Разработка методики оптимизации законов управления автоматической трансмиссией полноприводного автомобиля по ряду эксплуатационных показателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Гусаков, Дмитрий Николаевич

• Гусаков, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гусаков, Дмитрий Николаевич

Оглавление.

Введение.

1. Состояние проблемы и задачи исследования.

1.1. Предмет исследования.

1.2. Анализ существующих решений в области регулирования сил тяги на колесах полноприводных автомобилей.

1.2.1. Гидрообъемные трансмиссии.

1.2.2. Электрические трансмиссии.

1.2.3. Альтернативные решения для задачи регулирования касательных реакций на колесах автомобиля.

1.3. Обзор научных достижений в области оптимизации параметров автомобильной техники.

1.4. Критерии оценки управляемости и устойчивости автомобиля.

1.5. Цель и задачи диссертации.

2. Расчетная модель автомобиля.

2.1. Выбор системы координат. Дифференциальные уравнения движения многомассовой системы.

2.2. Вычисление моментов и произведений инерции колес относительно системы координат, жестко связанной с кузовом.

2.3. Внутренние силы системы.

2.4. Потенциальная энергия и диссипативная функция системы. Вывод уравнений Лагранжа в окончательном виде.

2.5. Метод, используемый для определения реакций в пятне контакта колеса с опорной поверхностью.

2.6. Описание работы гидропривода. Уравнения, описывающие работу трансмиссии.

2.7. Алгоритм работы математической модели.

2.8. Выводы по разделу.

3. Экспериментальные исследования.

3.1. Цель и задачи экспериментального исследования. Объект исследований. Программа испытаний. Обоснование выбора характерных режимов работы трансмиссии.

3.2. Описание оборудования, использованного для проведения замеров при экспериментальных исследованиях.

3.3. Сводные результаты экспериментальных исследований.

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.

3.5. Сверка работы математической модели с результатами экспериментальных исследований. Оценка адекватности модели по критерию Фишера.

4. Оптимизация законов управления трансмиссией полноприводных автомобилей с индивидуальным подводом мощности к колесам.

4.1. Краткое обоснование выбранного метода оптимизации и обзор программного обеспечения.

4.2. Постановка оптимизационной задачи, определение критериев и параметров оптимизации.

4.3. Взаимосвязь параметров оптимизационной задачи и параметров работы гидрообъемной трансмиссии.

4.4. Анализ результатов решения задач оптимизации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики оптимизации законов управления автоматической трансмиссией полноприводного автомобиля по ряду эксплуатационных показателей»

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.

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Гусаков, Дмитрий Николаевич

5. Основные результаты и выводы

1. Составлена система дифференциальных уравнений движения подрессоренных и неподрессоренных масс в единой системе координат, связанной с центром подрессоренной массы, применительно к многоосному автомобилю. Предложено согласование динамики движения подрессоренной и неподрессоренных масс заменой связей реакциями в направляющих элементах подвески и введением кинематических характеристик подвески.

2. Составлено обобщенное математическое описание многомассовой модели движения полноприводного автомобиля, включающее описание работы гидрообъемной трансмиссии, позволяющее проводить расчет различных режимов движения и поиск алгоритмов управления автоматической трансмиссией с индивидуальным приводом ведущих колес. Модель позволяет вести сравнительные расчеты в заданном поле изменения параметров без дополнительных функциональных ограничений.

3. Проведены экспериментальные исследования на полноприводном автомобиле «Гидроход», показавшие, что различные законы управления трансмиссией могут существенно изменять параметры управляемости, устойчивости и топливной экономичности. Анализ полученных зависимостей при межосевом регулировании тяги подтверждает, что фиксированное распределение тяги по. колесам не дает преимущества на всех режимах движения. Например, поворачиваемость улучшается при смещении тяги в сторону передней оси (диапазон изменения достигает 12%). Время реакции уменьшается при смещении тяги в сторону задней оси, с разницей до 5-10%. Время реакции при дифференциальном и блокированном режимах отличается незначительно. При уменьшении давления воздуха в шинах на 1 атмосферу время 90% реакции повышается на 10-15%, средний уровень заброса поперечного ускорения уменьшается в 1,5-2 раза. В дифференциальном режиме заброс поперечного ускорения при смещении тяги в направлении задней оси — наименьший, а в блокированном - наибольший. Средняя величина заброса поперечного ускорения составляет 5-8%. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность модели по критерию Фишера. Количественное расхождение теоретических и экспериментальных данных составило 7. 18%.

4. Разработана методика оптимизационных расчетов с функциональными ограничениями, реализующими логическую взаимосвязь параметров управления индивидуальным приводом колес полноприводного автомобиля с гидрообъемной трансмиссией, которая формулирует законы управления этой трансмиссией в реальных условиях эксплуатации автомобиля.

5. Разработано программное обеспечение для ЭВМ, реализующее математическую модель движения автомобиля и адаптированное к проведению оптимизационных расчетов.

6. Проведены оптимизационные расчеты параметров управления гидрообъемной трансмиссией с целью улучшения показателей управляемости, устойчивости и топливной экономичности. Выявлено, что методами регулирования передаточных отношений гидрообъемной трансмиссии можно достичь до 2-кратного улучшения каждого из критериев по сравнению с прототипом (равномерное распределение тяги по колесам), при межбортовом регулировании. Также выделены области ухудшения значений критериев (нежелательные области регулирования).

7. Выявлены группы критериев, имеющих высокую прямую корреляцию (в обобщенном виде - топливной экономичности и устойчивости). Однако при улучшении топливной экономичности и устойчивости за счет регулирования трансмиссии снижаются показатели управляемости (и наоборот).

8. Анализ полученных решений показывает, что для улучшения топливной экономичности автомобиля с гидрообъемной трансмиссией при криволинейном движении по твердой опорной поверхности целесообразно увеличивать тягу на передней оси до 10% (соответственно уменьшая тягу на задней оси), а также - на внутренних по отношению к центру поворота колесах (до 5%). Такое регулирование незначительно уменьшает угол бокового крена и улучшает параметры стабилизации. Для получения наилучшей управляемости необходимо максимально (до 20-25 %) смещать тягу в сторону задних колес, но при этом для передней управляемой оси повышать тягу на внешнем колесе (до 25%), а на средней и задней - на внутреннем (до 20 и 25 % соответственно).

9. По результатам анализа оптимизационных решений данная методика может быть рекомендована для проведения поиска законов управления трансмиссией с индивидуальным регулированием, а также статических настроек нерегулируемых или ступенчато регулируемых трансмиссий для различных условий движения с целью улучшения эксплуатационных характеристик автомобиля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гусаков, Дмитрий Николаевич, 2010 год

1. Аганов А., Современные и перспективные трансмиссии бронетанковой техники ВС зарубежных стран. «Зарубежное военное обозрение» №5, 2002 г., с. 34-35

2. Азбель А.Б. Исследование движения на повороте многоосных седельных автопоездов. Дисс. . к.т.н., М., МАДИ, 1979.

3. Антипов Т.П., Огульник М.Г. Современные подходы к изучению динамики шины. В сб. науч. тр. МАДИ "Оптимизационные методы в задачах автомобильного транспорта". М. 1990.

4. Антонов Д.А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей. М. "Машиностроение". 1978.

5. Асриянц A.A., Гольдин Г.В. и др. Кинематический анализ независимой подвески легкового автомобиля. В сб. науч. тр. МАДИ "Устойчивость управляемого движения автомобиля". М. 1971. с. 3-14.

6. Ахмедов А. А. Улучшение управляемости и устойчивости автомобиля при движении по неровной дороге методами многокритериальной параметрической оптимизации : Дисс. к. т. н. : М., МАМИ, 2004

7. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М. "Радио и связь". 1988. -128 с.

8. Барыкин А.Ю. Выбор параметров вязкостных муфт с целью повышения тяговых свойств и проходимости трёхосного полноприводного автомобиля. // Дисс. . канд. техн. наук. М.: МАМИ, 1992. -182 с.

9. Бахмутов C.B. Исследование влияния степени блокирования мелколесного дифференциала на устойчивость движения легкового автомобиля. Дисс. .к.т.н. М. 1979.

10. Бахмутов C.B. Корреляционный анализ при установке задач многокритериальной параметрической оптимизации автомобиля. /"Качество: теория и практика". 2001. №2.

11. Бахмутов C.B. Научные основы параметрической оптимизации автомобиля по критериям управляемости и устойчивости. Дисс. .д.т.н., М. 2001.

12. Бахмутов C.B., Безверхий С.Ф. Статистическая обработка результатов и планирование эксперимента при испытаниях автомобиля. Учеб. пособ. МАМИ, М. 1994. -87 с.

13. Бахмутов C.B., Богомолов C.B., Висич Р.Б. Проектная технология двухэтапной оптимизации эксплуатационных свойств автомобиля//Автомобильная промышленность. — 1998. №12, с. 18-21.

14. Бахмутов C.B., Карузин О.И. Изучение потенциальных возможностей по маневренности и устойчивости движения на трехстепенной модели. Межвуз. сб. науч. трудов "Безопасность и надежность автомобиля", М. МАМИ, 1983, 3-17.

15. Бахмутов C.B., Карузин О.И., Рыков Е.О., Шемякин Ю.В. Автомобильный тестер МАМИ для исследования силовых реакций легкового автомобиля малого класса. Межвуз. сб. научн. трудов "Повышение безопасности и надежности автомобиля", М., МАМИ, 1988, 7-14.

16. Бахмутов C.B., Рыков Е.О., Шемякин Ю.В Силовой метод оценки управляемости и устойчивости автомобиля «Автомобильная промышленность», 1991, № 3, 16-19.

17. Бахмутов C.B., Рыков Е.О., Шемякин Ю.В. Обобщенная силовая диаграмма как инструмент оценки устойчивости и управляемости автомобиля. «Автомобильная промышленность», 1992, №9, 15-18.

18. Беленков Ю.А., Некрасов Б.Б., Фатеев И.В. Определение кпд объемной гидропередачи. М., «Автомобильная промышленность», 1975, № 8, с. 16-18.

19. Беляков В.В., Бушуева М.Е., Сагунов В.И. Многокритериальная оптимизация в задачах оценки подвижности, конкурентоспособности автотракторной техники и диагностики сложных технических ситем. Н. Новгород 2001. -271 с.

20. Богомолов C.B. Методика совершенствования управляемости и устойчивости автомобиля на основе многокритериальной оптимизации ее реакций на управляющие воздействия. Дисс. .к.т.н. М. 2000.

21. Бондаренко М.И., Наземкин А.Ю., Пожалостин A.A. и др. Построение согласованных решений в многокритериальных задачах оптимизации больших систем// ДАН. — 1994. -335. №6, с.719-724.24,25,2627,28.29,3031,32,33,34,35,36.37,38.

22. Бочаров A.B. Разработка экспериментально-расчетной методики оценки параметров, характеризующих управляемость и устойчивость легкового автомобиля со всеми управляемыми колесами. Дисс. к.т.н., Дмитров, 1996.

23. Вержбицкий А.Н., Плиев И.А. Анализ параметров и конструктивных решений отечественных и зарубежных грузовых полноприводных автомобилей//Автомобили и двигатели: Сб. науч. тр./НАМИ. 2003, Вып. 231, с. 28 - 40

24. Висич Р.Б. Многокритериальная оптимизация конструкции подвески автомобиля по показателям управляемости и устойчивости. Дисс. .к.т.н., М., МАМИ, 2002. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. М. "Машиностроение", 1982. 284 с.

25. Генкин М.Д., Корчемный JI.B., Матусов И.Б. и др. Многокритериальный выбор оптимальных параметров механизма газораспределения//Машиноведение. 1983. -№3, с. 60-68.

26. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Пер. с англ. — М.: Мир, 1985

27. Гинцбург JI.JI. и др. Оптимизация стационарных и переходных реакций автомобиля на поворот руля. Труды НАМИ. Совершенствование технико-экономических показателей автомобильной техники. М. 1981, Вып. 182, 49-56.

28. Гинцбург JI.JI. Теория управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории. Дисс. .д.т.н., М. 1988.

29. Городецкий К.И. Механический кпд объемных гидромашин. М., «Вестник машиностроения», 1977, № 7, с. 11-13.

30. ГОСТ Р 52302-04 Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний.

31. Давыдов А.Д. Новое в методах испытаний. «Автомобильная промышленность», 1995, №4.

32. Давыдов А.Д., Бочаров A.B. Испытания АТС на управляемость и устойчивость. «Автомобильная промышленность», 1992, №5.

33. Давыдов А.Д., Гамаюнова Э.Ф., Константинов A.A. Планирование эксперимента при испытаниях автомобиля по оценке устойчивости управления. Труды НАМИ, 1985.

34. Сальников В.И. Разработка расчетно-экспериментального метода оценки тормозных свойств и направлений совершенствования тормозной динамики автомобиля. Дисс. . к.т.н., М., НАМИ, 1993.

35. Сальников В.И., Давыдов А.Д., Никульников Э.И. Развитие методов испытаний и оценки управляемости и устойчивости автотранспортных средств при сертификации. Избранные труды конф. ААИ 1999-2000.

36. Сальников В.И., Давыдов А.Д., Фиттерман Б.М., Диваков А.Н. О некоторых особенностях управления передне- и заднеприводных автомобилей. «Автомобильная промышленность», №12, 1985.

37. Дерффель К. Статистика в аналитической химии М.: "Мир", 1994

38. Дик А.Б. Расчет стационарных и нестационарных характеристик тормозящего колеса при движении с уводом. Дисс.к. т. н., М., 1988.

39. Дик А.Б. Характеристики неустановившегося проскальзывания тормозящего колеса. Межвуз. сб. науч. тр. "Повышение безопасности и надежности автомобиля". М. МАМИ. 1988.

40. Динамика системы Дорога-Шина-Автомобиль-Водитель. Под ред. Хачатурова. A.A. М. "Машиностроение". 1976. -536 с.

41. Добромиров В.Н., Колесников А.И. Система эксплуатационных свойств вооружения и военной техники (БТВТ и ВАТ). Научно-технический сборник №1, Бронницы 2000.

42. Егоров И.Н., Кретинин Г.В., Матусов И.Б. и др. Задачи проектирования и многокритериального управления регулируемых технических систем //ДАН. — 1998. — 359. №3, с.330-333

43. Егоров И.Н., Кретинин Г.В., Матусов И.Б. и др. Многокритериальная оптимизация сложных технических систем от проектирования до управлеиия//Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998, №2, с. 16-29

44. Ипатов A.A. Обобщенная модель оптимизации уровня качества грузовых автомобилей. «Труды НАМИ», 2003, №231, с. 16-28.

45. Итоги науки и техники: физические и математические модели нейронных сетей, том 1, М., изд. ВИНИТИ, 1990.

46. Капралов С.С. Повышение управляемости легкового автомобиля за счет совершенствования характеристик шин. Дисс. .к.т.н., Омск, 1998.

47. Катанаев Н.Т. Наблюдаемость, управляемость и устойчивость системы "автомобиль-среда-водитель". М. МАМИ, Межвуз сб. науч. тр. «Надежность и активная безопасность автомобиля», 1985.

48. Кисуленко Б.В., Бочаров A.B. Технология разработки методов испытаний и критериев оценки устойчивости автомобилей (опыт США)//»Автомобильная промышленность», 2007, №11, с. 37-41

49. Кормен Томас X. и др. Линейное программирование. Глава 29//Алгоритмы: построение и анализ. М.: «Вильяме», 2006, 2-е изд.

50. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.1. М. "Наука", 1984.

51. Курмаев Р.Х., Лепешкин A.B. Повышение точности математической модели движения колесной машины на основании использования результатов ее испытаний. Известия МГТУ «МАМИ», 2009, №1, 46-56.

52. Курмаев Р.Х., Малкин М.А. Улучшение энергетических и экологических показателей полноприводных автомобилей с гидрообъемной трансмиссией за счет оптимального построения электронной системы управления. Известия МГТУ «МАМИ», 2008, №2, 51-56.

53. Куров Б.А., Лаптев С.А., Балабин И.В. Испытания автомобилей. М. "Машиностроение". 1976. -208 с.

54. Ларин В.В. Оценка тягово-экономиче-ских характеристик транс-портных средств при дви-жении по деформируемым опорным поверхностям и местности. М. «Известия ВУЗов. Машиностроение», 1998, № 10-12, стр. 74.84.

55. Ларин В.В. Оценочные показатели тягово-экономической эффективности транспортных средств на местности и их сравнение при движении на подъем и горизонтальной поверхности. М. «Автомобильная промышленность», 2001, № 9, стр. 9.12.

56. Ларин В.В. Многоопорное шасси и его проходимость. М. «Автомобильная промышленность», 2001, № 9, стр. 10. 12.

57. Ларин В.В. Методы прогнозирования и повышения опорной проходимости многоосных колесных машин на местности. Дисс. д. т. н., М. 2007.

58. Дата В.Н. Выбор и исследование критериев управляемости автомобиля по частотным характеристикам его реакций на управление. Дисс. .к. т. н., М. МАМИ. 1989.

59. Лепешкин A.B. Математическая модель, оценивающая кпд роторной гидромашины. М., «Приводы и управление», 2000, № 1, с. 17-19.

60. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля. М., "Машиностроение". 1971.-416 с.

61. Максимов Ю.А., Филлиповская Е.А. Алгоритмы решения задач нелинейного программирования. М.: МИФИ, 1982

62. Матусов И.Б., Плетнев А.Е., Статников Р.Б., Фролова O.A. Многокритериальная идентификация и задача доводки. «Проблемы машиностроения и надежности машин», №6, 1996 г, 107-117.

63. Мирзоев.К., Пешкилев А.Г. Исследование кинематики подвески с помощью ЭЦВМ., «Автомобильная промышленность», 1980, №2.

64. Морозов Б.И., Мирзоев.К., Брюханов А.Б. Способ получения амплитудных и фазовых характеристик реакций автомобиля на управление. Межвуз. сб. науч. тр. «Безопасность и надежность автомобиля», М. МАМИ. 1976.

65. Новиков Г.В. Автоматическое регулирование тягового привода машин с бесступенчатыми трансмиссиями//«Тракторы и сельскохозяйственные машины», 2003, №8, с.46-49

66. Новиков Г.В., Трогание и разгон АТС с автоматической бесступенчатой трансмиссией.//ААИ, 2008, №3 (50) 2008, с. 44-47

67. Новиков Г.В., Управление и автоматическое регулирование бесступенчатых трансмиссий//»Тракторы и сельскохозяйственные машины», №9, 2005 г., с. 26-28

68. Носенков М.А., Бахмутский М.М., Торно В.М. Влияние чувствительности автомобиля к повороту руля на управляемость и устойчивость движения.// Автомобильная промышленность, 1980, №4, с. 22-23.

69. Носенков М.А., Бахмутский М.М., Гинцбург Л.Л. Управляемость и устойчивость автомобилей. Испытания и расчет. НИИНАВТОПРОМ. М. 1981.7778,79.