автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Выбор геометрических параметров управляемых неразрезных мостов пневмоколесных самоходных машин

рг Б ин

I и

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ГУРВИЧ Юрий Абрамонич

ВЫБОР ГЕОМЕТРИ Ч ЕС К11X ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЕМЫХ НЕРАЗРЕЗНЫХ МОСТОВ ПНЕВМОКОЛЕСНЫХ САМОХОДНЫХ МАШИН

05.05.03 — Автомобили и тракторы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1994

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии и в Московском автомеханической институте.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие - ПО "ЕелавтоМАЗ".

Защита состоится 14 октября 1994 г. в 10.00 часов на заседании специализированного совета К 056.02.06 при Белорусской политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф.Ско-рины, 65, главный корпус, а. 202,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

Гришкевич А.И.

кандидат технических наук, начальник КБ МТЗ Стецко П.А.

II

сентября 1994 г

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

©Белорусская государственная политехническая академия, 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для ускорения разработки и постановки на производство новых поколений высокоэффективных машин на пневмоко-лесном ходу необходимо снабдить конструкторов расчетно-методичес-ким аппаратом, позволяющим с помощью ЭВМ еще на стации проектирования исследовать выходные характеристики будущей машины, согласовывать во всем скоростном диапазоне характеристик! шин со свойствами отдельных узлов и машины в целом в динамике, назначать эти свойства соответствующими предъявляемым требованиям и соответственно определять параметры машин.

Такой аппарат нужно разработать для управляемых неразрезных ведомых мостов в сборе с колесами, рулевыми трапециями и подвесками самоходных машин различных типов, т.к. существующие методики расчетного определения параметров этой сложной многопараметрической и многокритериальной системы не позволяют в короткий срок и с малыми затратами добиваться наилучшей, хотя бн одной из выходных характеристик даже при одном значении скорости движения машины. Поэтому параметры мостов, рулевых трапеций и подвесок вынуждены определять путем проведения длительных и дорогих доводочных работ. Тем не менее полной уверенности, что и при этих параметрах моста будут реализованы его потенциальные возможности, нет.

Исходя из этого, в диссертации разрабатываются рекомендации по многокритериальному выбору на ЭВМ таких совокупностей параметров мостов о колесами, рулевых трапеций и подвесок, которые обеспечили бы отсутствие автоколебаний управляемых колес, их достаточную стабилизацию и безопасность движения во всем предполагаемом скоростном диапазоне движения проектируемых машин.

Этот подход позволит существенно сократить сроки и снизить затраты на создание перспективных моделей машин, повысить их качество, а также сравнить существующие конструкции машин с оптимальными и наметить пути их улучшения.

Цель диссертации - разработка, теоретическое и экспериментальное обоснование рекомендаций по выбору на стадии проектирования таких сочетаний конструктивных параметров управляемых неразрезных ведомых мостов с колесами, рулевых трапешй и подвесок, при которых происходит улучшение выходных характеристик пневмоко-лесных матгин различных типов во всем скоростном диапазоне длите -

ния и уменьшение износа шкн при движении машин на поворотах, практическая реализация результатов.

Общая методология исследования строилась на использовании методов аналитической механики, идентификации и оптимизации, теории автократического регулирования и программирования для ЭВМ, Экспериментальные работы выполнены на специальной установке. Данные экспериментов обработаны на ЭВМ с помощью методов математической статистики.

Объект исследования.

Управляемые неразрезные ведомые мосты с колесами, рулевыми трапециями, пружинами и демпферами подвески самоходных комбайнов, тракторов, грузовых автомобилей и других транспортных средств.

Научная новизна.

1. Предложена методика идентификации процесса качения шин в широком диапазоне путевой частоты (0,2...25 рад/м); создана специальная установка для определения динамических характеристик катящейся шины, на которой получены частотные характеристики силового взаимодействия катящейся шины с дорогой во всем диапазоне путевой частоты при ее боковых и угловых вынужденных колебаниях; сформирован обобщенный критерий оценивания кинеютических и жест-костных характеристик катящейся шины,и получена оценка кинематических и кесткостпых коэффициентов шин в широком диапазоне путевой частоты.

2. Предложена методика многокритериального выбора параметров мостов с колесами, рулевых трапеций и подвесок транспортных средств во всем скоростном диапазоне двиаения машин на основе результатов идентификации процесса качения шил; разработано уточненное математическое описание движения управляемых ведомых колес тракторов "Беларусь"; сформированы два критерия, обеспечивающие запас устойчивости, степень безопасности и эффективность стабилизации при колебательных и апериодических движениях управляемых колес; разработана методика оптимизации параметров моста по критериям колебательных и апериодических движений управляемых колес во всем скоростном диапазоне движения транспортного средства на основе множества Парето.

3. Предложены методики выбора геометрических параметров ру-

левых трапеций различных конструкций транспортных средств с постоянной и регулируемой колеей на основе множества. Парсто.

4. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ,и получены результаты идентификации процесса качения шин, оптимизации параметров мостов с рулевыми трапециями и подвесками.

5. Исследована чувствительность обобщенного критерия оценивания кинематических и жесткостных коэффициентов , критериев колебательных и апериодических движений колес, критерия выбора геометрии рулевой трапеции к варьировании значений параметров.

Практическая ценность. Комплекс предложенных методик и программ, доведенных до уровня инженерных расчетов, впервне позволил с помощью ЭВМ на стадии проектирования транспортного средства решить следующие задачи;

1. С помощью методики идентификации процесса качения шин получить в динамике.в широком диапазоне путевой частоты значения их кинематических и жесткостных характеристик, соответствующих всему скоростному диапазону движения машины и 'всем режимам ее движения

- управляемому движению, вилянию прицепов и автоколебаниям управляемых колес. Эти значения характеристик шин должны использоваться во всех инженерных расчетах динамики транспортного средства.

2. Методика многокритериального выбора параметров моста, рулевой трапеции а подвески на основе результатов идентификации процесса качения шин предоставляет возможность определить такие значения углов развала, схождения, поперечного и продольного пак-лона шкворней, длин цапфы и бачки, моментов инерции колеса и балки, жесткости рулевой трапеции и пружин подвески и т.д., при которых происходит улучшение выходных характеристик во всем скоростном диапазоне движения машины, оценить эффективность применяемых решений, сократить время доводки машины; сравнить существующие конструкции машин с оптимальными и наметить пути улучшения транспортного средства.

3. Используя методик/ выбора геометрических параметров рулевых трапеций различных конструкций - угла наклона и длины продольного рычага, длины рулевой сотки и т.д., уменьшить величину проскальзывания пятна контакта пяти при выполнении машинами поворота со средними и, особенно, о малыми радиусами.

Предложена конструкция рулевой трапеции колесного тран-

спортного средства с регулируемой колеей (A.C. й 1303477).

Данный комплекс методик и программ рекомендуется использовать в практике проектных' и научно-исследовательских организаций автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения, а также в учебном процессе вузов для специальности "Автомобили и тракторы".

Реализация результатов работы. Диссертация выполнялась в соответствии с программами работ по госбюджетной тематике ЕПИ и МАШ, республиканской (БССР) научно-технической проблеме 10, республиканской программе фундаментальных исследований (на I99I-I995 гг.) в области технических'и физико-математических наук (шифр: "Автоматизация-2"); в рамках научно-технического содружества с Минским тракторным заводом -(договор № 16/22-481) и с производственным объединением "Гомсельмаш" (договоры }t 112-79, № 137-80 и Ji 1-86.06.103); в соответствии с хозяйственными договорами с ПО "Гомсельмаш" (х/д-1228) и с ПО "МТЗ им.В.И.Ленина" (х/д-1412); по заданию Министерства народного образования БССР (договор ГБ-91-83). Направленность работы, выбор объектов исследования определялись запросами и рекомендациями указанных организаций. Результаты исследований передавались предприятиям.

В ГСКБ ПО "Гомсельмаш" внедрены: I) методика и программа для ЭВМ параметрической оптимизации рулевых трапеций пневмоколесных самоходных ыашш и справочник для расчетов рулевой трапеции перспективной модели комбайна "Полесье"; 2) методика и программы для ЭВМ автоматизированного проектирования управляемых неразрезных мостов в сборе с колесами и рулевыми трапециями различных модификаций комбайна.

По результатам расчетов спроектирована рулевая трапеция комбайна "Полесье". Получен фактический экономический эффект.

Методики экспериментального определения частотных характеристик шины с дорогой на специализированной экспериментальной установке и получения кинематических и несткостных коэффициентов шин внедрены в учебный процесс БИТА в качестве составной части лабораторного практикума курса "Испытание трактора".

В ГСКБ ПО "МТЗ им.В.И.Ленина" в соответствии с х/д-1412 "Разработка программного комплекса по многокритериальному выбору параметров моста и рулевой трапеции семейства тракторов МГЗ-50/52, МТЗ-80/82, MT3-I02, МТЗ-1220 на основе результатов идентификации

процесса качения шин" принята методика и результаты расчета параметров четырех- и тестизвенноЯ рулевых трапеций тракторов с регулируемой колеей. Разработана на базе трактора ?.ТГЗ-80 и изготовлена движущаяся установка для определения частотных характеристик силового взаимодействия колес с дорогой з широком диапазоне путевой частоты.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных семинарах по вопросом качения эластичного колеса (Москва, НАДИ, 1975-1977 гг.), на межреспубликанской конференции молодых ученых "Комплексная мэханиза-'ция, электрификация и автоматизация сельского производства" (Минск, ЩИИЮСХ, 1976 г.), на ХХУ1 научно-исследовательской конференции профессорско-преподавательского состава МАДИ (Москва, 1979 гг.), на 5-й и 6-й региональных школах-семинарах "Оптимальное проектирование и смежные вопросы" (Ростов-на-Дону, 1982 и 1984 гг.), на научно-практической конференции "Пути повышения технического уровня и надежности коруоубсрочной-техники (конструкция, технология и эксплуатация)" (Гомель, ПО "Гомсельмаш", 1986 г.), на республиканских научно-технических конференциях (НТК) "Интенсификация машиностроительного производства на основе использования систем автоматизированного производства" (Кишинев, 1983 г.) и "Опыт отраслей машиностроения и научные достижения - производству тракторов и сельхозмашин" (Севастополь, 1989 г.), на П межреспубликанской НТК "Совершенствование средств и методов расчета изделий машиностроения" (Волгоград, 1990 г.), на международной конференции "Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике" (Минск, 1993 г.), на научных семинарах кафедр "Автоматика и микропроцессоры" и "Автомобили" МАШ (Москва, 1984 и 1985 гг.), "Теория вероятностей" Б1У (Минск, 1990 г.), на заседаниях технических советов ГСКБ ПО "БелавтоГИАЗа" (Минск, 1988 г.) и ПО "МБ км. В.И.Ленина" (Минск, 1988 г., 1990 г.), па НТК профессорско-преподавательского состава НШ (Минск, 1972-1992 гг.).

Работа рассмотрена и одарена на заседании кафедр "Автоматика и микропроцессоры" МАШ и "Тракторы" БГОА.

Публикации, По теме диссертации имеется 23 печатных работы (в том числе 10 выполнено без соавторов) и авторское свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложения результатов и выводов, приложений и содераит 145 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 34 рисунка и фотографии. Список литературы включает 124 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется цель работа, аргументированы актуальность, теоретическая и практическая значимость выполняемых исследований, приводятся основные положения, выносимые на защиту,

В первой главе анализируются особенности и состояние проектирования управляемых неразрезных мостов и рулевых трапеций различного типа машин. Приводитоя краткий обзор работ по вопросам устойчивости движения управляемых колес мостов и их механико-ма- ■ тематическим моделям; влияния значений параметров моста, рулевой трапеции и подвески на стабилизацию и износ шин; отсутствия бокового скольжения катящихся шин; формирования критерия отсутствия автоколебаний (шимми) управляемых колес; выбора совокупности значений параметров моста, рулевой трапеции и подвески. Формулируются задачи диссертации и намечаются пути их реализации.

Исследованию выходных характеристик машин в зависимости от значений параметров моста, рулевой трапеции, колес с шинами и подвески посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ специалистов различных стран.

Анализ этих работ позволил установить следующее: I) параметры мостов, рулевых трапеций и подвесок влияют на выходные характеристики машин неоднозначно и противоречиво, что указывает на много-критсриалыюсть задачи проектирования данной многопараметрической системы; 2) автоколебания управляемых колес у транспортных средств происходят в широком диапазоне путевой частоты (0...25 рад/м); 3) в литературе приведены математические описания шимми двух типов - автономные колебательные системы (мост, колеса, рулевая трапеция и т.д.) и описания машин вместе с мостом, в которые входят кинематические и жесткостныэ коэффициенты шин; 4) значения кинематических и жесткостных коэффициентов шин зависят от диапазона путевой частоты; 5) в литературе отсутствуют значения кинематических и жесткостных коэффициентов шин (и методик их определения), соответствующих широкому диапазону путевой частоты; 6) колебания и стаби-

лизация управляема колес описываются одной системой дифференциальных уравнений, которая в сравнении с другими описаниями, например, плавности хода и т.д., более информативна, так как учитывает большинство параметров моста в сборе с колесами, рулевой трапецией и подвеской; 7) существующие критерии количественной оценки устойчивости (неустойчивости) движения управляймых колес не учитывают свойства стабилизации, среднее время реакции водителя и не обеспечивают точную количественную оценку затухающих (нарастающих) колебательных и апериодических движений управляемых колес; 8) требуется уточнить математическое описание движения автономной колебательной системы - управляемый ведомый мост с кол -сами, рулевой трапецией и т.д. тракторов "Беларусь"; 9) в литературе отсутствует методика выбора значений геометрических параметров рулевых трапеций различных конструкций у малин с переменной колеей.

Из обзора методик определения параметров управляемых мостов также следует, что до сих пор. задача проектирования этой сложной многопараметричесхой системы, несмотря на многокритериалыгость, реализуется лишь по одному критерию (устойчивости движения управляемых колес), отображающему одну из выходных характеристик. При этом оптимизируется несколько параметров (не б мыле трех) математического списания шимми, величины которых определяются при лаком-го одном значении скорости движения машины. В то кг время важно на стадии проектирования преодолеть принципиальную конфликтность проекта - его многокритериальность и многопараметричность, т.е. назначить такую совокупность значений параметров колес с цапфами, балки, рулевой трапеции,пружин и демпферов подвески, при которой в случае равноценности рассматриваемых выходных характеристик обеспечивается их компромисс (наилучшая совокупность , .ах рассматриваемых выходных характеристик) во всем предполагаемом скоростном диапазоне движения проектируемой машины.

Неоднозначность и противоречивость влияния параметров моста, рулевой трапеции и подвески на Енходние характеристики мятн, противоречивость некоторых выходных характеристик друг другу, сложность исследуемой системы, а также выполненный в данной работе аначиз особенностей проектирования таких систем позволяет утверждать, что эффективно осуществить выбор наилучшей совокупности

значений параметров мисголарамегрической системы можно лишь с помощью методов многокритериальной оптимизации. Для достижения этого оказалось необходимым: исследовать задачу многокритериального выбора совокупности параметров управляемого неразрезного моста, рулевой трапеции и подвески - определить, как в данном случае должны формулироваться критерии оптимальности; сформулировать и обосновать критерии: обеспечения необходимого запаса устойчивости, требуемой степени безопасности движения и эффективности стабилизации управляемых колес, выбора геометрии рулевой трапеции; получить оценки чувствительности всех критериев к варьированию параметров; уточнить математические описания движения автономной колебательной системы управляемых колес тракторов "Беларусь"; разработать методику определения параметров различных видов рулевых трапеций машин с переменней колеей; обосновать подход к нахождения компромиссного сочетания критериев оптимальности (обеспечения требуемого запаса устойчивости движения, эффективности стабилизации управляемых колес) во всем скоростном диапазоне движения машины; разработать вычислительный алгоритм и отладить программы выбора совокупности параметров пневмоколесных самоходных машин; обосновать процедуру идентификации процесса качения эластичных шин в широком диапазоне путевой частоты; реализовать процедуру назначения совокупности значений параметров мостов, рулевых трапеций и подвесок на примерах проектирования грузовых автомобилей, тракторов и комбайнов; предложить рекомендации по реализации процедуры многокритериального выбора совокупности параметров моста, рулевой трапеции и подвески.

Необходимым условием использования методов оптимизации является наличие адекватного математического описания проектируемой системы, содержащего в качестве коэффициентов дифференциальных уравнений движения с неголономными.связями характеристики шин, соответствующие диапазону путевой частоты автоколебаний управляемых колес. Эти и другие вопросы теоретического обоснования многокритериального выбора параметров автоколебательной системы управляемого моста и рулевой трапеции отражены во второй главе диссертации.

I. Предложено идентификацию процесса качения шин проводить в два этапа. На первом выполняются экспериментальные работы по оп-

ределению амплитудных и фазовых частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) силового взаимодействия шины с дорогой (см. главу 3). Н'> втором - с помощью методов математического программирования производится оценка кинематических и жесткостных характеристик катящихся шин Ci в широком диапазоне путевой частоты.

Данный подход реализуется в диссертации на одной из двух одинаковых по структуре адекватных феноменологических моделей катящегося без скольжения в ведомом режиме колеса, срединная плоскость которого вертикальна (теории М.В.Келдыша и Б.И.Морозова).

Для оценивания параметров Сс производится аппроксимация данных экспериментов '¿Iiij- . полученных при L-ых значениях путовой частоты ü)i, расчетными частотными характеристиками (ЧХ)Хи£в 1-х точках, где П. =i,V- количество ЧХ; L =i,K - число точек на каждой экспериментальной ЧХ в-широком диапазоне путевой частоты; J. =

- число измерений при каждом L -м значении путевой частоты; Z*iij

- массивы экспериментальных данных, представляющие АЧХ и ФЧХ боковой силы и стабилизирующего момента' в широком диапазоне путевой частоты; У tu - расчетные АЧХ и ФЧХ силового взаимодействия шины с дорогой, построенные по уравнениям неголономных связей теории качения в i—тых точках.

Показано, что обобщенный критерий оценивания характеристик шин, устанавливающий меру близости между совокупностью расчетных ЧХ и соответствующей совокупностью экспериментальных ЧХ, целесообразно формировать с помощью весовых коэффициентов, представляющих дисперсии однофакторного дисперсионного анализа на основе нормы Гильберта.

2. Разработано уточненное математическое описапие движения автономной колебательной системы - управляемый мост с колесами трактора "Беларусь". Управляемые колеса обладают шестью степенями свободы и характеризуются шестью обобщенными координатами. Вывод линеаризованного математического описания- движения управляемых колес трактора выполнен с помощью общего уравнения динамики (принципа Лагранжа-Даламбер'О и базировался на допущении о пренебрежении величинами второго порядка малости при записи выражений для возможных перемещений. Sie позволило существенно упростить уравнения движения (систему из шести дифферзнциальншс уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами), требуя лишь лине8-

ных зависимостей в функции обобщенных координат и скоростей. Уравнения движения преобразованы к виду, удобному для численного интегрирования (ка&дое последующее ускорение, начиная со второго, является функцией предыдущего).

3. Запас устойчивости, степень безопасности и эффективность стабилизации при колебательных и апериодических движениях колес предложено характеризовать двумя критериями:

Г U-ïi , ' h IA1HA2I (I)

Ъ M * |Аб| r L I8(t)ldt

где

- время, за которое траектория колебательного движения управляемых колес относительно шкворней достигает соответственно первого и пятого экстремумов; Т - период колебаний;

\Ц и |Д5|,|Лб| - соответственно модули амплитуд первого и третьего колебаний; - зависимость угла поворота управляемых колес относительно шкворней в функции времени; Ь - время; |0у| -угол поворота управляемых колес при t - ti\\9^\~ Угол поворота управляемых колес, совершагящх апериодическое движение при (модули амплитуд и|0ji введены из-за специфики счета на ЭВМ).

Критерий (I) с помощью величины, обратной обобщенному коэффициенту демпфирования колебательной системы, одновременно оценивает своим числителем основное качество стабилизации (с учетом среднего времени реакции водителя), а знаменателем - тенденции к затуханию или нарастанию колебаний. Если знаменатель больше нуля, то имеет место колебательная устойчивость, если меньше нуля - колеба-. тельная неустойчивость. Интенсивность уменьшения или увеличения начального угла поворота колес от нейтрального положения при их апериодических движениях одновременно учитывается числителем и знаменателем критерия (2) (если знаменатель больше нуля, то наблюдается апериодическая устойчивость', если меньше нуля - апериодическая неустойчивость).

4. Рассмотрена оптимизация параметров управляемых неразрезных

мостов во всем скоростном диапазоне движения транспортных средств. Показано, что проводить оптимизацию целесообразно методой ЛП-поис-ка. Разработан алгоритм оптимизации с использованием множества Па-рето по критериям колебательного и апериодического движений упрпв-ляемых колес. На период Т критерия колебательных движений накладывались ограничения, которые обеспечивают устранение на стадии проектирования вредного влияния главного вектора к главного момента сил инерции колеса, совершающего общий случай движения, и позволяют принять во внимание безопасность движения.

5. Разработана методика оптимизации параметров рулевых трапеций для машин с постоянной и регулируемой колеей по критерию выбора геометрии рулевой трапеции, причем для машин с переменной колеей предложено строить точки,наилучшие,по Парето. Это дает возможность назначить наилучшую в некотором смысле совокупность параметров для всего диапазона изменения лиши колеи.

В третьей главе формулируется задача экспериментальных исследований, описываются мероприятия, направленные на получении результатов с минимальной погрешностью. Разработана методика получения частотных характеристик катящихся шин при боковых и угловых колебаниях колеса. Для проведения экспериментов была сконструирована специальная установка, которая обеспечивает вращающемуся колесу с шиной боковые (вдоль осп вращения колеса) и угловые (относительно вертикальной оси), с регулируемой амплитудой, практически гармонические колебания с периодом, равным 4,4 с. Допускается регулирование амплитуды колебаний, варьирование путевой частоты от-значений,близких к нулю,до бесконечности и нормальной нагрузки. Плоскость колеса может поворачиваться на углы увода от О до 35°. С помощью пространственно-стержнеЕой системы тензоблока осуизст-вляется измерение силовых и ыомектннх составляющих реакций, действующих на колесо со сторона дороги.

Установка состоит из механизмов (рис. I): вертикального каг-ружения колеса (41-46), варьирования путевой частоты (27-29, 34. 36-39, 51), осциллятора (т.5-26), вилки (14), тормозного устройства (43-48), тензоблока (I-?), тензометряческой линейки (10), колеса с шиной (30), оправки (31), замков тензоблока (32).

Программа экспериментов включала исследование АЧХ и ФЧХ боковой силы и стабилизирующего момента пяти шин (авиационной

400x150 модели 5, сельскохозяйственной 5,00-10 модели В-19А, автомобильной 6,5-16 (16В.АТ-1), тракторных 7,50-20 модели В-ЮЗ к 8,3/8-20 модели В-105А).

Испытания проводились в ведомом и тормозном режимах во всем диапазоне путевой частоты при различных амплитудах боковых и угловых колебаний колеса, переменных внутренних давлениях в шинах,при различных нормальных нагрузках и при двух значениях тормозных моментов. Определялись зависимости боковой, угловой, нормальной жесткости шин, длины площадки контакта в функции внутренних давлений и нормальных нагрузок, а такие зависимости боковой силы и стабилизирующего момента в функции угла увода при варьируемых внутренних давлениях и нормальных нагрузках. В результате специальных экспериментов для каждой шины установлены диапазоны внутренних давлений, нормальных нагрузок (совпали с рекомендуемыми ГОСТом 7483-69) и амплитуд боковых колебаний, в которых шина ведет себя как линейно-деформируемое тело. При этом скольжение в пятне контакта шины с дорогой пренебрежимо мало, несмотря на то, что боковая сила иногда достигала 0,5 от максимальной силы по сцеплению, найденной из экспериментальной зависимости боковой силы от угла увода.

Установленная максимальная величина отношения боковой силы к максимальной силе по сцеплению, при котором скольжением в пятне контакта шины еще можно пренебречь, совпадает с отношением, полученным Е.А.Чудаковым, А.С.Литвиновым, Я.Е.Фаробшшм, Р.В.Вирабо-вым и А.А.Хачатуровым.

Установлено, что в качестве исходных данных для идентификации процесса качения шин могут быть использованы частотные характеристики шин, полученные лишь в случае боковых колебаний при значениях давления, нагрузки и амплитуды, определенных проведенными экспериментами (рис. 2).

Четвертая глава посвящена вопросам численной реализации задач идентификации и оптимизации параметров управляемых мостов и рулевых трапеций транспортних средств.

В результате выполненного качественного и количественного анализа расчетных АЧХ и ФЧХ боковой силы ( и ) и стаби-

лизирующего момента ( Мус и Ф^СШ) при боковых колебаниях колеса установлено, что они пригодны для выполнения процедуры идентифика-

13

12 57 оо

75 250 оо cj,ß* ------ — »А/

Рис. 2. АЧХ и ФЧХ боковой силы (I, 2) и стабилизирующего момента { 3, 4)при боковых колебаниях шины 5.00-10, пригодные для идентификации процесса качения шин

ции. Окончательно сформированы модель идентификации и обобщенный критерий оценки характеристик ишн.

где

IM* . Htm-ndsf jpïï ■ вг jpwônmf

g Г(Иу - Mil)2 îgtffcM)-%;,„)]>

+ ïlîMfw +

QlJ j Jij(Q) И Mty ) *PlJ (M) - массивы экспериментальных данных-АЧХ, ФЧХ боковой силы и стабилизирующего момента; , t(Q) и.Му среднее всех,измерений каждого массива экспе-

риментальных данных, полученных при боковых вынужденных колебаниях. Получены значения кинематических и жесткостных коэффициентов различных шин, соответствующих широкому диапазону путевой частоты. Для авиационной шины 400x150 значения кинематических коэффициентов оказались намного больше значений этих коэффициентов, имеющихся в литературе. Сужение диапазона путевой частоты за счет исключения больших ее значений приводит к уменьшению значений кинематических коэффициентов. В диапазоне путевой частоты 0,2...О,6 рад/м кинематические коэффициенты становились почти равными (отличались на 20...30$) с имеющимися в литературе. В диссертации дано г.оъясненле результатам проведенного данного численного эксперимента. Бы»олнено исследование чувствительности критерия /з к изменению значений кинематических и жесткостных коэффициентов шин, которое показало, что на критерий самое большое влияние оказывает первый кинематический коэффициент А , затем второй -

В , меньшее, чем второй,- коэффициент угловой жесткости шины Cq, коэффициент боковой жесткости Су на последнем месте. Вклад слагаемых в процентах э величину безразмерного критерия fs (в

среднем для всех шин) распределился так: 1-ое слагаемое (от АЧХ боковой силы) - 55%; 2-ое слагаемое (от ФЧХ боковой силы) - 10$; 3-е слагаемое (от АЧХ стабилизирующего момента) - 25%; 4-ое слагаемое (от ФЧХ стабилизирующего момента) - 10%.

Методика выбора параметров моста реализована в виде вычислительных алгоритмов и программ оптимизации для ЭВМ и представлена следущими этапами.

На первом этапе в результате анализа математического описания назначаются управляете параметры, области их изменения, функциональные и параметрические ограничения. На втором этапе методами идентификации определяются значения кинематических и жест-костных характеристик шин во всем скоростном диапазоне движения. Рядом простых мероприятий определяются значения остальных неуправляемых параметров математического описания. На третьем этапе решается задача многокритериальной оптимизации параметров мостов с колесами, рулевыми трапециями и подвесками. Предложено выбор параметров мостов осуществить в виде двух или трех последовательных процедур оптимизации. Сначала выполняют оптимизацию параметров соответствующей модели шимми (в качестве основной), затем одной или двух (в зависимости от наличия в описании шимми параметров подвески С{, - коэффициентов жесткости и демпфирования) дополнительных математических моделей; рулевой трапеции и плавности хода. Оптимизацией параметров математического описания рулевой трапеции достигается увеличение числа учтенных описанием шимми выходных характеристик (добавляется износ шин) и управляемых параметров (добавляются геометрические параметры рулевой трапеции) . Учет результатов оптимизации параметров математического описания плавности хода позволяет достигнуть компромисса двух критериев: плавности хода и устойчивости движения управляемых колес (при этом изменяется порядок рассмотрения моделей).

В диссертации рассмотрено три примера выбора параметров моста трех различных машин: кормоуборочного комбайна (КСК-100), грузового автомобиля и трактора "Беларусь", отличающихся числом степеней свободы управляемых колес, количеством управляемых параметров, сложностью математического описания и количеством привлекаемых дополнительных математических описаний.

I. Простейшее математическое описание моста комбайна КСК-100.

учитывает одну степень свободы - поворот управляемых колес относительно шкворней, имеет 4 управляемых параметра. Рассматривается математическое описание рулевой трапеции.

2. Математическое описание места грузового автомобиля учитывает две степени свободы - вращение колес относительно шворней и поворот балки моста шесте с колесами относительно продольной оси машины, имеет 9 управляемых параметров. Рассматриваются описания плавности хода и рулевой трапеции. Специальными приемами число управляемых параметров, как показано в диссертации, для КСК-100 и грузового автомобиля доведено соответственно до 0 и 12.

3. Математическое описание моста трактора "Беларусь" учитывает 6 степеней свободы управляемых колес, имеет 5 управляемы* параметров. Дополнительно учитывается описание рулевой трапеции.

Исследовано влияние чувствительности критериев в точках Паре-то к изменению параметров всех трех моделей. Показано, что углы развала, схождения и поперечного наклона шкворня оказывают весьма слабое влияние на критерии, э го время как длина цапфы и вел^ина угла продольного наклона шкворня У всех трех моделей оказывагг весьма сильное влияние ка критерии колебательных и апериодических движений управляемых колес.

Методика расчета геометрических параметров рулевых трапеций различных конструкций реализована в виде программ для ЗВМ и представлена следующими двумя этапами. На первом этапе с использованием критериев колебательных и апериодических движений и описания, инвариантного к геометрическим параметрам рулевой трапеции (описания шимми), решается вопрос о назначении коэффициентов жесткости и демпфирования рулевой трапеции. На втором этапе с помощью критерия выбора геометрии рулевой трапеции, математического описания четырех- или шестизвенной трапеции и уравнения котангенсов решается вопрос о назначении геометрических параметров трапеции.

В связи с заданием ГСКБ ПО "Гомсельыаш" осуществлена оптимизация параметров четнрехзвеннкх рулевых трапеций различных модификаций кормоуборочных самоходных комбайнов, а также создан справочник расчетов рулевых трапеций для перспективных моделей комбайнов.

Б связи с заданием ГСКБ ПО "МТЗ им. В.И.Ленина" была выполнена оптимизация параметров шес-.-извенной рулевой трапеции для балки

17

моста о регулируемой колеей.

Анализ результатов оптимизации показал, что рулевая трапеция, применяемая на серийном тракторе, отличается в значениях критерия от рассчитанной на 25-30$.

В приложении представлены акты внедрения результатов работы и расчеты фактического экономического эффекта.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ШВОДО

Исследования, выполненные в диссертации, привели к следующим основным результатам:

- осуществлена идентификация процесса качения пш в широком диапазоне путевой частоты;

- осуществлен многокритериальный выбор совокупностей конструктивных параметров мостов с колесами, рулевыми трапециями и подвесками самоходных машин различных типов во всем скоростном диапазоне движения;

- осуществлен выбор совокупностей геометрических параметров четырех- и шестизвенной рулевых трапеций для машин с постоянной и регулируемой колеей;

- разработана специальная установка,и получены на ней амплитудные и фазовые частотные характеристики силового взаимодействия колеса с дорогой во всем диапазоне путевой частоты;

- предложены: обобщенный критерий оценки кинематических и жесткостных характеристик катящейся шины; двухкритериачьная оценка обеспечения требуемого запаса устойчивости, степени безопасности движения и эффективности стабилизации управняемых, колес, совершающих колебательные и апериодические движения; критерий оценки геометрии рулевой трапеции; получена оценка чувствительности этих критериев к изменению параметров;

- разработано уточненное математическое описание движения управляемых ведомых колес тракторов "Беларусь";

- разработан комплекс проблемно-ориентированных программ,и получены результаты идентификации процесса качения шин, оптимизации параметров мостов с колесами, рулевыми трапециями и подвесками во всем скоростном диапазоне двикения машин и оптимизации геометрических параметров рулевых трапеций различных конструкций машин с постоянной и регулируемой колеей;

- предложена конструкция рулевой трапеции колесного транспортного средства с изменяемой колеей (A.C. .4 1303477).

Анализ материалов диссертации поз полил сделать следующие основные выводы.

1. Еыбор совокупностей значений параметров мостов различных конструкций целесообразно осуществить одним из двух алгоритмов.

Для описаний автономных колебательных систем с одной степенью свободы, не учитывающих характеристики подвески tl^ , выбор параметров целесообразно представать двумя последовательными процедурами оптимизации. Сначала выбираются параметры автономной колебательной системы (в качестве основной), затем дополнительной математической недели - рулевой трапеции.

Выбор параметров описания автономной колебательной системы, имеющей две и более степеней свобода управляемых колес и учитывающей параметры подвески, рекомендуется представить тремя последовательными процедурами оптимизации. Сначала с помощью описания плавности хода выбирайся параметры подвески Ci , fy. При фиксированных значениях С± , выбираются параметры автономной колебательной системы (в качестзе основной) и дополнительной математической модели - рулевой трапеции.

2. Выбор совокупностей значений параметров моста с учетом обеспечения требуемого запаса устойчивости и безопасности движения и эффективности стабилизации управляемых колос рекомендуется выполнять двумя критериями, предназначенными для оценки характеристик колебательных и апериодических движений. На период колебаний рекомендуется ввести ограничения (0,1 <Т4 0,25).

3. Процедуру идентификации процесса качения колеса целесообразно строить четырьмя экспериментальными АЧХ и ФЧХ боковой силы и стабилизирующего момента при боковых колебаниях колеса и критерия оптимальности, представляющего собой мору близости между совокупностью этих четырех частотных характеристик и совокупностью расчетных чаептных характеристик боковой силы и стабилизирующего момента уравнений неголонемных связей на основа нормы Гильберта с учетом весовых коэффициентов (дисперсии однофакторного дисперсионного анализа)в диапазона путевой частоты от 0,2 до 2Ь рад/м, схватываюцрм все встречающиеся решили движения колеса и машины.

•1. Экспериментальные частотные характеристики боковой силы и

19

стабилизирующего момента рекомендуется определять в таких диапазонах внутренних давлений в шине, нормальных нагрузок и амплитуд боковых колебаний колеса, в которых скольжение в пятне контакта шины с дорогой пренебрежимо мало. Амплитуда боковых колебаний для мягких шин не должна превышать величины 6,2 мм, а для жестких шин - 4,8 мм.

5. Опыт идентификации параметров катящегося колеса показал, что точность ее результатов вполне достаточна для использования их в процедуре выбора совокупностей значений параметров мостов -дополнительных уточнений результаты идентификации не требуют.

6. Выбор параметров мостов во всем скоростном диапазоне движения машины по критериям колебательных и апериодических движений и руловых трапеций машин с регулируемой колеей по критерию выбора геометрии рулевых трапеций целесообразно осуществлять по алгоритмам, обеспечивающим определение точек Парето (как наилучших по

всем критериям), из которых конструктор выбирает необходимую ему точку.

7. Оценка чувствительности критериев оптимальности моста и рулевой трапеции в точках Парето к изменению их параметров показала возможность использования выбранных параметров мостов на практике без специального экспериментального уточнения.

8. Методика выбора параметров моста подтверждена экспериментально (отдельные ее этапы подтверждены собственными экспериментами, а также экспериментальными данными, заимствованными из литературы) и может быть рекомендована к использованию в практике проектирования мащдн различных конструкций.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Левин М.А., Гургшч Ю.А. Экспериментальная установка для получения характеристик нестационарного увода деформируемого колеса . // Теоретическая и прикладная механика; тематический сборник. - Минск: Ш, 1973. - С. 27-31.

2. Исследование нестационарного бокового увода переднего колеса с шиной тракторов МТЗ-50, МТЗ-80, МТЗ--52 и {.43-82 / Левин М.А., Гурвич Ю.А. // Научно-технический отчет БГШ, инв.

Л Б 348301 (сб. рефератов НИР и ОКР, "Транспорт", 1974, й II). -143 с.

3. Левин М.А,, Гурвич Ю.А. Экспериментальное определение характеристик пневматика при боковых гармонических воздействиях. // 20

Теоретическая и прикладная механика. Вши 2. - М.:иск, 1975. -С. 166-172.

4. Левин М.А., 1Урвич Ю.А. Об экспериментальном определении фазо-частотных характеристик боковой составляющей реакции связи

в функции кинематической частоты деформируемых колес. // Теоретическая и прикладная механика. Вып. 3. - Минск, 1976. - С. 140-116.

5. Гурвич Ю.А. Экспериментальное определение амплитудно-частотных характеристик боковой составляющей реакции связи катящегося деформируемого колеса в функции кинематической частоты. // Теоретическая и прикладная механика. Вып. 3. - Минск, 1976. -

С. 135-140.

6. Гурвич Ю.А. Экспериментальное определение амплитудно-фазо-частотных характеристик реакции связи катящихся колес с шинами 7,50-20, 8,3/8-20 и 5,00-10. - Комплексная механизация, электрификация и автоматизация сельского производства. / Тез. докл. межреспубликанской конф. молодых ученых. Ч. I. - Минск, 1976. -С. 57.

7. 1>рвич Ю.А. Исследование частотных характеристик катящегося деформированного колеса при гармоническом повороте вокруг вертикальной оси. // Теоретическая и прикладная механика. Вып. 4. -Минск, 1977. - С. 70-78.

8. Экспериментальное определение статических характеристик тракторных шин /Гуськов В.В., Бойков В.П., Гурвич Ю.А. и др. // Научно-технический отчет ЕЛИ, инв. А ЬбЗЗбо (сб. рефератов НИР и ОКР, "Транспорт", 1977, № 12). - С. 60-90.

9. Левин М.А., 1Урвич Ю.А., Атаманов Ю.Е. Лабораторный практикум по курсу "Испытание трактора" для студентов специальности 0513, специализации "Тракторы", ШИ, - Минск, 1977. - 52 с.

10. Применение теории качения деформируемого колеса к исследованию колебаний управляемых колес трактора / Левин М.А., Гуськов В.В., Гурвич Ю.А., Скобейда А.Т. // Теоретическая и прикладная механика. Вып. 4. - Минск: Вышэйшая школа, 1977. - С. 56-67.

11. Исследование устойчивости, управляемости и динамики торможения тракторного поезда /Гуськов В.В., Левин М.А., Гурвич Ю.А. и др. // Научно-технический отчет ПШ. лив. Й 506010 (сб. рефератов НИР и ОКР, "Транспорт", 1977,.. № 2). - С. 55-77.

12. Определение кинематических коэффициентов по различным

теориям качения колеса./Гурвич 13.А./О качении эластичного колеса (по материалам семинара МАДИ). // Автомобильная промышленность. - 1978. - * 4. - С. 37.

13. 1Урвич О.А. Экспериментальное определение частотных характеристик стабилизирующего момента при боковом перемещении деформируемого колеса. // Теоретическая и прикладная механика. Вып. 5. - Минск, 1978. - С. II7-I30.

14. Гурвич Ю.А. Исследование неустановившегося движения колеса с точки зрения силового взаимодействия "шина-дорога". // Повышение эффективности использования техники в сельском хозйстве. Вып. 53. - Горки, 1979. - С. II9-I25.

15. Морозов Б.И., Гурвич Ю.А., Придухо В.Т. Многокрительаль-ная оптимизация параметров управляемых неразрезных мостов самоходных машин. // Теория и методы автоматизации проектирования. Вып. 4. — Минск*. Ин-т техн.кибернетики АН БССР, 1984. - С.31-40.

16. Морозов Б.И., Гурвич ю.А., Придухо В.Т. Идентификация процесса качения эластичных шин. // Автоматизация проектирования в машиностроении. - Шнек: Ин-т техн.кибернетики АН БСОР, 1985. -С. 128-136.

17. Исследование по определению оптимальных параметров моста управляемых колес самоходных кормоуборочных комбайнов и внедрение на ЭВМ этих параметров /Гецевич Э.Г., Гурвич Ю.А. и др. // Чаучно--техничееккй отчет ВПИ с приложением (программа оптимизации и примеры расчета оптимальных параметров моста комбайна. - 27 е.),

* г.р. 81032339 (сб. рефератов НИР и ОКР серии № 7 "Технология машиностроения", 1987. » 32). - 188 с.

18. Авторское свидетельство JS 1303477 (СССР). Рулевая трапеция колесного транспортного средства с изменяемой колеей. /И.И. Дьяков, Б.И.Морозов, Ю.А.1Урвич // Балл.изобретений. - 1987. -

» 14.

19. 1Урвич Ю.А., Придухо В.Т., Корытко Л.С. Векторная параметрическая оптимизация управляемых мостов колесных машин. /Тезисы докладов республиканской научно-техя.конф.: Интенсификация машиностроительного производства на основе использования систем автоматизированного производства. - Кишинев, 1988. - С. 41-42.

20. Гурвич Ю.А. Многокритериальный выоор совокупности параметров неразрезных мостов во всем диапазоне рабочих и транспорт-

ных скоростей движения пневмоколесных машин. /Тезисы докладов 2-й межреспубликанской научно-техн. конф.: Совершенствование средств и методов расчета изделий машиностроения.' - Волгоград, 1990. - С. 19-21.

21. 1^урвич Ю.А., Коритко Л.С., Ковалева И.Л. Автоматизация проектирования руловых трапеций колесных машин. - Tau. so. -С. 99-100.

22. 1урвич Ю.А. Автоматизация проектирования колесных транспортных средств. / Тезисы докладов 47-ой научно-техн.конф., посвященной 70-летию ЕЛИ. - Минск, IS92. - С. 63.

23. IYpBira Ю.А. Оценивание кинематических и жесткостных коэффициентов шин методами идентификации во всем скоростном диапазоне движения колесного транспортного средства. /Тезисы докладов международной конф.: Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике. - Минск, 1993. - С. 47.

24. Турвич Ю.А. Многокритериальное проектирование колесного транспортного средства на основе результатов идентификации процесса качения шин. - Там же. - С. 46.