Диссертация (Методология создания систем управления движением автономных колесных транспортных средств, интегрированных в интеллектуальную транспортную среду)

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)(МГТУ им. Н.Э. Баумана)На правах рукописиЧудаков Олег ИгоревичРАЗРАБОТКА ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ МЕЖДУЗВЕНЬЯМИ ПРИ ПРЯМОЛИНЕЙНОМ ДВИЖЕНИИ АВТОПОЕЗДАНА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ В СЦЕПНОМУСТРОЙСТВЕСпециальность 05.05.03 – Колесные и гусеничные машиныДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель –д.т.н. Горелов В.А.Москва - 20172СодержаниеСтр.Условные обозначения5Введение7Глава 1.

Состояние вопроса. Постановка задач исследования131.1.Аналитическийобзорконструктивныхособенностейпривода колес прицепных звеньев активных автопоездов1.2.13Анализ математических моделей взаимодействия колесныхдвижителей с деформируемыми грунтами1.3.24Анализ математических моделей автопоездов для решенияразличных задач динамики1.4.45Цель и задачи исследования58Глава 2. Математическое моделирование движения седельногоавтопоезда с активным и пассивным прицепным звеном вразличных режимах и внешних условиях2.1.Математическаямодель60прямолинейногодвижениядвухзвенного седельного автопоезда по недеформируемомуопорному основанию612.1.1. Расчетная схема и основные допущения612.1.2.

Уравнения прямолинейной динамики седельного автопоезда 632.1.3. Моделирование взаимодействия движителя с опорнымоснованием642.1.4. Определение нормальных реакций под колесами автопоезда652.1.5. Определение момента сопротивления качению672.2.Математическаямодельпрямолинейногодвиженияседельного автопоезда по деформируемому опорному основанию2.2.1.Модельвзаимодействияколесногодеформируемым опорным основаниемдвижителя68с683Стр.2.2.2.

Расчетная схема и основные допущения722.2.3. Уравнения динамики прямолинейного движения автопоездапо деформируемому опорному основанию742.3.Математическое описание связи между звеньями2.4.Математическое моделирование силовой установки и77трансмиссии77Программная реализация разработанных математических2.5.моделей80Выводы по главе2.6.83Глава 3.

Стендовые испытания движителя и верификацияматематических моделей движения автопоезда84Стендовые испытания движителей3.1.843.1.1. Описание экспериментальной установки863.1.2. Информационно-измерительная система стенда883.1.3. Калибровка тензозвеньев963.1.4. Проведение тяговых испытаний973.1.5. Обработка результатов тяговых испытаний97Верификация3.2.математическоймоделидвиженияавтопоезда1023.2.1. Исходная информация для проведения верификацииматематических моделей1023.2.2. Методика проведения верификации1063.2.3. Результаты верификации108Выводы по главе1113.3.Глава4.Разработказаконараспределениямощностивтрансмиссии активного автопоезда и результаты теоретическихисследований1124Стр.4.1.Обоснование возможности распределения мощности втрансмиссии автопоезда на основе измерения силовых факторов всцепном устройстве4.2.Закон112распределениямощностимеждузвеньямипропорционально силовым факторам в ОСУ4.3.119Сравнительная оценка тягово-динамических свойств иэнергоэффективностидвиженияактивныхавтопоездовразличных законах распределения мощности в трансмиссии4.4.Выводы по главепри126130Основные результаты и выводы по работе132Список литературы1345Условные обозначенияi = 1…7 – номер оси автопоезда;m1 и m2 – масса тягача и полуприцепа, соответственно;mк – масса колеса;G1 и G2 – вес тягача и полуприцепа, соответственно;V̇1 и V̇2 – продольное ускорение центра масс тягача и прицепа, соответственно;V̇xк –ускорение центра масс колеса в продольном направлении;Vx – скорость центра масс;ωкi – угловая скорость i-го колеса;Jкi – момент инерции i-го колеса; кi – угловое ускорение i-го колеса;ωMкi – крутящий момент, подводимый к i-му колесу;rd – расстояние от оси движущегося колеса до поверхности дороги;rк0i – радиус «чистого» (без скольжения) качения i-го колеса;rкв – радиус колеса в ведомом режиме качения;rкс – радиус колеса в свободном режиме качения;rc – свободный радиус колеса;α – угол наклона опорной поверхности;Pкрx – продольная составляющая силы в опорно-сцепном устройстве (ОСУ);Pкрz – вертикальная составляющая нагрузки на ОСУ;Rxi – продольная реакция колес i-ой оси с опорным основанием;Rzi – нормальная реакция в пятне контакта колес i-ой оси с опорным основанием;Pw – сила сопротивления воздуха;Pax1 – сила инерции тягача (Pax1 = m1·V̇1·hс1);hс1 и hс2 – высота центра тяжести тягача и полуприцепа, соответственно;hкр – расстояние от опорной поверхности до ОСУ по оси Z;Mfi – момент сопротивления качению i-го колеса;φi – коэффициент взаимодействия колеса с опорной поверхностью;φx100% – коэффициент взаимодействия при 100% буксовании;Sбi – коэффициент буксования i-го колеса;fi – коэффициент сопротивления качению i-го колеса;6f0 – коэффициент сопротивления качению в ведомом режиме;θ1 и θ2 – угол дифферента корпуса тягача и полуприцепа, соответственно;k1 и k1 – жесткость упругих элементов подвески тягача и полуприцепа,соответственно;xкi – координата колес i-ой оси относительно центра масс;lкр1 и lкр2 – расстояние от ОСУ до центра масс тягача и полуприцепа,соответственно;pw – внутреннее давление воздуха в шине;λM – коэффициент тангенциальной эластичности шины;Px – продольная сила, действующая на ось колеса;Pz – вертикальная сила, действующая на ось колеса;Pʹxi – сила, действующая на корпус звена автопоезда со стороны колес i-ой оси;kп – коэффициент жесткости подвески в продольном направлении;Bп – коэффициент демпфирования подвески в продольном направлении;k0 – коэффициент жесткости ОСУ в продольном направлении;B0 – коэффициент сопротивления демпфера ОСУ в продольном направлении;XС1 и XС2 – координата по оси Х центра масс тягача и полуприцепа,соответственно;Lкi – расстояние от центра масс до точки крепления подвески по оси Х;Vxki – линейная скорость колес i-ой оси;hʹс1 – расстояние от оси колес тягача до центра тяжести тягача по оси Z;hʹс2 – расстояние от оси колес до центра тяжести полуприцепа по оси Z;hкр1 – расстояние от оси колес тягача до ОСУ по оси Z;hкр2 – расстояние от оси колес полуприцепа до ОСУ по оси Z;MСi –момент сопротивления движению, приведенный к i-ой оси;JД, JД, JТ – моменты инерции коленчатого вала ДВС, вала генератора, вала i-го ТЭД; Д – угловое ускорение коленчатого вала ДВС;ωMД – крутящий момент ДВС;MСД – момент сопротивления, приведенный к коленчатому валу ДВС;Uкр – передаточное число колесного редуктора;ηкр – КПД колесного редуктора;MТЭДi – крутящий момент на выходном валу i-го ТЭД;ηТЭДi – КПД i-го ТЭД при заданной частоте вращения.7ВведениеАктуальность работы.

В современном автомобилестроении активноразвиваетсянаправление,связанноесприменениеммногоосныхбольшегрузных автопоездов и сочленённых самоходных платформ. Широкоераспространение и дальнейшее совершенствование указанных транспортныхсредств (ТС) обусловлено рядом объективных факторов: потребностью вперевозках тяжёлых крупногабаритных грузов с исключением процессовраздельнойперевозкинеобходимостьюипоследующейповышениясборкигрузоподъёмностисоставныхпричастей;одновременномобеспечении высокой проходимости при движении по грунтовым дорогам ивне дорог; необходимостью обеспечения малых давлений на опорнуюповерхность в целях уменьшения разрушающего воздействия на почву и др.Большиеперспективыимеетиспользованиеавтопоездоввпромышленных и сельскохозяйственных районах со слаборазвитой сетьюдорог, что особенно актуально для нашей страны.

Такие автопоезданеобходимы для перевозки в условиях бездорожья тяжелых неделимых грузов(спецтехники или оборудования линейной части газопроводов). Однакоизвестно [21], что крюковая нагрузка негативно сказывается на проходимости.Для повышения тягово-динамических свойств известны различныеконструктивныерешения.Стремлениекповышениюпроходимостиавтопоездов привело к созданию так называемых активных автопоездов [8]. Ихосновное отличие заключается в распределении мощности двигателя не толькона колеса тягача, но и на колеса прицепных звеньев. Активный привод колесприцепных звеньев предназначен для увеличения силы тяги ТС путемиспользования силы тяжести, приходящейся на ведущие колеса прицепныхзвеньев. Активные автопоезда с успехом эксплуатируются в тяжелых дорожныхусловиях, их использование позволяет транспортировать грузы, когда этоневозможно за счет обычных полноприводных автомобилей.8Продольные уклоны автомобильных дорог значительно влияют надвижениекакодиночныхтранспортныхсредств(ТС),такиавтомобильного потока в целом.

На участках подъема значительноснижаетсяскоростьтяжелыхгрузовыхавтомобилей(особенноавтопоездов), что резко снижает среднюю скорость транспортного потока,уменьшаетпропускнуюспособностьиповышаетвероятностьвозникновения аварийных ситуаций [22].В климатических условиях РФ проблема недостаточного сцепления назагрязненных водой, грязью или снегом асфальтобетонных поверхностях, вчастности при преодолении ТС подъемов или спусков, особенно актуальна.При движении транспорта в зимних условиях возникают проблемы припреодолении подъемов не только в холмистых местностях, но и при заезде намосты и эстакады. Таким образом, использование активного прицепногозвена актуально не только для автопоездов повышенной проходимости,эксплуатируемых на бездорожье, но и для автопоездов, предназначенных длядвижения по дорогам общего пользования.Цель и задачи исследования.

Целью работы является повышениетягово-динамическихсвойств,проходимостииэнергоэффективностидвижения седельных автопоездов с активными прицепными звеньями за счетраспределения мощности в трансмиссиях на основе анализа силовыхфакторов в опорно-сцепных устройствах.Для достижения намеченной цели в работе были поставлены ипоследовательно решены следующие основные задачи:- проведены обзор и анализ современного состояния вопросаконструктивной реализации привода колес прицепных звеньев активныхавтопоездов, подходов к математическому моделированию взаимодействияколесного движителя с деформируемыми опорными поверхностями, а такжематематическихмоделейдинамикиавтопоездовприконструктивном исполнении и в различных внешних условиях;различном9- разработаны математические модели прямолинейной динамикиседельного автопоезда с активным полуприцепом по недеформируемому идеформируемому опорным основаниям;- разработанные математические модели реализованы в средеимитационного математического моделирования MATLAB/Simulink;- проведены экспериментальные исследования динамики седельногоавтопоезда с целью сравнения результатов имитационного моделирования инатурныхэкспериментовдляоценкиадекватностиразработанныхматематических моделей;проведена-взаимодействиядеформируемыхиспытаниях,дляадаптацияодиночныхопорныхэкспериментальныхдвижителейповерхностей,реализациивсразличнымиполученныхизвестномхарактеристикметодепривидамистендовыхматематическогомоделирования взаимодействия колесных движителей с деформируемымиопорными основаниями, основанном на интегральных характеристиках;- проведено теоретическое обоснование возможности повышенияэффективности движения активных автопоездов за счет распределениямощности в трансмиссии на основе анализа силовых факторов в опорносцепном устройстве при динамическом взаимодействии звеньев и разработанзакон управления электромеханической трансмиссией активного автопоезда;-спроведенапомощьюимитационногосравнительнаяоценкаматематическогомоделированиятягово-динамическихсвойств,проходимости и энергоэффективности движения седельного автопоезда вразличных внешних условиях при различных законах и алгоритмахраспределения мощности в трансмиссии, в том числе, при разработанномзаконе управления электромеханической трансмиссией автопоезда на основеанализа силовых факторов в опорно-сцепном устройстве.Апробация работы.