Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования 6
1.1. Предмет исследования 6
1.2. Анализ существующих решений в области регулирования сил тяги на колесах полноприводных автомобилей 7
1.2.1. Гидрообъемные трансмиссии 9
1.2.2. Электрические трансмиссии 14
1.2.3. Альтернативные решения для задачи регулирования касательных реакций на колесах автомобиля 16
1.3. Обзор научных достижений в области оптимизации параметров автомобильной техники 17
1.4. Критерии оценки управляемости и устойчивости автомобиля 27
1.5. Цель и задачи диссертации 33
2. Расчетная модель автомобиля 36
2.1. Выбор системы координат. Дифференциальные уравнения движения многомассовой системы 36
2.2. Вычисление моментов и произведений инерции колес относительно системы координат, жестко связанной с кузовом 75
2.3. Внутренние силы системы 84
2.4. Потенциальная энергия и диссипативная функция системы. Вывод уравнений Лагранжа в окончательном виде 87
2.5. Метод, используемый для определения реакций в пятне контакта колеса с опорной поверхностью 102
2.6. Описание работы гидропривода. Уравнения, описывающие работу трансмиссии 105
2.7. Алгоритм работы математической модели 112
2.8. Выводы по разделу 115
3. Экспериментальные исследования 117
3.1. Цель и задачи экспериментального исследования. Объект исследований. Программа испытаний. Обоснование выбора характерных режимов работы трансмиссии 117
3.2. Описание оборудования, использованного для проведения замеров при экспериментальных исследованиях 123
3.3. Сводные результаты экспериментальных исследований 127
3.4. Выводы по результатам проведения исследовательской программы по оценке влияния схемы привода полноприводного автомобиля, оборудованного трансмиссией с индивидуальным подводом мощности к колесам, на показатели его управляемости 144
3.5. Сверка работы математической модели с результатами экспериментальных исследований. Оценка адекватности модели по критерию Фишера 146
4. Оптимизация законов управления трансмиссией полноприводных автомобилей с индивидуальным подводом мощности к колесам 149
4.1. Краткое обоснование выбранного метода оптимизации и обзор программного обеспечения 149
4.2. Постановка оптимизационной задачи, определение критериев и параметров оптимизации 151
4.3. Взаимосвязь параметров оптимизационной задачи и параметров работы гидрообъемной трансмиссии 153
4.4. Анализ результатов решения задач оптимизации 154
4.5. Выводы и рекомендации по результатам проведения оптимизационного исследования влияния законов управления гидрообъемной трансмиссией на показатели управляемости, устойчивости и топливной экономичности автомобиля 176
5. Основные результаты исследований и выводы
Литература 179
Приложения 190
- Обзор научных достижений в области оптимизации параметров автомобильной техники
- Потенциальная энергия и диссипативная функция системы. Вывод уравнений Лагранжа в окончательном виде
- Описание оборудования, использованного для проведения замеров при экспериментальных исследованиях
- Выводы и рекомендации по результатам проведения оптимизационного исследования влияния законов управления гидрообъемной трансмиссией на показатели управляемости, устойчивости и топливной экономичности автомобиля
Введение к работе
В современном автомобилестроении прослеживаются тенденции повышения мощности двигателей, что сопровождается проблемами эффективной реализации возросших тяговых возможностей автомобиля. Это неминуемо ставит задачи разработки полноприводных трансмиссий и улучшения их характеристик. Очевидно, что при таких схемах появляется возможность улучшения показателей проходимости, управляемости и устойчивости, топливной экономичности автомобиля за счет оптимального распределения сил тяги. Работы в этих направлениях ведутся научными школами и инженерными центрами многих стран. Как правило, поиск улучшенных решений распределения касательных реакций ведется в узкоспециализированных прикладных задачах — оптимизация управляемости (в классе легковых автомобилей) или проходимости (в классе полноприводных автомобилей). Ценность существующих решений в данных областях не вызывает сомнения, однако комплексная задача по улучшению различных свойств автомобиля за счет оптимальных законов управления параметрами полноприводных автоматических трансмиссий на текущий момент недостаточно изучена.
При определении эффективности необходимо рассматривать несколько групп свойств, включая такие важные характеристики автомобиля, как управляемость, устойчивость и топливная экономичность. В ходе предварительных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что на эти свойства автомобиля влияет закон распределения мощности между ведущими колесами. Данное направление исследований в современной прикладной науке представляет значительный интерес, поскольку открывает дополнительный ресурс для улучшения потребительских свойств автомобиля.
Продиктованные рыночной экономикой и общим научно-техническим прогрессом, в настоящее время перед инженерами стоят задачи создания автомобилей с повышенными потребительскими свойствами, в том числе, с автоматизированным управлением максимально возможным количеством систем автомобиля. Это позволит исключить или компенсировать ошибки водителя, тем самым, повышая безопасность и эффективность транспортного средства, и снизить влияние человеческого фактора в системе «Водитель - автомобиль — дорога».
В данной работе изучается возможность повышения комплекса эксплуатационных свойств автомобиля за счет оптимизации управления силами тяги при криволинейном движении. В наибольшей степени этой задаче отвечает полноприводный автомобиль с возможностью независимого регулирования передаваемых на колеса моментов. Необходимо отметить, что в классе тяжелых многоосных автомобилей свойствам управляемости, устойчивости и топливной экономичности обычно придается второстепенное значение ввиду как малочисленности автомобилей данного класса, так и первоочередная ориентированность их на решение транспортных задач в условиях бездорожья, что подразумевает оптимизацию всех систем автомобиля в соответствии с этой целью. Тем не менее, часть своего срока службы такие транспортные средства проводят в перемещении по дорогам общего пользования, что создает дополнительные неудобства за счет их неприспособленности к таким условиям: негабаритным радиусам поворота, низкой скорости криволинейного движения и высокому расходу топлива. Современный уровень развития автомобилестроения позволяет решать и эти задачи для внедорожных автомобилей, не пренебрегая первостепенными, поэтому в данной работе предприняты шаги в разработке соответствующей модели и ее исследования.
Выполнен ряд теоретических и экспериментальных исследований, имеющих цель подтвердить возможность коррекции управляемости, устойчивости и топливной экономичности автомобиля за счет изменения касательных реакций в пятне контакта ведущих колес с дорогой.
Ввиду того, что в современном автомобилестроении постоянно растет уровень всесторонней проработки и улучшения как традиционных конструкций, так и вновь создаваемых, а ресурсы оптимизации базовых свойств за счет изменения конструкции практически исчерпаны, следует расширять научный поиск в области управления, а также исследования других свойств автомобилей, не снижая достигнутого уровня реализации базовых свойств. История автомобилестроения успешно прошла этап создания полноприводных транспортных средств, теперь необходимо осваивать и углублять наработанные знания. В частности, для внедорожных автомобилей следует обеспечить возможность движения собственным ходом до места выполнения основных задач, снизив при этом вредное воздействие на окружающую среду, обеспечив максимальную адаптацию к условиям дорожной сети общего пользования. Это определяет актуальность данной работы.
Обзор научных достижений в области оптимизации параметров автомобильной техники
Процесс оптимизации в классическом понимании связан преимущественно с математическим анализом топографии целевой функции (поиск экстремальных значений) [84]. Оптимизация, так или иначе, находит практическое применение во всех отраслях науки, в том числе, технической. Методами оптимизации улучшают, в общем понимании, потребительские свойства и себестоимость объекта, их соотношение, функциональные и качественные параметры функционирования, а также исследуют свойства проектируемых объектов. Методы, посредством которых решают задачи оптимизации, подразделяют на виды, соответствующие задачам, к которым они применяются: - локальные методы (задача оптимизации унимодальной целевой функции); - глобальные методы (имеют дело с многоэкстремальными целевыми функциями. При глобальном поиске основной задачей является вьывление тенденций глобального поведения целевой функции). Существующие в настоящее время методы поиска можно разбить на три группы [32]: 1. детерминированные; 2. случайные; 3. комбинированные. Некоторые детерминированные методы: а) Задачи оптимизации, в которых целевая функция f(x) и ограничения qt (х), i = \,...,m являются линейными функциями, разрешаются так называемыми методами линейного программирования [55]. б) В противном случае имеют дело с задачей нелинейного программирования и применяют соответствующие методы. В свою очередь из них выделяют две частные задачи: задачу выпуклого программирования и задачу целочисленного (дискретного) программирования [68]. Помимо того, оптимизационные методы делятся на следующие группы: - аналитические методы; - численные методы; - графические методы. Также они разделяются по критерию размерности допустимого множества на методы одномерной оптимизации и методы многомерной оптимизации.
Для основной массы технических задач, ставящихся в узкоспециализированном направлении, достаточными возможностями обладают методы однокритериальной оптимизации. С точки зрения исследования алгоритмов управления автоматизированными системами автомобиля, в частности, трансмиссиями, использование методов однокритериальной оптимизации неоправданно, поскольку еще на стадии проектирования требует выделения критериев по степени значимости. В современной науке известно и активно применяется множество критериев, позволяющих оценивать свойства автомобиля на установившихся и динамических режимах движения, поэтому выбор одного из критериев в качестве основного (предпочтительного) автоматически снижает объективность научного подхода [Щ
Для решения сложных многокритериальных задач в ИМАШ РАН под руководством Р.Б. Статникова разработан универсальный программный комплекс МОVI (Multicriteria Optimization and Vector Identification). Дальнейшее развитие возможностей данного комплекса применительно к исследованию управляемости и устойчивости автомобиля стало возможным с разработкой пакета прикладных программ StabCon (Stability and Control), разработанного на кафедре "Автомобили" МГТУ «МАМИ» под руководством профессора СВ. Бахмутова. Пакет программ включает в себя исполняемые модули, которые вычисляют критерии, входящие в состав оптимизационной задачи, по значениям статических и динамических характеристик, полученных в результате работы математической модели. При этом программы являются универсальными, т.е. не зависящими от конкретной математической модели движения автомобиля. Управляющий файл запускает программу перевода внутреннего файла параметров оптимизационного комплекса MOVI в файл параметров математической модели, программу, содержащую непосредственно математическую модель и обработчики. Рассчитанные критерии записываются в результирующий файл и передаются для вычисления в программный комплекс MOVI (алгоритм работы оптимизационного комплекса см. рис. 1.3.1). На основании данного программного комплекса проведено множество исследований, нашедших свое отражение в научных работах и публикациях [6, Ц, 15, 22, 29 и др.].
При попытке заменить многокритериальную задачу однокритериальной (с целью упрощения расчетных процессов) появляется необходимость введения весовых коэффициентов для каждого из начальных критериев. Эта проблема вносит в расчет элементы субъективности, кроме всего прочего, такая методика не имеет универсальных рекомендаций по выбору весовых коэффициентов, поскольку сравнительная оценка значимости критериев представляется затруднительной. Возможные подходы при такой постановке задачи приведены в [103], однако широкого применения они не нашли.
В работе [11] проанализированы различные варианты постановки оптимизационной задачи применительно к исследованию управляемости и устойчивости автомобиля. Указано, что в случае однокритериального подхода решение не содержит сравнительных данных по улучшению и ухудшению каждого из локальных критериев в отдельности. Кроме того, решение целевой функции в случае содержания в ней нескольких локальных критериев, для определения глобального максимума требует повторения вычислений из разных начальных точек. Автором подчеркивается, что «особенностью подобных задач является также тот факт, что процессы постановки и решения задачи практически неразделимы и должна идти постоянная корректировка исходной задачи в процессе ее решения». Это требует постоянной коррекции математической модели, параметрических и критериальных ограничений в процессе решения. Такими возможностями обладает метод «исследования пространства параметров» (Parameter Space Investigation Method, PSI), описываемый в [94]. Пространством параметров называется п-мерное пространство, состоящее из точек А с декартовыми координатами (ее/, ..., а„). Каждой точке А пространства параметров соответствует конкретный набор параметров (aj, ..., ап) и наоборот.
В автомобилестроении метод ИПП нашел применение при выборе оптимальных параметров рамы автомобиля [27, 141, 143], картера заднего моста автомобиля [77, 99], подвески колеса легкового автомобиля [105 — 107], механизма газораспределения Г31],бампера и задней панели легкового автомобиля [23],многоосных седельных автопоездов [2], коленчатого вала, углового расположения противовесов коленчатого вала и клапанного механизма [90 — 92]. при синтезе параметров автомобиля по критериям управляемости и устойчивости [1_L 1А 22, 29 и др.], анализе уровня шума и вибрации [79], динамики автомобиля [123] и др.
Для зондирования пространства параметров в методе ИПП используются точки biv последовательностей [95]. Название -последовательность представляет собой сокращение фразы «последовательность, любой двоичный участок которой представляет собой я -сетку». Математическое определение я -сетки основано на геометрии n-мерного куба. Основной смысл отказа от использования кубической решетки заключается в более подробном исследовании функций, мало зависящих от одного или нескольких аргументов. В случае многомерного куба, при вычислении /(х1}...,хи), зависящей, в крайнем случае, от одного аргумента /(xj, потеря информации может достигать степени п: при вычислении N — М" значений функции, различных решений будет получено только М = N ". Таким образом, -последовательность является равномерно распределенной не с точки зрения равноудаленности пробных точек по всем координатам, а с точки зрения покрытия наибольшего числа возможных значений исследуемой функции.
Потенциальная энергия и диссипативная функция системы. Вывод уравнений Лагранжа в окончательном виде
Результаты анализа работ, посвященных решению означенных проблем, позволили сделать следующие выводы: 1. В области управления распределением сил тяги на колесах автомобиля существует несколько подходов и перспективных технических решений. Применяемые в автомобилестроении методы в основном связаны с использованием самоблокирующихся дифференциалов, а также перераспределением касательных реакций за счет тормозных сил при помощи системы стабилизации курсовой устойчивости. 2. Исследуемые в последнее время полноприводные трансмиссии с «гибким интеллектуальным приводом» имеют два основных конструктивных решения: электрическое и гидростатическое. С точки зрения управляющих алгоритмов таких трансмиссий конкретное исполнение преобразователей энергии не играет существенной роли. Текущий уровень исполнения электрических и гидростатических приводов не позволяет им конкурировать с традиционными механическими трансмиссиями в обычных условиях, однако выигрыш может быть получен за счет компоновочных особенностей в случае многоосных автомобилей и за счет оптимального распределения сил тяги при сложных условиях движения. 3. С помощью введения специальных управляющих алгоритмов автоматической трансмиссией возможно корректирование свойств управляемости и устойчивости полноприводного автомобиля с «гибким интеллектуальным приводом». Не представлены комплексные исследования влияния параметров систем управления такими трансмиссиями на показатели управляемости, устойчивости и топливной экономичности. 4. Задачам улучшения характеристик автомобиля в наибольшей степени отвечают методы многокритериальной оптимизации. Разработаны универсальные методики оценки управляемости и устойчивости автомобиля по наиболее значимым критериям. Многомассовые математические модели движения автомобиля, адаптированные к проведению оптимизационной процедуры, в специальной литературе практически не представлены. На основании приведенных выводов была сформулирована цель настоящего исследования — используя методы оптимального проектирования и математического моделирования, разработать универсальную методику многокритериальной оптимизации алгоритмов управления силами тяги на колесах полноприводного автомобиля, позволяющую проводить оптимизацию конструктивных параметров, отвечающих заданным условиям эксплуатации и требованиям, предъявляемым к автомобилю по показателям управляемости, устойчивости и топливной экономичности. Задачи, которые необходимо при этом решить: 1. Разработать алгоритм и задачи многокритериальной оптимизации полноприводного автомобиля с индивидуальным подводом мощности к ведущим колесам по выбранным критериям управляемости и устойчивости, с учетом параметрических, функциональных и критериальных ограничений. 2. Разработать обобщенную математическую многомассовую модель движения многоосного полноприводного автомобиля, адаптированную к проведению оптимизационных процедур. 3. Составить математическое описание работы трансмиссии с индивидуальным подводом мощности к ведущим колесам и согласовать его с общей моделью автомобиля. 4. Сформировать набор критериев, позволяющих оценить свойства управляемости, устойчивости и топливной экономичности, применительно к заданной области исследования. 5. Реализовать математические модели и методику в виде пакета прикладных программ для ЭВМ, оценить адекватность разработанной модели. 6. Провести аналитические и экспериментальные исследования, установить границы влияния управляющих параметров на исследуемые свойства, выявить корреляцию отдельных показателей (критериев), сформулировать общие рекомендации по управлению трансмиссией с индивидуальным подводом мощности к ведущим колесам исходя из условий эксплуатации автомобиля. 7. На основании решения задачи оптимизации параметров гидрообъемной трансмиссии при криволинейном движении автомобиля разработать общие рекомендации по выбору законов управления ею. При составлении системы уравнений, представляющей собой математическое описание автомобиля, определяющим фактором является число переменных. Оно, в свою очередь, суммируется, исходя из количества масс системы и числа степеней свободы каждой из них. При исследовании управляемости и устойчивости автомобиля рассматривается общая схема движения, в которой основными массами являются кузов (подрессоренная масса) и колеса (неподрессоренные массы).
Главная задача — координатное согласование всех масс, входящих в систему, другими словами — выбор системы координат, единой для всех масс (только в этом случае становится возможным совместное решение уравнений, входящих в математическое описание автомобиля). Как известно, наибольшее удобство представляет собой подвижная система координат, привязанная к какой-либо массе. Такой подход позволяет вычислять координаты подвижной системы относительно неподвижной (базовой), которые, в свою очередь, используются для вычисления перемещений автомобиля. Удобство состоит в том, что моменты инерции массы, с которой жестко связана система координат, остаются постоянными.
В случае многомассовой системы возникает проблема, обусловленная вычислением моментов инерции масс, центр которых не совпадает с центром выбранной подвижной системой координат. Логично привязать подвижную систему координат к кузову автомобиля (неподрессоренной массе), в центре масс автомобиля. Таким образом, остается задача вычисления моментов инерции неподрессоренных масс. Эта задача может быть решена двумя способами. В первом случае координаты неподрессоренных масс (колес) остаются независимыми, к ним привязываются индивидуальные системы координат, а связь систем осуществляется посредством углов Брайнта. Данный вариант неудобен тем, что на каждом шагу интегрирования необходимо пересчитывать все силовые и координатные факторы, входящие в уравнения, с учетом изменяющегося взаимного положения систем координат. Кроме того, несвязанные системы при определенной погрешности интегрирования могут «разойтись» - т.е. после возвращения системы в состояние покоя взаимные линейные и угловые координаты систем могут не соответствовать начальным. Второй вариант предполагает использование единой системы координат. В этом случае силовые факторы, как внешние, так и внутренние, входят во все уравнения системы в едином виде. Однако, в таком случае моменты инерции неподрессоренных масс являются переменными и должны некоторым образом пересчитываться на каждом шаге интегрирования.
Очевидно, что в целях упрощения моделирования моменты и произведения инерции неподрессоренных масс рациональнее приводить к центру пятна контакта колес с дорогой. В таком случае внешние силовые факторы, действующие на автомобиль со стороны дороги, будут приложены в точках, к которым приведены инерционные характеристики неподрессоренных масс, и появляется возможность избежать дополнительных вычислений, связанных с переносом внешних сил.
Описание оборудования, использованного для проведения замеров при экспериментальных исследованиях
Блок-схема, отражающая ключевые этапы работы математической модели, представлена на рисунке 2.7.1, ее структурные блоки соответствуют следующим процедурам: 1. В подготовленных внешних файлах данных хранятся основные параметры систем автомобиля. Один из таких файлов содержит параметры оптимизации, определяемые программным комплексом MOVI, пересчитанные в реальные параметры гидрообъемной трансмиссии (рабочие объемы гидромашин). 2. В ходе предварительных расчетов часть констант объединяется в коэффициенты. Также вычисляются статические параметры движения в начальной точке. Обнуляются боковые реакции на колесах (при начальном прямолинейном движении). 3. В зависимости от выбранного маневра задается функция поворота рулевого колеса по времени. Производится расчет углов поворота управляемых колес с использованием передаточных коэффициентов рулевого управления. 4. Координаты колес в исходных файлах определяются параметрами колеи, базы и высоты центра масс кузова над опорной поверхностью. В процессе расчета изменяются углы поворота управляемых колес, крен кузова и положение подвески (вычисляется при помощи производных подвески). Все эти данные требуются для перевода реакций в центре пятна контакта колеса с дорогой в общую систему координат, связанную с центром кузова (подрессоренной массы). Общие координаты являются одновременно координатами центра масс кузова. 5. Вычисляется модуль вектора скорости колеса и углы увода через отношение к модулю вектора скорости подвижной системы координат. 6. В расчете используются данные общей модели движения автомобиля, уравнения см. п. 2.4. 7. Вычисляются объемные КПД гидропередачи и при заданной частоте вращения коленчатого вала двигателя определяются расходы гидравлической жидкости в приводе каждого из колес, что позволяет определить угловые скорости вращения колес. 8. Проверяется соответствие вычисленных угловых скоростей колес заданному режиму движения автомобиля (с учетом различных траекторий движения колес). В случае невыполнения условия равенства вычисленной и заданной скорости вносится коррекция частоты вращения коленчатого вала двигателя и программа переходит к шагу 7. 9. Данная подпрограмма содержит уравнения работы гидрообъемной трансмиссии (более подробно см. п. 2.6.). Вычисляются моменты на каждом из ведущих колес. 10. Проверяется условие достаточности суммарной силы тяги на колесах автомобиля для преодоления внешнего сопротивления движению. В случае невыполнения условия равенства силы тяги и приведенного сопротивления, вносится коррекция нагрузочного режима двигателя (в пределах регулировочной карты) и программа переходит к шагу 7. 11. Топливная экономичность рассчитывается по стандартной методике. 12. Формулы для расчета см. п. 2.3. 13. Математическое описание см. п. 2.4. 14. Данные, полученные в результате расчета, обрабатываются с целью последующего использования в подпрограммах расчетов оптимизационных критериев. 15. Осуществляется проверка условий прекращения вычислений. В случае неудовлетворения таким условиям, программа переходит к следующему шагу расчета с увеличением времени на заданный элементарный промежуток. 1. Составленная математическая модель обладает блочной структурой и может включать различные описания работы элементов автомобиля в зависимости от их конструктивных особенностей. Таким образом, составленная модель является унифицированной, т.е. может применяться для описания движения разнотипных объектов. 2. Особенностью математической модели является учет всех подрессоренных и неподрессоренных масс, расчет их перемещений ведется в единой системе координат, связанной с кузовом (подрессоренной массой), что реализовано за счет применения в качестве независимых переменных силовых реакций в направляющем аппарате подвески. Внутренние силовые связи для удобства вычислений приложены в центре подрессоренной массы, таким образом, для расчета силовых воздействий на неподрессоренные массы необходимо учитывать взаимосвязи перемещений масс. Кинематическая связь задается производными подвески - коэффициентами, представляющими собой отношение абсолютной скорости перемещения неподрессоренной массы по выбранной координате к скоростям подрессоренной массы в направлении возможных перемещений. 3. Предложенный алгоритм преобразований показателей инерции неподрессоренных масс позволяет вести расчет дифференциальных уравнений для всех масс в одной системе. Уравнения движения неподрессоренных масс составлены с учетом этого алгоритма. 4. Уравнения, описывающие работу объемной гидропередачи, включены в блок определения касательных реакций на колесах автомобиля, таким образом, данная унифицированная модель согласована с конкретным объектом экспериментальных исследований. 5. В работе используется метод определения реакций в пятне контакта колеса с дорогой, основывающийся на эмпирических коэффициентах, получаемых для каждой модели шины в отдельности. Этот метод обеспечивает наилучшее сочетание времени вычислений и точности описания реакций. 6. Модель применима при условии ряда допущений: a. Неподрессоренные массы сосредоточены в центре колес. b. Кинематические связи в подвеске описьшаются с достаточной точностью линейными характеристиками (накладывает ограничения по граничным областям рабочего хода подвески). c. Податливость шарниров подвески и рулевого управления не учитывается. d. Движение осуществляется по твердой ровной опорной поверхности. e. Переходные процессы в шине не учитываются. f. Динамическое воздействие колебаний в трансмиссии на общее движение автомобиля учитывается только через касательные реакции в пятне контакта ведущих колес с дорогой. g. Модель работы гидропривода - квазистатическая (параметры работы гидропередачи вычисляются методом последовательных итераций внутри каждого шага интегрирования). Для исследуемых режимов движения (с предустановленными параметрами трансмиссии и постоянной скоростью выполнения маневра) вносимая погрешность не превышает 5% (данные подтверждаются сравнением расчетов идентичных режимов движения, выполненных при помощи квазистатической и динамической моделей гидропередачи). 7. Представленная математическая модель описывает все необходимые для проведения исследований в соответствии с поставленными целями и задачами характеристики автомобиля и их изменение в процессе движения. В соответствии с общими целями данного исследования сформулирована основная цель проведения испытаний: получение результатов, позволяющих подтвердить предварительные теоретические выкладки и адекватность расчетной модели, используемой для оценки управляемости и устоіічивостн транспортного средства. В связи с этим был проведен ряд исследований, направленный на выполнение следующих задач: — разработка методики экспериментальной оценки управляемости, устойчивости и топливной экономичности многоосного полноприводного автомобиля; — оценка влияния параметров трансмиссии на управляемость, устойчивость и топливную экономичность автомобиля; — получение первичных данных для разработки законов управления полноприводной гидрообъемной трансмиссии с возможностью индивидуального регулирования мощности на каждом из ведущих колес; — проведение экспериментальной программы и оценка полученных результатов с точки зрения возможности оптимизационного решения.
Выводы и рекомендации по результатам проведения оптимизационного исследования влияния законов управления гидрообъемной трансмиссией на показатели управляемости, устойчивости и топливной экономичности автомобиля
Методы испытаний «рывок руля» и «спираль» являются стандартными и регламентируются стандартом ГОСТ Р 52302-04 «Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний». В связи с особенностями данной исследовательской работы (оценивается влияние параметров трансмиссии на управляемость автомобиля), испытания проводятся с поворотом рулевого колеса в одну сторону (нормативной документацией предусмотрено повторение испытаний при повороте рулевого колеса в обе стороны) и с одной скоростью движения, но с разными фиксированными параметрами трансмиссии.
Маневр «спираль» характеризуется постепенным увеличением угла поворота рулевого колеса с начала маневра таким образом, чтобы угловая скорость его вращения не превышала 0,5 рад/с. Маневр считается завершенным по достижении максимального угла поворота рулевого колеса или заданного предела поперечного ускорения автомобиля (определяется по условиям безопасности), если условие окончания эксперимента по боковому ускорению наступает раньше.
При проведении маневра «рывок руля» ставится задача по достижению определенного уровня поперечных ускорений (обычно 1, 2 или 4 м/с ) за минимальный отрезок времени с начала выполнения маневра (входит в группу оценочных показателей). С этой целью угловая скорость вращения рулевого колеса устанавливается на уровне 400 град/с. После поворота рулевого колеса на определенный угол (который задается исходя из условия достижения требуемого поперечного ускорении и определяется экспериментально, основываясь на данных, полученных в результате выполнения маневра «спираль»), оно удерживается водителем в этом положении до начала установившегося криволинейного движения (но не менее 5 с), после чего маневр считается завершенным. Для определения скорости выполнения маневров необходимо на ровной горизонтальной дороге осуществлять разгон с установками трансмиссии, аналогичными планируемым в экспериментах, либо на одном из режимов, при котором развиваемая скорость будет наименьшей.
При последующих испытаниях была поставлена задача поддержания предельно близких к исходному значений скорости движения (оценивается скорость перед непосредственным началом маневра).
Используя такую уникальную особенность автомобиля «Гидроход», как возможность бесступенчатого изменения передаточных отношений трансмиссии в приводе каждого из колес, были смоделированы режимы движения с различным рассогласованием, как по осям, так и между колесами каждой из осей не прибегая к каким-либо дополнительным конструктивным вмешательствам. Наиболее распространенные схемы привода характеризуется расположением ведущих осей — поэтому для экспериментальных исследований были выбраны режимы работы трансмиссии, которые обеспечивают разную передачу мощности ведущими осями при симметричном распределении тяги между ведущими колесами каждой из осей.
В рамках проведенного эксперимента рассматривались режимы движения с рассогласованием передаточных отношений между гидравлическими контурами в приводе каждой из ведущих осей. Таким образом, были смоделированы режимы движения со следующим распределением тяги между осями: 1) Большая тяга реализуется задней осью, с линейным уменьшением в направлении передней оси" (такое распределение тяги достигается при увеличении рабочих объемов гидромоторов задней оси относительно среднего значения и уменьшении рабочих объемов гидромоторов передней оси на такую же величину); 2) Равномерное распределение тяги между осями - базовый оценочный режим движения (рабочие объемы гидромоторов выбраны из условия возможности зеркального регулирования в сторону уменьшения и увеличения, а также из услозия поддержания средней скорости выполнения маневра); 3) Большая тяга реализуется передней осью, с линейным уменьшением в направлении задней оси («зеркальная» установка по сравнению с первым режимом). Передаточные отношения гидравлических контуров на каждом, из режимов движения подбирались таким образом, чтобы обеспечить равенство кинематических скоростей (без учета гидравлических и скоростных потерь) на протяжении всего объема эксперимента, для возможности проведения сравнительного анализа результатов. Помимо базового режима движения с открытыми клапанами кольцевания гидрообъемной трансмиссии (аналогично полному дифференциальному приводу механической трансмиссии), проводилась дублирующая серия заездов с разобщенными гидравлическими контурами привода осей (имитация блокировки межосевого дифференциала. При этом режиме движения величина рассогласования была уменьшена ввиду повышенной нагрузки на узлы трансмиссии вследствие циркуляции мощности.
Изменение передаточных отношений гидравлических контуров обеспечивалось регулированием рабочих объемов гидромоторов. При этом рабочие объемы1 гидромоторов задавались перед началом каждого заезда путем регулирования управляющих токов соленоидов с реостатного пульта, с контролем по показаниям амперметров и бортового компьютера. Запись данных и последующий их анализ показали стабильность установок на протяжении каждого заезда. Разгон автомобиля до заданной скорости выполнения маневров осуществлялся за счет изменения рабочих объемов гидронасосов водителем при помощи автоматизированной системы при прямолинейном движении по ровному покрытию управления, которая в данном«случае давала сигнал только на три канала (шесть каналов-гидромоторов были переведены на пульт). Скорость для выполнения всех заездов (начало маневра) бьша установлена на уровне 30 км/ч, по результатам испытаний можно констатировать небольшую дисперсию в допустимых пределах.
Поскольку рассогласование передаточных отношений обеспечивалось за счет разницы рабочих объемов гидромоторов, необходимо учесть, что при одинаковом рассогласовании по-сравнению с дифференциальным.режимом (в котором изменение тяги на колёсах будет прямо пропорционально этому рассогласованию), блокированный привод сохраняет кинематическое рассогласование, и изменение тяги на колесах будет обратным. Для примера, если в случае дифференциального привода большая тяга реализовывалась передними колесами, то при тех же установках и блокированном приводе большая тяга будет реализовываться забегающими колесами, то есть задними.
