автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Динамика двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке

На правах рукописи УДК 629 1 028

Альскейф Камаль

Динамика двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке

Специальность (05 05 03 ) Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007 г

003161059

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им НЭ Баумана.

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

Фоминых А.Б

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Белоусов Б Н

кандидат техничесь их наук, профессор Селифонов В В Ведущая организация - ФГУП ГНЦ «НАМИ»

Защита диссертации состоится " 29 " октября 2007 г в 16 30 на заседании специализированного совета Д 21214107 в МГТУ им НЭ Баумана по адресу. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5

Ваши отзывы, заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н Э Баумана

Автореферат разослан "_" сентября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Для улучшения тяговой динамики полноприводных колесных машин (ПКМ) необходимо рациональное распределение мощности по колесам в зависимости от условий движения Теоретически идеальным является индивидуальный привод на каждое колесо, однако, из-за высокой стоимости он применятся редко, в основном, на многоосных ПКМ

Существующие сегодня две основные схемы привода' дифференциальный и блокированный - не позволяют достичь наилучших показателей работы колесной машины во всем диапазоне дорожных условий Так на сухой твердой дороге или плотном грунте лучшими качествами обладает дифференциальный привод С другой стороны, на скользкой дороге лучшими качествами обладает блокированный привод, позволяющий реализовать под каждым колесом максимально возможную в данных условиях силу тяги

Разрешением указанного противоречия было бы создание таких механизмов, которые, сохраняя дифференциальный эффект, обеспечивали бы оптимальное распределение тяговых усилий по колесам

В настоящее время существует целый ряд самоблокирующихся дифференциалов, принцип действия которых основан на использовании повышенного внутреннего трения По своим свойствам указанные механизмы занимают промежуточное положение между дифференциальным и блокированным приводом, приближаясь к одному из них в зависимости от величины коэффициента блокировки дифференциала

Еще одним способом решения этой проблемы являются противобуксовочные системы Однако это сопровождается уменьшением коэффициента полезного действия трансмиссии и соответствующим увеличением расхода топлива

Таким образом, является актуальной проблема совершенствования механизмов передачи мощности от двигателя к ведущим колесам, которая в данной работе решается за счет установки вариаторов на выходных валах межосевого дифференциала в раздаточной коробке двухосной ПКМ Иначе это можно назвать межосевым дифференциальным механизмом с переменным передаточным числом Это обеспечивает возможность перераспределения мощностного потока между ведущими мостами в зависимости от коэффициента сцепления между колесами и дорогой при сохранении дифференциальной связи между мостами и отсутствии дополнительных элементов трения, которые создавали бы блокирующий эффект и увеличивали потори в трансмиссии

Цель работы Разработка методики расчета динамики ПКМ, оборудованной межосевым дифференциальным механизмом с переменным передаточным числом Задачи работы

1. Разработка математической модели движения двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке

2 Разработка метода управления вариаторами, обеспечивающего оптимальное распределение мощностных потоков между ведущими мостами двухосной ПКМ

3 Разработка алгоритмов и программ расчета динамики двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке

4 Исследование динамики двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке в различных дорожных условиях

5 Сравнительная оценка тяговых качеств двухосной ПКМ с вариаторами и без них

Методы исследований В работе применены методы1 теории колебаний, имитационного математического моделирования, численные методы математического анализа

Объект исследований - полноприводный двухосный автомобиль полной массой 1,6 тонны

Научная новизна

1 Создана оригинальная математическая модель движения двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке, позволяющая моделировать динамику этой машины в различных дорожных условиях при разных законах управления вариаторами

2 Разработан метод управления вариаторами, обеспечивающий оптимальное распределение мощностных потоков между ведущими мостами двухосной ПКМ

Практическая ценность.

1. Увеличение тяговых возможностей полноприводной колесной машины за счет использования дифференциального механизма с переменным передаточным числом

2 Компьютерная программа, составленная на основе разработанной методики, позволяет на стадии проектирования определять нагрузки в трансмиссии двухосной ПКМ при движении в различных дорожных условиях

3 Подтверждена возможность и целесообразность полного отказа от коробки передач за счет использования вариаторов в раздаточной коробке не только для перераспределения мощностных потоков, но и для выполнения функции коробки передач при одинаковых законах изменения передаточных чисел в вариаторах

Реализация работы Результаты работы используются в учебном процессе в курсах лекций «Методы расчета и проектирования трансмиссий колесных машин», «Методы расчета и проектирования автомобиля», «Общие вопросы проектирования колесных машин», «Моделирование рабочих процессов» и в отделе СМЗ-2 НИИ СМ при проектировании новых образцов полноприводных колесных машин

Апробация работы Основные положения работы обсуждались на научных семинарах кафедры СМ-10 «Колесные машины» МГТУ им НЭ Баумана (2005,2006, 2007 г г )

Публикации Основные положения диссертации изложены в трех печатных работах

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка литературы (42 наименований) и приложения Работа содержит 167 страниц машинописного текста, 119 рисунков, 5 таблиц и приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность темы диссертации В первой главе проведен анализ работ, посвященных вопросам динамики, теории движения и проходимости колесных машин

Этим вопросам посвятили свои работы множество ученых как у нас в стране, так и за рубежом Е А Чудаков, М Н Летошнев, Г В Зимелев, Я С Агейкин, П В Аксенов, А С Антонов, В Ф. Бабков, СВ Бахмутов, Г Б Безбородова, А К Бируля, Н Ф Бочаров, Б Н Белоусов, Н А Бухарин, М Д Брегадзе, В В Ванцевич, А Н Вержбицкий, Р В Вирабов, С Г Вольский, М С Высоцкий, О И Гируцкий, А И. Гриппсевич, В Н Добромиров, Ю А Ечеистов, Н Т Катанаев, А Л Карунин, Н Г Ковалев, А С Ковальчук, К С Колесников, Н И Коротоношко, Г О Котиев, Н Ф Кошарный, Г М Кутьков, С Г Макаров, В И Митрофанов, В Н Наумов, В В Немцов, В А Петрушов, Ю В Пирковский, В Ф Платонов, И А Плиев, А Ф Полетаев, А А Полунгян, В В Селифанов Г А Смирнов, М П Чистов, В С Фалькевич, Я Е Фаробин, В М Шарипов, С А Шуклин, СБ Шухман, Н Н Яценко и другие ученые

Вопросы повышения проходимости и эксплуатации также были и остаются в центре внимания таких специалистов как А В Келлер, В В Ванцевич, А В Ефимов, А С Переладов, Р В. Быков, К Н Семендяев и др

Анализ вышеприведенных работ показывает, что для уверенного движения в дорожных условиях при различии условий сцепления колес с дорогой, необходимо перераспределять мощностные потоки Однако все решения предложенные авторами, сводятся к добавлению элементов трения в трансмиссию, что вызывает потери мощности и ухудшает экономические показатели КМ

Обзор показывает что, отсутствуют конструкции, которые позволяют обеспечивать дифференциальную связь между выходными валами агрегатов трансмиссии колесной машины и дают возможность распределять моменты на этих валах в соответствии с тяговыми возможностями связанных с ними ведущих колес, чтобы обеспечить уверенное движение машины по дорогам с нестабильными характеристиками В идеале для преодоления трудных участков дороги необходимо, чтобы крутящие моменты, подаваемые к мостам, были пропорциональны их сцепным весам и коэффициентам сцепления шин с дорогой

Сцепной вес еще может быть с достаточной точностью учтен введением соответствующего передаточного числа дифференциала, например, ид =-1 (для дифференциалов в мостах у всех автомобилей и для дифференциалов в раздаточных коробках у машин с колесной формулой 4x4 при равной развесовке) или ид =-2 (для межосевого дифференциала в раздаточной коробке для машин с колесной формулой 6x6) Заранее же учесть переменный коэффициент сцепления колеса с дорогой не представляется возможным

Поэтому, чтобы не вводить дополнительные элементы трения и не ухудшать экономические показатели КМ, для обеспечения уверенного движения КМ в различных условиях эксплуатации предлагается после выходных валов межосевого дифференциала установить два вариатора

В связи с вышеизложенным были поставлены цели и задачи, сформулированные вьппе

Во второй главе дается схема предлагаемой конструкции раздаточной коробки с вариаторами (см рис 1)

ДВС КП РК с 2 я Вариаторами

Передм/имсст Задоиимосг

Рис 1 Кинематическая схема трансмиссии двухосной полноприводной колесной машины, оборудованной межосевым дифференциальным механизмом с переменным передаточным числом

Предложенная конструкция позволяет обеспечивать дифференциальную связь между выходными валами раздаточной коробки н дает возможность распределять моменты на этих валах в соответствии с тяговыми

возможностями связанных с ними ведущих колес, что обеспечивает уверенное движение машины по дорогам с нестабильными характеристиками

При увеличении частоты вращения переднего моста по сравнению с частотой вращения заднего моста, сигнал рассогласования этих частот дает команду исполнительным механизмам на сближение конических дисков на ведущем валу вариатора переднего моста и на раздвигание таковых на ведомом валу Для ускорения реагирования желательно в вариаторе заднего моста обеспечить противоположный процесс При этом происходит увеличение момента на валу заднего моста по сравнению с моментом, передаваемым на вал переднего моста

Для исследования динамики двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке была составлена динамическая модель, представленная на рис 2 При этом движение колесной машины считалось плоским вдоль оси X без отрыва колес от полотна дороги Колебания корпуса машины в вертикальном и продольно-угловом направлениях не учитывались, однако, для расчета предельных моментов по сцеплению колес с дорогой принималось во внимание перераспределение вертикальных нагрузок на колеса передней и задней осей в процессе разгона Демпфирование в трансмиссии принималось линейным, однако, при расчете собственных частот колебаний оно не учитывалось

Числовые значения параметров динамической системы приняты равными соответствующим значениям для автомобиля ВАЗ-2121, но считалось , что в

переменным передаточным числом

Движение указанной колесной машины по твердой дороге описывается следующей системой уравнений

г

^ДВ 05 ДВ = -^ДВ — "^ДЕМПФ »

А ®1 — -^ДЕМПФ ~ '^СЦ >

к ю2 = МСЦ Мушя ,

Ь 1 - Л/упр23 ^КП ^ДИФ >

К ! ®4 2 7 7 ^УПР46 т т 5 игп

Ь ®5 _МДИФ 2 г ^У11Р57 ^ уаг2 | т '

Ь ®6

/7 •ш7 = МУЦР57 —В-Х2 ГК

та - + ~ -^СОПР >

где /да - момент инерции вращающихся частей двигателя и маховика; /, - момент инерции соответствующего звена, та - масса автомобиля, тдв -частота вращения вала двигателя, (01 — частота вращения соответствующего звена, Уа— скорость автомобиля, Мщ(&дВ) — момент, развиваемый двигателем, Мсц — момент, развиваемый сцеплением, МдКМГ1ф —момент

упругих сил демпфера крутильных колебаний, £/гп — передаточное число главной передачи,

^ДЕМПФ = СуПРДЕМ (фдВ — чО+^УПРДЕМ (фдв ~~ Ф) );

МУПРи =СупРи (ф,-$])+вуп?м (ф, -фу) - момент упругих сил между массами с моментами инерции I, и 1}, СУт и Bmnj- коэффициенты жесткости и демпфирования между этими массами,

RXl = Ry. ju:(Ss¡)- сила трения в пятне контакта ведущего колеса, RZI, RZ2— вертикальная реакция в пятне контакта соответствующего колеса,

RZ\ =[та g cos(a) (L-l)-ma g sm(a) h-ma a h-Fw hw]/L , R72 = [ma g cos(a) l + ma g sm(a) h + ma a h + Fn hw\tL, S6-¡,S62- коэффициент буксования соответствующего колеса,

Л =

\a>r

если (úk rK > va, и S5

К

если &>„ r„ < v

Г —1 ( ^Л

ф \-es0 l + e Sl

\ V /

- коэффициент сцепления колеса, S0 и 5, -

некоторые постоянные для конкретной дороги, а- ускорение автомобиля, гк - радиус качения колеса в свободном режиме, = К ■ Р V2 -сила сопротивления воздушного потока, К — коэффициент обтекаемости; Р — площадь лобового сечения автомобиля, К-т<, g 8ш(аг)- сила сопротивления, вызванная наклоном дороги, Му - момент сопротивления качению колеса, Мр = Rzl / гк при (лк > 0 рад/сек, М/| = МУПРК при 0)^=0 рад/сек И Муш,46 < II7Л М/2 = К-гг / гк при ак>0 рад/сек,

мп = муш"л при <°к=0 рад/

сек и МШК1 < Rzl

f гк,

f гк>

Уравнение связи угловой скорости входного вала дифференциала и угловых скоростей масс, установленных на выходных его валах, было получено в следующей дифференциальной форме

f

—ОУ £/вд>1+ —

dt 4 BAP1 С/,

и»

ю,

. V

dt

(Os +

dt в

и*.

со.

Момент трения в сцеплении Тс задавался в виде Тс = тсст (1 - е~" ),где к=3//с, гс - время полного включения сцепления, Тсст -статический момент трения в сцеплении

Для расчета параметров демпфирования в динамической системе и определения возможных резонансных режимов был произведен расчет б

собственных частот колебаний трансмиссии Для этого динамическая система была приведена к крутильной и к валу двигателя (рис 3) с заменой массы машины тана 1,х = та При этом инерционные и упругие параметры полученной системы, также как и ее собственные частоты /, будут зависеть от передаточных чисел вариаторов В таблице 1 значения собственных частот колебаний даны при минимальных (0,4), средних (1,4) и

максимальных (2,4) значениях передаточных чисел вариаторов ит = С/Д2

Ли .Ту

Мдв

ЛУ IV!

Рис 3 Крутильная динамическая система

Таблица 1

Расчетные значения собственных частот колебаний / (Гц)

Передаточные числа вариаторов иВ1=ЦВ2

24 1 4 04

л 0 0 0

/г 1,5 1,69 3,43

/з 19 18,6 17,91

Л 19,1 18,6 18,41

А 81,2 77,86 52,1

/. 339,2 289,85 112,97

Л 422,4 377,12 233,75

/а 1134,3 786,64 586,3

Л 1134,9 791,04 608,6

В третьей главе полученная выше математическая модель была реализована в виде программы в среде имитационного моделирования БтшЬпк 4 0 пакета МАТЪАВ 6 5. Блок- схема указанной программы представлена на рис 4

При разработке метода управления вариаторами, обеспечивающего оптимальное распределение мощноетных потоков между ведущими мостами двухосной ПКМ было выделено два отдельных алгоритма

- алгоритм синхронного управления вариаторами, обеспечивающий разгон КМ и поддержание постоянной скорости движения машины и постоянной угловой скорости вращения вала двигателя (рис 5),

- алгоритм регулирования передаточных чисел вариаторов в зависимости от буксования колес (рис 6)

Рис.4 Блок-схема расчета динамики колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке в среде 8тш1тк пакета МАТЪАВ

В начальный момент времени, Д = 0, koeff of err = 0 а передаточные числа вариаторов равны максимальному значению ( UBAP = ивАРШЛ.)

В зависимости от предполагаемого режима движения и интенсивности разгона водитель задает конечную частоту вращения вала двигателя <удво Как только автомобиль тронулся с места и сцепление прекратило буксовать начинает работать алгоритм синхронного управления вариаторами В начале алгоритма определяется разность До между заданным значением угловой скорости двигателя юдао и ее фактическим значением двигателя идв

В зависимости от величины ошибки Дш определяется значение коэффициента ошибки (Кое1Т_о^егт), а в зависимости от знака Лю определяется направление регулирования передаточных чисел

Не а одкые иав&ые Koeff_of_err = О. Щщ, ж 400 padlcex

Щаг -

tMPjM*

| Дф^чйда.-фда j

да

В

toff -OJ_*«■

I'm.

-Ь-| Буксоваиаккоясс

нет ¡г >rr

'-'ВАР "BAJ»_esa

Fp

tr,

^tW+A 1

J

Рис 5 Алгоритм синхронного управления вариаторами Так, например, если Д<в < 0, то для уменьшения угловой скорости вала двигателя <ow=Vau /г к при Va = const передаточные числа вариаторов

надо уменьшать с определенной интенсивностью А, пропорциональной коэффициенту ошибки (и максимально допустимой скорости изменения передаточного числа) UBAP = UBAP - Д Чтобы обеспечить максимально динамичный разгон необходимо задать юдао равной &>ДВ1ч (угловой скорости вала двигателя при максимальной мощности) Тогда до достижения шда значения ®да будет поддерживаться максимальные значеня UBAf = 2,4, а затем при шдв > а>дач UBAP будет уменьшаться до значения 0,4 Для случая Дсо > 0 - все аналогично, кроме направления изменения передаточных чисел ,+Д

Если имеет место буксование одного из мостов, то вступает в действие алгоритм регулирования передаточного числа вариаторов в зависимости от буксования колес (см рис 6), который работает следующим образом

Исходные данные

^BbPjwn ,^ВАР_ПШ Л'зАР

ViV , <%

^ваа*

— Z/доз

Рис 6 Алгоритм регулирования передаточных чисел вариаторов

в зависимости от буксования колес На основании данных с датчиков угловой скорости колес (предполагается наличие АБС) определяется коэффициент буксования SBl для соответствующего моста При условии, если коэффициент буксования SE| какого либо из мостов становится больше определенного значения, соответствующего максимальному значению коэффициента сцепления для данной дорожной поверхности (max /j(S,)), вариатор начинает плавно менять

■-и,.

-dUR.

свое передаточное число в сторону его уменьшения СВАР - ^ мр -интенсивностью, которая определяется некоторой задаваемой величиной "УНУ" ( с целью уменьшить тягу на буксующем колесе) Это происходит до тех пор, пока буксование колее не станет меньше определенного значения, например,^ < 0 08 Тогда передаточное число вариатора начинает меняться в обратную сторону (или остается на уровне, до которого успело измениться)

Определение типа регулирования (см рис 6) передаточных чисел вариаторов по буксованию явилось одной из основных задач при разработке закона управления вариатором При движении по наклонной опорной поверхности с постоянным коэффициентом сцепления с большим углом наклона при проскальзывании переднего моста, вызванного уменьшением сцепного веса, целесообразно уменьшить передаточное число от ю

дифференциала до переднего моста и одновременно увеличить от дифференциала до ■заднего моста. Тем самым можно добиться распределения крутящего момента между осям» в соответствии со сцепным несом. В идеальном случае система должна заранее, до появления буксования колес (вызванного уменьшением сцепным веса) распределить крутящий момент между осями. Это можно сделать на основании либо показаний датчика угла наклона, устанавливаемого в КМ, либо на основании существующих алгоритмов определения угла наклона дороги, которые в последнее время получили широкое распространения, особенно в системах управления автоматическими коробками передач (в частности, на большегрузных КМ). Однако, при движении по той же опорной поверхности с небольшим углом наклона, но с участками, на которых коэффициент сцепления очень мал (например, лед) и размеры которых меньше базы автомобиля, использование такого типа регулирования передаточного числа может привести к запаздыванию уменьшения буксовании. Поэтому в данном случае выбор закона регулирования по буксованию осуществляется в зависимости от угла а наклона дороги (см. рис. 6).

В четвертой главе проведено сравнение результатов расчета трогания с места КМ с вариаторами в раздаточной коробке при постоянных максимальных передаточных числах в вариаторах с результатами экспериментальных исследований трогания с места автомобиля ВАЗ-2121 на первой передаче в коробке передач. Сравнение производилось для дифференциальных и блокированных трансмиссий и показало одинаковый характер протекания крутящих моментов на валах трансмиссии и близость максимальных их значений (см. рис, 7).

при буксовании ПКМ с дифференциальным приводом: _расчет,---эксперимент

13 пятой главе приведены результаты расчета динамики двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке в различных дорожных условиях при фиксированных значениях передаточных чисел вариаторов, а также при синхронном и несинхронном их изменении. В частности, на рис. 8 -10 представленье результаты расчета движения двухосной ПКМ в гору с углом подъема 15° и при случайном изменении коэффициента сцепления <Рот 0,6 до 0,1.

! I Iii Ц iJUÜ IjU IJI__I LJ J__I II IUI

II

Pnd8. Изменения коэффициентов сцепления q>. и <p. под колесами переднего и заднего мостов и передаточных чисел вариаторов U aAt4 и U ВЛИ при движении ПКМ в гору с углом подъема «=15°

- ■■ ■ .У ------- - ' * * '"-у

1

ГШ

Рис.9. Изменения угла а , угловой скорости и момента двигателя и скорости ПКМ при движении в гору с yi лом подъема а = 15°

z ■Л -v.——■■J' ^vu,^/ V.-A- / V- -'.-«wV

>№, г _ rbfiS'MV—1 ртУ^Л

5" ||| f. —---—4--1——-■ ■ ■ ■ .---j----

Рис, 10. Изменения уг ловых скоростей Я крутящих моментов па колесах переднего и заднего мостов при движении ПКМ в гору с углом подъема 15"

На рис. И-\2 показаны результаты расчета движение двухосной ПКМ в гору с углом подъема 31 и при значении коэффициента сцепления (р = 0,6.

Рис. 11. Изменения коэффициентов буксования под колесами переднего и заднего мостов и передаточных чисел вариаторов и плр и ивдР1 при движении ИКМ в гору с углом подъема а ~ 31 °

Ж/ ^ ^ ' --л-Ч/

Рис.12. Изменений угловой скорости и момента двигателя и моментов на колесах переднего И заднего мостов при движения ПКМ н гору с углом

подъема а = 31°

Некоторые результаты расчетов сведены в табл. 2 и 3, из которых ясли, что при регулировании передаточных чисел в вариаторах максимальный угол подъема на 6-20% больше, чем при фиксированном максимальном передаточном числе (+Датак,°/о).

Таблица 2

Максимальные углы подъема «тах (град ) при различных условиях по сцеплению Ф и различных фиксированных передаточных числах

^BAPl = UBAP2 = const _

^ВАР1,2 Коэффициент сцепления ф

од 0,3 0,6 0,8

2,4 5 17 29 34

2,0 5 17 29 34

1,6 5 17 26 29

1,2 5 16 20 21

0,8 5 12 12 12

0,4 4 4 4 4

Таблица 3

Максимальные углы подъема «тах при различных условиях по сцепления <р _при регулировании передаточных чисел в вари аторах_

9 0,1 0,3 0,6 0,8

а<ж* > град 6 19 32 36

+А 20 12 10 6

В шестой главе проведено сравнение тяговых возможностей и энергетических затрат двухосной ПКМ с вариаторами и ПКМ с самоблокирующимся дифференциалом

При подъеме ПКМ с вариаторами на предельный угол на дороге со стабильными характеристиками суммарный момент на два« ведущих мостах в случае регулирования вариаторов равен = Мкл + МК2.

В тех же условиях при отсутствии регулирования вариаторов и введении трения в дифференциал суммарный момент на двух ведущих мостах равен = МК2 + МК2 = 2Мкг

При отсутствии регулирования вариаторов в дифференциале и отсутствии трения в нем суммарный момент на двух ведущих мостах не будет превышать величину = Мкх + МК1 = 2 Мкх

Относительное увеличение силы тяги ПКМ с вариаторами по сравнению с обычным межосевым дифференциалом равно

_ МЪ1 ~мъг _ {МК1 +МК2)-2МК1 _ Мк2-Мкх

APn4D =-

Мъъ 2МК[ 2 МК1

Относительное уменьшение суммарного крутящего момента на обоих ведущих мостах для ПКМ с вариаторами по сравнению с ПКМ с самоблокирующим дифференциалом равно

ш _мТ2~ми _ 2Мк2 -(Мк1 +мк2)_ МК2 -МК1 ВАР МХ2 2МК2 2МК2

Умножив значения крутящих моментов на соответствующие им значения угловых скоростей, получим относительное снижение энергетических затрат при подъеме ПКМ с вариаторами по сравнению с 1ЖМ с самоблокирующим дифференциалом

/УУ,

АВАР

_МК 2

ю

т

-мк

ю»

2 М

кг

Таблица 4

<р 08 06 03

«тах 36° 32° 19°

А^вар % 16 7 16 5 95

ДМВАР % 12 8 12 5 79

ДЛ^ВАР% 119 И 8 75

Определение икерц»штых, уяругих нг

:1НССПН;ПН1'-ЫДХ етарвмегро» якнамичщской

«гисгемы дыу.чиетпЗ 1ЖМ «а «ыриачорим» 1'1С

Задана: диа<шони {Кя^Нрований передахо^шых чисел »араахоров

Форашромвие дияаштееешй системы ПКМ

Состаалеше математической-модели движений двухосной ПКМ

программы » срсле Бзтг*к1ок

Заданно ?вкоиов упраалснгя лартггорами в РК

Решеш-ш уравнений динамики двухосной ПКМ с выбранных

законов угкршшеыпя шрнагоршк

Шмевенне диагшюка передаточных «тоея

Рис 13 Методика расчета динамики ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Разработана методика расчета динамики двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке

2 Разработаны оригинальные математические модели движения двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке

3 Разработан метод управления вариаторами, обеспечивающий оптимальное распределение мощностных потоков между ведущими мостами двухосной ПКМ

4 Разработаны алгоритмы и программы расчета динамики двухосной ПКМ с вариаторами в раздаточной коробке

5 Результаты исследования подтвердили возможность с помощью установки вариаторов в раздаточную коробку перераспределения мощностных потоков между ведущими мостами двухосной ПКМ в зависимости от коэффициента сцепления между колесами и дорогой при сохранении дифференциальной связи между мостами и отсутствии дополнительных элементов трения, которые создавали бы блокирующий эффект и увеличивали потори в трансмиссии

6 Применение вариаторов в раздаточной коробке обеспечивает на предельных режимах движения уменьшение мощностных затрат до 11,9 % по сравнению с использованием дифференциалов с повышенным трением

7 В результате исследования динамики двухосной ПКМ, оборудованной межосевым дифференциальным механизмом с переменным передаточным числом в различных дорожных условиях, подтверждена возможность и целесообразность отказа от коробки передач за счет использования вариаторов в раздаточной коробке не только для перераспределения мощностных потоков, но и для выполнения функции коробки передач при одинаковых законах изменения передаточных чисел, что дает определенный экономический эффект за счет уменьшения массы трансмиссии

Основные положения диссертации отражены в следующих работах

1 Фоминых А Б, Камаль Альскейф Дифференциальный механизм с переменным передаточным числом // Известия ВУЗ'ов Машиностроение -2006 -№12 - С 37-42

2 Камаль Альскейф, Фоминых А Б Математическая модель движения по ровной дороге двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке //Известия ВУЗ'ов Машиностроение -2007 -№07 -С 32-36

3 Альскейф Камаль Динамика двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке // Известия ВУЗ'ов Машиностроение -2007 -№08 - С 44-48

Подписано к печати 24 09 07 Заказ № 655 Объем 1,0 печ л Тираж 70 экз Типография МГТУ им Н Э Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ССЛЕДОВАНИЯ

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОЛЕСНОЙ МАШИНЫ.

2.1. Составление динамической системы.

2.2. Расчет необходимого значения постоянного передаточного числа в раздаточной коробке.

2.3. Расчет параметров динамической системы колесной машины.

Определение коэффициентов трения.

Результаты и выводы.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В СРЕДЕ SIMULINK ПРОГРАММЫ

MATLAB.

3.1. Блок-схема программы моделирования.

3.2. Разработка метода управления вариаторами.

Результаты и выводы.

Глава 4. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ АДЕКВАТНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

Результаты и выводы.

Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ МЕШИНЫ

В РАЗЛИЧНЫХ ДОРОЖНЫХ УСЛОВИАХ.

5.1. Моделирование движения ПКМ с вариаторами при фиксированных значениях и синхронном изменении передаточных чисел вариаторов.

5.1.1. Движение по дороге с коэффициентом сцепления ф = 0.8.

5.1.2. Движение по дороге с коэффициентом сцепления ф = 0.3.

5.1.3. Движение по дороге с коэффициентом сцепления ф = 0.6.

5.2. Моделирование движения ПКМ с вариаторами при автоматическом управлении передаточными числами вариаторов.j j

5.3. Влияние скорости регулирования передаточных чисел вариаторов на динамику ПКМ при движении в гору.

Результаты и выводы.

Глава 6. СРАВНЕНИЕ ТЯГОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ КМ С ВАРИАТОРАМИ И БЕЗ НИХ.

Результаты и выводы.

Как известно, тяговая динамика и топливная экономичность являются одними из основных эксплуатационных свойств колесных машин. Для полноприводных машин существенна также и подвижность.

Опыт эксплуатации, а также экспериментальные и теоретические исследования показывают, что на эти свойства значительное влияние оказывает схема подвода мощности к ведущим колесам.

Для улучшения указанных эксплуатационных свойств полноприводных колесных машин (ПКМ) необходимо рациональное распределение мощности по колесам в зависимости от условий движения. Теоретически идеальным является индивидуальный привод на каждое колесо, однако, из-за высокой стоимости он применятся редко, в основном, на многоосных ПКМ.

Существующие сегодня две основные схемы привода: дифференциальный и блокированный - не позволяют достичь наилучших показателей работы колесной машины во всем диапазоне дорожных условий. Так на сухой твердой дороге или плотном грунте лучшими качествами обладает дифференциальный привод. Он позволяет колесам двигаться по разным траекториям, не создавая дополнительных нагрузок на трансмиссию. Применение блокированного привода в этом случае при наличии кинематического несоответствия может приводить к возникновению циркуляции паразитной мощности. С другой стороны, на скользкой дороге дифференциальный привод обладает существенным недостатком, так как уменьшение силы тяги колес одного моста вследствие снижения сцепления вызывает уменьшение силы тяги колес другого моста. Наилучшими качествами в этих условиях обладает блокированный привод, позволяющий реализовать под каждым колесом максимально возможную в данных условиях силу тяги. Разрешением указанного противоречия было бы создание таких механизмов, которые, сохраняя дифференциальный эффект, обеспечивали бы оптимальное распределение тяговых усилий по колесам.

В настоящее время существует целый ряд самоблокирующихся дифференциалов принцип действия которых основан на использовании повышенного внутреннего трения. По своим свойствам указанные механизмы занимают промежуточное положение между дифференциальным и блокированным приводом, приближаясь к одному из них в зависимости от величины коэффициента блокировки дифференциала. Указанный тип привода не позволяет полностью реализовать сцепной вес машины во всем диапазоне дорожных условий, а увеличение коэффициента блокировки снижает дифференциальный эффект.

Еще один тип - дифференциальный привод с ограниченным передаточным отношением, который также можно классифицировать как дифференциально-блокированный. У данного типа привода отношение угловых скоростей выходных звеньев дифференциала не может превысить некоторой конструктивно заданной величины, после чего в работу вступает механизм блокировки, увеличивающий момент на отстающем валу.

Еще одним способом решения этой проблемы являются противобуксовочные системы. Однако это сопровождается уменьшением коэффициента полезного действия трансмиссии и соответствующим увеличением расхода топлива.

Таким образом, является актуальной проблема совершенствования механизмов передачи мощности от двигателя к ведущим колесам, которая в данной работе решается за счет установки вариаторов на выходных валах межосевого дифференциала в раздаточной коробке двухосной ПКМ. Иначе это можно назвать межосевым дифференциальным механизмом с переменным передаточным числом. Это обеспечивает возможность перераспределения мощностного потока между ведущими мостами в зависимости от коэффициента сцепления между колесами и дорогой при сохранении дифференциальной связи между мостами и отсутствии дополнительных элементов трения, которые создавали бы блокирующий эффект в трансмиссии.

5. Результаты исследования подтвердили возможность с помощью установки вариаторов в раздаточную коробку перераспределения мощностных потоков между ведущими мостами двухосной ПКМ в зависимости от коэффициента сцепления между колесами и дорогой при сохранении дифференциальной связи между мостами и отсутствии дополнительных элементов трения, которые создавали бы блокирующий эффект и увеличивали потори в трансмиссии.

6. Применение вариаторов в раздаточной коробке обеспечивает на предельных режимах движения уменьшение мощностных затрат до 11,9 % по сравнению с использованием дифференциалов с повышенным трением.

7. В результате исследования динамики двухосной ПКМ, оборудованной межосевым дифференциальным механизмом с переменным передаточным числом в различных дорожных условиях, подтверждена возможность и целесообразность отказа от коробки передач за счет использования вариаторов в раздаточной коробке не только для перераспределения мощностных потоков, но и для выполнения функции коробки передач при одинаковых законах изменения передаточных чисел, что дает определенный экономический эффект за счет уменьшения массы трансмиссии.

174

1. Макаров С.Н. Метод улучшения управляемости автомобилей многоцелевого назначения путем регулирования стабилизации управляемых колёс: Дис. . канд. техн. наук: 20.02.14/Рязань. -М., 1998.-140с.

2. Агейкин Я.С. Проходимость автомобиля- М.: Машиностроение, 1981.-232с.

3. Шухман С.Б. Исследование и разработка метода повышения эффективности колёсных машин за счёт рационального типа силового привода: Дис. . докт. техн. наук: (НАМИ). -М., 2001.-371с.

4. Чудаков Д.А. Основы теории трактора и автомобиля. -М.: Сельхозиздат, 1962. -312с.

5. Энергонагруженность и надежность дифференциальных механизмов транспортно-тяговых машин / А.Х. Лефаров, М.С. Высоцкий, В.В. Ванцевич, Кабанов В.И. Минск, 1991. -240с.

6. Пирковский Ю.В. Полноприводный легковой автомобиль. Достоинства и недостатки // Автомобильная промышленность. -1991. -№ 6. -С. 6-8.

7. Аксенов П.В. Многоосные автомобили. -М.: Машиностроение, 1989, -280с.

8. Советские тракторы / Под ред. И.Б. Барского. -М.: Машиностроение, 1970. -369с.

9. Григоренко Л.В., Колесников B.C. Динамика автотранспортных средств. Теория, расчёт передающих систем и эксплуатационно-технических качеств. -М.: Волгоград: Комитет по печати и информации, 1998. -544с.

10. Лефаров А.Х. Топливная экономичность автомобиля-тягача МАЗ-501с межосевым дифференциалом // Автомобильная промышленность.-1966. -№8. -С. 29-30.

11. Влияние типа силового привода трёхосного автомобиля на расход топлива при движении по твёрдой опорной поверхности / А.В. Филюшкин, Н.Ф. Бочаров, П.П. Пугин, В.М. Семенов // Автомобильная промышленность. -1966.-№1.-С. 14-17.

12. Пирковский Ю.В., Шухман С.Б. Коэффициент приспособляемости двига-теля и мощностной баланс системы «Двигатель-движитель » // Автомобиль-ная промышленность. -1997. -№5. -С. 18-20.

13. Чудаков Е.А. Теория автомобиля. -М.: Машгиз, 1950. -466с.

14. Пирковский Ю.В. Влияние конструктивной схемы привода к передним ведущим колёсам автомобилей на их тяговые и экономические качества // Автомобильная промышленность. -1963. -№1. -С. 15-18.

15. ГОСТ 24410-80. Тракторы сельскохозяйственные. Трансмиссии. Технические требования. -М.: Изд-во стандартов, 1980. -4с.

16. Ефимов А.В. Влияние дифференциала с ограниченным передаточным отношением на КПД буксования колёсной машины: Дис. . канд. техн. наук: 05.05.03/Волгоград. -М., 2002.-135с.

17. Быков Р.В. Улучшение параметров движения трёхосного полноприводного автомобиля по твёрдой опорной поверхности отключением отдельных ведущих мостов: Дис. . канд. Техн. Наук: 05.05.03/Челябинск. -М., 2003 .-157с.

18. Переладов А. С. Метод повышения эффективности полноприводных автомобилей с учётом негативного влияния движителя на грунт: Дис. . канд. техн. наук: 05.05.03. -М., 2004.-187с.

19. Немцов В.В. Снижение динамических нагрузок в трансмиссии полноприводных автомобилей 4x4 при движении в составе автопоезда: Дис. . канд. техн. наук: 05.05.03. -М., 1983.-170с.

20. Бригадзе М.Д. Разработка методики расчёта нагрузочных режимов полноприводных автомобилей в условиях сельскохозяйственногопроизводства: Дис. канд. техн. наук: 05.05.03. -М., 1998.-144с.

21. Ковальчук А .С. Разработка методики имитационного моделирования динамики движения и снижения максимальных нагрузок в трансмиссии перспективных грузовых автомобилей: Дис. . канд. техн. наук: 05.05.03. -М., 1990. -142 с.

22. Белоусов Б.Н. Методы оценки вертикальных нагрузок в ходовой части сочленённых колёсных машин и обоснование параметров узла сочленения звеньев: Дис. канд. техн. наук. -М., 1986. -273с.

23. Скойбеда А.Т. Автоматизация ходовых систем колёсных машин. -М.: Наука и техника, 1979. -280с.

24. Келлер А.В. Повышение проходимости автомобиля с межколесным дифференциалом ограничением буксования ведущих колес: Дис. .канд. техн. наук. Челябинск, 1999.-136с.

25. Белкин А.Е., Нарекая H.JI. Конечно-элементный анализ контакта автомобильной шины с опорной поверхностью на основе оболочечной модели И Известия Вузов. Машиностроение. -2004. -№3(56). С. 14-28.

26. Купреянов А.А., Геккер Ф.Р. Исследование колебаний силовой передачи колесной машины при взаимодействии протектора с твёрдым покрытием // Известия Вузов. Машиностроение. -1981. -№7. -С. 21-28.

27. Смирнов Г.Л. Теория движения колесных машин. -М.: Машиностроение, 1990. -352с.

28. Дик А.Б. Расчет стационарных и нестационарных характеристик тормозящего колеса при движении с уводом: Дис. .канд. техн. наук: МАМИ. -М., 1988. -256с.

29. Белкин А.Е., Разработка системы моделей и методов расчёта напраженно-деформированного и теплового состояния автомобильных радиальных шин: Дис. .докт. техн. наук: МГТУ. -М., 1998. -284 с.

30. Потураев В.Н., Никитина Л.Б. Расчет нестационарных температурных полей в пневматической шине // Автомобильная промышленность. -1969. -№ 9. -С. 26-28.

31. Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов в 2т.Т.2 / Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Л.Ф. Жеглов, и др.; Под общ. ред. А.А. Полунгяна. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 640 с.

32. Дифференциалы колесных машин / А.Ф. Андреев, В.В. Ванцевич, А.Х. Лефаров; Под общ. ред. А.Х. Лефарова. -М.: Машиностроение, 1987. -176с.

33. Шеломков С.А. Метод управления мощностными потоками в электротрансмиссии полноприводной многоосной колесной машины: Дис.канд. тех. наук: МГТУ. -М., 2007. -269с.

34. Лахтюхов М.Г., Иванов В.А., Лопотов В.А. Бесступенчатая трансмиссия транспортного средства // Материал международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ.-М., 2006.-С.262-270.

35. Методика экспериментальной оценки характеристик системы ( шина опорная поверхность) / А.А. Купреянов, Л.Ф. Жеглов, Д.А. Соболев, Д.А. Шаруев И Проблемы шин и резинокордных композитов: 14-й симпозиум.-М,2004. -С. 26-31.

36. Фоминых А.Б., Альскейф Камаль. Дифференциальный механизм с переменным передаточным числом // Известия ВУЗов. Машиностроение. -2006.-№12. -С. 37-42.

37. Альскейф Камаль, Фоминых А.Б. Математическая модель движения по ровной дороге двухосной полноприводной колесной машины свариаторами в ваздаточной коробке // Известия ВУЗов. Машиностроение. -2007. -№7. -с. 32-36.

38. Альскейф Камаль. Динамика двухосной полноприводной колесной машины с вариаторами в раздаточной коробке // Известия ВУЗов. Машиностроение. -2007. -№ 8. -С.44-48.

39. Полунгян А.А., Фоминых А.Б. Динамика колесных машин.4.1:Учебное пособие / под ред. А.А. Полунгяна -М.:изд-во МГТУ, 1995.-88с.,ил.