Адаптивная система управления динамикой длиннобазного автопоезда Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. соответственно следующие значения 500 МПа и 11% .

Рис. 11. Расчетная схема средней части днища с указанием зон сварного шва

При расчете без учета параметров сварного шва, максимальные напряжение и деформация имели место вне области сварного шва, а именно в середине центрального горизонтально расположенного броневого листа. Они соответственно составили 1583 МПа и 2,3%, тогда как их предельные значения имеют соответственно - 1670 МПа и 11% .

Видно, что в случае, когда в расчете сварной шов с его параметрами не учитывается, получаемые максимальные расчетные значения напряжения и деформации существенно ниже их предельных значений, чем в случае учета, что в целом приводит к завышенной оценке прочности конструкции.

Кроме того, в работе проводились расчеты по оценке прочности болтовых соединений люков бронетранспортных средств при воздействии динамической нагрузки от взрыва бое-припаса. Особенностью этих расчетов являлось то, что они опирались на соответствующие эксперименты. Результаты этих экспериментов показали, что при указанном динамическом воздействии происходит не разрыв, а срез болтовых соединений. Это позволило правильно построить, конечно-элементные прочностные расчеты указанных болтовых соединений.

Проведенные прочностные исследования позволили выработать методику прочностных расчетов представленных конструкций автобронетанковой техники как в целом, так и отдельных её элементов, определить рациональные конструктивные и технологические параметры, а также уровни допустимых статических и динамических воздействий.

Адаптивная система управления динамикой длиннобазного автопоезда

к.т.н. доц. Абрамов А.М.

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого Введение

Перевозчик через эксплуатацию АТС определяет набор, и, по сути, формирует (является заказчиком) эксплуатационных свойств проектируемого транспортного средства.

Незнание природы формирования эксплуатационных свойств АТС, её моделей не позволяет применять науку в процесс технической эксплуатации. Техническая эксплуатация превращается в процесс «слепой» замены узлов и агрегатов АТС при их выходе из строя или не соответствии контролируемому параметру. В стране исчезает «сквозная» наука проектирования эксплуатационных свойств и соответствующая техническая эксплуатация, а значит, техническая эксплуатация перестает быть заказчиком и не поставляет на этап проектирования хорошо обоснованных требований. Не создавать науку - значит парализовать процесс проектирования собственных конструкций.

Сегодня имеются множества частных конструктивных решений, потребителями кото-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. рых мы являемся, но не владеем наукой их создания, а значит остаемся голыми потребителями чужих идей. Для того чтобы реализовать собственные конструктивные решения, необходимо разобраться в физике работы системы. Вследствие этого неизбежно появятся публикации с описанием конструкции, алгоритмов работы и математической модели системы с описанием природы её влияния на эксплуатационные свойства АТС.

В данной статье представлена математическая модель и алгоритм работы адаптивной системы управления динамикой длиннобазного автопоезда.

Критерием оптимизации является траектория движения автопоезда, а вернее, величина смещения реальной траектории автопоезда относительно траектории заданной водителем.

Основная стратегия управления В механических системах управления ДАП решалась задача минимизации ГПД или смещения траектории прицепного звена относительно тягача.

Главным недостатком существующих систем управления прицепным звеном длинно-базного автопоезда является сложность управления в присутствии внешних возмущающих воздействий, например на дорогах с низким коэффициентом сцепления, обусловленная отсутствием обратной связи по каналу, контролирующему реальное (действительное) поведение автопоезда [1].

Стратегия управления длиннобазным автопоездом заключается в следующем. Система управления имеет два канала управления, основной - отрабатывающий заданное водителем

а

управляющее воздействие в виде угла поворота рулевого колеса рк, и корректирующий, использующий в качестве задающих параметров сигнал с датчиков обратной связи: скорости

движения автопоезда , бокового ускорения управляемой тележки ^ у и её угловой скорости

а,

относительно вертикальной оси 2.

Структурная схема адаптивной системы управления прицепным звеном длиннобазного автопоезда представлена на рис.1.

Внешние воздействия

Рис. 1. Структурная схема системы управления длиннобазного автопоезда

^ „а

В основном канале управляющее воздействие р с использованием математической модели номинального поведения преобразуется в управляющий сигнал системы управления поворотом управляемой оси прицепного звена.

В номинальной математической модели рассчитываются параметры движения автопоезда, которые соответствуют движению в идеальных условиях на дороге с высоким коэффи-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. циентом сцепления [2].

Второй контур управления корректирующий. Используя в качестве задающих параметров сигнал с датчиков обратной связи , , (, в математической модели определяют параметры реального движения автопоезда.

Результаты расчетов номинальных и реальных параметров сравниваются и с использо-

± ёа3

ванием элементов логики определяются корректирующие воздействия в виде 3 - угла поворота управляемой оси прицепного звена.

Принимая в качестве критерия оптимизации величину смещения траектории прицепа относительно траектории тягача (в идеале совмещение траекторий тягача и прицепа), обеспечивают при прохождении контрольной точки совпадение радиусов поворота (кривизны траектории) базовых точек тягача и тележки прицепного звена.

(1)

к1г — к 21

к л — к 2 —

1 Я 2 л2

где: 1 , 2 - кривизна траектории тягача и тележки прицепного звена.

С учетом углов увода осей:

л — Ь

1 — - Л2 —

г%вх + tg(5,2 -8„)

Ь,

tgв2 + tg (8

22 -821)

(2)

Я — Я в

При 1 2 угол поворота управляемой оси 2 будет равен

tgв2 + tg(822 - 821) — ф2- • ^в, + tg(812 - 8П))

tgв2 —

Ь

Ь Ь

Ь

+ tg (812-8„))

(3)

- ^(822 821 )

Обозначив 2 - базу полуприцепа при заданной скорости автопоезда, мы можем определить время задержки поворота управляющей оси тележки полуприцепа:

Ь

(4)

дt — ^

ЗАП у ' X

где: - скорость движения автопоезда.

Для расчета номинальных значений угла поворота управляемой оси тележки прицепного звена используется математическая модель автопоезда с системой управления.

Математическая модель автопоезда, расчетная схема которого приведена на рис. 2, учитывает и такие качества грузового автомобиля, как переменная масса.

Для плоского движения звеньев автопоезда система дифференциальных уравнений записывается в следующем виде

— £ Рхг

т.

ч — £ Р

г ^ уг/ 1 уг

?

(О 2г—£ Мг

(5)

т ' J

где: п 2г - масса и момент инерции г-го звена относительно вертикальной оси, проходящей

Jxi; ]уг

через центр тяжести;

- проекции линейных ускорений на оси х и у центра тяжести г-го звена;

а,/ -

угловое ускорение /-го звена относительно вертикальной оси;

у Р У Р

/ 1 X! • / 1 у1

У м'

/ 1 О]

сумма проекций всех сих, действующих на /-ое звено на оси х и у;

сумма моментов, действующих на /-ое звено, относительно оси 2.

Рис. 2. Расчетная схема автопоезда

В автоматических системах алгоритм управления должен быть эффективно запрограммирован в блоке управления и для него должно требоваться как можно меньше расчетного времени.

При расчете поперечной динамики автопоезда для получения линеаризованных уравнений может быть использована одноколейная (велосипедная) модель (рис. 3):

(6)

т1 ■ У1 = Ру1 + РУ 2 + Русц

?

41 ■ а = Ру1 ■ а - Ру 2 ■ а2 - Русц ■ (ЪХ - ех)

?

т2 ■ у 2 = Ру 3 - Русц

?

Т 2 - а 2 = - Р з ■ Ъ0 - Р ■ а0

2 2 2 2 у 3 2 усц 2

?

где: у1,у2 - перемещение центра тяжести тягача и полуприцепа в поперечном направлении;

в в

угол рыскания тягача и полуприцепа;

аг\,а2 - угловая скорость тягача и полуприцепа относительно вертикальной оси;

Р Р

у1, у 2 - силы бокового увода на колесах тягача;

Ру3

Р

- сила бокового увода на колесах полуприцепа;

1 - сила в опорно-сцепном устройстве, действующая в поперечном направлении;

т т

1, 2 - масса тягача и седельного прицепа;

, 2 - момент инерции тягача и седельного прицепа относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести.

х1 сЧ

1

Полуприцеп

Тягач

Рис. 3. Одноколейная модель автопоезда

После исключения усц и геометрического перерасчета угла бокового увода 5 с учетом курсового угла в, угловой скорости относительно вертикальной оси со ъ и угла поворота управляемых колес а из уравнений (1) выводятся модели для расчета заданных значений.

Для описанного здесь автопоезда получается выражение, в котором угловая скорость со ъ является выходной величиной, а угол поворота рулевого колеса - а рк входной величиной:

О- = тг, К) (7)

V .

где: х - мгновенное значение продольной скорости; 5. - угол бокового увода /-ой оси; т.

г - масса / -ого звена автопоезда; К - конструктивные параметры автопоезда. По аналогии с выражением (6) определяется угол рыскания в:

в

а

= /2(Ух А тг, К)

(8)

и это позволяет построить математическую модель для определения угла складывания седельного автопоезда

а = /зОх Д. т1., К) (9)

а1 4 '

С помощью выражений (6), (7), (8) математической модели определяется параметры номинального поведения автопоезда.

Для обеспечения минимальной величины смещения траектории тележки полуприцепа относительно траектории движения базовой точки тягача и обеспечения стабилизации автопоезда в критической ситуации система управления на основе рассогласования между номинальными и реальными параметрами движения автопоезда выдает корректирующие сигналы,

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. которые реализуются системой управления прицепного звена через поворот управляемых колес. Цель стабилизирующего воздействия состоит в том, чтобы обеспечить движение прицепного звена по траектории тягача, обеспечив минимальную габаритную полосу движения и сделать его контролируемым водителем.

Результаты моделирования Моделирование криволинейного движения длиннобазного автопоезда и отработка алгоритмов управления осуществлялось с использованием программного комплекса LMS Virtual.Lab Motion, представляющего собой полное комплексное решение для численного моделирования реального движения и действующих нагрузок в механических системах.

Созданная виртуальная модель автопоезда включала в себя имитацию работы колес, передней и задней подвесок тягача, подвески полуприцепа, системы управления тягачом и прицепным звеном._

LMS Virtual. Lab - [MFTyre_T«t.CATAnalyiis]

ВЯЛ

(J Sait £d* yvsv

loefe jtfndcw уф

^ Unfits Mdiagcr.l j Analysis Mudel

9 Nodes d id Demerits j Bodies

■ -^Soata^b^

k Consíírlints "'"*■•«,

pS

Lo

rsdal tyre

Hrtltl* jtyi*

TreBofly_ CafrterBody_ ftoad&ody_

Productl Root 2(XJb Ob ^Iproductl FtOOt 200b Ob Product 1 Root 200S Ob Chaw Body

ВШНПЕ Road [Ño

Parameters

Wrkiwrl lo Wrk#rl В

Iwrtch 1« WrtG*r3 к

Wrtarrt lo wrkairs к

Wrtarrt le- Wrkair7 к

WrkarrS lo Wrtao^ lo

WrttWTlO \o JdroM 1«

StaOcKadus | Qmm SatKVstí r |<ж=т

SUIKHOfcl |tn* 4

sriHe | D:1iMyShrfT\14. TNO\VL Tcst\ftSA\Mf TyreVarl 7S_Z0Rl3.txt

RÍMÍÍHL 1_

OK I Cancel I

> Л -' I-=rr—-

Modfy UK bfitlL-d LllliV

LMS Virtual,Lsb

^ I

Рис. 4. Модель колеса

Необходимые для проведения последующего расчета физические характеристики, в случае отсутствия в справочной литературе (такие как масса, моменты инерции и т.д.) отдельных деталей и узлов модели были скалькулированы непосредственно в самой программе по построенной предварительно геометрии компонент. Создание и проектирование геометрической составляющей модели ДАП осуществлялось с использованием интегрированной подсистемой моделирования на основе программного комплекса САТ1А У5.

Для получения точного представления о рабочих характеристиках автопоезда дополнительно были смоделированы различные опорные поверхности: прямолинейный участок дороги, поворот на 90° и 120°, площадка. В качестве сценариев расчета имитировались соответствующие маневры, движение по прямой, поворот на 90° и 120°, переставка, рывок рулевого колеса, движение по кругу.

Моделирование системы управления осуществлялось с использованием Ма^аЬ. БтиНпк. Полученные результаты расчетов анализировались при помощи механизмов встроенной трехмерной визуализации и построения многообразных графиков параметров и характеристик движения ДАП. В частности был произведен анализ действующих ускорений в по-

перечном направлении автопоезда, угловых скоростей вращения отдельных звеньев автопоезда, углов увода колес, возникающих вследствие боковой эластичности шин, были построены габаритные полосы движения прохождения маневров и траектории движения характерных точек автопоезда.

Рис. 5. Модель электронного блока интегрированной системы управления динамикой

автопоезда ГтаЗИЗЕЯЗЕИШЕИЕ^__

M atait Ffe fcft Bsw IiftCTl luofc

'ÎKn^jfeMaidçH.T

UfcS Ma иу.т. 1 P- V Апэ^кМгд-й

У ! r+od« ггк! Osments

^lecdes

*> -- Forces

^ senscr Axis System

ConfrdNcxfcs V Sub №сЬа*стз ^H ArtmaïKn Soenes -W Tracts

- ' PcjttSemlJJfre (Serra 1ДН1)

- Prtfur Séltlljl ГГй (Senijnïrt) PcriL Gémi_VTïe (3eml_VTirs) СатетаД

< ч^ Fury.bgri Сбшрйг&Оп Dnpkiyi ' totàfxf-à*-1 unwrmakxl SWIUJAI |- jnm,#:cridmorfi.i CcfiflgLrations.l l"/* &L4j&:n Set f^g Fur idJor 10jpkiy; AJ" - StGai-wTfît 2'Axh;"i

¿1

—у -|- |?-s Ж M 4 Я ► И w ¡i|

fnÇ>■.sa.^^шo1,3.L» щ

LMSViUual.LiH)

.4 (Vf r*

Рис. 6. Визуализация режима движения автопоезда

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

При обработке данных расчета широко использовалась встроенная возможность программного комплекса по синхронизации результатов трехмерной визуализации и построение графиков изменения параметров движения ДАП в режиме реального времени.

Выводы

Использование адаптивной системы управления прицепным звеном длиннобазного автопоезда с корректирующим каналом управления, оптимизирующим величину смещения траектории тележки полуприцепа относительно траектории движения базовой точки тягача, позволит существенно улучшить управляемость длиннобазного автопоезда и повысить безопасность движения, особенно в условиях интенсивных транспортных потоков.

Литература

1. Абрамов А.М., Малафеев А.Н. Выбор оптимального алгоритма управления прицепным звеном длиннобазного автопоезда//Пятая международная конференция "Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах". С-Петербург, 2002.

2. Закин Я.Х. Маневренность автомобиля и автопоезда. - М.: Транспорт, 1986. -136 с.

3. F.Hecker, O. Jundt, K.-D. Leimbach, I. Faye, H. Schramm. Fahrdynamikregelung fuer Nutzfahrzeuge. In: VDI-Berichte 1341, 1997

Гашение крутильных колебаний трансмиссии

к.т.н. доц. Тверсков Б.М. Курганский государственный университет Величина момента трения в демпфере для гашения резонансных колебаний бывает в пределах 15-25 % от передаваемого крутящего момента. При изменении момента трения изменяется не только резонансная амплитуда, но и обороты коленчатого вала, при которых амплитуда минимальна. Необходимый момент трения в демпфере определяется расчетом или экспериментально.

В проведенных испытаниях тягачей КЗКТ момент трения был регулируемым (рис. 1).

Рис. 1. Регулирование момента трения в демпфере

При закручивании гайки 7 сжимается тарельчатая пружина 6, в торсионе 1, соединяющем двигатель и согласующий редуктор, создается растягивающее усилие, которое передается на диск 3 с фрикционными накладками, прижимая его к диску 4, приваренному на трубчатом валу согласующего редуктора. При передаче крутящего момента двигателя торсион закручивается, диски 3 и 4 поворачиваются относительно друг друга и создается момент трения, величина которого зависит от силы прижатия дисков и, следовательно, от того, насколько закручена гайка 7.

Регулирование момента трения делается без разборки машины. Испытания ведутся в "стоповом режиме", когда тягач заторможен, а в коробке передач включена последняя передача. После запуска двигателя обороты коленчатого вала увеличиваются до максимально возможных (подача топлива полная), гидротрансформатор не блокируется, крутящий момент