Методы расчёта электромеханического привода колес полуприцепа активного автопоезда в составе с седельным тягачом с механической трансмиссией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лапенков Роман Алексеевич

• Лапенков Роман Алексеевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Лапенков Роман Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткая история создания активных автопоездов

1.2. Краткий обзор специальных транспортных средств с электромеханической трансмиссией

1.3. Краткий анализ направлений исследований

ГЛАВА 2. КОМПЛЕКСНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ АТА В СОСТАВЕ СЕДЕЛЬНОГО ТЯГАЧА С МЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ И ПОЛУПРИЦЕПА С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ КОЛЕС

2.1. Основной принцип построения математической модели динамики автопоезда, принятый в диссертации

2.2. Комплексная математическая модель динамики активного автопоезда

2.2.1. Основные допущения

2.2.2. Расчетные схемы

2.3. Математические модели составных частей активного

автопоезда

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ АКТИВНОГО АВТОПОЕЗДА

3.1. Общие положения

3.2. Анализ исходных данных

3.2.1. Параметры базового варианта автопоезда

3.2.2. Условия движения автопоезда

3.3. Проверка на адекватность математической модели

3.4. Результаты математического моделирования

3.5. Метод расчёта тяговых характеристик колес полуприцепа и обоснования рационального соотношения мощности между колесами

тягача и полуприцепа

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ АВТОПОЕЗДА, ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Основы теории подобия при физическом моделировании

4.2. Объект исследования - подвижная физическая модель активного автопоезда

4.2.1. Общее устройство физической модели активного автопоезда

4.2.2. Система управления ФМ и регистрирующий комплекс

4.3. Программа и методика экспериментальных исследований ФМ

4.4. Метрологическое обеспечение проведения ЭИ ФМ

4.5.Результаты специальных экспериментальных исследований физической модели

4.6. Оценка различных вариантов электромеханического привода полуприцепа и разработка алгоритмов совместной работы агрегатов и

систем тягача и активного полуприцепа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Принятые обозначения и сокращения

Список литературы

Приложение А. Сведения об Актах внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы расчёта электромеханического привода колес полуприцепа активного автопоезда в составе с седельным тягачом с механической трансмиссией»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Разработкой автопоездов с активным приводом колес полуприцепов (активных тяжелых колесных автопоездов - АТА) для нужд Вооружённых сил и народно-хозяйственного комплекса страны начали заниматься в середине прошлого века.

Обоснованность работ в этом направлении определялась тем, что большинство образцов вооружения и военной техники (ВВТ) размещалось на семействе специальных колесных шасси (СКШ) и тяжёлых колесных автопоездах для обеспечения функционирования комплексов ВВТ. Для доставки боеприпасов и другого имущества экономически гораздо выгоднее было использовать активные автопоезда, чем разрабатывать машины обеспечения на базе СКШ.

Как известно из практики создания автопоездов, в том числе активных, они отличаются от однозвенных шасси более низким уровнем показателей проходимости, динамической и статической устойчивости, а также манёвренности при криволинейном движении.

Это объясняется большими габаритными размерами автопоездов и тем, что при криволинейном движении по деформируемому грунту колеса прицепа или полуприцепа движутся по траектории, не совпадающей с траекторией движения колес тягача.

Ограничением в движении автопоезда в сложных дорожных условиях может выступать недостаточная сила тяги, которая обусловлена недостаточной мощностью двигателя, а также неполным использованием сцепного веса автопоезда при неактивном полуприцепе (прицепе). В последнем случае ограничение силы тяги происходит из-за проскальзывания колес, которое определяется коэффициентом сцепления опорной поверхности [1]. По этой причине увеличение мощности двигателя тягача может не дать должного эффекта в улучшении подвижности автопоезда в сложных

дорожных условиях (на грунтах с низкой несущей способностью и малым коэффициентом сцепления).

Для решения этой задачи за рубежом широко ведутся исследования по так называемой векторизации крутящего момента автомобилей с полным приводом колес. Под термином «векторизация крутящего момента» понимается система диспетчерского управления транспортного средства (ТС), которая вычисляет и смещает крутящий момент на оси и / или колеса, улучшая управляемость, безопасность и проходимость транспортного средства. В мехатронных системах ТС это, как правило, электронные контроллеры верхнего и нижнего уровня, а также система обратной связи. Векторное распределение крутящего момента между колесами или осями позволяет контролировать моменты рыскания, например, полуприцепа относительно тягача, и использовать максимальное сцепление каждого колеса с опорной поверхностью.

Весьма перспективной система векторизации крутящего момента считается для повышения параметров динамики АТА при активизации колес прицепной системы с использованием гидро- и электропривода. При этом чаще всего используются серийный тягач с традиционной для него трансмиссией и дополнительно оборудуется привод прицепной системы. Такой подход существенно снижает финансовые затраты и сокращает время на разработку АТА.

Степень проработанности темы исследования. Для эффективного использования «гибких» трансмиссий необходимо разработать рационального алгоритма распределения крутящего момента по колесам транспортного средства, в том числе и АТА. Способов и алгоритмов разработано много, но их либо пока невозможно реализовать на практике, либо разработаны для устаревших компонентов конструкций ЭТ [2]. Для современных компонентов конструкции КЭТО прицепных в приводе колес полуприцепа АТА, особенно при применении её в комплексе с механической/гидромеханической

трансмиссией тягача, известные способы управления крутящим моментом на колесах полуприцепа отсутствуют.

Таким образом, существует и требует своего решения актуальная научная задача анализа, обобщения имеющихся научных данных по электромеханическим/электрическим системам передачи крутящего момента (мощности) ТС и разработки основных научных принципов проектирования транспортных мехатронных ЭТ активного колесного тяжелого автопоезда в составе седельного тягача с механической/гидромеханической трансмиссией и полуприцепа с электромеханическим приводом всех колес, в том числе для технологий двойного применения.

Учитывая большое количество уже разработанных тягачей с традиционными механическими трансмиссиями актуальной задачей является исследование возможности использования существующих полноприводных тягачей с активными полуприцепами, созданными на базе новых технических решений. Так, к примеру, если проанализировать состояние автопарка седельных тягачей Вооруженных сил России, то хорошо заметно серьезное преобладание тягачей с традиционными механическими передачами. Существует ряд моделей с гидромеханическими передачами, но они либо устаревшие, такие как МАЗ-537, и постепенно изымаются из эксплуатации по причине износа, либо в их конструкции применены АКП импортного производства. Перспективные армейские тягачи, находящиеся в разных стадиях разработки, серьезно исправить ситуацию не смогут, так как в их конструкции также будут использованы АКП импортного производства, либо механические коробки передач.

В таких условиях разработка активных полуприцепов на новых технических решениях для применения с тягачами с традиционными механическими трансмиссиями является актуальной задачей и обоснованной не только технически, но и экономически.

Для реализации этого подхода необходимо разработать и научно обосновать новые методы расчёта характеристик электропривода для

активизации колес полуприцепа. Подобных методов до настоящего времени в открытых источниках не обнаружено.

Целью работы является разработка и научное обоснование методов расчёта электромеханических систем передачи крутящего момента на колеса полуприцепа автопоезда в составе седельного тягача с механической трансмиссией и новых технических решений при разработке активных тяжелых автопоездов (АТА).

Задачи исследования. Для достижения намеченной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение анализа ранее выполненных работ, опыта разработки и применения активных автопоездов, грузовых автомобилей с электромеханическими трансмиссиями.

2. Разработка комплексной математической модели динамики АТА в составе седельного тягача с механической трансмиссией и полуприцепа с электромеханическим приводом всех колес.

3. Моделирование динамики активного автопоезда для проверки новых технических решений и характеристик электромеханических систем передачи крутящего момента, повышающих параметры тягово-скоростных свойств и опорной проходимости АТА на местности.

4. Разработка метода расчёта характеристик тягового электропривода колес полуприцепа автопоезда в составе с седельным колесным тягачом с механической трансмиссией и обоснование рационального соотношения мощности между колесами тягача и полуприцепа.

5. Разработка и испытания физической модели АТА, проведение оценки повышения тяговых свойств и проходимости при активизации колес полуприцепа.

Научная новизна работы:

- разработана комплексная математическая модель динамики АТА в составе седельного тягача с механической трансмиссией и полуприцепа с электромеханическим приводом всех колес;

- предложен метод расчёта характеристик электромеханических трансмиссий полуприцепов на основе мощностного баланса для обеспечения работы совместно с механической трансмиссией тягача от единой силовой установки в виде двигателя внутреннего сгорания, установленного на тягаче;

- обосновано рациональное распределение мощности между колесами тягача и полуприцепа.

Теоретическая и практическая значимость заключается:

- в повышении опорной проходимости автопоездов при движении по плохим дорогам и бездорожью;

- увеличении силы тяги на колесах в 1,6 раза для выбранного объекта исследований;

- увеличении скорости движения автопоезда в тяжелых дорожных условиях на 50 % (12,7 км/ч вместо 8,3 км/ч по сухой пахоте для выбранного объекта исследований);

- в возможности обеспечения совместной работы двух различных типов трансмиссии от единой силовой установки в виде двигателя внутреннего сгорания;

- в методе расчёта характеристик тягового привода колес полуприцепа в условиях ограничения мощности силовой установки автопоезда и обосновании рационального распределения мощности между колесами тягача и полуприцепа при работе от единой силовой установки.

Методы исследования. Теоретические исследования основаны на методах теоретической механики, теории автомобиля, математического моделирования и вычислительной математики. Экспериментальные исследования основаны на проведении лабораторных испытаний масштабного макета автопоезда с учетом теории подобия.

Положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная математическая модель динамики активного автопоезда в составе седельного тягача с механической трансмиссией и полуприцепа с электромеханическим приводом колес.

2. Результаты моделирования динамики активного автопоезда с новыми техническими решениями.

3. Метод расчёта характеристик тягового электропривода колес полуприцепа автопоезда в составе с седельным колесным тягачом с механической трансмиссией и обоснования рационального соотношения мощности между колесами тягача и полуприцепа.

Степень достоверности результатов работ обеспечивается подтверждением адекватности математической модели путем сравнения различных методов расчёта тягово-скоростных характеристик автопоезда и натурных экспериментов.

Апробация работы. На Международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2021), XVI Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России» (2023), а также НТС ФГУП «НАМИ».

Реализация результатов работ:

- АО «СЗРЦ Концерн ВКО «Алмаз-Антей» - Обуховский завод» для расчёта динамики транспортных средств при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ;

- АО «НПО «Алмаз» при выполнении расчётов тягового привода колес полуприцепа специального транспортного средства;

- АО «АЗ «Урал» для расчёта характеристик тягового привода колес полуприцепа при выполнении НИР «Перспектива-Урал».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, в том числе 6 из перечня ВАК и индексируемых в международных базах цитирования.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 140 страницах, включая 65 рисунков, 21 таблицы, список литературы из 106 наименований.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Развитие основ теории автомобиля было завершено в большой степени в 1960-1970-х годах. Практически во всех исследованиях в последующие годы движение транспортных средств рассматривается в виде нелинейных многомассовых систем, функционирующих в стохастических условиях движения. К середине 1980-х годов был создан общепризнанный набор эксплуатационных свойств автомобиля и разработаны основы количественной оценки динамики различных ТС. Теория давала представление в отдельности о тяговых и скоростных свойствах, энергоэффективности, поворачиваемости, устойчивости движения и управляемости, плавности хода, тормозных свойствах.

Прогресс в нелинейной теории движения ТС в значительной степени обеспечен достижениями в области компьютерного моделирования и симуляции. Использование аналоговых и цифровых ЭВМ для моделирования динамики транспортного средства впервые было применено научно -исследовательскими организациями и компаниями-производителями ТС в период 1950-х и начала 1960-х годов. Эти расчеты были основаны на линейных и квазинелинейных уравнениях. Компьютерное моделирование вскоре стало естественным атрибутом практически всех научно-исследовательских центров транспортного машиностроения в 1970-х годах. Численные методы моделирования были специально разработаны для исследования динамики транспортных средств. Этот процесс продолжается и сегодня, и современные вычислительные методы применяются для моделирования динамики автомобиля. Вычислительные преимущества и новая методологическая основа моделирования, теория оптимизации и системного управления позволили развивать дальнейшие исследования динамики ТС и его системного проектирования. Обоснован процесс активного внедрения в конструкцию ТС электронных компонентов, электро- и гидропривода. В качестве первого продукта интеграции механических систем

с системами управления и контроля можно считать антиблокировочные тормозные системы. Расширенный контроль курсовой устойчивости и появление новых методов управления динамикой автомобиля стали следующим этапом развития транспортных средств. Новые методы привели к конструкции полуактивных систем автомобиля.

В течение всей истории развития человечества и автомобильных перевозок, в частности, шёл непрерывный процесс повышения эффективности ТС, в том числе за счёт использования автопоездов.

1.1. Краткая история создания активных автопоездов

Основоположником концепции активных автопоездов является талантливый советский конструктор Б. М. Фиттерман, который предложил в начале 1950-х проект, который был передан на московский ЗИС и на Мытищинский машиностроительный завод (ММЗ). Главным принципом построения конструкций советских автопоездов с активным приводом колес полуприцепа использовался метод механического привода ведущих колёс полуприцепов от трансмиссии буксировавших их тягачей.

Такой подход привел к созданию весьма громоздкой, сложной, тяжёлой и непадежной конструкций. Это привело к проблемам в эксплуатации активных автопоездов и к снижению возможности использования по предназначению.

Для решения этих задач, на ЗИЛе под руководством главного конструктора А. М. Кригера был разработан новый автопоезд ЗИЛ-137 с гидрообъемным (гидростатическим) приводом колес полуприцепа

Подобный вариант, также страдавший рассогласованностью крутящих моментов на передние и задние колеса автопоезда, требовал совершенных гидроагрегатов и культуры обслуживания.

В США первые активные автопоезда появились еще во время Второй мировой войны, но их полуприцепы оснащались автономными силовыми агрегатами. Затем в США пришли к индивидуальному приводу каждого

колеса прицепа собственными электродвигателями, питавшимися от генератора, смонтированного на тягаче.

В вооружённых силах СССР уже на первом этапе развития концепции мобильного наземного использования подвижных наземных комплексов вооружения и военной техники (ВВТ) рассматривались два основных ТС: однозвенное полноприводное шасси и автопоезд в составе тягача и активного прицепа/полуприцепа. Примеры некоторых конструкций приведены на рисунке 1.1.

б

Рисунок 1.1 - Общие виды автопоездов для МО с одноосным (а) и двухосным (б) полуприцепами с тягачом ЗИЛ

Опыт создания и использования активных тяжелых автопоездов (АТА) в ВС нашей страны связан исключительно с транспортно-технологическими грунтовыми комплексами различного предназначения.

Грунтовые мобильные технологические агрегаты развиваются по двум различным направлениям:

- дорожные комплексы, рассчитанные на передвижение исключительно по усовершенствованным дорогам общей сети;

- внедорожные системы, предназначенные для передвижения по грунтовым дорогам и местности.

Из концепции этих систем вытекают различия в требованиях к средствам их использования, что привело к серьёзному различию в практической реализации соответствующих изделий.

Примером типичных дорожных систем являются американские комплексы "Першинг", "Першинг-1А" и американский же комплекс крылатых ракет наземного базирования "Томагавк".

Подобные комплексы предназначались исключительно для Западной Европы с плотностью дорожной сети на уровне 67,7 км на 100 кв. км территории для классифицированных автомобильных дорог и 2,3 км на 100 кв. км для автострад Германии.

В конце 60-х годов в СССР были развернуты поисковые работы по созданию колесных ТС для транспортирования моногруза массой 60.. .100 т и более. Конечной целью исследований являлась разработка и обоснование конструктивно-компоновочных схем специальных транспортных средств и их составных частей, а также определение значений технических параметров.

К преимуществам АТА, обеспечивающего перевозку по дорогам общей сети неделимого оборудования большой массы и габаритов при сравнительно малых поперечных размерах относят следующее.

• сравнительная простота компоновки ТС, обеспечивающего перевозку по дорогам общей сети оборудования большой массы ибольшой длины при сравнительно малых поперечных размерах;

• обеспечение сохранности оборудования от изгибных и скручивающих деформаций, благодаря шарнирным развязкам между транспортными звеньями;

• меньшее разрушающее воздействие на дорожные покрытия;

• лучшая проходимость автопоезда по мостам, обусловленная тем, что воздействия автопоезда на элементы моста равнозначно движению нескольких автомобилей, следующих друг за другом;

•на создание прицепов, полуприцепов и промежуточных тележек требуется меньше времени и средств по сравнению с одиночными шасси равной грузоподъемности.

К недостаткам АТА по сравнению с СКШ относят худущую устойчивость (динамическую и статическую), маневренность и проходимость по местности.

Активными тяжёлыми автопоездами для специальных транспортно-технологических комплексов у нас в стране занимались специалисты ФГУП «КБ Мотор» и БМЗ (рисунки 1.2 - 1.6). Специалистами этих предприятий была создана гамма специальных полноприводных автопоездов, которые использовались как транспортёры-установщики тяжёлого оборудования. Поскольку в СССР была принята концепция монтажа и транспортировки спецнадстроек на однозвенных ТС, то изделия «КБ «Мотор» и БМЗ не нашли достаточно широкого применения ВС СССР. Применение их в народном хозяйстве было ограничено требованиями секретности.

Семейство шыегршх трашортно-техшшшсш агрегатов [6ТТА|

( 1 9 9 О --Я О О О , , | _ '_'

» II Тяг ьч Т■г 141 С И 1 У з ты 11ШИ >СН1|< Зньи'ша 11*11 | Мин шн ■шн 1 г и вка ни rtii.ii ЕЕ. 'II МИ ■Л1КГ1 .11/1 С1!1101 * ш м

1 2 5 Ы «60 иЙО т 16501 зз 17 15.01 11.75

Тип ьишш* ЮИ1-7*28* ¡Л- »"1 кпм и ; |и. * ТТ.«

нг _ Л " IV |о130 «270 956 Ш01 47В 3,5 14.8 1 ?.1 0.65

ияжи ¡^^^ИИ^ИИИ^ИИИ

■—-•■"»"ау" Й - ■ Л ■ я Лш- 1 |-И 1-У лЛии №130 шАДО юМ 6501 956 1300| ¿и 12,8 1 4.0 (5А I и,.ю 0,6В

Тим дапмшш иг „Б™ С11» '■'"

и 300 л 550 956 1300| 13 1.7 2.4 I 0.24

6 1Я0ШЮШ1 ЕШ111и! '1ИООРШ 1-1 »т ®400 508 ВО 01 13 1.5 2.0 ! 0.43

Рисунок 1.2 - Семейство большегрузных транспортно-технологических

агрегатов «КБ «Мотор»

27ДО-4ОВО0

ю' л

в

г

а - схема автопоезда; б - седельный тягач типа КЗКТ- 74284; в - активный автопоезд повышенной проходимости общей массой до 300 т; г - общий вид тягача МЗКТ.с системой дополнительной энергетики и активизации для автопоездов повышенной

проходимости общей массой до 300 т

Рисунок 1.3 - Примеры автопоезда «КБ «Мотор»

Самый крупный четырехзвенный транспортно-перегрузочный автопоезд 15Т284 (рисунки 1.4 - 1.5) обслуживал шахтные варианты стационарных комплексов. В его состав входили два штатных тягача МАЗ-537, основной четырехосный транспортный полуприцеп и промежуточная седельно-подкатная тележка.

Рисунок 1.4 - Транспортно-перегрузочный автопоезд 15Т284 с колёсной формулой 48х48

Рисунок 1.5 - Тягач МАЗ-74103 с полуприцепным топливозаправщиком

ТЗ-60

е

а, в, г, д и е - общий вид автопоезда; б - электропривод колес прицепа

Рисунок 1.6 - Тяжелые активные автопоезда в составе тягачей МАЗ/МЗКТ (а,в,г и д), тягачей КАМАЗ (е) и специальных полуприцепов с

активным приводом колес

Зарубежные образцы-аналоги тяжёлых автопоездов представлены на рисунках 1.7 и 1.8.

Рисунок 1.7 - - Автопоезд «Oshkosh» в составе тягачей

а

б

а - схема компоновки полуприцепа; б - общий вид автопоезда Рисунок 1.8 - Британский автопоезд-танковоз Uшpower МН-8875 с системой управления поворотом колес полуприцепа

Помимо механического привода, в автопоездах с активными прицепами применялся также гидравлический и электромеханический привода, рисунок 1.9.

Примеры автопоездов с гидроприводом: специальный тягач ЗИЛ-157В с гидроприводом колёс полуприцепа ММЗ-584, ЗИЛ-137 с гидростатическим приводом.

Электромеханический привод использовался только в экспериментальных автопоездах и не нашёл серийного применения из-за отсутствия теории применения электроагрегатов в сложной многомоторной вероятностной системе. Применённый на экспериментальных образцах ТС комплект тягового электрооборудования (КТЭО) был предназначен для работы в стационарных условиях и в условиях вероятностной системы (ТС) обладал низкой надёжностью, низкой энергонасыщенностью и высокой стоимостью.

I Меюническии привод

Г КОМ.

2 Кордонные передач/

3 Редуктору. Промежуточная опора

5 Дифференциал с ГП

2 Гидравлический привод

1 Гидронхос

2 Трубопровод.

3 Гидродвигате/ь.

i Дифференциал с ГП

i

3 Злектрическии привод

Рисунок 1.9 - Способы активизации оси полуприцепа

В качестве привода колёс полуприцепа наиболее широкое применение в конструкции АТА получил гидропривод. Это вызвано тем, что производство гидроаппаратуры и теория её использования в приводах, наиболее развиты за рубежом.

Особенности приводов в транспортном применении заключаются в следующем.

Гидропривод

1) Характеризуется наибольшей удельной передаваемой мощностью по сравнению с механическим и электрическим приводами. Существенным преимуществом его является приспособленность к автоматизации.

2) Гидрообъёмный привод колёс прицепных звеньев может быть полностью автономным, с собственным двигателем внутреннего сгорания, насосами, вспомогательными агрегатами, объединёнными в автономную насосную станцию (АНС).

3) Ведущие и ведомые колеса прицепных звеньев с элементами их привода и подвески целесообразно объединять в колёсные модули.

4) Связь АНС с гидромагистралями прицепного звена осуществляется посредством гибких шлангов с быстроразъёмными гидравлическими соединениями.

5) Исходя из предназначения и грузоподъёмности автопоезда, он оснащается требуемым числом силовых и колёсных модулей.

Однако производства комплектов гидромашин автомобильного применения в РФ в настоящее время нет.

НИОКР по использованию гидропривода на базе агрегатов зарубежного производства в России последнее время занималась только ОАО «НАМИ-Сервис».

На рисунке 1.10 приведён пример формирования семейства активных автопоездов, предложенный ОАО «НАМИ - Сервис» для перевозки тяжёлых неделимых грузов на основе двухосных активных колёсных модулей с

приводом поворота и без него. Привод колёс осуществляется от одного силового модуля (АНС), размещённого на тягаче.

Разработанные автономный гидрообъёмный силовой привод колёс и активные колёсные модули с приводом поворота позволяют комплектовать многозвенные модульные автопоезда различного назначения с активными прицепными звеньями (рисунок 1.11). Требуемые мощностные показатели многозвенных автопоездов достигаются использованием необходимого числа автономных силовых приводов (модулей АНС), а показатели манёвренности -применением управляемых колёсных модулей.

Рисунок 1.10 - Предложения ОАО «НАМИ-Сервис» по формированию унифицированного семейства активных автопоездов с полуприцепами-платформами на основе автономного силового привода

Рисунок 1.11 - Пример формирования многозвенного активного автопоезда на основе нескольких силовых модулей

В рамках реализации проекта активного автопоезда грузоподъёмностью 50 т с автономным гидрообъёмным приводом колёс прицепного звена в ОАО «НАМИ-Сервис» разработан и построен опытный образец АНС с двигателем КАМАЗ 740.50-360 мощностью 360 л.с. и двумя регулируемыми насосами Rexroth А4Уи180 с электропропорциональным управлением. Конструкция АНС защищена Патентами РФ на полезную модель №№ 112143 и 112144 (выданы 10.01.2012).

Однако, создание активного автопоезда на базе гидропривода колёс полуприцепа в настоящее время возможно только с использованием комплекта с гидроагрегатом зарубежного производства. По этой причине решение задач по созданию активного автопоезда в РФ возможно лишь с применением электрического привода колёс полуприцепа.

Электропривод

Тяговый электропривод является лишь главной, но не единственной составляющей, например, гибридной электротрансмиссии. На практике требуется слаженная работа всех подсистем, включая управление ДВС и генератором, контроль тяговых усилий на колёсах, совместная работа систем электрического и механического торможения и т.д. Эти вопросы требуют организации как информационного, так и энергетического взаимодействия.

Генерирование энергии осуществляется от нереверсивного источника питания. Это может быть дизель-генераторная установка или топливный элемент. Тяговые электроприводы и вспомогательное оборудование питаются от звена постоянного ток (ЗПТ). К ЗПТ также подключаются накопители энергии, такие как аккумуляторные батареи и суперконденсаторы. Вместе все

элементы, входящие в электротрансмиссию, принято называть комплектом тягового электрооборудования (КТЭО).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лапенков Роман Алексеевич, 2026 год

/ -

Ме -мощность Мк -крутящий момент С}р -удельный расход топлиЬа БТ -часобой расход топлибо

де /

/

кВт д.с. ЗВ0

' 500 460 420

зво

340

зоо' 260 220 180

340

300

260

220 _

180

140

п. мин

-1

1100 1300 1500 1700 1900 2100

Рисунок 3.4 - Внешняя скоростная характеристика ДВС ТМЗ-8424.10-033

Рисунок 3.5 - Пример схемы функциональной тягового электропривода

Математическая модель позволяет оценить влияние технические решения на эксплуатационные свойства: тяговая динамика; опорная проходимость. Кроме того, могут быть также и другие эксплуатационные свойства: манёвренность; устойчивость и управляемость; плавность хода.

3.2.2. Условия движения автопоезда

Моделирование тягово-скоростной динамики (тягово-скоростной расчёт), определение максимального угла подъёма выполнены для двух типов твёрдой опорной поверхности:

- асфальт (коэффициент сцепления ф = 0,75; коэффициент сопротивления качению f = 0,015);

- твёрдый грунт (коэффициент сцепления ф = 0,55; коэффициент сопротивления качению f = 0,03).

Оценочные показатели, принятые при моделировании представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Критерии (оценочные показатели) основных эксплуатационных свойств автопоезда при математическом моделировании

Эксплуатационные свойства Оценочныепоказатели

1. Тягово- скоростныесвойстваавтопоезда - максимальная скорость движения в заданных условиях; - максимальныйуголподъема; - свободнаясилатяги; - силасопротивлениякачению; - мощность, потребнаядлядвижения; - время разгона до максимальной скорости

3.3. Проверка на адекватность математической модели

Математическая модель оценена на адекватность путем сравнения результатов моделировании с результатами натурных испытаний автопоезда с тягачом БАЗ-6402, проведенных на базе 21 НИИИ ВАТ МО РФ, и результатами тягово-динамического расчёта (рисунки 3.6 и 3.7).

Результаты тягово-динамического расчёта представлены на рисунках ..., где свободная сила тяги на колесах Б, определяется как разность силы тяги на колесах тягача от двигателя и силы сопротивления воздухаБ8У:

Лгг

Рч= Мй1;*щг*— (3.1)

гк

и — и г^йу * 2

^у = сх* Ру * ?1оЬ * I—"-)

Щг

где Мау - крутящий момоент двигателя, п^-обороты двигателя, щг -передаточное отношение трансмиссии, - КПД трансмиссии, гк - радиус качения колеса, сх - коэффициент аэродинамического сопротивления, ру-плотность воздуха, Р1оЬ - площадь лобовой проекции.

Рисунок 3.6 - Тягово-динамический расчёт

Рисунок 3.7 - График разгона по результатам тягово-динамического

расчёта

Разница в результатах составила не более 8,8 % (таблица 3.3), что подтверждает адекватность модели.

Таблица 3.3-Сравнение показателей скоростных свойств автопоезда

Показатель устойчивости Результаты испытаний Результаты тягово- динамического расчёта Результаты моделирования Разница, %

Максимальная скорость движения, км/ч 77,5 77,38 78,57 1,36

Время разгона на пути 400 м, с 44,3 40,3 44,23 8,8

Время разгона на пути 1000 м, с 80,8 75,3 80,28 6,2

Время разгона до 60 км/ч, с 64,3 59,5 61,99 3,8

3.4. Результаты математического моделирования

При начале моделирования остро встает вопрос исходных данных, если характеристики тягача и автопоезда уже определены, то характеристики тягового привода должны быть получены и обоснованы уже по результатам расчётов. Отсюда встает вопрос получения предварительных характеристик для начала моделирования. Единственным параметром определяемым путем простых вычислений является максимальная сила тяги, и соответственно крутящий момент тягового привода, на полуприцепе [1]. Графически это представлено на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Тягово-динамический расчет

На график дополнительно введены ограничения по пределу тяги на колесах тягача по сцеплению и сила сопротивлению подъему автопоезда.

= (3.2)

Разница в силах сцепления и сопротивления на требуемом угле подъема и есть та самая необходимая характеристика тягового привода

Рт = Рсопр — Рсц (3.3)

В процессе исследований оценена степень влияния различных схем распределения момента по колесам автопоезда на величину угла преодолеваемого подъема при разных характеристиках опорной поверхности, таблица 3.4.

Таблица 3.4- Максимальные углы преодолеваемого автопоездом подъема для различных дорожных условий при подаче на полуприцеп 40 % мощности основного двигателя

Дорожные условия Угол преодолеваемого подъема при схеме распределения момента, град Максимальна я степень повышения угла подъема

6х6+4х0 6х6+4х2 1 -я ось активная 6х6+4х2 2-я ось активная 6х6+4х4

Асфальт 20,05 27,96 28,19 33,40 1,67

Изношенный асфальт 18,45 25,96 26,18 31,97 1,73

Булыжное покрытие 16,50 23,66 23,89 30,31 1,84

Грунтовая дорога 14,44 20,68 20,91 27,04 1,87

Местность Потеря проходимос ти 0,57 0,74 5,67

Как видно из данных таблицы 3.4 эффект от активизации колес полуприцепа повышается при увеличении числа активных осей. Причем увеличение угла преодолеваемого подъема проявляется в наибольшей степени с ухудшением дорожных условий. В связи с этим в дальнейшем исследования проводились только в полноприводном исполнении, с приводом на все колеса полуприцепа.

Согласно графику на рисунке 3.8 автопоезд способен преодолевать максимальный угол подъема на скорости с близкой к максимальной на первой передаче. Отсюда максимальную мощность привода на колесах примем как

Мер =РТ*У1 (3.4)

где У1 - скорость на первой передаче.

Для расчёта мощности генератора учтём КПД электропривода.

В итоге при проведении моделирования характеристики тягового электропривода имеют следующие значения:

1. Мощность тяговых электродвигателей полуприцепа 100 кВт;

2. Мощность тягового генератора140 кВт;

3. Максимальный крутящий момент на колесах 44 кНм;

В дальнейшем исследования проводились в сравнении с базовым автопоездом на двух типах подъёмов: асфальт (ф = 0,75) и грунт (ф = 0,55).

Результаты представлены в таблицах 3.5-3.8. Критериями улучшения тяговых возможностей и проходимости являлось увеличение преодолеваемого подъема и скорости движения в заданных дорожных условиях.

Таблица 3.5 - Преодоление подъёма на асфальте базовым автопоездом

Угол наклона дороги, град Передача Максимальная скорость, км/ч

КПП РК

5 5 высш. 18

10 3 высш. 8...8,5

15 1 высш. 5

21 (макс.) 1 высш. 4,2

Таблица 3.6 - Преодоление подъема на асфальте активным автопоездом

Угол наклона дороги, град Передача Максимальная скорость, км/ч

КПП РК

22 (с места) 1 высш. 1,54

25 (с места) 1 высш. 0,93

27 (макс., с места) 1 высш. 0,56

22 (сходу) 1 высш. 4,8

24 (макс. сходу) 1 высш. 3,9

Таблица 3.7 - Преодоление подъема на грунте базовым автопоездом

Угол наклона дороги, град Передача Максимальная скорость, км/ч

КПП РК

5 4 высш. 16

10 2 высш. 8.9

14,9 (макс.) 1 высш. 4,2

Таблица 3.8 - Преодоление подъема на грунте активным автопоездом

Угол наклона дороги, град Передача Максимальная скорость, км/ч

КПП РК

20 (с места) 1 высш. 1,72

21 (макс., с места) 1 высш. 1,51

20 (сходу) 1 высш. 4,67

23 (макс., сходу) 1 высш. 2,75

Анализ полученных результатов показал, что при движении активного автопоезда при углах подъёма более 20 град наблюдается работа силовой установки с буксующим сцеплением (на графике разница в оборотах двигателя и входного вала КПП), рисунок 3.9. При увеличении угла увеличивается буксование (разница в оборотах двигателя и КПП), падает скорость автопоезда.

Рисунок 3.9 - Движение на подъем 22 град активного автопоезда

Возможной причиной является невозможность выхода дизельного двигателя в зону максимального момента и мощности (повышенные обороты) в связи с тем, что при исследованиях начальная частота вращения двигателя принималась 1000 об/мин. По этой причине были проведены эксперименты повторно с попытками преодоления подъема сходу, т. е. автопоезд разгонялся до максимально возможной на 1 -й передаче скорости и затем моделировалось преодоление подъема «сходу». Если при этом скорость падает до невозможности двигаться без буксования сцепления, считалось, что сходу преодолеть подъем невозможно. Результаты представлены в таблице 3.6.

В связи с тем, что по условиям экспериментов при наличии буксования расчёт прекращался, угол подъема уменьшался, но скорость преодоления подъема возросла. Аналогичные результаты получены при преодолении подъема на асфальте и на грунте.

Анализ результатов показал, что основными причинами наличия буксования (в том числе и при движении сходу) являются повышенные потери при работе тягового электропривода, связанные с наличием двух типов трансмиссий, и недостаток мощности дизельного двигателя, который объясняется отбором части момента на привод генератора и соответствующим снижением момента на колесах тягача.

Возможными направлениями частичного устранения этого недостатка могут быть повышение мощности основного двигателя тягача или использование ВСУ, а также применение в конструкции РК тягача пониженной передачи, т.е. снижение скоростей движения автопоезда.

Пониженная передача в РК позволяет повысить угол преодолеваемого подъема активным автопоездом на асфальте с 27,0 град до 27,9 град (с места, с отсутствием буксования сцепления), а также повысить скорость движения на подъеме с 0,56 до 3,1 км/ч. Результаты расчетов приведены на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Движение на подъем 27,9 рад на пониженной передаче

Основные выводы по результатам моделирования: - использование привода колёс полуприцепа улучшило разгон на низших передачах вследствие реализации сил тяги на 10 колёсах вместо 6, предел по сцеплению достигается позже;

- на дальнейший разгон привод колёс полуприцепа не оказывает какого-либо влияния - общее снижение времени и пути разгона малозначительно;

- возможными направлениями частичного устранения недостатка мощности дизельного двигателя могут быть повышение мощности основного двигателя тягача или использование ВСУ, а также применение в конструкции раздаточной коробки тягача пониженной передачи. Пониженная передача в раздаточной коробке позволяет повысить угол преодолеваемого подъема активным автопоездом на асфальте с 27,0 град до 27,9 град (с места, с отсутствием буксования сцепления), а также повысить скорость движения на подъеме с 0,56 до 3,1 км/ч.

В расчётах для определения предельных возможностей автопоезда по преодолению труднопроходимых участков дорог и местности использовались 6 типов грунтов:

1) сухая суглинистая пахота (ф=0,55; Сг=0,25; ц=0,77);

2) влажная суглинистая пахота (ф=0,3; Сг=0,35; ц=0,5);

3) сухой песок пустыни (ф=0,3; Сг=1,1; ц=0,1);

4) влажный песок (ф=0,45; Сг=0,53; ц=0,34);

5) влажная грунтовая дорога (ф=0,37; Сг=0,18; ц=1,0);

6) местность (ф=0,2; Сг=0,5; ц =0,5), где ф - коэффициент сцепления;

Сг- удельное сопротивление грунта вдавливанию (коэффициент осадки грунта);

ц- степенной показатель, характеризующий изменение сопротивления грунта вдавливанию по глубине.

Оценочными показателями являлись: сила сопротивления движению и сила тяги для активного и неактивного автопоезда. При превышении величины силы сопротивления движению значения силы тяги автопоезда по сцеплению

(при достаточной мощности двигателя) движение невозможно. Результаты расчётов представлены на рисунках 3.11-3.12.

Анализ данных показывает, что характеристики грунтовых (деформируемых) опорных поверхностей оказывают существенное влияние на тяговые возможности автопоезда и на показатели его проходимости.

Основным показателем, характеризующим тяговые возможности автопоезда при движении в сложных дорожных условиях, является максимальная сила тяги по сцеплению (при достаточной мощности энергоустановки), которая определяется величиной сцепного веса и коэффициентом сцепления. При условии превышения силы тяги по сцеплению величины силы сопротивления качению движение автопоезда возможно, в ином случае автопоезд теряет проходимость.

Используя математическую модель, разработанную с помощью пакета MatLabSimulink, определены показатели проходимости (скорость движения, потребная мощность) автопоезда при движении по различным деформируемым опорным поверхностям.

Влияние работы тягового привода на силу тяги и соответственно проходимость заметно при движении по всем поверхностям.

Получено, что подключение привода позволяет распределить тягу между колесами тягача и прицепа и таким образом более полно реализовать сцепной вес. Увеличение тяги позволяет двигаться с большей скоростью по данному грунту (12,7 км/ч вместо 9,0 км/ч), на третьей передаче вместо второй на базовом автопоезде. При этом более мощный двигатель или наличие вспомогательной установки ещё больше увеличило бы скорость движения, на четвертой передаче происходит падение скорости в виду перехода работы дизеля на меньших оборотах, в зону меньшей мощности.

о

2000 1500 1000 500 0

4

(С У

(С

ш С 2

х 10"

-1-1-1- -

- -—■ 1 -две -кп (их.) 1 1 1

10

10

Рисунок 3.11- Движение базового автопоезда по сухой пахоте

Рисунок 3.12 - Движение активного автопоезда по сухой пахоте

Проведены исследования по оценке возможности движения автопоезда в тяжелых дорожных условиях. Активизация колес полуприцепа обеспечивает повышение проходимости (таблица 3.9) при движении по большинству опорных поверхностей.

Таблица. 3.9 - Движение активного автопоезда по различным грунтам

Тип поверхност и Передач а КПП Максимальна я скорость, км/ч Сила сопротивлени я качению а/п, кН Средний коэффициент сопротивлени я качению Максимальна я глубина колеи (1-я ось тягача), м

Сухая пахота 3 12,7 60,1 0,131 0,172

Влажная пахота 2 9,0 72,6 0,157 0,254

Сухой песок 1 5,0 137,4 0,298 0,304

Влажный песок 2 9,0 85,3 0,183 0,278

Влажный грунт 3 12,6 55,3 0,121 0,145

Местность 3 10,7 69,8 0,151 0,167

Для сравнения проведены исследования на базовом автопоезде (таблица

3.10).

Таблица. 3.10 - Движение базового автопоезда по различным грунтам

Тип Передача Макс. Сила сопр. Сред. коэф Макс.

поверхности КП скорость, км/ч качению а/п, кН сопр. качению глубина колеи (1-я ось тягача), м

Сухая 2 9,0 59.2 0.131 0.172

пахота

Влажная 2 9,0 71.6 0.157 0.255

пахота

Сухой песок 1 движения нет 137.6 0.301 0.299

Влажный 2 3.8 84.5 0.184 0.278

песок

Влажный 2 9,0 54.6 0.121 0.145

грунт

Местность 1 движения нет 68.9 0.152 0.168

3.5. Метод расчёта характеристик тягового электропривода колес полуприцепа и обоснования рационального соотношения мощности между колесами тягача и полуприцепа

Представленные в разделе 3.4 расчёты тягового привода на математической модели как показали дальнейшие исследования позволяют получить требуемые характеристики тягового привода полуприцепа. При этом сами расчёты достаточно трудоемки и не позволяют до проведения полноценного моделирования движения АТА обосновать ряд параметров, к примеру максимальную скорость работы тягового привода.

В связи с этим в рамках данной работы была предложена отдельная методика для определения и обоснования характеристик тягового привода на основе мощностного баланса автопоезда [95].

В случае работы электрооборудования и трансмиссии тягача от единого двигателя характеристика тяги на тягаче напрямую зависит от величины отобранной мощности (момента). В общем виде это выглядит следующим образом, рисунок 3.13.

Рисунок 3.13 - Распределение момента на двигателе тягача

Т.е. можно сказать, что отбор электрической мощности выполняет функции распределения крутящего момента между трансмиссией тягача и полуприцепа.

С целью сохранения общей энерговооруженности автопоезда и необоснованного увеличения массы электропривод полуприцепа должен быть спроектирован с минимально возможной мощностью, так как мощность привода напрямую влияет на его массу и в целом на данную массу будет снижена общая грузоподъемность.

При наличии максимального тягового усилия (3.2) электропривода колес полуприцепа для дальнейшего построения характеристики нам необходимо найти две рабочие точки:

- точку перехода на кривую постоянной мощности;

- максимальную скорость работы.

Первая точка - это та скорость, на которой ещё требуется или обоснован максимально возможный реализуемый момент электропривода.

Вторая точка - скорость, до которой необходимо обеспечить работу электропривода.

В связи с тем, что тяговая характеристика тягача и полуприцепа имеют разную форму, связанную со спецификой их работы, дальнейший поиск выполним используя мощностной баланс автопоезда, рисунок 3.14.

Рисунок 3.14 - Баланс мощностей АТА

На данном графике отображается

- зависимость мощности, приходящей от двигателя на колеса с учетом КПД на каждой передаче.

- мощность сопротивления движению, состоящая из сопротивления воздуху, сопротивления подъему и качения

Ns = сх * pv * Fíob *V3 + Ma * g * f * V * cos a + Ma * g *V * sin a (3.3) где Ma - масса автомобиля; f - коэффициент сопротивления качению; V - скорость движения; pv — плотность воздуха; Flob - лобовая площадь;

сх - коэффициент аэродинамического сопротивления. а - угол наклона поверхности.

- мощность, реализуемая в пятне контакта колес тягача (реакция колес с опорной поверхностью, умноженная на скорость и коэффициент сцепления;

Nt = Rt*V*y (3.4)

где Rt - нормальная реакция приводных колес тягача с поверхностью;

Ф - коэффициент сцепления.

- мощность движителя для всего автопоезда, т.е. с учетом реакции колес на опорную поверхность всего автопоезда.

Np = Ma * д * <р * V * cos а (3.5)

Логика поиска максимальной скорости работы тягового электропривода полуприцепа следующая: она соответствует той скорости движения, где мощность колесного движителя тягача способна обеспечивать движение без активизации колес полуприцепа. Т.е. она соответствует максимальной скорости движения автопоезда в предельных для него условиях проходимости без буксования колес.

Для этой цели необходимо найти те условия, в которых мощность движителя тягача равен мощности сопротивления, и для этих условия найти пересечение с мощностью от тягового двигателя на колесах. Учитывая малые скорости движения сопротивлением воздуха можно пренебречь.

Условием движения будет превышение сил предельной силы по сцеплению колес тягача над суммой всех сил сопротивления, сопротивлением воздуха из-за малых скоростей пренебрегаем.

Мап * д * sinx+f * Мап (3.6)

На горизонтальной поверхности соотношение коэффициентов сопротивления движению и сцепления будет равно соотношению масс приходящейся на тягач к массе автопоезда

f/y = ZRT/Man (3.7)

Для трехосного тягача и двухосного полуприцепа данное соотношение составляет 0,5 до 0,6.

Табличные значения в усредненном виде для дорог различного вида выглядят следующим образом [74], таблица 3.11. Таблица 3.11 - Характеристики видов дорог.

Дорога Ф / //Ф

Дорога с асфальтобетонным покрытием 0,6 0,04 0,066

Грунтовая дорога 0,5 0,06 0,12

удовлетворительная

Грунтовая дорога разбитая 0,4 0,08 0,2

Грунтовая дорога в период 0,25 0,15 0,6

распутицы

Укатанная заснеженная 0,3 0,25 0,83

дорога

Сухой песок 0,2 0,15 0,75

Снежная целина 0,25 0,25 1

Графически это можно представить следующим образом, рисунок 3.15.

Рисунок 3.15 - Зависимости коэффициентов сцепления и сопротивления

Ниже кривой соотношения коэффициентов сопротивления и сцепления условия, которые преодолевает обычный автопоезд, ниже - не преодолевает.

Граничные условия при соотношении 0,55 - грунтовая дорога в период распутицы, ф=0,25, /=0,15. Построив графики мощностей для данных условий (рисунок 3.16) получим максимальную скорость работы тягового привода полуприцепа.

Рисунок 3.16 - Максимальная скорость движения АТА в заданных условиях.

Для получения точки перехода на кривую постоянной мощности строим баланс мощностей для наиболее тяжелых дорожных условий с точки зрения тяговых возможностей, подъем в гору, рисунок 3.17.

Рисунок 3.17 - Баланс мощностей при движении в гору.

Находим точку максимальной скорости возможного движения, где мощность двигателя превышает мощность сопротивления движения. Для данного графика - это максимальная скорость движения на первой передаче.

Находим разность мощности сопротивления движения и мощности движителя тягача на максимальной скорости и получаем точку перехода на кривую постоянной мощности. До данной точки разница сил сопротивления движения постоянны.

По этой причине мощность электропривода растёт линейно.

Данный алгоритм расчёта был повторен для других тяжелых условий, к примеру, для снежной целины, мощность сохраняла примерно ту же величину при больших скоростях, что подтверждает переход на кривую постоянной мощности.

Мощностной баланс позволяет наглядно объяснить природу буксования сцепления при движении на подъем на повышенной передаче, рисунок 3.18. На повышенной передаче мощность на колесах автопоезда меньше мощности сил сопротивления, буксование сцепления позволяет снизить скорость движения, соответственно сдвинувшись влево в зону действия меньшей мощности сопротивления. На пониженной передаче за счёт меньших скоростей движения действует меньшая мощность сопротивления, что позволяет двигаться на первой передаче в зоне максимальных оборотов двигателя, скорость соответствует расчётной при математическом моделировании.

Рисунок 3.18 - Мощностной баланс автопоезда при движении на

подъем 28 градусов.

Для активного автопоезда в составе тягача БАЗ-6402 и оборудованного полуприцепа КМ-1852 были получены следующие результаты:

1. Мощность тягового электропривода полуприцепа 90 кВт на колесах;

2. Максимальный момент на колесах 44 кНм;

3. Максимальная скорость для реализации момента (переход на кривую постоянной мощности) - 4,9 км/ч;

4. максимальная скорость работы электропривода - 12,4 км/ч.

Результаты расчётов подтверждены результатами исследований.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ АВТОПОЕЗДА, ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования, особенно академические, в области динамики ТС часто ограничиваются численным или иммитационным моделированием, поскольку экспериментальное использование полноразмерных ТС может быть очень дорогостоящим, длительным и опасным. Эту проблему часто решают с помощью физического моделирования. За последнее столетие широко использовались масштабные физические модели для изучения динамики всех типов движущихся ТС [3 - 19].

Одним из направлений исследований динамики ТС при помощи физического моделирования является процесс исследования, когда физическая модель неподвижна относительно моделируемой опорной поверхности, которая может перемещаться относительно движителя модели. Использование стендового оборудования для экспериментальных исследований отдельных узлов, агрегатов и систем ТС широко используется в практике исследований.

Простейшим применением физического моделирования динамики ТС уменьшенного размера является использование модели, движущейся по неподвижной опорной поверхности - проезжей части, и этот метод довольно часто используется [9-19].

Эти практически дорожные испытания сопряжены с множеством проблем взаимодействия и распознавания потому, что обнаружение и подключение движущегося ТС для получения точной, полной обратной связи по состоянию достаточно сложно. Кроме того, проблемы компоновки компонентов особенно остро стоят перед физическими моделями ТС из-за ограниченной мощности и доступного пространства.

Хотя процесс сравнения уменьшенного размера с полноразмерным образцом хорошо понятен для обоих направлений физического моделирования, в открытой литературе отсутствует пример, в котором уменьшенное транспортное средство спроектировано таким образом, чтобы соответствовать выбранному полноразмерному аналогу транспортного средства.

В диссертации рассмотрены основные динамические характеристики масштабируемого ТС (физической модели), которые напрямую сопоставляются с конкретным полноразмерным транспортным средством (натурой). В исследованиях впервые рассматриваются фундаментальные ограничения и границы использования динамически аналогичного масштабируемого ТС для изучения его динамики.

4.1. Основы теории подобия при физическом моделировании

За основу расчета подобия физической модели её полномасштабному аналогу принята теорема Букингама, которая гласит, что физические закономерности, устанавливаемые теоретически или экспериментально представляют собой функциональные связи между величинами, характеризующими рассматриваемое явление. Они выражают собой физические факты, которые не должны зависеть от единиц измерения, хотя численные значения самих величин будут, естественно, зависеть от системы единиц. Поэтому функциональные зависимости должны обладать структурой, обеспечивающей выполнение указанного требования.

В общих чертах теорема утверждает, что если существует физически значимое уравнение, включающее определенное число п физических переменных, то исходное уравнение можно переписать в терминах набора безразмерных параметров р = п - кп 1, п 2,..., пр, построенных из исходных переменных. (Здесь к - количество задействованных физических измерений; оно получается, как ранг конкретной матрицы).

Из этой теоремы вытекает, что критерии подобия (П) - безразмерные числа, составленные из размерных физических величин, определяющих рассматриваемое физической явление. Любая физическая величина представляет собой произведение численного значения (числа) на единицу измерения и, всегда зависит от выбора системы единиц измерения. Значения П от единиц измерения не зависят. Равенство всех однотипных П для двух физических явлений (процессов) или систем - необходимое и достаточное условие физического подобия этих систем [96-105].

Математические модели законов динамики ТС, из которых получаются уравнения, описывающие любое физическое явление, не зависят от выбора системы мер и величины параметров. Поэтому уравнения, описывающие динамику ТС, можно привести к безразмерному виду путём введения некоторых характерных значений для каждого из определяющих физических параметров. Тогда безразмерные коэффициенты новой безразмерной системы уравнений, составленные из определяющих физических параметров, и будут П рассматриваемого явления (процесса). Величины П зависят от выбора характерных значений определяющих параметров.

В качестве П в процессах, связанных с импульсом силы по законам Ньютона используется число Фруда или критерий подобия Фруда. Число Фруда, или критерий Фруда— один из безразмерных критериев подобия движения механических систем, жидкостей и газов. Применяется в случаях, когда существенно воздействие внешних сил. Введено Вильямом Фрудомв 1870 году.

Критерий Фруда получен из преобразований критерия Ньютона -критерия №, который выражает зависимость между силами, массами, скоростями и линейными размерами в динамически подобных потоках в общем виде [99 -101].

Таким образом, масштаб кинематических, силовых и геометрических параметров модели определен по критерию подобия Фруда.

Критерий Фруда, выражает закон динамического подобия явлений, протекающих под действием сил Ньютона. Из уравнений динамики натурного образца и модели получено, что для исследования динамических процессов критериями подобия являются:

F

V2

_ VQ _

g • L

const

М_

М

Р • L2 • Vo2

_ const

Ка • L а _ const

V

о

t2 т 2 ^z •L

V

2

_ const

^ L2 V,

const

• L2

u _ const

V

о

(4.1)

где F - критерий Фруда;

Vо - скорость перемещения натуры (Уон) и модели (Уом);

L - линейный размер натуры (Ьн) и модели (Lм);

р - плотность натуры и модели;

ш^ Ша, Шу - собственные частоты колебаний системы в вертикальной, продольно- и поперечно-вертикальной плоскостях.

Линейный масштаб, исходя из наличия «донора» (модель ТС6), выбран равным 1:12. Пользуясь критериями подобия, определены расчетные формулы подобия. Например, расчетная формула скорости модели в зависимости от линейного масштаба находится из условия постоянства критерия Фруда:

V

2

он

V

2

ом

V

2

g•LH g • L

м

V

он _ m2 _ 2 1 V

L

н

о

ом

L

_ mL ; mV

m

Л/2 L

(4.2)

м

где Шу - масштаб моделирования скорости движения модели;

mL - масштаб моделирования линейного размера.

Таким же образом определены расчетные формулы параметров динамики физической модели.

Используятеорему Букингама для критерия подобия Фруда рассчитаны зависимости пересчета всех параметров физической модели. Зависимости для пересчета приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Зависимости для пересчета параметров физической модели

Параметр

Обозначение

Ед.

измерения

Расчетная формула

1 Линейный размер

2 Время

3 Скорость линейная

4 Скорость угловая

5 Ускорение линейное

6 Сила

7 Масса

8 Момент инерции

9 Жесткость

10 Коэффициент затухания

11 Перемещение угловое

12 Относительный затухания

коэффициент

Л

Лу Хд

Лр

Ягп

Я

7

Ас

Ли

Лг

л

-Ф

М с

м/с 1/с

м/с2

Н

Кг

Кгм2

Н/м 1/с

рад

Л

VI

VI

1

Я"

я3 1

Я3 Я5

я2

1

Я"

1

1

1

4.2. Объект исследования - подвижная физическая модель активного автопоезда

4.2.1. Общее устройство физической модели активного автопоезда

В соответствии с замыслом на исследования изготовлен масштабный действующий макет (физическая модель - ФМ) в виде автопоезда состоящего из макетов тягача БАЗ-6402 и оборудованного полуприцепа КМ-1852 (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Активный автопоезд в составе седельного тягача БАЗ-6402 и оборудованного полуприцепа КМ-1852

Требуемые параметры физической модели рассчитаны по критерию подобия Фруда в соответствии и данными таблицы 4.1 и приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Технические характеристики моделируемого автопоезда

Параметр Значение у физической модели Значение у натуры

Снаряжённая масса тягача, кг 1391,700 16700

Полная масса полуприцепа, кг 2416,700 29000

Координаты ЦМ тягача от т. О (X, Y, Z), мм 158,000; 1897, 0, 493

Координаты ЦМ полуприцепа от т. О (X, Y, Z), мм 968.000 11616, 0, 1519

Координаты ЦМ автопоезда (справочные) от т. О (X, Y, Z), мм 672,000 8064, 0, 1144

Колея, мм 186,700 2240

Расстояние между осями 1 и 2, мм 351,700 4220

Расстояние между осями 2 и 3, мм 120,800 1450

Расстояние между осями 3 и 4, мм 844,200 7730

Расстояние между осями 4 и 5, мм 145ю800 1750

Габарит по ширине, мм 229,200 2750

Габарит по высоте, мм 240,800 2890

Маркировка шины - 525/70 R21 (1300х530-533Р)

Свободный радиус шины, мм 54,200 650

Вертикальная жёсткость шины, Н/мм 28,000 784,8

Масса колеса в сборе, кг 250

Момент инерции колеса в сборе, кг*м2 41,8

Жёсткость торсиона (нижний рычаг подвески), Нм/рад 148,000 21878,7

Жёсткость подрессорника (торсион верхнего рычага), Нм/рад 156,00 24249,8

Максимальный угол поворота управляемых колёс тягача, ° 35,0 35

Максимальный угол поворота колёс 1 оси полуприцепа, ° 19,5 19,5

Максимальный угол поворота колёс 2 оси полуприцепа, ° 35,0 35

Цель создания физического макета заключается в качественной проверке увеличения тягово-скоростных свойств моделируемого объекта и в проверке технических решений, направленных на повышение проходимости, косвенной проверке адекватности математической модели.

Для достижения данной цели решены следующие задачи:

- разработаны дополнительные требования к действующей модели автопоезда;

- изготовлена действующая модель автопоезда;

- разработана программа и методика исследовательских испытаний макета;

- проведены исследовательские испытания макета автопоезда. Анализ предложений по аналогам масштабных моделей автомобилей

показал, что наиболее близким готовым изделием является модель TC6 (CZRTC6F) в масштабе 1: 12 производства фирмы Cross RC (рисунки 4.2 - 4.4).

Рисунок 4.2 - Модель TC6. Внешний вид

Рисунок 4.3 - Модель ТС6. Габаритные размеры

Рисунок 4.4 - Модель ТС6. Шасси модели

Кинематические и размерные параметры модели-аналога позволяют изготовить действующий макет автопоезда из двух моделей. Из одной модели изготовлен тягач, из второй - активный полуприцеп.

Внешний вид собранной модели и отдельных узлов показаны на рисунках 4.5-4.12.