,73 раза. Данный факт в сочетании с стабилизацией численности грузового автомобильного парка предопределяет соответствующее снижение темпа его обновления. В результате этого в парке полноприводной автомобильной техники преобладают автомобили со сроками службы более 10 лет, что обуславливает существенный физический износ парка. Вместе с тем, доля автомобилей новых марок (со сроками службы до 5 лет) недопустимо мала (16 % от общей численности парка полноприводной автомобильной техники. Это характеризует значительный моральный износ парка полноприводной техники. Таким образом, можно сделать вывод, что парк полноприводной автомобильной техники имеет значительный физический и моральный износ и нуждается в среднесрочной перспективе в значительном обновлении. При этом следует ожидать, что качественные потребности народного хозяйства в автомобилях многоцелевого назначения и унифицированных с ними по базе тактических автомобилях на перспективу расширятся, а их значение в обеспечении развития экономики страны будет возрастать.
Основная часть
В связи с этим необходимо проведение единой обоснованной технической политики в области развития и использования парка автомобильной техники. При этом 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 [1].
На основе проведенных ранее исследований установлено, что для устранения недостатков, присущих транспортным средствам с передними и задними управляемыми колесами необходимо, чтобы угловая скорость поворота задних колес была меньше угловой скорости поворота автомобиля, и боковая реакция на задней оси не меняла свой знак. Установлено, что для обеспечения необходимого соотношения угловой скорости поворота задник управляемых колёс и угловой скорости автомобиля угол поворота задних колес должен изменяться по следующему закону [2, 3]:
У = а-х-Ьесх , (1)
где а, Ь, с - постоянные коэффициенты, при этом с<0, Ь >0.
В проведённых научно-исследовательских работах получены уравнения для расчета значений постоянных коэффициентов а, Ь и с в зависимости от максимального угла поворота передних колес и угла запаздывания, выбираемого для конкретного автомобиля многоцелевого назначения.
а = ©1—Ь р-с-®1,
а = ©1тах - е
,Ь = | 1 - я Г ,с = - ^, (2)
3 Р
где
©2
3 ' (©а — ©1тах ) [ 9 -(©а-©1тах )
©1
- + 1
Р = 3' ©1тах
1 —
©2
3 ' (©а — ©1тах )
,(2)
(3)
Численные значения коэффициентов для угла запаздывания Па=0.07 рад и максимального угла поворота управляемых колес ©1тах=0.3 рад равны: а = 383.6; Ь = 2.55; с = -13.5.
Для оценка эффективности рулевого управления с усилителем гидравлического типа с переменным реактивным действием и
я
оценки качества силового слежения в работе предложен коэффициент информативности:
К =-
Рг - Р&
к • Р
р гтах
(4)
где кр - дифференциальный порог ощущения усилия; Рг - усилие на руле, Н; Р^ -силы трения в приводе распределителя, Н; Ргтах - максимальное усилие на рулевом колесе при установившемся движении с боковым ускорением jy.
Необходимое качество управления может быть достигнуто, если величина коэффициента информативности меньше дифференциального порога ощущения водителем боковых ускорений.
Также в научно-исследовательской работе проведана сравнительная оценка рулевого управления с устройствами, обеспечивающими переменное реактивное действие путем регулирования расхода насоса, давления на входе в распределитель и площади реактивных устройств.
Установлено, что изменение реактивного действия регулированием расхода жидкости насосом приводит к значительному увеличению усилия на рулевом колесе при больших скоростях его поворота. Зависимость усилия на рулевом колесе от расхода жидкости насосом явно нелинейна и определяется не только расходом, но и конструкцией распределителя и трубопроводов. Это затрудняет выработку алгоритма управления усилием на рулевом колесе в зависимости от момента сопротивления повороту колес регулированием расхода жидкости насосом. Кроме того, увеличение
усилия на рулевом колесе при больших скоростях его поворота недопустимо, что предъявляет повышенные требования к быстродействию системы регулирования.
Управление реактивным действием путем регулирования площади реактивных устройств теоретически наиболее предпочтительно по сравнению с остальными способами регулирования. Однако конструкционная реализация этой идеи очень сложна. Использование существующих конструкционно-технологических решений ведет к значительному увеличению размеров распределителя и усложнению его конструкции [4].
В научно-исследовательской работе к рассмотрению принят гидравлический усилитель рулевого управления с регулированием давления рабочей жидкости, так как управление реактивным действием путем регулирования давления позволяет обеспечить плавное изменение усилия на рулевом колесе. Кроме того, регулирование давления более предпочтительно, поскольку его изменение практически прямо пропорционально показателю эффективности усилителя.
Также в работе установлена зависимость изменения коэффициента информативности рулевого управления от бокового ускорения и коэффициента сцепления с опорной поверхностью (рис. 1.). Установлено, что величина коэффициента информативности выше дифференциального порога ощущения ускорений при уменьшении коэффициента сцепления, боковых ускорений до 0.8 м/с2 и больше 2.2 м/с2.
Рис. 1. Зависимость коэффициента информативности от коэффициента сцепления и бокового ускорения
Улучшение «чувства дороги» с ростом бокового ускорения может быть достигнуто путем увеличения усилия на рулевом колесе.
Однако увеличение усилия на рулевом колесе на дорогах с высоким коэффициентом сцепления нежелательно, так как это может привести к затруднению управления автомобилем многоцелевого назначения из-за повышенного усилия на рулевом колесе. Поэтому, в первую очередь, необходимо повышение информативности рулевого управления в зоне небольших ускорений и малого коэффициента сцепления. Это может быть обеспечено путем увеличения показателя реактивного действия в зоне малых значений момента сопротивления повороту управляемых колес и снижением потерь на трение в рулевом управлении.
В результате проведённых работ установлен закон управления системой регулирования усилия на рулевом колесе путем управления давлением рабочей жидкости в зависимости от требуемого угла наклона силовой характеристики кд: ! , А
Мс
Pmax
1-^m
V kg У
V g У
Fc1 • rc • urp-Пгр
(5)
По результатам моделирования установлена зависимость требуемого угла наклона силовой статической характеристики рулевого управления от момента сопротивления повороту управляемых колес:
kg = a
! - M Л 1-e- b
V У
(6)
где a и b - постоянные коэффициенты.
Математические модели для расчета коэффициентов а и Ь представлены в виде полиномов первого порядка:
(
kg = a •
мс Л
1-e
(6)
где
a = 0,24 • K + 0,67 • ma - 0,29 • irm - 0,11- Fc + 4,87, (7) b = 1017 - 0,81 • K - 2,86 • ma -1,69 • irm - 0,94 • Fc, (8)
Погрешность полученных зависимостей не превышает 7 % при уровне доверительной вероятности 90 %. Установлены рациональные значения коэффициентов a и b для трехосных полноприводных автомобилей многоцелевого назначения полной массой 7-15 тонн, которые составили: a = 18-30 и b = 670-915.
Изменение коэффициента информативности предлагаемого рулевого управления для автомобиля Урал-4320 (a=26, b=750) в зависимости от коэффициента сцепления и бокового ускорения представлено на рисунке 2.
Для использования полученной зависимости при разработке новых автомобилей многоцелевого назначения и модернизации существующих проведена оценка влияния конструкционных факторов на параметры предложенной зависимости (6). Выбор факторов проведен на основе оценки их значимости по результатам моделирования. К исследованию приняты: передаточное число рулевого механизма; площадь поршня силового цилиндра, коэффициент сопротивления уводу транспортного средства и полная масса автомобиля.
На основе регрессионного анализа получены зависимости для расчета рациональных значений коэффициентов а и Ь уравнения (6). При этом критерием рациональности служила максимальная площадь на зависимости ]у-р (рис. 2.) ограниченная кривой К,=0.4.
Рис. 2. Зависимость коэффициента информативности предлагаемого рулевого управления для автомобиля Урал-4320 от коэффициента сцепления и бокового ускорения
Выводы
Анализ полученной зависимости позволяет сделать вывод о том, что рулевое управление с регулированием реактивного действия обеспечивает улучшение информативности рулевого управления по усилию на рулевом колесе при малых величинах бокового ускорения и низком коэффициенте сцепления шины с опорной поверхностью. Диапазон значений коэффициента сцепления, обеспечивающий информативность рулевого управления автомобилей многоцелевого назначения по усилию на рулевом колесе, увеличился в среднем на 32 %, а диапазон боковых ускорений в среднем на 48 % [4].
b
Библиографический список
1. Мурог, И. А. Необходимость и возможность модернизации существующего парка автомобилей многоцелевого назначения [Текст] / И. А. Мурог // Вестник Академии военных наук. - 2010. - № 3 (32). - С. 76-79.
2. Мурог, И. А. Алгоритм управления распределением мощности между ведущими колесами автомобилей многоцелевого назначения [Текст] / И. А. Мурог, А. В. Келлер, А. Н. Торопов, А. А. Удод // Материалы 65-ой Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров". Книга 1. - М.: МГТУ «МАМИ», 2009. - С. 18-20.
3. Мурог, И. А. Повышение эффективности колесных машин на основе принципа комбинированного управления распределением мощности [Текст] / И. А. Мурог, Келлер А. В., Кокшин А. Ю., Торопов А. Н. // Проектирование колесных машин: Материалы Все-рос. научно-технической конференции посвященной 70-летию факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2010. С. - 87-91.
4. Мурог, И. А. Теория автомобильной техники как абстрактная сложная система / И. А. Мурог, Васильченков В. Ф.// Материалы XXIX научно-методической конференции военного автомобильного института - Рязань, ВАИ, 1999 - С. 125-128.
ELIMINATION OF MALFUNCTIONS OF A STEERING
I. A. Мугуд, E S. Tereshchenko, D. YU. Fadeev, D. V. Shabalin
The article presents the results of research and reasonable technical solutions for the elimination of deficiencies steering multi-purpose vehicles of, as well as the dependences of the required angle of the power of the static characteristics of the steering control from the moment of resistance of the turn of the steered wheels.
Key words: power steering, car multi-purpose, steering booster, the angle of rotation.
Bibliographic list
1. Murog, I. A. Necessit and possibility of modernisation of existing park of cars of a universal purpose [Text] / I.A.Murog // the Bulletin of Academy of military sciences №3 (32) - М: В1, 2010.
2. Murog, I. A. Algorithm of management of capacity distribution between driving wheels of cars of a universal purpose [Text] / I. A. Murog, A. V. Keller, A. N. Toropov,
A. A. Udod // Materials of 65th International scientific and technical conference of Association of automobile engineers (AAE) "Priorities of development domestic preparations of engineering and scientific shots". The book 1. -М: MGTU «МАМ1», 2009. - With. 18-20.
3. Murog, I. A. Increase of efficiency of wheel cars on the basis of a principle of the combined management of distribution of power [Text] / I. A.Murog, A. V. Keller, A. J. Kokshin, А. Н. Toropov // Designing of wheel cars: Materials Scientific and technical conference devoted to the faculty 70 anniversary «Special mechanical engineering» MGTU of N. E.Baumana - М: Publishing house of MGTU of N. E. Baumana, 2010.
4. Murog, I. A. Theor of the automobile technics as abstract difficult system / I. A. Murog, V. F. Vasil-chenkov // Materials of XXIX scientifically-methodical conference of military automobile institute. - Ryazan, MAI, 1999.
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. ac.ru.
Терещенко Евгений Сергеевич - кандидат технических наук, 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: 37. tesa1978@mail.ru.
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. dima11780@inbox.ru.
Шабалин Денис Викторович - кандидат технических наук, 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: 35. shabalin_d79@mail.ru.
