Метод оценки энергетических затрат при функционировании всеколесного рулевого управления многоосных колесных машин на стадии проектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Болдорев, Андрей Григорьевич

• Болдорев, Андрей Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Болдорев, Андрей Григорьевич

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Условия работы и основные требования к рулевому управлению.

I 1.2. Анализ схем поворота многоосных колесных машин.

1.3. Анализ работ посвященных исследованию рулевого

I управления многоосных колесных машин. 1.4. Термины и определения, принятые в работе. 1.5. Выводы. 2. Математическая модель криволинейного движения многоосных колесных машин.

2.1. Основные допущения и ограничения.

2.2. Базовая модель движения многоосных колесных машин.

2.3. Математическое описание всеколесного рулевого управления.

2.3.1. Модель с централизованной гидравлической системой питания.

2.3.2. Модель автономного привода.

2.4. Выводы.

3. Результаты теоретического исследования.

3.1. Методика проведения исследований.

3.1.1. Объекты исследования.

3.1.2. Программное обеспечение теоретических исследований.

3.1.3. Виды испытаний многоосных колесных машин.

3.1.4. Алгоритмы управления системой всеколесного рулевого управления.

3.2. Анализ результатов исследований.

3.2.1. Автомобиль с колесной формулой 8x8 типа M3KT-7930.

3.2.2. Автомобиль с колесной формулой 12x12 типа МАЗ-547.

3.2.3. Автомобиль с колесной формулой 16x16 типа МАЗ-7922.

3.2.4. Автомобиль с колесной формулой 24x24 типа МАЗ-7907.

3.2.5. Оценка влияния гидропривода рулевого управление на мощностью затраты.

3.3. Выводы.

4. Экспериментальные исследования системы всеколесного рулевого управления многоосных колесных машин.

4.1. Объекты исследования.

4.1.1. 4-осное шасси Э-79085.

4.1.2. Макет с колесной формулой 12x12.

4.2. Аппаратурно-измерительный комплекс.

4.3. Методика проведения экспериментальных исследований.

4.3.1. 4-осное шасси Э-79085.

4.3.2. Макет с колесной формулой 12x12.

4.4. Результаты экспериментальных исследований.

4.4.1. 4-осное шасси Э-79085.

4.4.2. Макет с колесной формулой 12x12.

4.5. Оценка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.

4.6. Основные технические требования к всеколесному рулевому управлению.

4.7. Предложения по направлению дальнейших работ.

4.8. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод оценки энергетических затрат при функционировании всеколесного рулевого управления многоосных колесных машин на стадии проектирования»

В любой отрасли хозяйственной деятельности государства главным является экономическая целесообразность используемых технических средств, и законы экономики побуждают к их совершенству. Во всех странах мира существует тенденция к энергосбережению и повышению активной безопасности при увеличении грузоподъемности автотранспортных средств. Глубокое технико-экономическое обоснование необходимости создания и совершенствования автомобильной техники большой (БГ) и особо большой грузоподъемности (ОБГ) для нужд экономики и обороны СССР было выполнено еще институтом комплексных транспортных проблем (ИКТП) при Госплане СССР и НАМИ.

Расчеты ИКТП показали, что увеличение средней грузоподъемности парка самосвалов в СССР за счет использования самосвалов ОБГ с 4,7 т до 7,0 т позволило: на каждых 100 млн. т-км уменьшить годовые издержки перевозок на $ 2 млн.; сократить потребность в водителях и обслуживающем персонале на 750 человек; уменьшить расход топлива при выполнении этих перевозок на 6600 т [6].

По расчетам зарубежных специалистов, увеличение полной массы автомобиля на 20 % (например, с 45,5 т до 55,4 т) снижает себестоимость перевозки одного т-км на 54 процента (с 1,39 до 0,9 цента на т-км) [6].

Однако рост полной массы автомобиля ограничивается существующим дорожным законодательством, которое регламентирует осевую массу и габаритные размеры. Так, для транзитного проезда во всех странах ЕЭС допускаются автомобили и автомобильные поезда с габаритными размерами: длиной не более 18,5 м, шириной не более 2,59 м и высотой до 4,12 м; осевыми массами: на отдельный мост от 7,5 до 10 т (соответственно с одинарными и сдвоенными шинами), на двухосную тележку от 11,5 до 20 т в зависимости от расстояния между осями, на трехосную тележку полуприцепа до 24 т. В пяти странах Европы предельная осевая масса установлена в 13 т (Франция, Испания, Греция, Бельгия, Люксембург).

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что увеличение осевой массы с 10 до 13 т экономически оправдано, так как требует повышения стоимости строительства дороги в среднем на 2 % и дает существенный эффект в снижении транспортных издержек и в повышении качественных параметров создаваемой инфраструктуры транспорта. Многими учеными доказано: для того, чтобы отечественные автомобили имели прогрессивные параметры, необходимо увеличить допустимую осевую массу до 13 т на одну ось и до 21.23 т на две спаренные ведущие оси [6].

Таким образом, по существующему дорожному законодательству практически все автомобили БГ и ОБГ являются внедорожными и в обычных условиях им разрешаются только разовые проходы по дорогам общего пользования. Поэтому повышение грузоподъемности сопровождается очень часто увеличением числа осей - как ведущих, так и не ведущих. В России и за рубежом появляется все больше многоприводных автомобилей с четырьмя, пятью, шестью, восемью и более осями. Эти автомобили принято называть многоосными колесными машинами (МКМ).

Необходимость развития КТС ОБГ определяется потребностями в перевозке соответствующих грузов. Освоение природных ресурсов, строительство уникальных энергетических объектов и промышленных комплексов в зоне холодного климата вызывают значительное увеличение объемов перевозок грузов. Характерные особенности грузовых автомобильных перевозок в условиях холодного климата следующие: увеличенный объем перевозок массовых грузов (продовольственные и промышленные товары, строительные материалы, оборудование, ГСМ и т.п.) как на большие расстояния (до 1,5.2 тыс. км), так и в местном сообщении; значительные объемы перевозок грузов с практически неограниченной партионностью единовременной отправки (лес, уголь, руда, вскрышные породы и т.п.) на небольшие расстояния (3.5 км); перевозки особо тяжелых неделимых грузов массой 100.500 т в пункты нового освоения или на строительные объекты (для нефтяной, газовой, лесной и химической промышленности, для строящихся электростанций и других объектов).

Для современной России характерно изменение структуры парка автомобилей по грузоподъемности. Доля автомобилей грузоподъемностью с 3 до 5 т постоянно уменьшается при одновременном увеличении доли автомобилей общей массой до 3 т, а также большой и особо большой грузоподъемности. Это говорит о стремлении к увеличению средней грузоподъемности парка, к укрупнению партий перевозимых грузов, к повышению эффективности перевозок и сокращению числа используемых водителей.

Кроме того, важную роль МКМ играют в Вооруженных силах России. Удельный вес МКМ в парке автомобилей Вооруженных Сил РФ небольшой, но на них монтируется вооружение, способное решить судьбу операции и войны в целом. Например, на МКМ монтируется вооружение широко известного ракетного комплекса «Тополь» и оборудование боевого обеспечения его работы.

Развитие ведущих отраслей мировой экономики - электроэнергетики, химической и нефтяной промышленности, металлургического и энергетического машиностроения - происходит за счет наращивания или переоснащения мощностей действующих и строительства новых объектов, применения оборудования с высокой степенью заводской готовности. Кроме того, внедрение метода блочно-комплексного строительства также вызвало необходимость обеспечить доставку на строительные площадки отдельных элементов, полностью собранных на заводе. Надежность работы промышленного оборудования и агрегатов, собранных в заводских условиях, значительно выше по сравнению с надежностью оборудования, смонтированного непосредственно на строительной площадке. При этом на 2.3 месяца и более сокращаются сроки монтажа и пуска строящихся объектов. В конечном итоге это предопределяет эффективность выпуска все более крупных неделимых изделий, например, трансформаторов, атомных реакторов, синхронных компенсаторов, корпусов судов, блоков обжиговых печей, буровых станков, газгольдеров и других изделий массой от 40.60 до 200 и более тонн. Объем грузопотока подобных изделий в условиях развивающейся экономики, по оценкам отечественных и зарубежных специалистов, должен постоянно возрастать.

Габаритные размеры и число осей МКМ, особенно предназначенных для перевозки длинномерных неделимых грузов, в наибольшей степени отражаются на потребительских свойствах машин, которые определяются показателями поворотливости и поворачиваемости транспортных средств. Основной причиной снижения значений этих показателей является традиционность подхода к выбору схемы рулевого управления (РУ).

В конструкциях МКМ применяются все известные конструктивные решения систем поворота, которыми могут оснащаться безрельсовые наземные средства передвижения.

В машинах с управлением колесами одной оси, в которых надо согласовать взаимный поворот всего двух колес, достаточно эффективным является применение механической системы управления, обеспечивающей постоянную, причем жесткую связь между поворотом рулевого колеса и поворотом каждого из двух управляемых колес. Вместе с тем в многоосных шасси при повороте колес нескольких осей, тем более колес, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, наличие длинных тяг, промежуточных опор, соединений, которым, как правило, сопутствуют зазоры, не может обеспечить точной кинематики, согласования углов поворота различных колес в соответствии с расчетом. Наиболее перспективной схемой РУ для МКМ общепризнанна схема всеколесного рулевого управления (ВРУ). Механический привод поворотом колес делает ВРУ практически неприемлемым для шасси с числом осей более трех. Тем более практически невозможно при механическом приводе в системе управления изменять в зависимости от условий движения соотношение углов поворота различных колес.

Лучшим образом необходимым требованиям удовлетворяет электрогидравлическая система поворота колес, в которой гидравлическая часть используется в качестве силового устройства, а электрическая - как командное устройство.

Преимуществом гидравлических приводов, в сравнении с электрическими является меньший вес и меньшие габариты. Важным параметром гидравлических, особенно следящих приводов, является их высокое быстродействие. Хорошая приемистость и малое запаздывание при отработке командных сигналов, свойственные гидроприводу, особенно важны для использования его в системе дистанционного привода рулевого управления (ДПРУ) колесами многоосных и многоопорных шасси. Таким образом, применение в конструкции электрогидравлического привода поворота колес МКМ является важнейшим условием использования всех преимуществ схемы ВРУ.

В настоящее время в теории автомобиля достаточно подробно обоснованы различные алгоритмы функционирования ВРУ, которые определяют соотношения углов поворота колес МКМ в той или иной дорожной ситуации или в тех или иных условиях маневрирования машины. Однако научно-обоснованных принципов и рекомендаций по построению электрогидравлических приводов колес МКМ и основных требований к ним в научно-технической литературе не опубликовано. Это сдерживает развитие МКМ в целом.

Таким образом существует и требует своего решения актуальная научная проблема выявления научно-обоснованных закономерностей функционирования всеколесного рулевого управления с электрогидравлическим приводом поворота колес в сложной системе МКМ и разработки на их основе стройной системы технических требований и основных принципов построения подобных приводов.

Важнейшей научной задачей в этой проблеме является оценка и оптимизация энергетических затрат, необходимых для реализации заданных кинематических параметров при криволинейном движении МКМ с ВРУ. Данная научная задача до настоящего времени была не решена и является предметом исследования настоящей работы.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей формирования энергетических затрат при функционировании всеколесного рулевого управления многоосных колесных машин и совершенствование на их основе методов расчета для различных типов приводов и схем РУ.

Основные задачи, вытекающие из современного состояния поставленной научной задачи, в соответствии с целью состояли в следующем:

1. Анализ условий функционирования рулевого управления в системе «водитель - автомобиль - дорога» и ранее выполненных работ по развитию теории криволинейного движения.

2. Разработка математического описания функционирования рулевого управления различных схем с гидравлическим исполнительным механизмом и различными типами его привода.

3. Выбор и обоснование конструктивных факторов и критериев оценки, необходимых для установления закономерностей функционирования всеколесного рулевого управления.

4. Теоретическое исследование функционирования всеколесного рулевого управления с различными типами привода гидравлического исполнительного механизма.

5. Экспериментальное исследование с целью проверки адекватности и точности математической модели колесной машины с всеколесным рулевым управлением.

6. Разработка программной реализации математической модели и методики расчета энергетических параметров при проектировании колесных машин с ВРУ.

Выполненные в работе исследования базировались на основных положениях фундаментальных теорий механики, автомобилей, инженерного эксперимента на основе общей методики системного анализа. В данной работе нашли применение логический метод, анализ, обобщение и математическое моделирование с использованием аппарата математической статистики и теории вероятностей.

Достижение поставленной цели и решение задач диссертационной работы обеспечено на основе использования материалов работ, выполненных 21 НИИИ Минобороны РФ, Минским заводом колесных тягачей, Московским институтом теплотехники, Брянским автомобильным заводом, кафедрой Ml 0 и Научно-производственным центром «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана с участием автора.

Новизна полученных результатов работы при решении вышеуказанной научной задачи заключается в том, что в ней: разработана новая математическая модель функционирования рулевого управления различных схем с гидравлическим исполнительным механизмом и различными типами его привода; впервые установлены закономерности работы ВРУ с электрогидравлическим приводом поворота колес в сложной системе МКМ-дорога; создана система технических требований и разработаны основные принципы построения ВРУ с дистанционным электрогидравлическим приводом с учетом кинематических и энергетических параметров МКМ. создан метод расчета энергетических параметров при проектировании колесных машин с всеколесным рулевым управлением.

Эти результаты и выносятся на защиту.

В первой главе изложены состояние вопроса, обоснование решаемой научной задачи. Проведен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований по созданию ВРУ многоосных машин.

Во второй главе приводится математическая модель функционирования рулевого управления различных схем с гидравлическим исполнительным механизмом и различными типами его привода в сложной системе МКМ-дорога.

Третья глава содержит полученные путем математического моделирования закономерности формирования энергетических затрат на криволинейное движение при функционировании рулевого управления различных схем с гидравлическим исполнительным механизмом и различными типами его привода в сложной системе МКМ-дорога.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, полученных в ходе исследовательских испытаний макетных образцов 4-осного Э79085 и 6-осного шасси с ВРУ. Дается описание макетных образцов, контрольно-измерительного комплекса, метрологические исследования и оценка точности и адекватности математической модели. Сформулирована система технических требований к энергетическим показателям привода поворота колес ВРУ для МКМ.

В заключении даются общие выводы и рекомендации по работе, а также сформулированы основные направления дальнейшего развития ВРУ с типами его привода.

Основные результаты исследований реализованы в следующих направлениях: система технических требований по энергетическим параметрам электрогидравлического привода ВРУ МКМ используется войсковой частью 93603-Н и 21 НИИИ Минобороны РФ при разработке ОТТТ к специальным колесным шасси и ТТЗ на ОКР по их разработке; методика расчета энергетических параметров при проектировании колесных машин с всеколесным рулевым управлением используется при выполнении плановой научной тематики НПЦ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана; основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры Ml О МГТУ им. Н.Э. Баумана и Рязанского военного автомобильного института.

Диссертационная работа выполнена в Научно-производственном центре «Специальное машиностроение» (НПЦ СМ) МГТУ им. Н.Э. Баумана. В основу диссертации положены результаты исследований, полученные автором лично и в соавторстве при выполнении плановой научной тематики НПЦ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, в ходе выполнения Гособоронзаказа по договорам с войсковыми частями 93603 (ГАБТУ) и 25840 (ГУРВО РВСН) с 2000 г. по 2006 гг. в качестве ответственного исполнителя и исполнителя отдельных этапов тем (темы с шифром «Полупар», «Бальзамин», «Кочегар» и «Претендент»)[41,48,53].

На технические отчеты по выполненным работам даны положительные заключения заказчиком. Все темы реализованы, о чем имеются соответствующие акты Заказчика.

Результаты диссертации опубликованы в 4 статьях и изложены в семи отчетах на НИР.

Содержание диссертации докладывалось: на научных семинарах кафедры М10 «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2003.2006 гг. (г. Москва); на научных семинарах кафедры «Тягачи и амфибийные машины» ГТУ МАДИ в 2003 и 2004 гг. (г. Москва); на 47 международной научно-технической конференции «Повышение конкурентоспособности автотранспортных средств» (г. Минск 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Механика -машиностроению» (г. Минск 2005 г.); на научных семинарах в ОАО «Инновационная фирма «НАМИ-Сервис»» в 2004 и 2005 гг. на международной научно-технической и научно-методической конференции «Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы» (МЭИ (ТУ), г. Москва 2006 г.)

Диссертация состоит из четырех глав, заключения и выводов, списка литературы из 72 наименований и приложения.

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Болдорев, Андрей Григорьевич

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Теоретически установлены и экспериментально подтверждены основные закономерности формирования энергетических затрат при функционировании всеколесного рулевого управления МКМ, представленные в виде расчетной схемы и математической модели работы системы ВРУ с дистанционным электрогидравлическим приводом (ЭГП) при криволинейном движении МКМ, на основе которых базируется метод оценки энергетических затрат ВРУ МКМ.

2. Получено, что:

- для МКМ 8x8 наибольшая полная затраченная мощность при схеме РСП-У с гиперболическим законом управления (К=0,1) и коэффициентом исходного смещения полюса а3=0,3 рад. Этот режим следует принимать в качестве расчетного при составлении мощностного баланса;

- для МКМ 8x8, с точки зрения кинематических параметров предпочтительно использовать схему РСП-У и параболический закон управления с коэффициентом исходного смещения полюса а3=0,2 рад. Однако минимальная мощность затрачивается при использовании схемы РСП-УС и гиперболического закона управления с коэффициентом исходного смещения полюса а3=0,1 рад. Разница полной затрачиваемой мощности между этими режимами при выполнении маневра вход в круг составляет 47,7%, при выполнении маневра переставка 4,2%;

- расчет мощностных затрат в системе ВРУ автомобилей, с числом осей больше 4-х необходимо вести со следующими параметрами: схема управления РСП-УС, гиперболический закон управления с коэффициентом исходного смещения полюса а3=0,3 рад., т=0,1;

- оптимальными с точки зрения кинематических параметров для автомобилей, с числом осей больше 4-х являются следующие режимы: схема управления РСП-УС, гиперболический закон управления (К~0,8) и коэффициент исходного смещения полюса а3=0,1.0,2 рад. С точки зрения энергозатрат в рулевом управлении эти режимы так же являются предпочтительными. При изменении параметра m с ОД до 2, затрачиваемая мощность на этих режимах уменьшается не более чем на 17%;

- расчет мощностных затрат в приводе ВРУ необходимо вести в тесной взаимосвязи с алгоритмами работы, заложенными в систему управления ВРУ из-за значительной нелинейности этих алгоритмов.

3. Сформулированы основные технические требования на разработку ВРУ с ЭГП МКМ с переменным полюсом поворота.

4. Экспериментально подтверждены теоретические выводы о различных затратах мощности в трансмиссии в зависимости от схемы рулевого управления, и гидравлической системы. Расхождение результатов исследований по критерию бокового ускорения на задней оси составляет не более 16%, по затратам мощности на криволинейное движение - не более 17%.

5. Направлением дальнейших исследований является развитие теории создания ВРУ с индивидуальным (автономным) приводом объемного регулирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Болдорев, Андрей Григорьевич, 2006 год

1. Аксенов П.В. Некоторые особенности автомобиля с заднейуправляемой осью //Автомобильная промышленность. -1972. №8. -С.7-10.2 . Антонов Д.А. Теория движения боевых колесных машин. М.: Изд-во

2. Машиностроение, 1964. 388 с.20 . Гинзбург Л.Л. Гидравлические усилители рулевого управленияавтомобилей. М.: Машиностроение, 1972. - 120 с.21 . Гладов Г.И., Петренко A.M. Специальные транспортные средства:

3. Проектирование и конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Г.И. Гладова. М.: ИКЦ: «Академкнига», 2004. - 320 е.: ил.22 . Гладов Г.И., Петренко A.M. Специальные транспортные средства:

4. Дисс.докт. техн. наук: 05.05.03. М., 1959. - 631 с.37 . Литвинов А.С. Устойчивость и управляемость автомобиля. М.:

5. Машиностроение, 1987. 464 с.50 . Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М.:

6. Машиностроение, 1982 240 с.51 . Проценко В.Б. Организация рабочего места водителя. М.: ВНИИТЭ,1973.-32 с.52 . Система всеколесного управления для АТС 12x12. / Б.Н. Белоусов,

7. А.Г. Болдорев, С.В. Наумов, С.И. Кацан // Автомобильная промышленность. Машиностроение. -2004. №12. - С.13-16.53 . Системные исследования модернизационного потенциала В и ВТ

8. Отчет по НИР/МВТУ им. Н.Э. Баумана; Руководитель Смирнов Г.А.; № ГР КОЗ8779, Инв№12/СМЗ М., 1981. - 296 с.57 . Тарко JI.M. Переходные процессы в гидравлических механизмах.

9. Машиностроение, 1970. 176 с.60 . Чайковский И.П., Саломатин П.А. Рулевые управления автомобилей.

10. Известия АН СССР. Отделение технических наук. 1946. - №6. -С.1-15.65 . Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. М.:

11. Машиностроение, 1979. 232 с.66 . Baxter J., G. Dyer. The Bishop variatronic power steering system // SAE

12. Australian Journal. 1988. - №4. - P.32-37.67 . Ferner V. Analogien schwizer Electrotechnic und Niederdruchpneumatic

13. Feingeratetechnik., 1965. -Bd. 14, №1. - S. 10-11.68 . Modernization of pump type SP: Report. Soviet-american joint venture

14. Renova company. Stage 01. Pre-designing research work. Viking East Int. - Moscow, 1992. - 140 p.69 . Pat. 4313514 USA, MKI3 B62 D5/16. Steering apparatus for Furukava

15. Joshimi, Sano, Shoichi; Honda Giken Koguo K.K. (Japan). №107717; 1979.70 . Pat. 4412594 USA, MKI3 B62 D5/06. Steering System for motor vehiched