Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы управляемости быстроходных гусеничных машин и задачи исследования
1.1. Обзор литературы по проблеме управляемости и устойчивости движения гусеничной машины 14
1.2. Обзор литературы по математическому моделированию взаимодействия гусеницы с грунтом 23
1.3. Обзор литературы по математическому моделированию движения гусеничной машины 33
1.4. Цель и задачи исследования 49
Глава 2. Математическая модель криволинейного движения быстроходной гусеничной машины с гидрообъёмным механизмом поворота 51
2.1. Обобщенные координаты 52
2.2. Обобщенные силы 55
2.3. Система дифференциальных уравнений движения машины 66
2.4. Описание работы модели. Основные уравнения связи 68
2.5. Математическая модель криволинейного движения БГМ с механической трансмиссией и гидрообъёмным механизмом поворота 73
2.6. Методика определения параметров движения машины в установившемся повороте при балансе мощности и неустановившемся повороте на границе заноса 75
2.6.1. Установившийся поворот 76
2.6.2. Неустановившийся поворот 80
2.7. Новые положения теории переходных режимов криволинейного движения 90
Выводы по 2 главе 103
Глава 3. Взаимосвязь критериев устойчивости и управляемости криволинейного движения быстроходной гусеничной машины 105
3.1. Определение физических величин, характеризующих устойчивость криволинейного движения быстроходной гусеничной машины 113
3.2. Критерий управляемости в виде соотношения кривизны, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности 117
3.3. Способ управления поворотом быстроходной гусеничной машины 121
3.4. Количественная оценка управляемости 124
3.5. О точности управления поворотом 126
3.6. Системный подход к проблеме обеспечения управляемости гусеничной машины 131
3.7. Статическая и динамическая устойчивость 133
3.8. Экспериментальные исследования В А БТВ и КМЗ, использо ванные для обоснования основных допущений модели 142
Выводы по 3 главе 147
Глава 4. Результаты математического эксперимента по изучению кинематических и силовых параметров криволинейного движения БМП -3 149
4.1. Реализация законов дополнительного регулирования насоса гидрообъёмной передачи при движении по кругу, змейке, на «миксте» 156
4.2. Предотвращение заноса торможением двигателем и дополнительным включением тормоза забегающего борта 162
4.3. Движение по трассе, включающей различные опасные участки.. 164
4.4. О выборе момента переключения передачи на пониженную при угрозе возникновения бокового заноса
4.5. Включение тормоза отстающего борта при перегрузке гидрообъемного механизма поворота по давлению 172
4.6. Маневр «переставка» 177
4.7. Движение по среднестатистической трассе 181
Выводы по 4 главе 184
Глава 5. Собственные и независимые экспериментальные исследования опытного объекта 186
5.1. Методика проведения испытаний 189
5.2. Результаты экспериментальных исследований 191
5.3. Обработка результатов испытаний. Сравнение с математическим моделированием 205
Выводы по 5 главе 218
Глава 6. Конструктивные мероприятия по улучшению управляемости некоторых отечественных быстроходных гусеничных машин
6.1. Блокировочный фрикцион механизма поворота 220
6.2. Гидромуфта механизма поворота 227
6.3. Гидроаккумулятор механизма поворота 230
6.4. Механизм бесступенчатого поворота 233
6.5. Бесступенчатая коробка передач для моторно-трансмиссионной установки быстроходной гусеничной машины 235
6.6. Народнохозяйственное применение моделирования гидростатической трансмиссии 239
Выводы по 6 главе 243
Заключение 244
Основные выводы 245
Библиографический список 248
Приложение 1 274
Приложение 2 290
- Обзор литературы по математическому моделированию взаимодействия гусеницы с грунтом
- Математическая модель криволинейного движения БГМ с механической трансмиссией и гидрообъёмным механизмом поворота
- Критерий управляемости в виде соотношения кривизны, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности
- Предотвращение заноса торможением двигателем и дополнительным включением тормоза забегающего борта
Введение к работе
Актуальность темы. Быстроходные гусеничные машины (БГМ) предназначены для решения боевых задач в условиях движения по пересеченной местности под огнем противника. К главным тактико-техническим характеристикам БГМ относят огневую мощь, броневую защиту и маневренность. Показателем маневренности является средняя скорость движения, которая зависит от совершенства конструкции трансмиссии и механизма поворота. Моторно-трансмиссионные установки (МТУ) современных быстроходных гусеничных машин состоят из двигателей внутреннего сгорания с удельной мощностью до 20 кВт/т, двухпоточных гидромеханических трансмиссий с планетарными коробками передач и бесступенчатыми механизмами поворота на базе гидрообъемных передач (ГОП). Среди отечественных машин следует отметить бронемашину пехоты БМП-3, имеющую двухпоточную гидромеханическую трансмиссию с гидрообъёмным механизмом поворота. Максимальная скорость движения указанных машин составляет 80…100 км/ч, бесступенчатый механизм поворота существенно снижает потери скорости на криволинейных участках. Повышение удельной мощности двигателей, возможность бесступенчатого регулирования радиуса поворота выдвинуло на первый план проблему управляемости БГМ.
Существующие концепции и методы исследования движения БГМ позволяют вмешиваться в процесс управления с учетом изменяющихся параметров. Автором выдвинута научная гипотеза о необходимости моделирования процесса криволинейного движения БГМ с учетом основных нелинейностей грунта и гидрообъёмной передачи, которая позволит определить новые законы управления движением, направленные на реализацию максимально возможной средней скорости за счет движения «на границе заноса». Имитационное моделирование криволинейного движения позволило отработать новые законы управления трансмиссией, механизмом поворота и тормозами с целью увеличения точности траектории, предотвращения заноса, увеличения средней скорости движения. На базе проведенных теоретических исследований внесены изменения в конструкции машин, защищенные авторскими свидетельствами. Разработаны новые положения теории поворота гусеничных машин, отражающие специфику движения на больших скоростях. Изучены динамические процессы поворота, определены наиболее сложные для гидрообъёмного механизма режимы, отработаны алгоритмы управления двигателем, насосом ГОП, тормозами в условиях движения на границе заноса, разработаны конструкции агрегатов, работающих в повороте параллельно ГОП (гидромуфта, блокировочный фрикцион, гидроаккумулятор).
Целью диссертационной работы является повышение подвижности быстроходной гусеничной машины на переходных и установившихся режимах криволинейного движения путем автоматизации системы управления криволинейным движением. Разработка количественного критерия оценки управляемости в виде соотношения кривизны траектории задаваемой штурвалом и реализуемой на местности. Выработка новых законов управления движением на базе дополнительного регулирования насоса ГОП, подачи топлива и торможения забегающего борта при угрозе заноса машины, торможения отстающего борта при перегрузке ГОП по давлению для увеличения точности управления поворотом, предотвращения заноса и роста средней скорости движения машины.
Объект исследования. Быстроходная гусеничная машина с механической или гидродинамической трансмиссией и бесступенчатым механизмом поворота.
Предмет исследования. Закономерности управления двигателем, трансмиссией, механизмом поворота и тормозами, обеспечивающие прохождение криволинейных участков трассы с наибольшей точностью и скоростью.
Методы исследования. Имитационное моделирование криволинейного движения с учетом нелинейностей характеристик грунта и гидрообъемной передачи. Оптимизация законов дополнительного регулирования насоса ГОП независимо от положения штурвала на базе количественного критерия оценки управляемости по кривизне траектории. Моделирование торможения двигателем и разделенной по бортам тормозной системы.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие теоретические и практические задачи:
-
Развить вопросы теории криволинейного движения БГМ на границе заноса на базе комплексного имитационного математического моделирования движения, моторно-транмиссионной установки и системы управления криволинейным движением, отличающегося введением автоматизированного управления насосом гидрообъёмного механизма поворота, двигателя и тормозов с целью повышения точности управления, предотвращения заноса и увеличения средней скорости движения.
-
Выработать критерий количественной оценки точности управления поворотом;
-
Использовать возможность дополнительного, независимого от штурвала, регулирования насоса ГОП механизма поворота, с целью повышения точности управления;
-
Разработать новые законы управления двигателем, гидрообъемным механизмом поворота и тормозами на базе обратной связи по реализуемой на местности траектории;
-
Определить возможности увеличения средней скорости движения быстроходных гусеничных машин, улучшения их управляемости и устойчивости при реализации новых законов управления двигателем, насосом ГОП механизма поворота и раздельными по бортам тормозами на базе предложенного количественного критерия управляемости;
-
Выработать рекомендации по совершенствованию алгоритмов, систем управления и конструкций механизмов поворота некоторых машин.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Комплексная имитационная математическая модель криволинейного движения быстроходной гусеничной машины, моторно-трансмиссионной установки и системы управления криволинейным движением, отличающаяся введением автоматизированного управления насосом гидрообъёмного механизма поворота, двигателя и тормозов с целью повышения точности управления, предотвращения заноса и увеличения средней скорости движения.
-
Критерий оценки управляемости в виде соотношения кривизны траектории задаваемой штурвалом Кт и реализуемый на местности Кф позволяет количественно оценить точность выполнения маневров гусеничной машиной. Кривизна вычисляется как отношение угловой скорости корпуса относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести машины, к линейной скорости центра тяжести машины, направленной вдоль продольной оси.
-
Закономерности управления механизмом поворота в виде дополнительного регулирования насоса гидрообъёмной передачи, что позволяет минимизировать ошибку управления по кривизне траектории до 3-5%. Оптимизирован закон дополнительного регулирования наклонной шайбы ГОП, обеспечивший приемлемое перерегулирование и быстродействие системы управления поворотом;
-
Алгоритмы управления двигателем, тормозом забегающего борта при угрозе заноса и тормозом отстающего борта при перегрузке ГОП по давлению;
-
Комплекс мероприятий обеспечивает динамическую устойчивость криволинейного движения.
Практическая ценность и реализация полученных результатов. На основании имитационного моделирования получили теоретическое обоснование некоторые решённые ранее инженерные задачи. Появилась возможность решать множество смежных задач, связанных с процессом поворота:
-
Для БМП-3 отработаны новые законы управления трансмиссией при криволинейном движении, включающие в себя опцию дополнительного регулирования насоса ГОП механизма поворота по отклонению кривизны траектории на местности от задаваемой штурвалом; опцию торможения двигателем при угрозе заноса; опцию торможения забегающего борта при угрозе заноса; опцию торможения отстающего борта при перегрузке ГОП по давлению, обеспечивающие точность управления поворотом и максимальную среднюю скорость движения без заноса;
-
На базе легкого тягача МТЛБ изготовлен и испытан опытный образец быстроходной гусеничной машины с двухпоточной гидромеханической трансмиссией и гидрообъёмной передачей в механизме поворота, при экспериментальных исследованиях опытного образца доказана достоверность математического моделирования;
-
Для опытного изделия гусеничной машины предложены конструкции блокировочного фрикциона гидрообъёмной передачи, гидроаккумулятора и гидромуфты механизма поворота, улучшающие динамику входа в поворот;
-
Предложен способ управления криволинейным движением и механизм его реализации, обеспечивающий движение с «максимальной по заносу» скоростью;
Новизна технических решений подтверждена 7 авторскими свидетельствами и 1 патентом на изобретения, 1 патентом на полезную модель.
Апробация диссертационной работы. Результаты работы обсуждены на научно-технических конференциях в Курганском государственном техническом университете, Курган (1998, 2000, 2003, 2006); в Омском танковом институте, Омск (2002, 2008); в НИИ АТТ, Челябинск (2002 – 2008); на выездном заседании секции по машиностроению ВАК РФ в Снежинске (2003); в ОАО «ЧТЗ», Челябинск (2002, 2004, 2006, 2007), на ежегодных научно-технических конференциях ЧПИ-ЧГТУ-ЮУрГУ (1981–2008), на научно-технической конференции, посвященной 70-летию Уралвагонзавода, Н.Тагил (2006), в МВТУ им.Баумана (2007, 2008).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Комплексная имитационная математическая модель криволинейного движения быстроходной гусеничной машины, моторно-трансмиссионной установки и системы управления криволинейным движением, отличающаяся введением автоматизированного управления насосом гидрообъёмного механизма поворота, двигателя и тормозов с целью повышения точности управления, предотвращения заноса и увеличения средней скорости движения.
-
Критерий количественной оценки управляемости криволинейного движения гусеничной машины в виде соотношения кривизны траектории, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности;
-
Возможность дополнительного, независимого от штурвала, регулирования подачи насоса ГОП и её использование для улучшения управляемости машины в повороте;
-
Законы управления двигателем, гидрообъёмным механизмом поворота и тормозами при криволинейном движении с целью предотвращения заноса и сокращения периодов перегрузки ГОП по давлению на базе критерия количественной оценки управляемости;
-
Все мероприятия по улучшению управляемости основаны на сохранении статической или динамической устойчивости, что раньше было возможно только при управлении высококлассным механиком-водителем;
-
Результаты математического эксперимента по оценке роста средней скорости управляемого криволинейного движения быстроходной гусеничной машины «по границе заноса» при выполнении стандартных маневров: «переставка», движение по кругу, «змейке», в различных дорожных условиях «микст» и по среднестатистической трассе, включающей различные опасные участки;
-
Реализация новых опций управления поворотом для машин с гидромеханической трансмиссией и приводом насоса ГОП от двигателя (схема «Леопарда-2», БМП «Мардер», БМП-3), обеспечивающих сохранение траектории при смене грунта или росте сопротивления движению.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы:
– ОАО «Курганский машиностроительный завод» при проектировании транспортной машины ТМ-130;
– ОАО «Челябинский тракторный завод» при проектировании перспективного промышленного трактора-бульдозера с гидростатической трансмиссией;
– ФГУП «Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения», г. Н.Тагил при модернизации системы управления криволинейным движением гусеничной машины;
– Курганским государственным техническим университетом и Южно-Уральским государственным университетом при подготовке инженеров по специальности 190202 «Многоцелевые гусеничные и колесные машины» в курсе «Теория движения».
Достоверность полученных результатов подтверждается испытаниями опытного образца гусеничной машины с гидрообъёмным механизмом поворота, проведенными в ЮУрГУ совместно с ОАО «ЧТЗ» и ФГУП «Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения», г. Н.Тагил, в 2001 и 2005 гг.; экспериментальными исследованиями быстроходных гусеничных машин, опубликованными в независимых источниках.
По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе монография, 10 статей в центральных журналах, получено 7 авторских свидетельств и 1 патент на изобретения, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 297 страницах машинописного текста, включая 170 рисунков и 22 таблицы, состоит из введения, шести глав, заключения, основных выводов, списка литературы, включающего 241 наименование, и приложений.
Обзор литературы по математическому моделированию взаимодействия гусеницы с грунтом
При моделировании криволинейного движения гусеничных машин первостепенное значение имеет модель взаимодействия гусеницы с грунтом. В технической литературе вопросам математического моделирования процесса движения гусеничной машины в повороте уделено достаточно много внимания. На каждом этапе развития теории движения использовались модели, решение которых было доступно имеющейся вычислительной технике.
Основа существующей теории движения гусеничных машин создавалась для машин с малой удельной мощностью. Для них выдвигалась задача обеспечения возможности движения на траектории большой кривизны в заданных грунтовых условиях - задача «тягового расчета». Распространение получила теория установившегося поворота, что обеспечивало запросы практики по расчету механизмов поворота при малых удельных мощностях гусеничных машин. В соответствии с этим, разрабатывались и модели поворота.
Основные допущения в модели А.О Никитина: нормальная нагрузка по длине опорной поверхности гусениц распределяется непрерывно и линейно; попе 25 речные составляющие касательных реакций грунта на опорные поверхности гусениц пропорциональны нормальным нагрузкам; коэффициент пропорциональности между ними - коэффициент сопротивления повороту ju определяется экспериментально; коэффициент ju постоянен по всей длине опорной поверхности.
При определении сил и моментов Ф.А. Опейко заменяет интегралы элементарных сил трения сосредоточенными силами, равными силе трения половины гусеницы и приложенными в центре половин опорных поверхностей гусениц (рис. 1.7).Ф.А. Опейко, детально рассмотрев вопрос взаимодействия гусениц с грунтом, установил аналитическую зависимость коэффициента сцепления от направления смещения элемента опорной поверхности гусеницы с грунтом. Однако для задачи тягового расчета эта информация не требовалась. С другой стороны, как выяснилось позднее при появлении быстроходных гусеничных машин, мгновенный центр поворота смещается не только поперек опорной поверхности гусениц, но и вдоль, чего не учитывает модель Ф.А. Опейко.
Модель В.В. Гуськова и А.Ф. Опейко. Дальнейшее развитие теория взаимодействия гусениц с грунтом получила в работах учеников Ф.А. Опейко. В работе В.В. Гуськова и А.Ф. Опейко [146] рассмотрено силовое взаимодействие площадки с грунтом, основанное на математической теории трения плоских поверхностей Ф.А. Опейко. Схема взаимодействия приведена на рис. 1.7. Согласно такому подходу, взаимодействие колеса (гусеницы) с грунтом представляет собой фрикционную пару. Из механики известно, что для любой плоской фигуры, движущейся в своей плоскости непоступательно, существует центр вращения, положение которого при связях с трением однозначно определяет действующие реакции.
Дело в том, что при использовании модели Никитина А.О. взаимодействия гусеницы с грунтом при повороте предполагается независимость сил сопротивления продольному перемещению и момента сопротивления повороту, определенного через коэффициент JI.
Сложность состоит в определении поперечных координат центра вращения х\ и х2 отстающей и забегающей гусениц и продольной координаты центра Рис. вращения у. В литературных источниках по теории движения танков [16, 68, 162, 180] принято обозначать продольное смещение центра вращения буквой %. Модель В.И Красненькова. На основании экспериментов [112, 196, 197] установлено, что давление на грунт передается лишь «активными участками» гусениц под катками и в режиме прямолинейного движения силы сцепления гусениц с грунтом реализуются только звеньями «активных участков». Сформулирован вывод о том, что по реализации сцепления с грунтом гусеничный движитель подобен колесному, у которого число колес равно числу опорных катков.
Для колесных машин кинематика взаимодействия элементов опорной поверхности с грунтом под каждым колесом независима от кинематики элементов опорной поверхности (вдоль продольной оси машины) под другими колесами. Принятое в работе [196] допущение о независимости продольного перемещения гусеницы под каждым катком, позволило автору рассматривать взаимодействие гусеничного движителя с грунтом подобно колесному. Это не соответствует действительному процессу взаимодействия гусениц с грунтом (продольная, а, следовательно и поперечная составляющие силы определяется не величиной «рабочего» перемещения, а длиной пути, пройденного элементом к определенному моменту времени с учетом направления скорости смещения). Постановка задачи исследования движения гусеничной машины в виде первой задачи динамики и попытка применить теорию движения многоопорной колесной машины к исследованию движения гусеничной машины не позволили получить требуемые зависимости между действительными силами и кинематическими показателями криволинейного движения и управляемыми параметрами движения, а также установить влияние на них внешних условий, режимов движения и конструкционных особенностей самой машины.
Модель ВА БТВ. Исследования, проведенные в Академии, успешно внедрили в научный оборот годограф Ф.А. Опейко (1.1), что позволило учесть в расчетах анизотропные свойства грунта. В работе сделаны выводы о том, что «силы, вызывающие движение БГМ (за исключением силы тяжести), являются силами реакций и создаются самой машиной; силы тяги и сопротивления повороту являются составляющими этой реакции грунта; движение гусеничной машины без буксования невозможно; при криволинейном движении центр масс гусеничной машины двигается по касательной к траектории движения, а продольная ось повернута на дополнительный угол /3 внутрь траектории движения». В трудах В А БТВ приведены результаты исследования величины момента сопротивления повороту в зависимости от количества опорных катков.
Сделан вывод, о том, что зависимостями А.О. Никитина при определении момента сопротивления повороту можно пользоваться при числе опорных катков п 6. В процессе движения машины по уложенной на грунт гусенице траки гусеницы нагружены усилием, зависящим от перемещения в продольном и поперечном направлениях. Величина этого перемещения в некоторый момент времени может превышать несущую способность грунта, поэтому часть траков тягового усилия не создают, в то время как другие могут быть нагружены усилием больше обусловленного коэффициентом сопротивления перемещению.
Математическая модель криволинейного движения БГМ с механической трансмиссией и гидрообъёмным механизмом поворота
Особенность математической модели движения БГМ с механической трансмиссией состоит в основном с ликвидацией одной степени свободы в системе уравнений (2.6-2.18). В диссертации реализованы математические модели двух механических трансмиссий: с центральной коробкой передач и с бортовыми коробками.
Структурная схема машины с центральной механической трансмиссией Коробка перемены передач через согласующий редуктор соединена непосредственно с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, что в математическом описании сокращает систему на одно уравнение, касающееся турбинного колеса гидротрансформатора. Выкладки по обобщенным силам и координатам, приведенные выше для гидромеханической трансмиссии, справедливы и для механической. Параллельный гидропривод механизма поворота сохранен полностью, в этой части математическая модель совершенно идентична. Здесь сод - частота вращения коленчатого вала двигателя, J; - момент инерции коленчатого вала двигателя и соединенных с ним деталей, все остальные обозначения совпадают с обозначениями системы (2.6-2.18). Описание механической трансмиссии с бортовыми коробками передач (БКП) имеет особенность, видоизменяет уравнение (2.27). Вместо единой центральной коробки передач с передаточным числом ік появляются передаточные числа двух БКП - левой ікХ и правой ік2: (2.36) С учетом замены уравнения (2.27) на уравнение (2.36) система уравнений (2.24)-(2.35) является математической моделью движения БГМ с БКП.
Использование математических моделей, приведенных во второй главе, позволило выработать новые законы управления криволинейным движением быстроходной гусеничной машины, которые невозможно было сформулировать на базе имевшихся в литературе математических моделей. В диссертации приведены результаты имитационное моделирование движения БГМ с различными типами трансмиссий, отработаны алгоритмы регулирования гидропривода механизма поворота, подачи топлива в двигатель и раздельного торможения по бортам с целью уменьшения ошибки управления поворотом, то есть повышения точности управления поворотом, и предотвращения заноса.
Теория криволинейного движения в том виде, в котором она представлена в классических учебниках [16,162], предполагает знание особенностей конструкции машины для оценки её тяговых и скоростных свойствах в повороте. Автором разработана методика определения параметров криволинейного движения БГМ на основе баланса мощности (установившийся поворот) и движения по границе заноса (неустановившийся поворот, или поворот в условиях динамической устойчивости), основанная на знании только самых общих представлений о машине: весе, продольной и поперечной базе, мощности двигателя. В результате определены предельные значения линейной и угловой скорости и ускорения корпуса машины в зависимости от кривизны траектории движения и тягово-сцепных свойств грунта.
На ранней стадии проектирования, когда не определены параметры основных агрегатов машины, интерес представляют методики оценки будущей машины по её самым общим показателям: весу, габаритам, мощности двигателя. В этом смысле модель, приведенная выше, не может быть использована, так как в ней все параметры должны быть тщательно прописаны.
В процессе диссертационной работы были созданы некоторые, можно сказать, упрощенные модели, имеющие, однако право на существование. Изложенная ниже частная методика может быть использована при проектировании новых машин, либо при сравнительной оценке существующих конструкций. Методологическая основа заложена в классических трудах по теории движения гусеничных машин [16, 162].
Важно отметить, что в формулы (2.37) и (2.39) входят характеристики внешней среды у/ , [л , а также самые общие показатели БГМ: вес, продольная база, скорость продольного перемещения центра тяжести и угловая скорость корпуса. Таким образом, уравнения (2.37) и (2.39) можно рассматривать как объективно существующие факторы мощности сопротивлений.
В формулах (2.37) и (2.39) учтены инерционные составляющие, связанные со смещением полюса поворота. В условиях заноса полюс поворота смещается под первые опорные катка, инерционная составляющая становится весьма значительной. Уравнение (2.31) является уравнением баланса мощности при установившемся криволинейном движении. В нем всего 2 неизвестных: Уи со, между которыми оно устанавливает взаимно-однозначное соответствие. Понятие баланса мощности фигурирует во всех классических учебниках по теории движения, но определяется после сил тяг и скоростей вращения ведущих колес, исходя из скоростного режима ДВС. Тяги и скорости по бортам определяются для конкретных схем и параметров механизмов поворота, баланс мощности в общепринятом понимании позволяет определить: - на какой передаче возможен поворот с заданным радиусом; - минимальный радиус поворота при движении на заданной передаче или скорости; - потоки мощности по бортам.
Такой подход не дает общности решения, в то время как уравнение (2.44) позволяет, не имея информации о схеме трансмиссии и механизма поворота, определить минимальный радиус установившегося поворота на заданной скорости, то есть аналитически вывести зависимость Rmin(V) - границу устойчивости, аналогичную экспериментальной с рис. 1.1.
В отличие от принятого в учебниках по теории движения отритцательного направления силы тяги отстающего борта, в данном случае обе силы тяги положительны и направлены вперед по ходу движения (см. расчетную схему на рис. 2.2). Положительная сила тяги на отстающем борту является одной из отличительных особенностей быстроходных машин. Только на малых скоростях возможно изменение знака у силы тяги на отстающем борту. Выражения (2.45) и (2.46) справедливы для любых режимов установившегося движения по скорости V и угловой скорости со, но только при определенном их соотношении будет достигнут баланс мощности двигателя и сопротивлений и минимальный радиус поворота на каждой скорости. Графики, изображающие Pi и Р2 при балансе мощности, приведены на рис. 2.11. Интерес представляют сумма сил тяг и их разность. Это связано с двухпоточностью современных трансмиссий БГМ: сумма тяг забегающей и отстающей гусениц загружают основную трансмиссию, а разность тяг - ГОП механизма поворота.
Информация о том, что ГОП механизма поворота при увеличении скорости движения БГМ разгружается, справедлива только для установившегося движения. В реальных условиях постоянного и достаточно резкого маневрирования эти представления существенно корректируются.
Критерий управляемости в виде соотношения кривизны, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности
Переход от сравнения частот вращения корпуса, использованного в работах ВА БТВ, к сравнению траекторий движения имеет очевидные преимущества: 1 - водитель в процессе управления поворотом следит именно за траекторией движения; 2 - в этом случае сравнению подвержено положение штурвала, как управляющее воздействие водителя, и кривизна траектории движения на местности, как выходной сигнал; 3 - между управляющим воздействием и выходным сигналом помещаются оба основных искажения (потери ГОП и буксование); 4 - кривизна траектории движения рассчитывается как отношение частоты вращения корпуса к линейной скорости центра тяжести машины, то есть логично включает в себя и скорость движения БГМ.
В имитационном моделировании проведена оценка различия реальной скорости и теоретической, без учета юза-буксования, рассчитанной по ведущим колесам, или замеренной на выходе коробки передач. Графики приведены на рис. 3.8. Различие линейных скоростей при движении на скорости 17 м/с составляет 0,1 м/с (0,5%).
Таким образом, имитационное моделирование показало, что линейная скорость корпуса искажается буксованием значительно меньше, чем угловая, поэтому оценку линейной скорости на реальном объекте достаточно проводить по выходному валу коробки передач, а реальную угловую скорость вращения корпуса относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ проводить гироскопом. А относительную разницу кривизны реальной траектории и кривизны, задаваемой штурвалом, можно рассмотреть в качестве количественной оценки управляемости БГМ.
По аналогии с критерием управляемости сформулирован критерий устойчивости как соотношение кривизны, задаваемой ведущими колесами и реализуемой на местности (см. на рис 3.9. графики 1 и 2).
Несложный переход к относительным величинам кривизны позволяет ввести в оборот количественный параметр, характеризующий управляемость -ошибку управления в процентах отклонения реализуемой кривизны относительно заданной штурвалом. Например, движение по кругу, соответствующее управляющему воздействию по рис. 3.3, машины-прототипа без дополнительного регулирования механизма поворота, сопровождается ошибкой в 50... 100% (рис 4.14). Важно, что появилась возможность оценивать управляемость количественно.
Известно, что при резком повороте штурвала гидрообъёмная передача перегружается по давлению, частота вращения мотора ГОП не достигает расчетных величин, машина идет по траектории большего радиуса, чем задано штурвалом. При этом дополнительное регулирование наклонной шайбы насоса ГОП не приводит к улучшению ситуации: - расход предохранительного клапана не может быть компенсирован дополнительной подачей. В ряде случаев наклонная шайба уже достигла максимального отклонения.
Явно управляемость недостаточна. Ошибка по кривизне достигает 100 и более %. Известные технические решения проблемы перегрузки ГОП по давлению. Например, немцы устанавливают на БМП «Мардер» и «Леопард-2» гидромуфту, на опытных отечественных машинах устанавливали фрикцион, блокирующий насос с моторов ГОП постоянным передаточным числом.
Имитационным моделированием проработаны несколько алгоритмов дополнительного регулирования двигателя и тормозов при нарушении управляє 120 мости по причине перегрузки ГОП по давлению. Очевидно, что сам факт открытия предохранительных клапанов является свидетельством нарушения управляемости. В различных машинах по-разному используется информация об открытии клапанов. В частности, именно рабочая жидкость, сбрасываемая через предохранительные клапаны, поступает в гидромуфту механизма поворота БМП «Мардер». Гидромуфта, заполняясь рабочей жидкостью, включается в параллельный поток мощности, параллельно ГОП, помогая ему создать необходимый поворачивающий момент.
Надо сказать, что алгоритм обеспечения точности управления поворотом за счет дополнительного регулирования подачи насоса ГОП в случае открытия предохранительных клапанов не работает. По физике процесса требуется снизить линейную скорость движения чтобы восстановить управляемость.
Специально проведенные расчеты показали следующие результаты: при торможении обеих бортов ошибка управления снижается медленно, при торможении забегающего борта ситуация с недостаточной управляемостью усугубляется, а при торможении отстающего борта достигается значительное улучшение управляемости. Иллюстрация - на рис. 3.10 а,б. Забегающим и отстающим бортом в разных условиях может оказаться любой из бортов. Реализация различных алгоритмов, описанных в диссертации, осуществляется при однозначно прописанных условиях: положительный поворот штурвала соответствует правому повороту, отрицательный - левому повороту.
Математическая модель движения быстроходной гусеничной машины позволила провести математический эксперимент по реализации способа управления бесступенчатым поворотом гусеничной машины по авторскому свидетельству № 330449.
В данном разделе рассмотрен вопрос о правомерности выбора физических величин, информации о которых будет достаточно для определения начала заноса. В примере рассмотрен вход в поворот с заносом при Г=8 с. Графики на рис. 3.11 и 3.12 приведены для иллюстрации соответствия пороговых значений кинематических параметров перехода через границу заноса. Строго говоря, кинематический параметр среди приведенных только один: соотношение скоростей, так как соотношение ускорений можно замерить только через силу, в этом смысле ускорения - это силовой параметр. По графику на рис. 3.12 можно определенно констатировать, что по положению корпуса (разности курсовых углов) невозможно определить границу заноса.
Предотвращение заноса торможением двигателем и дополнительным включением тормоза забегающего борта
Дополнительное регулирование наклонной шайбы насоса ГОП по новым законам снижает ошибку управления поворотом на порядок. В некоторых случаях удается стабилизировать машину в повороте и избежать заноса. Однако этого оказалось недостаточно. При резком повороте штурвала управления машина неизбежно уходит в занос, несмотря на систему слежения и стабилизации траектории движения. Часто задаваемые водителем через штурвал траектории движения не могут быть реализованы на большой скорости. Опыт и квалификация водителя подсказывают ему насколько нужно снизить скорость движения для выполнения маневра за счет уменьшения подачи топлива и торможения. Математическая модель позволяет выполнить эти операции. В случае превышения кривизны реальной траектории на местности над заданной штурвалом, подача топлива в двигатель прекращается, и двигатель вместо источника энергии становится его потребителем в виде момента сопротивления, пропорционального частоте вращения ДВС. Как только ситуация с кривизной выправляется, подача топлива возобновляется. Однако процессы регулирования поворотом настолько динамичны, что торможения двигателем оказывается недостаточно.
Имитационное моделирование позволило отработать различные алгоритмы управления тормозами при угрозе заноса. Рассмотрены варианты принудительного торможения машины с помощью штатных тормозов: торможение обеими гусеницами и каждой в отдельности. Торможение обеими гусеницами не приводит к желаемому результату, машина из заноса не выходит; тор можение отстающего борта тем более; а торможение забегающего борта, как это не парадоксально звучит, приводит к стабилизации поворота.
Основные цифры, характеризующие выигрыш в скорости совершения маневра приведены в таблице 1. Маневр заключается в резком повороте штурвала (за несколько десятых долей секунды) до определенного уровня, выраженного в долях от максимально возможного, и движение в повороте по кругу. Анализ результатов имитационного моделирования показал, что выполнение маневра по входу в поворот благодаря введению в действие новых законов управления наклонной шайбы насоса ГОП, двигателя и тормозов, стало возможным с большей средней скоростью. 1. Если прототип может войти в круг диаметром 21м только на 3 передаче со средней скоростью 11,5 м/с, то усовершенствованная машина сможет это сделать на 4 передаче со средней скоростью 14,7 м/с (на 27% быстрее). 2. Если прототип может войти в круг диаметром 27м только на 3 передаче со средней скоростью 11,5 м/с, то усовершенствованная машина сможет это сделать на 4 передаче со средней скоростью 15,6 м/с (на 35% быстрее). 3. Без дополнительного торможения забегающего борта машина не может избежать заноса при относительном повороте штурвала больше 0,5 на 4 передаче и 0,6 на 3 передаче. 4. Тормоз забегающего борта включается автоматически при угрозе заноса в виде разности кривизны траектории, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности. 5. Выводы справедливы для механической и гидромеханической трансмиссии. 6. Во всех случаях, в том числе и на границе заноса дополнительное регулирование наклонной шайбы ГОП обеспечивает ошибку управления поворотом в пределах 10%) в переходном процессе и не более 5% - в установившемся движении по кругу. При пропорциональной связи штурвала и наклонной шайбы ГОП ошибка составляла 50 и более %. Любая трасса может быть разложена на составляющие элементы, такие как движение по прямой, по дугам окружности различного радиуса и по траектории переменной кривизны типа синусоиды с различной амплитудой и периодом. Именно эти фрагменты трассы включены в имитационную модель движения в течение 20 с: первый период t=0... 5 с штурвал задает поворот влево (относительный поворот штурвала -0,3); второй период t=5...6 с движение прямо; третий период t=6...10 с - поворот вправо (относительный поворот штурвала +0,5); четвёртый период t=10.. .20 с - движение по синусоиде. Движение по реальной местности опасно участками с большой кривизной траектории. С этой точки зрения наиболее опасным участком оговоренной трассы является третий период с относительным поворотом штурвала +0,5. Именно на этом участке в первую очередь можно ожидать заноса. До тех пор, пока гарантирована плавность изменения траектории движения, и трасса состоит только из поворотов большого радиуса, преимущество реализации новых законов управления двигателем, гидрообъёмной передачей и тормозами в процессе криволинейного движения заключается только в точности управления. Благодаря системе дополнительного регулирования подачи насоса ГОП, независимо от штурвала, центр тяжести БГМ перемещается по траектории, заданной штурвалом с ошибкой по кривизне не более 10% при резком перемещении штурвала, и в пределах 2-3% при плавном перемещении штурвала. В то время как машина-прототип имеет отличие по кривизне траектории от заданной штурвалом до 50 и более %. Проиллюстрируем эти положения результатами имитационного моделирования. На рис. 4.21 - графики кривизны траектории по штурвалу (1) и реализуемой на местности (2) для машины-прототипа. На рис. 19 - аналогичные кривизны для машины, управляемой по новым законам.
Реализация разработанных законов управления поворотом (одновременным дополнительным регулированием насоса ГОП, сбросом подачи топлива до нуля, торможением двигателем и торможением забегающего борта при появлении угрозы заноса) достигается динамическая устойчивость поворота при сохранении точности управления. На рис. 4.24 приведены графики кривизны траектории при движении на 4 передаче машины с новыми законами управления поворотом. Машина благополучно проходит трассу со средней скоростью 13,5 м/с с ошибкой управления не более 3 %. Выводы по разделу: 1. Применение новых закономерностей в управлении поворотом БГМ позволило увеличить точность управления поворотом, снизить ошибку управления с десятков процентов до 2-3% в установившемся повороте и до 10% на переходных режимах. 2. Оценка ошибки управления поворотом по разности кривизны траектории, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности, позволило определить критерий управляемости количественно, чего раньше не удавалось сделать. 3. Введение дополнительного, независимого от водителя регулирования насоса ГОП, и особенно определение критерия и оптимизация характеристик этого регулирования является новым положением теории движения быстро ходных гусеничных машин в неустановившемся повороте, придающим ему динамическую устойчивость. 4. Выдвинута и подтверждена имитационным моделированием научная гипотеза о возможности предотвращения заноса торможением двигателем и дополнительно торможением забегающего борта при возникновении угрозы заноса. 5. Реализация новых закономерностей управления двигателем, ГОП и тормозами при движении на границе заноса позволили преодолевать трассу с опасными по заносу участками на 4 передаче вместо третьей и таким образом увеличить среднюю скорость движения с 10,1 м/с до 13,5 м/с, то есть на 33%. 6. Имитационное моделирование движения по кругу и по трассе типа «змейки» показало, что внедрение новых законов дополнительного регулирования наклонной шайбы ГОП позволяет уменьшить ошибку управления с 50% до 3...4%. 7. Моделирование смены грунта под одним из бортов с применением новых законов регулирования ГОП механизма поворота, подачи топлива и торможения по бортам показало стабильность траектории движения, в отличие от увода, имевшего место раньше и произвольно появлявшейся ошибки управления величиной до 100 и более %. 8. Применение новых законов регулирования поворотом для гидромеханической трансмиссии с приводом насоса ГОП механизма поворота от двигателя (схема Леопарда-2) показало эффективность в поддержании кривизны траектории, заданной штурвалом, при увеличении сопротивления движению: ошибка управления по кривизне снижается с 50...80%) до 5...8%) на разных трассах и разных грунтовых условиях.
