Повышение устойчивости и управляемости автомобилей колесной формулой 4х4 путем перераспределения подводимых к колесам вращающих моментов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат наук Антонян Акоп Ваганович

• Антонян Акоп Ваганович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Антонян Акоп Ваганович

Основные сокращения

Введение

Глава 1. Анализ систем управления и конструкций, повышающих устойчивость и управляемость колесной машины

1.1. Анализ систем диагностирования движения

1.2. Анализ управляемых трансмиссионных узлов колесных машин

1.3. Анализ способов обеспечения устойчивости и управляемости колесных машин

1.4. Анализ математических моделей движения колесной машины и их верификация

Глава 2. Разработка математической модели движения колесной машины с колесной формулой 4х4

2.1. Система уравнений корпуса колесной машины

2.2. Формирование случайного поля неровностей опорного основания

2.3. Разработка математической модели качения колеса

2.4. Разработка математической модели подвески

2.5. Математическое моделирование узлов трансмиссии

2.6. Характеристики моделируемого транспортного средства колесной формулой 4х4

Глава 3. Проверка адекватности математической модели

колесной машины

3.1. Проведение испытательных заездов на территории Автополигона ФГУП «НАМИ»

3.1.1. Объект испытаний

3.1.2. Измерительное оборудование

3.1.3. Программа испытаний

3.1.4. Обработка экспериментальных данных

3.2. Проведение испытательных заездов на территории Инновационного

центра «Сколково»

3.2.1. Объект испытаний

3.2.2. Измерительное оборудование

3.2.3. Программа испытаний

3.3. Выводы по Главе

Глава 4. Принцип стабилизации автомобиля колёсной формулой 4х4, оборудованного управляемыми дифференциалами

4.1. Принципы стабилизации

4.2. Разработка алгоритмов работы информационной системы распознавания параметров движения автомобиля

4.2.1. Алгоритм распознавания вида «заноса»

4.2.2. Обоснование работоспособности алгоритма выявления

«заноса»

4.2.3. Алгоритм адаптивной оценки скорости

4.2.4. Алгоритм распознавания «рыскания»

4.2.5. Обоснование работоспособности алгоритма распознавания «рыскания»

4.2.6. Обоснование работоспособности алгоритмов управления методами экспериментальных исследований

4.3. Выводы по Главе

Глава 5. Обоснование рациональной схемы трансмиссии с точки зрения обеспечения управляемости и устойчивости колесной машины

5.1. Раздаточная коробка с изменяемой асимметрией межосевого дифференциала

5.2. Главная передача с механизмом распределения мощности

5.3. Выводы по Главе

Глава 6. Аналитическое конструирование оптимального регулятора

6.1. Аналитическое конструирование оптимального регулятора для обеспечения устойчивости колесной машины

6.2. Аналитическое конструирование оптимального регулятора для обеспечения управляемости колёсной машины

6.3. Анализ устойчивости системы динамической стабилизации

6.4. Выводы по Главе

Глава 7. Исследование работоспособности предложенных алгоритмов работы системы повышения устойчивости и управляемости автомобиля методами имитационного моделирования

7.1. Критерии эффективности работы алгоритмов

7.2. Проведение виртуальных испытаний

7.2.1. Испытание «Поворот Яд = 25 м» по ГОСТ Р

7.2.2. Испытание «Поворот = 25 м» по опорному основанию

«лед со снегом»

7.2.3. Испытание «Поворот Яп = 35 м» по ГОСТ Р

7.2.4. Испытание «Поворот = 35 м» по опорному основанию

«лед со снегом»

7.2.5. Испытание «Поворот = 35 м» с удержанием постоянной скорости

7.2.6. Испытание «Поворот = 35 м» по опорному основанию

«лед со снегом» и удержанием постоянной скорости

7.2.7. Испытание «Переставка Бп = 20 м» по ГОСТ Р

7.2.8. Испытание «Переставка Бп = 20 м» по опорному основанию

«лед со снегом»

7.2.9. Испытание «Переставка Бп = 20 м» с удержанием постоянной скорости

7.2.10. Испытание «Переставка Бп = 20 м» с удержанием скорости и на опорном основании «лед со снегом»

7.3. Выводы по Главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Основные сокращения

ABS - Anti-lock Braking System - Антиблокировочная тормозная система;

ESP - Electronic Stability Program - Система курсовой устойчивости;

IP - Ingress Protection Rating - Степень защиты

TCS - Traction Control System - Противобуксовочная система;

ГП - главная передача;

ДВ, ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ИП - идеальный поворот;

КМ - колесная машина;

КП - коробка передач;

МпСК - микроподвижная система координат;

НСК - неподвижная система координат;

ПД-регулятор - пропорциональный и дифференциальный регулятор;

ПИ-регулятор - пропорциональный и интегральный регулятор;

ПС - полусвязанная система координат;

ПСК - подвижная система координат;

РК - раздаточная коробка.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение устойчивости и управляемости автомобилей колесной формулой 4х4 путем перераспределения подводимых к колесам вращающих моментов»

Введение

Необходимость в развитии систем активной безопасности вызвана человеческим фактором, из-за которого происходят дорожно-транспортные происшествия. По статистике в большинстве случаев человеческий фактор, а именно ошибочные действия водителя, приводят к авариям со смертельным исходом. Чтобы снизить влияние ошибочных действий водителя и, как следствие, минимизировать попадания в дорожно-транспортные происшествия, производители автомобилей и автокомпонентов вводят системы активной безопасности. Задача этих систем заключается в исправлении допускаемых ошибок и помощи водителю в критических ситуациях при движении.

В соответствии с тенденциями развития современной автомобильной отрасли, производители автомобилей и автокомпонентов постоянно повышают уровень контроля параметров движения колесных машин для достижения максимальной устойчивости и управляемости.

Теоретические основы теории управляемости и устойчивости движения колесных машин были заложены советскими и зарубежными учеными, в частности, Д.А. Антоновым [1], Я.С. Агейкиным [2], П.В. Аксеновым [3], А.С. Литвиновым [4], Я.Е. Фаробиным [5], Д.Р. Эллисом [6] еще в 1970-х годах. В настоящее время вопросами создания систем активной безопасности, обеспечивающих повышение устойчивости и управляемости автомобилей, активно занимаются в России и за рубежом [7 - 48].

Наиболее доступные и распространенные системы активной безопасности — это антиблокировочная система (ABS), система курсовой устойчивости (ESP), предотвращающая «занос» автомобиля при прохождении криволинейных участков дороги, а также противобуксовочная система (TCS).

При работе описанных систем предполагается снижение скорости движения автомобиля, так как происходит перераспределение тормозных усилий между колесами, в то время как водителям необходимо прохождение криволинейных участков дороги на скорости, близкой к критической без

снижения скорости и потери устойчивости [7]. Поэтому с середины 90-х годов получили распространение автомобили, оборудованные управляемой системой полного привода для поддержания устойчивого движения путем перераспределения тяговых усилий. Кроме того, этого требует и конкуренция между производителями, так как основной целью автопроизводителя является высокие эффективность, ходовые качества и низкие потери.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью разработки управляемых систем полного привода, способных перераспределять вращающие моменты между колесами так, чтобы автомобиль обладал высокой эффективностью и безопасностью.

Целью работы является повышение устойчивости и управляемости двухосных автомобилей колесной формулой 4х4 путем перераспределения подводимых к колесам вращающих моментов.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

1) проведен анализ методов стабилизации колесной машины путем перераспределения вращающих моментов между колесами с помощью трансмиссионных узлов;

2) разработана математическая модель движения колесной машины по недеформируемому опорному основанию, включающая математические модели механизмов трансмиссии;

3) проведена верификация математической модели на специальных дорогах Центра испытаний ФГУП «НАМИ» и на территории Инновационного Центра «Сколково» (ИЦ КАМАЗ);

4) выделены критические случаи потери устойчивости и обоснованы принципы стабилизации с разработкой алгоритмов работы информационных систем, обеспечивающих работу систем стабилизации;

5) разработаны новые кинематические схемы трансмиссионных узлов, обеспечивающих распределение крутящих моментов между колесами;

6) проведены исследования работоспособности и эффективности разработанных алгоритмов работы системы динамической стабилизации и управляемых трансмиссионных агрегатов для двухосных автомобилей.

В Главе 1 диссертационной работы проведен анализ существующих способов повышения устойчивости и управляемости колесной машины. Рассмотрены существующие алгоритмы управления, трансмиссионные узлы и схемы трансмиссий, которые обеспечивают устойчивость и управляемость. Проведен анализ методов построения математических моделей движения колесных машин и методов экспериментальных исследований.

В Главе 2 диссертационной работы с целью исследования динамических свойств колесной машины, а также исследования устойчивости и управляемости была разработана математическая модель криволинейного движения транспортного средства по недеформируемой опорной поверхности с моделями узлов и агрегатов, входящих в состав автомобиля отличающейся тем, что в ней содержится математическая модель трансмиссии учитывающей динамику звеньев. При разработке математической модели сформулированы требования и обоснованы допущения. Учтены характеристики сцепления и сопротивления опорной поверхности, так как эти факторы влияют на движение автомобиля. Представлены блок-схемы модели колесной машины, разработанные в среде имитационного моделирования MATLAB&Simulmk.

В Главе 3 диссертационной работы приводятся результаты верификационных испытаний, проведены верификации математической модели движения автомобиля с использованием автомобилей KIA Sorento 2017 года выпуска и Toyota Prius Hybrid 2010 года выпуска. Представлены измерительные инструменты и аппаратура для обработки результатов, а также показаны сами результаты заездов, характеризующих движение автомобиля с последующим

сравнением их с результатами математического моделирования. Проведенное моделирование и сравнение результатов показали хорошую сходимость по необходимым измеренным параметрам.

В Главе 4 диссертационной работы выделены виды потери устойчивости и, на основании этого, обоснованы принципы стабилизации. Рассмотрены критические случаи движения автомобиля: «занос» задней оси в прямолинейном и криволинейном движении, а также «занос» передней оси. Для повышения стабилизации движения колесной машины были разработаны и обоснованы критерии работоспособности следующих законов и алгоритмов работы информационных систем: алгоритм распознавания вида «заноса», алгоритм адаптивной оценки скорости движения и алгоритм распознавания «рыскания». Так же проведены исследования разработанных алгоритмов для обоснования их работоспособности. Заезды проводились на территории Инновационного Центра «Сколково» (ИЦ КАМАЗ). Показаны результаты, свидетельствующие о работоспособности разработанных законов и алгоритмов управления.

В Главе 5 диссертационной работы обоснована рациональная схема трансмиссии колесной машины с точки зрения обеспечения управляемости и устойчивости. Представлены новая кинематическая схема раздаточной коробки с изменяемой асимметрией, отличающейся тем, что раздаточная коробка способна перераспределять больший вращающий момент на заднюю ось или большую мощность на переднюю ось. Так же представлена новая кинематическая схема главной передачи с механизмом распределения мощности, отличающейся тем, что главная передача способна перераспределять больший момент на колесо забегающего борта или отстающего. Описаны принципы работы трансмиссионных узлов и записаны их системы уравнений.

В Главе 6 диссертационной работы аналитическими методами конструирования выведены уравнения оптимальных регуляторов необходимых для повышения стабилизации движения колесной машины.

В Главе 7 диссертационной работы представлены результаты виртуальных испытаний, проведенных с целью исследования эффективности предложенных

алгоритмов работы системы стабилизации движения автомобиля проведены виртуальные испытания автомобилей в программном пакете MATLAB&Simulink. Сравниваются результаты испытаний двух автомобилей: базового автомобиля с дифференциальной схемой трансмиссии без управляемых трансмиссионных узлов и автомобиля с управляемыми трансмиссионными узлами. Доказано, что каждый из алгоритмов дает возможность охарактеризовать параметры движения колесной машины и задачей каждого из них является корректировка движения. Сформулированы критерии эффективности работы алгоритмов диагностирования «заноса» и распознавания «рыскания».

В заключении отмечены результаты работы и представлены выводы.

Научная новизна результатов исследования заключается:

1) в создании математической модели движения колесной машины и трансмиссионных узлов, отличающейся тем, что модель содержит математическое описание работы вновь созданных управляемых агрегатов трансмиссии, работа которых повышает устойчивость и управляемость двухосных колесных машин;

2) в методе повышения устойчивости автомобиля колесной формулой 4х4 за счет применения новых управляемых дифференциальных механизмов;

3) в новом методе диагностирования опасности возникновения «заноса» и «рыскания» в процессе движения автомобиля, что позволяет формировать управляющие воздействия на исполнительные устройства межосевого и межколесного дифференциалов соответственно;

4) в получении новых аналитических выражений для оптимальных управляющих воздействий на исполнительные устройства межосевого и межколесного дифференциалов, которые определяются на основе сформированных уставок и которые

представляют собой часть от силы максимального сжатия управляемых фрикционных элементов дифференциалов; 5) в разработке новых критериев эффективности работы системы стабилизации, позволяющих проводить количественную оценку эффективности работы системы стабилизации методами имитационного моделирования.

Глава 1. Анализ систем управления и конструкций, повышающих устойчивость и управляемость колесной машины

В настоящее время автомобили обязательно оборудуются системами активной безопасности. Следуя тенденциям развития современного автомобилестроения, производители из года в год повышают степень контроля параметров и характеристик движения колесных машин, стремясь достичь максимального уровня устойчивости и управляемости. В качестве устройств, измеряющих параметры движения в системах динамической стабилизации, используются датчики угловых скоростей колес, датчики продольного и поперечного ускорений, датчик угловой скорости вращения корпуса, датчик положения рулевого колеса. На сегодняшний день ведутся исследования в области устойчивости и управляемости в двух направлениях [7, 27, 28]. В то же время подробной информации о принципах работы систем динамической стабилизации на современных автомобилях практически нет.

Во-первых, разрабатываются системы активной безопасности, принцип работы которых основан на изменении крутящих моментов, подводимых к ведущим колесам. Наиболее актуальным на сегодняшний день является применение различных систем полного привода, так как распределение тягового усилия положительно влияет на динамические качества, а именно на стабилизацию движения. Этому направлению посвящены работы российских ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана (В.А. Горелов, М.М. Жилейкин, Г.О. Котиев), Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в лице Шадрина С.С. и др., Московского политехнического университета (М.А. Карунин, Р.П. Кушвид и др.), ФГУП НАМИ (С.В. Бахмутов, В.А. Рязанцев и др.). Среди иностранных ученых, работающих в этом направлении, можно отметить Hancook M.J., Williams R.A., Gordon T.J. и др. [7, 12 - 43].

Во-вторых, повышение устойчивости и управляемости КМ обеспечивается за счет введения автоматической коррекции угла управляемых колес. Этому

направлению посвящены в основном публикации зарубежных исследователей Yoshimoto К., Tanaka К и др. [39, 53].

1.1. Анализ систем диагностирования движения

В диссертационной работе акцент делается на первое направление. Известно, что при различных условиях и режимах движения (разгон, торможение, криволинейное движение) перераспределение мощности подводимой к колесам должно быть различным [7]. Во многих работах [15 - 20, 27 - 29], независимо от того, используется ли управление тормозной системой или трансмиссией, отмечается, что большинство систем динамической стабилизации в качестве фазовых переменных используют скорость вращения корпуса колесной машины фактический угол курса 6ф, и разность теоретической и фактической скоростей вращения корпуса колесной машины. Например, в работах [17, 18] для создания стабилизирующего момента в качестве фазовой переменой используется разность фактической и теоретической скорости вращения корпуса колесной машины. Фактическая скорость вращения измеряется с помощью датчика угловой скорости вращения корпуса колесной машины. Теоретическая (желаемая) скорость вращения 2 рассчитывается по формуле [17]:

_ УКМ ^руль

где:

уКМ - скорость колесной машины;

А - вспомогательный коэффициент;

Рруль - угол поворота рулевого колеса;

5 - передаточное число рулевого механизма;

Ь - колесная база.

Исходя из полученной разности теоретической и фактической скоростей вращения колесной машины вокруг вертикальной оси, с помощью регуляторов формируется управляющий сигнал на исполнительные устройства (задняя

главная передача и тормозные механизмы передней оси). Для формирования уставки используются две измеренные величины: угол поворота рулевого колеса и линейная скорость автомобиля. В этом способе известны параметры движения, в частности, известна фактическая угловая скорость вращения колесной машины и известна уставка угловой скорости вращения, к которой должна стремиться фактическая угловая скорость.

Например, в работе [21] алгоритм перераспределения крутящих моментов между колесами основан расчете разности углов увода передней и задней осей. В теории данный способ абсолютно справедлив, так как именно разность углов увода является индикатором предупреждающий развитие «заноса» передней или задней оси, однако на практике углы увода во время движения измерить очень затруднительно.

, .. — TTV = kp(af — ar) + kd-—-,

где:

TTV - требуемая разность моментов между колесами; кр - коэффициент пропорциональности; kd - дифференциальный коэффициент; a.f - угол увода передних колес; аг - угол увода задних колес. Для расчета этих углов в работе [21] используется фактический угол курса колесной машины. Для вычисления фактического угла курса необходимо знать величины продольной и поперечной скоростей, а для определения боковой скорости, в свою очередь, требуется знание поперечного ускорения и угловой скорости вращения [22, 23].

В работах [24, 25] для диагностирования движения колесной машины и формирования моментов распределения между колесами, используется разность относительных скоростей колес внутреннего и наружного бортов. Данный подход обладает простотой реализации, учитывает большое количество параметров такие как, линейная скорость, угловая скорость, поперечной

ускорение, мощность двигателя. Однако, в работах [24, 25] используется ПИ-регулятор, который накапливает погрешность интегрирования.

В патенте [26] описан принцип работы автоматического перераспределения крутящего момента между ведущими осями предложенной фирмой Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha (Subaru). В качестве фазовой переменной используется разность теоретического и фактического коэффициентов рассогласования скоростей. Расчетная схема для вычислений показана на Рисунке 1.1:

Под фактическим ^ и теоретическим коэффициентами рассогласования понимаются следующие выражения:

г2

г 1

Рисунок 1.1 . Расчетная схема

л =

Г\' = 1

^Х2+А2+^(Х + 1)2+А2 2 -Х + 1 X = г/Т; А = L/T,

где:

Nfr - угловая скорость переднего правого колеса;

ЫрЬ - угловая скорость переднего левого колеса;

Ыкк - угловая скорость заднего правого колеса;

Ыкь - угловая скорость заднего левого колеса;

г - кинематический радиус поворота заднего колеса внутреннего борта;

Т - колея;

Ь - колесная база.

Активация фрикционного элемента управления согласно патенту [26] возрастает по мере роста разности коэффициентов рассогласования.

Вышеописанные работы объединяет то, что для управляющего воздействия используются фактический угол курса или скорости колес. Кроме того, управляющее воздействие на органы управления оказывается только после наступления «заноса». Известно, что рассогласование скоростей осей всегда имеет место во время «заноса», и оно может возникнуть и до наступления «заноса». Кроме того, следует учитывать при движении в повороте во сколько раз скорость забегающего борта превышает скорость отстающего. Поэтому необходимо разработать такие законы и алгоритмы, в которых учтено, что они должны обладать простотой и экономичностью вычислительных процедур, а также однозначностью при принятии решения о вмешательстве автоматики во время движения транспортного средства.

1.2. Анализ управляемых трансмиссионных узлов колесных машин

Добиться устойчивости и управляемости только законами и алгоритмами управления невозможно. Требуются также элементы конструкции автомобилей, которые под действием управляющего воздействия бортовых информационных систем влияют на параметры движения автомобиля. Так как в диссертационной работе акцент делается на перераспределение крутящих моментов с помощью трансмиссии, в этом разделе проведен анализ существующих кинематических схем раздаточных коробок и главных передач.

На Рисунке 1.2 показаны варианты исполнений кинематических схем управляемых раздаточных коробок.

а)

б)

Рисунок 1.2. Кинематические схемы раздаточных коробок: а - Daimler; б -

Magna

Раздаточная коробка системы полного привода 4-matic от Daimler AG [30] была представлена публике в 2008 году. Её кинематическая схема показана на Рисунке 1.2, а. Раздаточная коробка содержит в себе дифференциал, представляющий собой планетарный механизм первого класса, где ведущим звеном является эпицикл 2, а ведомыми - солнечная шестерня 3, имеющая кинематическую связь с шестерней переднего привода 4 и водило 5, соединённое с выходным валом заднего привода 6. Также содержится фрикционный элемент управления Ф1, создающий повышенное трение между солнечной шестерней и входным валом 1.

Раздаточная коробка Magna была представлена публике в 2010 году [31]. Её кинематическая схема показана на Рисунке 1.2, б. Раздаточная коробка представляет собой механизм с возможностью подключения переднего привода. Она содержит в себе входной вал 1, выходной вал 2 и фрикционный элемент управления Ф1, у которого одна сторона муфты соединена со входным валом, а другая - с шестерней 3, связанной с выходным валом 2 переднего привода. Данная кинематическая схема отличается простотой конструкции, так как

отсутствует дифференциал. Однако, фрикционный элемент управления работает в более тяжелых условиях, так как скорость скольжения в нем больше, чем во фрикционном элементе управления, например, в раздаточной коробке от Daimler. Кроме того, при подключении переднего привода, в этой схеме муфта нагружается полностью, в то время как в дифференциальной схеме частично, так как часть потока мощности передается через звенья дифференциала.

Так же примером раздаточной коробки с межосевым дифференциалом является раздаточная коробка фирмы Subaru [32] системы VTD (Variable Torque Distribution) (Рисунок 1.3). В ней содержится планетарный механизм первого класса, где ведущим звеном является шестерня большего диаметра 1, посаженная на входной вал 2, выходными звеньями - водило 3, имеющее кинематическую связь с шестерней переднего привода 4, и шестерня малого диаметра 5, посаженная на вал заднего привода 6. Для создания повышенного трения в межосевом дифференциале используется фрикционный элемент управления Ф1, который связывает выходной вал 6 и водило дифференциала 3.

Рисунок 1.3. Кинематическая схема раздаточной коробки Subaru

Анализ раздаточных коробок показал, что в современных конструкциях предусмотрена возможность перераспределения моментов между ведущими

осями посредством фрикционного элемента управления в дифференциалах с фиксированным соотношением передаваемых моментов. Однако, бывают случаи, когда требуется передавать больший момент и мощность либо на переднюю ось, либо на заднюю. Помимо раздаточных коробок, проводится так же анализ управляемых главных передач.

Главная передача Mitsubishi AYC была впервые представлена в 1996 году [33, 34]. Кинематическая схема главной передачи Mitsubishi AYC представлена на Рисунке 1.4.

Рисунок 1 .4. Кинематическая схема Mitsubishi AYC

В этой главной передаче в основе используется симметричный конический дифференциал 1. Механизм распределения мощности расположен справа и соединен двумя вспомогательными звеньями 3 и 4 с корпусом дифференциала и правой полуосью 2 через фрикционные муфты Ф1 и Ф2. Левая полуось 5 имеет кинематическую связь с механизмом распределения мощности и правой полуосью 2, через дифференциал 1 .

Главная передача Mitsubishi Super-AYC была впервые представлена в 2003 году [17, 36]. Кинематическая схема главной передачи показана на Рисунке 1.5.

Рисунок 1.5. Кинематическая схема Mitsubishi Super-AYC

В этой главной передаче симметричный дифференциал 1 представляет собой планетарный механизм первого класса, который имеет конструктивный параметр равный двум, за счет чего при ведущей короне водило 2 и солнечная шестерня 3, нагружаются симметрично. Так как главная передача Mitsubishi Super-AYC является улучшенным вариантом Mitsubishi AYC, концепция осталась прежней. Механизм распределения мощности так же расположен справа, однако он жестко связан с левой полуосью 4, и с правой полуосью 5 -через два вспомогательных звена 6 и 7 и фрикционные муфты Ф1 и Ф2. В англоязычной литературе такой механизм обозначается как SPC-TVD (Superposition Clutch Torque Vectoring Differential) [35].

Главная передача Magna впервые была применена в 2009 году на автомобиле Audi S4 [33, 36]. Она содержит в себе симметричный конический дифференциал 1 с расположенными справа и слева бортовыми мультипликаторами. Правый мультипликатор содержит в себе два внутренних зацепления 2 и 3, где зацепление 2 связано с корпусом дифференциала, а зацепление 3 с правой полуосью 4. Аналогично на левом мультипликаторе зацепление 5 связано с корпусом дифференциала, а зацепление 6 с левой

полуосью 7. Кинематическая схема главной передачи Magna показана на Рисунке 1.6.

Рисунок 1.6. Кинематическая схема Magna

Если вышеописанным механизмам дать общую характеристику, то можно сделать вывод о том, что для обеспечения перераспределения мощности используются фрикционные элементы управления, представляющие собой муфты. В англоязычной литературе такие механизмы обозначаются как SPC-TVD (Superposition Clutch Torque Vectoring Differential) [35]. Причем Mitsubishi Super-AYC (Рисунок 1.4) отличается от вышеописанных тем, что фрикционный элемент оказывает прямое влияние на правую и левую полуоси.

Главная передача ZF Torque Vectoring впервые была представлена в 2008 году [33, 36]. В отличие от вышеупомянутых механизмов, распределение мощности происходит благодаря планетарным мультипликаторам, расположенным справа и слева. Каждый мультипликатор представляет собой планетарный механизм первого класса, водило которого посредством фрикционного элемента управления замыкается на корпус главной передачи. Водило правого планетарного мультипликатора 1 имеет кинематическую связь с корпусом дифференциала 3 и правой полуосью 5 через блоки сателлитов 7. В

свою очередь водило левого планетарного мультипликатора 2 соединено с корпусом дифференциала 3 и левой полуосью 4 через блоки сателлитов 6. Так как этот механизм распределяет мощность за счет тормозных фрикционных элементов управления Т1 и Т2, то он обозначается как STC-TVD (Stationary Clutch Torque Vectoring Differential) [35]. Кинематическая схема главной передачи ZF Torque Vectoring представлена на Рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Кинематическая схема ZF Torque Vectoring

По сравнению с механизмами, содержащими в себе фрикционные муфты, кинематическая схема ZF Torque Vectoring, имеет перспективы в развитии конструкции. В этой кинематической схеме есть возможность разместить вместо тормозных фрикционных элементов управления электрические машины, работающие в режиме генератор.

Главная передача Honda VTM-4 (Рисунок 1.8) отличается от выше представленных тем, что в ней отсутствует симметричный дифференциал. Передача момента на каждое из колес происходит благодаря бортовым планетарным мультипликаторам, в которых солнечная шестерня соединена с тормозным фрикционным элементом. Коронная шестерня правого бортового мультипликатора 1 жестко связана с гипоидным зубчатым колесом 2. Правый выходной вал 3 связан с водилом планетарного ряда. При активации

фрикционного элемента управления Т1 вращающий момент от входного вала передаётся на выходной вал 3. Аналогично коронная шестерня левого бортового мультипликатора 5 связана с гипоидным зубчатым колесом 2. Левый выходной вал 6 связан с водилом планетарного ряда. При активации фрикционного элемента управления Т2 вращающий момент от входного вала передаётся на выходной вал 6. Так как в этом механизме отсутствует дифференциал, то согласно работе [35] он обозначается как 4WD-TVD (4-Wheel Drive Torque Vectoring Differential).

Рисунок 1.8. Кинематическая схема Honda VTM-4

У всех вышеперечисленных главных передач есть возможность обеспечения асимметричного перераспределения моментов между колесами и поддержания разности скоростей колес. Однако поддержание равенства скоростей вращения колес затруднено, так как используются фрикционные элементы управления предназначенные для создания разности скоростей вращения. Поэтому при разработке кинематической схемы главной передачи должна быть учтена возможность перераспределения моментов с поддержанием разности и равенства угловых скоростей колес.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Антонян Акоп Ваганович, 2021 год

- -

i i i

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Время, [с]

и

о

н

Он

о о

0> н о о о.

о «

о

>я Я ■

я

о

ао я н ■

о

ьО

н .

о о

§ -0.05 £ 0

0.02 0.01 0 0.01 ■0.02 ■0.03 ■0.04

1 1 1 1 1 —Автомобиль 1 —Автомобиль 2~

1 1 1 1 1 1

1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 Время, [с]

в)

Рисунок 7.5. Графики параметров движения: а) - скоростей движения автомобилей; б) - диагностического признака наступления «заноса»; в) -разности отношения скоростей бортов

На Рисунке 7.5, а) видно, что испытуемые автомобили проезжают участок с равными скоростями. Из Рисунка 7.5, б) видно, что Автомобиль 1 при прохождении испытания, обладал склонностью к «заносу» задней оси, в то время как Автомобиль 2 - был несклонен к «заносу». На Рисунке 7.5, в), графики разности отношения скоростей бортов, отличаются незначительно.

В Таблице 13, указаны результаты значений среднеквадратических отклонений диагностического признака наступления «заноса» 5Дг и разности отношений скоростей бортов .

Результаты заездов показали, что при повышении устойчивости и управляемости, относительная эффективность Автомобиля 2 по диагностическому признаку наступления «заноса» повысилась на 79,3 %. Относительная эффективность по разности отношений скоростей бортов повысилась, на 8,6 %.

Автомобиль 1 Автомобиль 2 Относительная эффективность Автомобиля 2

А у 5Аг = 0,23 м/с 5Аг = 0,0476 м/с 79,3 %

= 0,0266 = 0,0243 8,6 %

7.2.3. Испытание «Поворот Яп = 35 м» по ГОСТ Р 52302-2012

Далее проводятся заезды автомобилей по траектории «Поворот = 35 м» в соответствии со всеми требованиями, прописанными в ГОСТ 31507-2012. Траектории движения автомобилей показаны на Рисунках 7.6, а) и 7.6, б) соответственно. Управляющее воздействие на передние колеса в обоих случаях одинаковое. Начальная скорость испытания, соответствует 64 км/ч.

а)

90 80

н 70

£ 60 « 50

I 40

I 30 8 20

10

о

-10

—Траектория центра масс КМ —Граница коридора

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Координата X, [м]

б)

Из результатов заездов (Рисунок 7.6, а)) видно, что у Автомобиля 1 после проезда четверти круга наступил «занос» задней оси. Автомобиль 2 (Рисунок 7.6, б)) проехал указанный испытательный участок без выезда за пределы границы.

На Рисунке 7.7, а) показаны графики скоростей колёсных машин. На Рисунках 7.7, б) и 7.7, в), показаны графики диагностического признака наступления «заноса» Ау и разности отношений скоростей бортов соответственно:

70 65 '60

Ы 55 «

£50

<и

¡45 «

2 40

н

О

и 30 и

25

—Автомобиль 1 —Автомобиль 2

- -

— -

1

2 3 4

Время, [с]

а)

2 3 4

Время, [с]

б)

| 0.02

о ю

>К и н о о а. о

ЬЙ

Я в.

о

9

о ■

X Е-

О ■

5 -0.06

0

1 -0-07 £

0.01 о 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

1 -- -Автомобиль 1 —Автомобиль 2

-

- \ /

1 1

1 2 3 4 5 6

Время, [с]

в)

Рисунок 7.7. Графики параметров движения: а) - скоростей движения автомобилей; б) - диагностического признака наступления «заноса»; в) -разности отношения скоростей бортов

На Рисунке 7.7, а) видно, что у автомобиля без управляемых трансмиссионных узлов скорость снизилась до 27 км/ч, а с управляемыми - до 50 км/ч. Из Рисунка 7.7, б) видно, что при движении Автомобиля 1, система диагностирует «занос» задней оси. В Автомобиле 2 - система диагностирует отсутствие «заноса». На Рисунке 7.7, в), видно, что график разности отношения скоростей бортов в Автомобиле 1 отклонено от нуля.

В Таблице 14, указаны результаты значений среднеквадратических отклонений диагностического признака наступления «заноса» 5Дг и разности отношений скоростей бортов .

Результаты заездов показали, что у Автомобиля 2, относительная эффективность по диагностическому признаку наступления «заноса» повысилась на 93,8 %. Относительная эффективность по разности отношений скоростей бортов повысилась, на 76,1 %.

Автомобиль 1 Автомобиль 2 Относительная эффективность Автомобиля 2

Л^ 5Лг = 0,4481 м/с 5Лг = 0,0275 м/с 93,8 %

= 0,0436 = 0,0104 76,1 %

7.2.4. Испытание «Поворот Яп = 35 м» по опорному основанию «лед со снегом»

Проводятся заезды Автомобиля 1 и Автомобиля 2 по траектории «Поворот = 35 м» в соответствии с требованиями, изложенными в ГОСТ 31507-2012 при условии, что заезд проводится на опорном основании «лед со снегом». Траектории движения автомобилей показаны на Рисунках 7.8, а) и 7.8, б) соответственно. Управляющее воздействие на передние колеса в обоих случаях одинаковое. Начальная скорость испытания, соответствует 35 км/ч.

90 80 70 £ 60

а" 50

| 40 к

а зо

120 10

0

-10

—Траектория центра масс КМ —Граница коридора

■10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Координата X, [м]

а)

б)

Из результатов заездов при движении по опорному основанию «лед со снегом» (Рисунок 7.8, а)) видно, что у Автомобиля 1 после проезда четверти круга наступил «занос» задней оси. Автомобиль 2 (Рисунок 7.8, б)) проехал указанный испытательный участок без выезда за пределы границы.

На Рисунке 7.9, а) показаны графики скоростей колёсных машин. На Рисунках 7.9, б) и 7.9, в), показаны графики диагностического признака наступления «заноса» Ау и разности отношений скоростей бортов :

40 35

^30

*25 а

¡20 я

м .

Ч 1Ь

н0

¡10

Он

о с * 5 и

о

1 1 1 --- —Автомобиль 1

-----.—Автомобиль 2

\ :

1 1 1

III

о

у

Й

Е

«

К сх

с

«

к

И о а> V

5 -

и О

я

и

ей К

0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6

0

2 3 4

5 6 7 Время, [с]

а)

10 11

12

11111 ь-----------г- —Автомобиль 1 —Автомобиль 2

11111 1

2 3 4

5 6 7 Время, [с]

10

11

12

в)

Рисунок 7.9. Графики параметров движения: а) - скоростей движения автомобилей; б) - диагностического признака наступления «заноса»; в) -разности отношения скоростей бортов

На Рисунке 7.7, а) видно, что у автомобиля без управляемых трансмиссионных узлов скорость снизилась до 5 км/ч, а с управляемыми - до 30 км/ч. Из Рисунка 7.9, б) видно, что в Автомобиле 1 при прохождении испытания, система диагностирует «занос» задней оси, в то время как в Автомобиле 2 -система не диагностирует «занос» по причине его отсутствия. На Рисунке 7.9, в), видно, что график разности отношения скоростей бортов в Автомобиле 1 отклонено от нуля.

В Таблице 15, указаны результаты значений среднеквадратических отклонений диагностического признака наступления «заноса» 5Дг и разности отношений скоростей бортов .

Результаты заездов показали, что при повышении устойчивости и управляемости, относительная эффективность по диагностическому признаку наступления «заноса» повысилась на 89,1 %. Относительная эффективность по разности отношений скоростей бортов повысилась, на 82 %.

Автомобиль 1 Автомобиль 2 Относительная эффективность Автомобиля 2

А у = 0,2256 м/с 5Аг = 0,0245 м/с 89,1 %

= 0,0474 = 0,0085 82 %

7.2.5. Испытание «Поворот Яп = 35 м» с удержанием постоянной скорости

Далее проводятся заезды Автомобиля 1 и Автомобиля 2 по траектории «Поворот = 35 м» в соответствии с требованиями, изложенными в ГОСТ 31507-2012 при условии, что поддерживается постоянная скорость. Траектории движения автомобилей показаны на Рисунке 7.10, а) и 7.10, б) соответственно. Управляющее воздействие на передние колеса в обоих случаях одинаковое. Начальная скорость испытания, соответствует 57 км/ч.

а)

б)

Из результатов заездов (Рисунки 7.10, а) и 7.10, б)) видно, что Автомобиль 1 и Автомобиль 2 проехали испытательные участки без выезда за пределы границы.

На Рисунке 7.11, а) показаны графики скоростей колёсных машин. На Рисунках 7.11, б) и 7.11, в), показаны графики диагностического признака наступления «заноса» Ау и разности отношений скоростей бортов :

62

^61

^60

¡5 59

я 58 я

|57

а г/;

н 55

о

^54 о

£53

52

-- —Автомобиль 1

—Автомобиль 2

у/

3 4

Время, [с]

а)

0.02

сч о н а о

ю « ,

8 0.016 §0.014 «0.012

1 0-01 | 0.008 | 0.006

2 0.004 8 0.002 I О

та

Он

1111 -1- —Автомобиль 1 —Автомобиль 2

л/ \

!\\ /» Ллп —

№ V м -

1 _ . I I |

0 1 2 3 4 5 6

Время, [с]

в)

Рисунок 7.11. Графики параметров движения: а) - скоростей движения автомобилей; б) - диагностического признака наступления «заноса»; в) -разности отношения скоростей бортов

На Рисунке 7.11, а) видно, что испытуемые автомобили проезжают участок с равными скоростями. Из Рисунка 7.11, б) видно, что Автомобиль 1 при прохождении испытания, обладает склонностью к «заносу» задней оси, в то время как Автомобиль 2 - не склонен к «заносу». На Рисунке 7.11, в), графики разности отношения скоростей бортов, отличается незначительно.

В Таблице 16, указаны результаты значений среднеквадратических отклонений диагностического признака наступления «заноса» 5Дг и разности отношений скоростей бортов .

Результаты заездов показали, что при повышении устойчивости и управляемости, относительная эффективность по диагностическому признаку наступления «заноса» повысилась на 88,5 %. Относительная эффективность по разности отношений скоростей бортов повысилась на 10,6 %.

Автомобиль 1 Автомобиль 2 Относительная эффективность Автомобиля 2

А у БАу = 0,3378 м/с 5Аг = 0,0386 м/с 88,5 %

= 0,0179 = 0,016 10,6 %

7.2.6. Испытание «Поворот Яп = 35 м» по опорному основанию «лед со

снегом» и удержанием постоянной скорости

Далее проводятся заезды автомобилей по траектории «Поворот = 35 м» в соответствии с требованиями, изложенными в ГОСТ 31507-2012, при условии, что испытания приводятся на опорном основании «лед со снегом» и поддерживается постоянная скорость. Траектории движения автомобилей показаны на Рисунке 7.12, а) и 7.12, б) соответственно. Управляющее воздействие на передние колеса в обоих случаях одинаковое. Начальная скорость испытания, соответствует 35 км/ч.

а) б)

Из результатов заездов на опорном основании «лед со снегом» (Рисунки 7.12, а) и 7.12, б)) видно, Автомобиль 1 и Автомобиль 2 проехали испытательные участки без выезда за пределы границы.

На Рисунке 7.13, а) показаны графики скоростей колёсных машин. На Рисунках 7.13, б) и 7.13, в) показаны графики диагностического признака наступления «заноса» Ау и разности отношений скоростей бортов соответственно:

40

|39 ^38

¡37

§36 я

£35 |34 £ 33

о

£32 о

И 11

U 01

30

о

0.05

и

сЧ я го в "

Он

Я

ад я и

о

и

т

я ■

н

о

о X

и св я tí

0

0.05

-0.1

0.15

-0.2

-0.25

1 1 -1-1- —Автомобиль 1 —Автомобиль 2

-

1 i i i i i

5 6 7 Время, [с]

а)

10 11

12

i III —Автомобиль 1 —Автомобиль 2

\ а , J, , U " —-------- ' Ч».*»**

-

i i i i i i i 1

5 6 7 Время, [с]

б)

10 11

12

0.02

м о н о. о

ю «

1) н о

§-0.015

и

0

>я к я

U

1 0.005 я

н о

0.01

-о

о о я

С! cd Сц

О

1 1 --- -Автомобиль 1 —Автомобиль 2

-

1 1 II

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Время, [с]

в)

Рисунок 7.13. Графики параметров движения: а) - скоростей движения автомобилей; б) - диагностического признака наступления «заноса»; в) -разности отношения скоростей бортов

На Рисунке 7.13, а) видно, что испытуемые автомобили проезжают участок с равными скоростями. Из Рисунка 7.13, б) видно, что Автомобиль 1 при прохождении испытания, обладает склонностью к «заносу» задней оси, в то время как Автомобиль 2 - не склонен к «заносу». На Рисунке 7.13, в), графики разности отношения скоростей бортов, отличается незначительно.

В Таблице 17, указаны результаты значений среднеквадратических отклонений диагностического признака наступления «заноса» 5Дг и разности отношений скоростей бортов .

Результаты заездов показали, что при повышении устойчивости и управляемости, относительная эффективность по диагностическому признаку наступления «заноса» повысилась на 76,4 %. Относительная эффективность по разности отношений скоростей бортов повысилась на 11,7 %.

Автомобиль 1 Автомобиль 2 Относительная эффективность Автомобиля 2

А у = 0,3775 м/с 5Аг = 0,0889 м/с 76,4 %

= 0,0348 = 0,0307 11,7 %

7.2.7. Испытание «Переставка 8п = 20 м» по ГОСТ Р 52302-2012

Проводятся заезды Автомобиля 1 и Автомобиля 2 по траектории «Переставка Бп = 20 м» в соответствии со всеми требованиями, изложенными в ГОСТ 31507-2012. Траектории движения автомобилей показаны на Рисунке 7.14, а) и 7.14, б) соответственно. Управляющее воздействие на передние колеса в обоих случаях одинаковое. Начальная скорость испытания, соответствует 90 км/ч.

—Траектория центра масс КМ —Граница коридора_

^ 5 >- 4

<_.I

-2 -3

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Координата X, [м]

Из результатов заездов (Рисунок 7.14, а)) видно, что Автомобиль 1 потерял устойчивость. Автомобиль 2 проехал указанный испытательный участок без выезда за пределы границы (Рисунок 7.14, б)).

На Рисунке 7.15, а) показаны графики скоростей колёсных машин. На Рисунках 7.15, б) и 7.15, в) показаны графики диагностического признака наступления «заноса» Ау и разности отношений скоростей бортов соответственно:

а)

0.4 о1 0.3 Ü 0.2 i¿' 0.1 g о

со

a-oi с -0.2 1 -0.3

§■0.4

g-0.5 S -0.6 g-0.7 § -0.8 ä-0.9 -1

1 1 1 1 1 1 —Автомобиль 1

L. ____ м ж AfvS^i.^rtp^^5^^^—^л^- , . —Автомобиль 2

\ J \л

-

- í 1J H J M лЛЛД Ч

il

0.5

1.5

2 2.5 Время, [с]

3.5

4.5

б)

в)

Рисунок 7.15. Графики параметров движения: а) - скоростей движения автомобилей; б) - диагностического признака наступления «заноса»; в) -разности отношения скоростей бортов

На Рисунке 7.15, а) видно, что у автомобиля без управляемых трансмиссионных узлов скорость снизилась до 36 км/ч, а с управляемыми - до 87 км/ч. Из Рисунка 7.15, б) видно, что Автомобиль 1 при прохождении испытания, обладает склонностью к «заносу» задней оси и уходит в «занос», в то время как в Автомобиль 2 - не склонен к потере устойчивости. На Рисунке 7.15 в), при прохождении маневра графики разности отношения скоростей бортов отличаются незначительно, однако, после завершения маневра в Автомобиле 1 разность отношений скоростей бортов отклонена от нуля.

В Таблице 18, указаны результаты значений среднеквадратических отклонений диагностического признака наступления «заноса» 5Дг и разности отношений скоростей бортов :

Автомобиль 1 Автомобиль 2 Относительная эффективность Автомобиля 2

А у БАу = 0,3872 м/с 5Аг = 0,0373м/с 90,3 %

= 0,0568 = 0,0212 62,6 %

Результаты заездов показали, что при повышении устойчивости и управляемости, относительная эффективность по диагностическому признаку наступления «заноса» повысилась на 90,3 %. Относительная эффективность по разности отношений скоростей бортов повысилась, на 62,6 %.

7.2.8. Испытание «Переставка 8п = 20 м» по опорному основанию «лед со снегом»

Проводятся заезды Автомобиля 1 и Автомобиля 2 по траектории «Переставка Бп = 20 м» в соответствии с требованиями, изложенными в ГОСТ 31507-2012 при условии, что заезд проводится на опорном основании «лед со снегом». Траектории движения автомобилей показаны на Рисунках 7.16, а) и 7.16, б) соответственно. Управляющее воздействие на передние колеса в обоих случаях одинаковое. Начальная скорость испытания, соответствует 55 км/ч.

а)

б)

Рисунок 7.16. Траектория движения КМ: а) - Автомобиля 1;

б) - Автомобиля 2

Из результатов заездов на опорном основании «лед со снегом» (Рисунок 7.16 а)) видно, что Автомобиль 1 потерял устойчивость. Автомобиль 2 проехал указанный испытательный участок без выезда за пределы границы.

На Рисунке 7.17, а) показаны графики скоростей колёсных машин. На Рисунках 7.17, б) и 7.17, в) показаны графики диагностического признака

наступления «заноса» А V и разности отношений скоростей бортов А^ соответственно:

а)

0.2 -У 0.1

4 0 ¡-0.1 я-0.2

^ гл о

я -0.3

3| -0.4 * Л

8-0.5 я-0.6 8-0.7

£-0.9

-1

11111 1 1 |-|-1-1- —Автомобиль 1 —Автомобиль 2

- —ч

-

III 1 III

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Время, [с]

4.5

5.5

6.5 7

б)

| 0.06

I °"04 § 0.02 а

§ 0 о

-0.02

к

| -0.04

0

£ -0.06 £ -0.08

1 -0.1 Pu

II Г--- -Автомобиль 1 —Автомобиль 2

-

\ 1 \ /

III i i i i i i i