Комплексная система управления поворотом боевой колёсной машины 8×8 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Чернышев, Николай Васильевич

• Чернышев, Николай Васильевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернышев, Николай Васильевич

Введение.

Глава 1. Динамическая поворотливость боевой колёсной машины с колёсной формулой 8x8. Анализ состояния вопроса. Постановка задач исследования.

1.1. Анализ поворотливости боевых колёсных машин 8x8 и методы её улучшения.

1.2. Анализ систем динамической стабилизации с распределением крутящего момента между колёсами разных бортов.

1.3. Анализ методов оценки динамической поворотливости.

1.4. Анализ математических моделей движения колёсной машины.

1.4.1. Математические модели движения колёсной машины.

1.4.2. Математические модели взаимодействия колеса с опорным основанием.

1.5. Выводы.

Глава 2. Математическая модель криволинейного движения боевой колёсной машины 8x8 по ровному горизонтальному основанию с различными системами управления поворотом.

2.1. Расчётная схема и математическая модель.

2.2. Выводы.

Глава 3. Экспериментальные исследования.

3.1. Цель и объект исследования.

3.2. Условия и методика проведения экспериментальных исследований.

3.3. Аппаратурно-измерительный комплекс.

3.4. Результаты экспериментальных исследований. Оценка адекватности и точности математической модели криволинейного движения боевой колёсной машины по ровному твёрдому горизонтальному основанию

3.5. Выводы.

Глава 4. Комплексная система управления поворотом.

4.1. Использование комбинированной системы управления поворотом.

4.2. Разработка алгоритма управления гидрообъёмным механизмом поворота в составе комплексной системы управления поворотом.

4.3. Исследование управляемости боевой колёсной машины 8x8 с комплексной системой управления поворотом.

4.4. Выводы.

Глава 5. Динамическая поворотливость боевой колёсной машины

8x8 с комплексной системой управления поворотом.

5.1. Системы управления поворотом боевой колёсной машины 8x8.

5.2. Метод сравнения динамической поворотливости колёсной машины с различными системами управления поворотом.

5.3. Определение технической средней скорости, ограниченной заносом, боевой колёсной машины 8x8 с различными системами управления поворотом.

5.3.1. Функция распределения вероятностей значения абсолютной дорожной кривизны по пути.

5.3.2. Определение функции максимальной кривизны траектории, ограниченной заносом, от скорости установившегося движения боевой колёсной машины 8x8.

5.3.3. Определение функции быстроходности боевой колёсной машины 8x8 по заносу.

5.3.4. Определение технической средней скорости, ограниченной заносом.

5.4. Сравнение затрат мощности при криволинейном движении боевой колёсной машины 8x8 с различными системами управления поворотом

5.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексная система управления поворотом боевой колёсной машины 8×8»

Разработка новых образцов военной колёсной техники и совершенствование существующих направлены на улучшение эксплуатационных свойств. Одним из важнейших свойств боевой машины является подвижность. Подвижность - это любая способность к перемещению. Подвижность охватывает группу свойств, одним из которых является поворотливость. Известно что, поворотливость выражает способность машины к преодолению поворотов на местности и дорогах. Динамическая поворотливость характеризует способность машины к поворотам при движении с высокими скоростями. Колёсные машины могут выполнять поворот различными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Комбинирование способов поворота расширяет возможности конструктора при разработке систем управления поворотом.

В настоящее время все ведущие производители легковых автомобилей применяют системы динамической стабилизации, предназначенные для улучшения устойчивости, управляемости и динамической поворотливости. Всё более широкое применение получают системы динамической стабилизации, которые распределяют подводимый крутящий момент между колёсами разных бортов автомобиля. По сути, это является применением комбинированной системы управления поворотом, которая включает в себя управляемые колёса и бортовой поворот.

В 2008 году на вооружение в РФ был принят бронетранспортёр БТР-90 с колёсной формулой 8x8. Отличительной особенностью его конструкции является комбинированная система управления поворотом, которая состоит из управляемых колёс двух передних осей и гидрообъёмного механизма поворота (ГОМП). ГОМП позволяет бесступенчато изменять соотношение скоростей вращения колёс разных бортов. Большую часть времени БТР-90 выполняет повороты только с помощью управляемых колёс передних осей. ГОМП включается только при маневрировании на малых скоростях с целью уменьшения минимального радиуса поворота.

В этой связи разработка алгоритма, который обеспечит эффективное использование ГОМП в составе комбинированной системы управления поворотом во всём диапазоне скоростей движения, представляется актуальной задачей. Решение этой задачи позволит улучшить устойчивость, управляемость и динамическую поворотливость боевой колёсной машины (БКМ). Таким образом, будет обеспечена высокая подвижность БКМ и снижены требования к квалификации водителя.

На этапе разработки наиболее эффективным является прогнозирование характеристик криволинейного движения БКМ с различными системами управления поворотом с использованием имитационного математического моделирования на ЭВМ. Проведение вычислительных экспериментов на ранних стадиях создания машины даёт возможность исследовать эффективность различных систем и алгоритмов на совокупности дорожных условий, при выполнении разнообразных маневров. Это позволяет разработчикам определиться не только с требованиями к системам управления машины, но и сократить сроки доводочных испытаний и, тем самым, снизить стоимость разработки.

Комбинированную систему управления поворотом с управляемыми колёсами передних осей и ГОМП с разработанным алгоритмом управления предлагается называть комплексной системой управления поворотом. Разработка алгоритма управления ГОМП, который обеспечит решение задач по улучшению устойчивости, управляемости и динамической поворотливости, является трудоёмкой и сложной задачей. Поэтому в работе рассмотрены задачи, связанные с динамической поворотливостью БКМ.

Целью работы является улучшение динамической поворотливости БКМ 8x8 путём использования комплексной системы управления поворотом.

Для достижения цели в работе были поставлены и последовательно решены следующие основные задачи:

1) разработана математическая модель криволинейного движения БКМ 8x8 с бортовой схемой трансмиссии, с управляемыми колёсами двух передних осей и системой бортового поворота с ГОМП по ровной твёрдой горизонтальной поверхности, которая позволяет моделировать движение БКМ, в том числе, с полным скольжением колёс в боковом направлении;

2) проведён натурный эксперимент и выполнено сравнение его результатов с результатами имитационного моделирования с целью определения адекватности разработанной модели;

3) разработан алгоритм управления ГОМП в составе комплексной системы управления поворотом;

4) разработан метод оценки динамической поворотливости КМ с различными системами управления поворотом по технической средней скорости движения машины, ограниченной заносом или опрокидыванием;

5) выполнено сравнение динамической поворотливости БКМ 8x8 с разработанной комплексной системой управления поворотом и БКМ 8x8 с другими системами, которые выполняют поворот только с помощью управляемых колёс двух передних осей.

В первой главе диссертации приведен анализ поворотливости боевых колёсных машин 8x8. Исследован опыт разработчиков по созданию машин с комбинированными системами управления поворотом и системами динамической стабилизации, которые распределяют крутящий момент между колёсами разных бортов. Проведён анализ методов оценки динамической поворотливости. Представлен анализ математических моделей движения автомобиля. Выполненные в первой главе исследования позволили сформулировать задачи, решению которых посвящены остальные главы диссертации.

Во второй главе представлена математическая модель криволинейного движения БКМ с бортовой схемой трансмиссии, с управляемыми колёсами двух передних осей и системой бортового поворота с ГОМП, как твердого тела, по ровной твёрдой горизонтальной поверхности, которая позволяет исследовать движения БКМ при существенном скольжении колёс в боковом направлении, например, при бортовом повороте.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Дается описание объекта исследований, аппаратурно-измерительного комплекса, условий и методики проведения эксперимента. На основании сравнения полученных результатов с расчётными данными произведена оценка адекватности и точности математической модели.

Четвертая глава посвящена разработке комплексной системы управления поворотом (КСУП). Разработан алгоритм управления ГОМП в составе КСУП. Проведены исследования управляемости БКМ 8x8 с КСУП при стационарном движении БКМ.

В пятой главе проведено численное сравнение динамической поворотливости БКМ 8x8 с различными системами управления поворотом. Для этого разработан метод оценки динамической поворотливости по технической средней скорости, ограниченной заносом или опрокидыванием. На базе разработанной математической модели выполнено сравнение расчётных затрат мощности на криволинейное движение БКМ 8x8 с управляемыми колёсами двух передних осей и БКМ с КСУП.

В заключении приведены основные результаты работы и даны общие выводы.

Научная новизна результатов исследований, выносимых на защиту, заключается:

- в создании математической модели БКМ 8x8, пригодной для исследования систем управления поворотом путём изменения углов поворота

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Чернышев, Николай Васильевич

Выводы по работе:

1. На основании проведённой оценки динамической поворотливости БКМ 8x8 с управляемыми колёсами двух передних осей с различными системами управления поворотом обоснована целесообразность применения комплексной системы управления поворотом, которая использует ГОМП совместно с управляемыми колёсами, для улучшения динамической поворотливости БКМ. При движении по ровной твёрдой горизонтальной трассе с высокими сцепными свойствами {р1этах = 0,6) со среднеквадратичным отклонением дорожной кривизны сгк = 0,04 лГ1 рассчитанная техническая средняя скорость БКМ 8x8 с управляемыми колёсами составила 56,87 км/ч, БКМ с КСУП - 63,46 км/ч. Таким образом, применение КСУП увеличило техническую среднюю скорость на 11,5%. Исследования характеристик криволинейного движения БКМ на опорных основаниях с различными сцепными свойствами показали, что эффективность применения комплексной системы по сравнению с системой с управляемыми колёсами двух передних осей уменьшается при уменьшении сцепных свойств основания. При движении по опорному основанию с низкими сцепными свойствами {¡лзтах = 0,3) применение КСУП увеличило скорость на 5%.

2. Сравнением расчётных затрат мощности, определённых на основе разработанной модели, при криволинейном движении БКМ 8x8 с различными системами управления поворотом по ровному твёрдому горизонтальному основанию установлено, что применение КСУП не вызывает дополнительных затрат мощности по сравнению с системой управления поворота с управляемыми колёсами двух передних осей во всём диапазоне скоростей. В диапазоне скоростей выполнения манёвра, близких к максимальной скорости, ограниченной заносом или опрокидыванием, применение КСУП позволяет уменьшить затраты мощности по сравнению с системой управления поворотом только за счёт управляемых колёс двух передних осей. Выигрыш при

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернышев, Николай Васильевич, 2009 год

1. Аксенов П.В. Многоосные автомобили. М.: Машиностроение, 1980. -206 с.

2. Активная безопасность автомобиля. Основы теории / В.Г. Бутылин и др.; Под ред. В.Г. Иванова. Минск: НИРУП «Белавтотракторостроение», 2002.- 184 с.

3. Антонов Д.А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей. -М.: Машиностроение, 1978. 216 с.

4. Афанасьев Б.А., Белоусов Б.Н. Проектирование колесных машин с использованием моделирования. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. -154 с.

5. Аэродинамика автомобиля / Под ред. В.Г. Гухо. М.: Машиностроение, 1987-424 с.

6. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность-машина: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Гуськова. М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.

7. Бидерман В.Л. Проблемы механики пневматических шин // Механика пневматических шин как основа рационального конструирования и прогнозирование эксплуатационных свойств. М., 1977. - С. 3-6.

8. Бидерман В.Л., Гуслицер Р.Л., Захаров С.П. Автомобильные шины. М.: Госхимиздат, 1963. - 383 с.

9. Бидерман В.Л., Пугин В.А. Экспериментальное исследование деформаций в автомобильных шинах // Расчеты на прочность. 1960. - Вып. 6. -С. 295-313.

10. Белкин А.Е. Разработка системы моделей и методов расчета напряженно-деформированного и теплового состояния автомобильных радиальных шин. Дисс. докт. техн. наук. М., 1998. - 284 с.

11. Белкин А.Е., Нарекая Н.Л. Конечно-элементный анализ контакта автомобильной шины с опорной поверхностью на основе оболочечной модели // Вестник машиностроения. 2004. - №3 (56). - С. 14-28.

12. Белоусов Б.Н., Попов С.Д. Колесные транспортные средства особо большой грузоподъемности. Конструкция. Теория. Расчет. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 728 с.

13. Бочаров Н.Ф. Исследование работы пневмокатков, как нового типа колесного движителя для машин высокой проходимости: Дис. . докт. техн. наук. М., 1966. - 262 с.

14. Бочаров Н.Ф., Семенов В.М. Влияние шин на неравномерность распределения крутящих моментов в трансмиссии многоприводных автомобилей // Известия вузов. Машиностроение. 1965. - № 6. - С. 27-31.

15. Бухин Б.Л. Введение в механику пневматических шин. М.: Химия, 1988. - 244 с.

16. Бухин Б.Л. Теория безмоментных оболочек вращения и её применение к расчету пневматических шин: Дис. докт. техн. наук М., 1971. - 472 с.

17. Бухин Б.Л. Применение теории сетчатых оболочек к расчету пневматических шин // Механика пневматических шин как основа рационального конструирования и прогнозирования эксплуатационных свойств. М., 1977. - С. 59-73.

18. Бухин Б.Л. Расчеты напряжений и деформаций в пневматических шинах при их вращении // Расчеты на прочность. 1960. - Вып. 6. - С. 56-65.

19. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств: Пер. с англ. / Под ред. А.И. Аксенова. М.: Машиностроение, 1982. - 284 с.

20. Гоздек B.C. К постановке задачи о взаимодействии с землей катящегося колеса с упругой шиной пря его колебаниях // Доклады АН СССР. 1969. -Т. 186, №5.-С. 81-86.

21. Гоздек B.C. Об уравнениях качения упругой шины // Ученые записки ЦАГИ. 1970. - Т. 1, № 4. - С. 84-91.

22. Дик А.Б. Расчет стационарных и нестационарных характеристик тормозящего колеса при движении с уводом: Дис. . канд. техн. наук: 05.05.03. Омск, 1988. - 228 с.

23. Динамика системы дорога шина - автомобиль - водитель / Под ред. A.A. Хачатурова. - М.: Машиностроение, 1976. - 286 с.

24. Добронравов В.В., Никитин H.H., Курс теоретической механики: Учебник для машиностроит. спец. вузов. 4-е изд., перераб, и доп. - М.: Высшая школа, 1983. - 575 с.

25. Ечеистов Ю.А. Исследование некоторых эксплуатационных качеств автомобиля с учетом преобразующих свойств его шин: Автореф. дис. . докт. техн. наук. М., 1973. - 44 с.

26. Забавников H.A. Основы теории транспортных гусеничных машин. -М.: Машиностроение, 1975. 448 с.

27. Келдыш М.В. Шимми переднего колеса трехосного шасси. М.: Бюро новой техники НКАП, 1945. - 46 с.

28. Кленников Е.В., Кнороз В.И., Петров И.П. Исследование распределения продольных касательных напряжений в плоскости контакта катящегося колеса // Труды НАМИ. 1970. - Вып. 120. - С. 62-77.

29. Кнороз В.И., Петров И.П., Князьков В.Н. Исследование жесткостных параметров колеса с пневматической шиной, нагруженного крутящим моментом // Труды НАМИ. 1970. - Вып. 120. - С. 96-112.

30. Кочнев Е.Д. Энциклопедия военных автомобилей 1769-2006 гг. Издание 1-е. М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2006. - 640 с.

31. Левин М.А., Фуфаев H.A. Теория качения деформируемого колеса. М.: Наука, 1989. - 269 с.

32. Левин М.А. Исследование шести составляющих реакций связей катящегося деформируемого колеса // Теоретическая и прикладная механика. 1975. - Вып. 1. - С. 110-123.

33. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля. -М.: Машиностроение, 1971. 416 с.

34. Литвинов A.C. О причинах потерь мощности при качении колеса // Автомобильная промышленность. 1972. — № 5. - С. 12-16.

35. Литвинов A.C., Ротенберг Р.В., Фрумкин А.К. Шасси автомобиля. -М.: Машгиз, 1963. 496 с.

36. Ловцов Ю.И., Маслов В.К., Харитонов С.А. Имитационное моделирование движения гусеничных машин. М.: МВТУ, 1989. - 60 с.

37. Марохин С.М. Прогнозирование характеристик подвижности спецавтомобиля, оснащённого системами активной безопасности: Дис. . канд. техн. наук: 05.05.03. М., 2005. - 152 с.

38. Никольский М.В. Иллюстрированный справочник. Колёсная бронетехника. М.: ООО «Издательство Астрель»: «Издательство ACT», 2001.-512 с.

39. Певзнер Я.М. Теория устойчивости автомобиля. М.: Машгиз, 1947. - 156 с.

40. Петров В.А. Гидрообъемные трансмиссии самоходных машин. -М.: Машиностроение, 1988. 244 с.

41. Петров Н.П. Математическая модель шины лента на упругом основании и её приложение для исследования взаимодействия шины с поверхностью качения // Труды НАМИ. 1970. - Вып. 120. - С. 26-37.

42. Петрушов В.А. Внешние характеристики эластичного колеса // Труды НАМИ. 1969.-Вып. 106.-С. 3-17.

43. Петрушов В.А. К вопросу о качении эластичного колеса по твердой опорной поверхности // Автомобильная промышленность. 1963. - № 12. -С. 5-9.

44. Петрушов В.А. Колесо с эластичной шиной как передаточный механизм // Труды НАМИ. 1969. - Вып. 106. - С. 52-62.

45. Петрушов В.А. Некоторые пути построения технической теории качения // Труды НАМИ. 1963. - Вып. 61. - С. 3-56.

46. Петрушов В.А. Приложение уравнения неразрывности механики сплошных средств к анализу кинематики эластичного колеса // Труды НАМИ. 1969. - Вып. 106. - С. 11-29.

47. Петрушов В.А., Московкин В.В., Шуклин С.А. Сопротивление качению автомобилей и автопоездов. М.: Машиностроение, 1975. - 224 с.

48. Пирковский Ю.В., Бочаров Н.Ф., Шухман С.Б. Влияние конструктивных показателей полноприводных автомобилей на сопротивление движению по деформируемому грунту. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1996. - 73 с.

49. Пирковский Ю.В., Шухман С.Б. Теория движения полноприводного автомобиля (прикладные вопросы оптимизации конструкции шасси). М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 230 с.

50. Попов С.Д. Разработка и исследование динамической модели автомобильного колесного движителя: Дис. . канд. техн. наук: 05.05.03 -М., 1981.-254 с.

51. Работа автомобильной шины / Е.В. Кленников и др.; Под ред. В.И. Кнороза М.: Транспорт, 1976. - 238 с.

52. Рождественский Ю.Л., Машков К.Ю. О формировании реакций при качении упругого колеса по недеформируемому основанию // Труды МВТУ. 1982. - № 390. - С. 56-64.

53. Савочкин В.А., Дмитриев A.A. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1993. - 320 с.

54. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

55. Теория движения боевых колесных машин / Д.А. Антонов и др.; Под ред. С.И. Беспалова. М.: Издание академии бронетанковых войск, 1993. -385 с.

56. Фаробин Я.Е. О рациональной кинематике поворота управляемых колёс легкового автомобиля. // Известия вузов. Машиностроение. 1985. - №3. -С. 83-85.

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

58. Чудаков Е.А. Качение автомобильного колеса. М.: Машгиз, 1947. - 70 с.

59. Чудаков Е.А. Теория автомобиля. М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 463 с.

60. Эллис Д.Р. Управляемость автомобиля. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1975.-216 с.

61. Clark S. К. The Rolling Tire under Load // SAE Preprint. 1965. - №650493. -P. 9.

62. Fiala E. Seitenkrafte am rollenden Luftreifen // VDI Zeitschrift. 1954. - Bd 96, №29.-S. 973.

63. Genta G. Motor Vehicle Dynamics: Modeling and Simulation. Singapore: World Scientific Publishing Co, 1997 - 539 p.

64. Gillespie T.D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. -Warrendale: SAE International, 1992 519 p.

65. Juliene M.A. L'onvirage et la tenue de la route // SIA. 1937 - №4 - P. 16-21.

66. PacejkaH.B. Tyre and Vehicle Dynamics. 2nd ed. Oxford: Butterworth Heinemann, 2006. - 672 p.

67. Pacejka H.B., Bakker E. The Magic Formula Tire Mode // Procedings 1st International Colloquium on Tire Models for Vehicle Dynamics Analysis. -1993.-P. 31-35.

68. Sawase K., Ushiroda Y., Miura T. Improvement of Vehicle Dynamics by Right-and-Left Torque Vectoring System in Various Drivetrains // Mitsubishi motors technical review. 2008. - P. 14-20.

69. Sawase K., Ushiroda Y., Miura T. Left-Right Torque Vectoring Technology as the Core of Super All Wheel Control (S-AWC) // Mitsubishi motors technical review. 2006. - P. 16-23.

70. Sharp R.S., Pacejka H.B. Shear Force Developmentby Pneumatic Tyres in Steady State Conditions // A Review of Modeling Aspects. Vehicle System Dynamics. 1991.-№20.-P. 121-176.

71. Shibahata Y., Tomari T. Direct Yaw Control Torque Vectoring // Autotechnology. -2006.-№6.-P. 34-38