НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Дем’янюк Володимир Андрійович

УДК 629.113-59

НАУКОВО-ПРИКЛАДНІ ОСНОВИ СИСТЕМНОГО АНАЛІЗУ

ТА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

ГАЛЬМОВИХ КЕРУВАНЬ АВТОБУСІВ

05.22.02 – автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, доцент

Крайник Любомир Васильович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

завідувач кафедри „Автомобілебудування”,

голова правління ВАТ “Укравтобуспром”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Федосов Олександр Сергійович,

завідувач кафедри „Проектування технічних систем”

Сумського національного аграрного університету;

доктор технічних наук, професор

Солтус Анатолій Петрович,

завідувач кафедри „Автомобілі та трактори”

Кременчуцького державного політехнічного університету;

доктор технічних наук, доцент

Гецович Євген Мойсеєвич,

професор кафедри „Автомобіле- і тракторобудування”

Національного технічного університету

„Харківський політехнічний інститут” .

Провідна установа Східноукраїнський національний університет імені

Володимира Даля Міністерства освіти і науки України,

кафедра „Автомобілі”, м. Луганськ.

Захист відбудеться 11 травня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. С. Бандери 12, головний корпус, ауд. 226.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 8 квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.Ю.Форнальчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростання інтенсивності руху та поліпшення швидкісних властивостей автотранспортних засобів (АТЗ) загострюють проблему підвищення їх активної конструктивної безпеки та удосконалення систем, які її забезпечують. Це, головним чином, стосується гальмових керувань (ГК), оскільки майже 50% дорожньо-транспортних пригод стається під час гальмування, і, передусім, ГК автобусів (на їх частку припадає понад 60% пасажирських перевезень в Україні).

Дослідженню гальмівних властивостей та вдосконаленню ГК АТЗ присвячені наукові праці багатьох вітчизняних та зарубіжних вчених, у яких розглядаються як окремі підсистеми ГК (гальмові механізми, гальмові приводи, регулятори гальмівних сил (РГС), антиблокувальні системи (АБС) та ін.), так і певні поєднання цих підсистем і, рідше, - в сукупності з деякими іншими функціонально пов’язаними підсистемами АТЗ. Наведені в них фундаментальні результати є основою для проведення подальших комплексних та поглиблених досліджень з метою виявлення резервів підвищення ефективності гальмування та забезпечення стійкості гальмуючих автобусів. У запропонованій концепції істотно розширені контури досліджуваної системи, до якої віднесено ГК з усіма вищеназваними підсистемами з урахуванням функціонально пов’язаної з ним багатомасової просторової системи “гальмуючий автобус” з підсистемами “підвіска”, “кермове керування”, “колесо - дорога” та “водій”. Передбачено поглиблене комплексне дослідження ГК автобусів як в теоретичному (нові та вдосконалені методи, математичні моделі (ММ) і критерії ефективності), так і в прикладному аспектах (оригінальне програмне забезпечення, нові методики, алгоритми та конструкції підсистем і їх елементів). Важливою складовою концепції є те, що дослідження системи та її підсистем завершуються не стадією аналізу, як це спостерігається у більшості наукових праць, а стадією синтезу, в тому числі і екстремального, з використанням розроблених критеріїв ефективності та методології системотехніки.

На проектування ГК автобусів мають вплив їх конструктивні особливості. Розроблення півтора- та двоповерхових автобусів і встановлення балонів зі скрапленим газом на даху автобуса загострюють питання стійкості. Нехарактерні для вантажних автомобілів співвідношення між нормальними реакціями на передніх і задніх колесах та масове застосування на сучасних автобусах пневматичних підвісок з напрямними пристроями, які визначають поздовжньо-кутові переміщення кузова, впливають на вибір типу РГС та законів регулювання. Несиметричне, відносно поздовжньої осі, розташування силового агрегату та неоднакові жорсткості лівої і правої частин кермового приводу створюють додаткові збурювальні моменти, а комплектація ГК різнотипними конструкціями гальмових механізмів актуалізує питання їх оптимальної узгодженості.

Значна амортизація існуючого автобусного парку та зростаюча потреба в пасажирських перевезеннях стимулюють розширення виробництва нових моделей автобусів. Специфіка проектування їх ГК полягає у використанні складових частин вантажних та легкових автомобілів вітчизняного і закордонного виробництв, на основі яких створюється оптимальний проект для задоволення жорстких вимог щодо ефективності екстреного гальмування з холодними і нагрітими гальмами та стійкості і керованості гальмуючих автобусів в різних умовах експлуатації (міські, приміські, міжміські та гірські маршрути).

Ця специфіка автобусів, в сукупності з їх конструктивними особливостями, особливими і соціально значущими вимогами до активної безпеки та забезпечення конкурентоспроможності, вимагають розроблення нових та вдосконалених концептуальних підходів і обґрунтовують доцільність виконання цієї роботи для розвитку вітчизняного автобусобудування. Отже, розроблення теоретичних основ аналізу та оптимального проектування на засадах системотехніки ГК автобусів та їх підсистем з урахуванням зв’язків з іншими функціональними системами гальмуючого автобуса становить важливу і актуальну науково-прикладну проблему.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації є складовою теми НДР кафедри “Автомобілебудування” (“Дослідження робочих процесів та оптимізація конструкцій автотранспортних засобів”) та Інституту інженерної механіки та транспорту (“Новітні та ресурсозберігаючі технології на транспорті, в промисловості, надійність і діагностика машин, конструкцій і споруд”) Національного університету “Львівська політехніка”. Дисертаційна робота відповідає Державній програмі розвитку транспортного комплексу України „Транспорт” (розпорядження КМУ № 551-р від 23.07.93 р.) та Постанові КМУ № 686 від 21.06.01 р. „Про концепцію регулювання ринку автомобілів та розвитку автомобілебудівної промисловості в період до 2005 р.”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розроблення науково-прикладних основ системного аналізу та оптимального проектування ГК автобусів з урахуванням його взаємодії з функціонально пов’язаними системами та підсистемами із створенням нових та вдосконалених ММ, методів і конструкцій з одночасною оптимізацією функціональних характеристик підсистем для підвищення ефективності і надійності ГК та покращання показників процесу гальмування автобусів нової генерації.

Задачі дослідження:

1. Визначити контури, перелік системоутворювальних елементів, горизонтальну та вертикальну ієрархічну структуру досліджуваної системи та обґрунтувати доцільність використання системотехніки як методологічної основи для аналізу та оптимального проектування ГК автобуса у складі відкритої ергатичної системи “гальмуючий автобус”.

2. Розробити комплекс математичних моделей з програмним забезпеченням для аналізу та синтезу відкритої ергатичної системи „гальмуючий автобус” та її підсистем – „колесо - дорога” і „водій”.

3. Обґрунтувати концепцію та одержати аналітичну залежність для векторного критерію ефективності екстреного гальмування автобуса (ВКЕЕГА).

4. Вдосконалити метод якісного аналізу стійкості гальмуючого автобуса, одержати аналітичні умови стійкості, а також проаналізувати вплив конструктивних та експлуатаційних чинників на ВКЕЕГА та його складові.

5. Розробити ММ і на їх основі проаналізувати робочі процеси та синтезувати підсистеми “гальмові механізми”, для чого: вивести залежності і здійснити параметричну оптимізацію барабанних гальмових механізмів (БГМ); проаналізувати вплив різних чинників на температуру гальмових механізмів; отримати залежності та проаналізувати механічні і термічні напруження в дискових гальмових механізмах (ДГМ); розробити конструкції нових гальмових механізмів.

6. Побудувати ММ з програмним забезпеченням для розрахунку пневматичного гальмового приводу (ПГП) автобуса як багатомодульної пневмосистеми з розподіленими параметрами, а також здійснити параметричний аналіз та оптимізацію його характеристик.

7. Розробити імовірнісні методи визначення оцінювальних критеріїв регулювання гальмівних сил і законів регулювання, а також розробити конструкції нових РГС.

8. Обґрунтувати перелік керувальних параметрів алгоритмів АБС для автобусів різних класів. Розробити програмне забезпечення та синтезувати закони керування, які забезпечують інваріантність АБС і стабілізацію їх фазових траєкторій.

9. Розробити метод, алгоритм та програмне забезпечення багатокритеріального синтезу досліджуваних систем з розв’язком прикладних задач оптимального проектування ГК автобусів.

10. Створити лабораторні стенди і дорожні лабораторії з вимірювально - реєструвальними комплексами, провести апробацію математичних моделей та експериментальну перевірку результатів теоретичних досліджень.

Об’єкт дослідження – процес розроблення та аналізу систем автобуса, які визначають його активну конструктивну безпеку.

Предмет дослідження – моделі і методи системного аналізу та оптимального синтезу ГК автобусів у складі відкритої ергатичної системи “гальмуючий автобус”.

Методи дослідження. Аналіз та синтез ГК автобусів базувався на використанні засад системотехніки. Для розроблення ММ системи “гальмуючий автобус” використовувалися рівняння Аппеля, а одержана система диференціальних рівнянь зводилась до матричного вигляду та інтегрувалася з використанням числових методів (переважно Рунге-Кутта). В оптимізації ГК та його підсистем використовувалися методи нелінійного програмування (метод комплексів Бокса), методи дискретної та векторної оптимізації, в тому числі і на підставі запропонованого в роботі оригінального векторного критерію ефективності.

У дослідженні стійкості гальмуючого автобуса використовувались перший та прямий методи Ляпунова, а для визначення мінімально можливого гальмівного шляху – принцип максимуму Понтрягіна. Аналіз теплового режиму гальмових механізмів здійснювався за методом скінчених елементів (МСЕ). Метод кінцевих різниць (МКР) застосовувався у ММ ПГП з розподіленими параметрами.

В одержанні поліноміальних моделей досліджуваних процесів та їх графічного просторового відображення використовувалися методи математичного планування експерименту (МПЕ). Методи теорії імовірностей використовувались у розробленні оцінювальних критеріїв регулювання гальмівних сил та виборі законів регулювання. Адекватність ММ оцінювалась порівнянням розрахункових даних з результатами експерименту.

Складання математичних програм та комп’ютерні розрахунки здійснювались в середовищах FORTRAN та MATLAB (з розширенням SIMULINK), а графічні роботи – з використанням пакету графічних програм Corel Draw.

Експериментальна частина роботи виконувалась методами дорожніх випробувань системи “гальмуючий автобус” та лабораторних досліджень її підсистем на спеціально спроектованих стендах. Для вимірювання швидкості автобуса, гальмівного шляху та сповільнення використовувався радіолокаційний давач, працюючий за принципом доплерівського локатора міліметрового діапазону хвиль. Експериментальні дані опрацьовувались методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблені теоретичні основи системного аналізу та оптимального проектування ГК автобусів та його підсистем – “гальмові механізми”, “гальмовий привод”, РГС і АБС. Створено нові та вдосконалені ММ і методи досліджень у складі трирівневої відкритої ергатичної системи “гальмуючий автобус” з урахуванням структурно-функціональних зв’язків з основними підсистемами останньої: “гальмуючий автобус”, “колесо - дорога”, “водій”, “кермове керування”, “підвіска”.

У дисертаційній роботі вперше:

- здійснено теоретичний аналіз, на підставі якого розроблена просторова 9-тимасова ММ підсистеми “гальмуючий автобус” з 14-ма ступенями вільності, в якій враховані моделі підсистем “підвіска”, “кермове керування”, “колесо - дорога” та “водій” і яка дає можливість здійснювати комплексний аналіз впливу різних чинників системоутворювальних елементів, а також навколишнього середовища та водія на ефективність гальмування, стійкість і керованість гальмуючого автобуса;

- запропоновано теоретичну концепцію та отримано аналітичні залежності для ВКЕЕГА, який не потребує використання вагових коефіцієнтів і в якому формалізовано умови, що забезпечують чутливість до відхилення нормованих скалярних критеріїв від Парето-оптимальних та граничних значень;

- теоретично обгрунтовано та розроблено метод багатокритеріального оптимального проектування ГК автобусів, який характеризується тим, що після формування матриць внутрішніх параметрів та скалярних критеріїв ефективності з множинами варіантів, здійснюється послідовне зведення скалярних критеріїв в межах рівносуттєвих груп до узагальнених і комплексних критеріїв за допомогою, переважно, статистичних вагових коефіцієнтів з використанням на завершальному етапі запропонованого ВКЕЕГА;

- встановлено, що оптимальний коефіцієнт зчеплення залежить від швидкості руху автобуса, на підставі чого теоретично обґрунтовано новий метод регулювання гальмівних сил за трисигнальним принципом, у якому регулювання здійснюється як у функції традиційних параметрів - інтенсивності гальмування та маси, так і у функції початкової швидкості;

- теоретичним аналізом обґрунтована можливість підвищення коефіцієнта ефективності БГМ, на підставі чого здійснено параметричну оптимізацію за 10-ма параметрами БГМ з колодками, що мають два ступені вільності, і знайдено такі його оптимальні параметри, які збільшують коефіцієнт ефективності гальма на 17-23%;

- запропоновано концепцію та методи одержання фрикційних характеристик гальмових механізмів та їх пар тертя у вигляді трифакторних аналітичних та просторових графічних залежностей відповідно еквівалентного та фізичного коефіцієнтів тертя від температури, швидкості ковзання та тиску у фрикційній парі;

- проведено теоретичні дослідження, на підставі яких розроблено математичні моделі для аналізу динаміки ПГП, в одній з яких використовуються апроксимувальні аперіодичні ланки, а в іншій привод розглядається як багатомодульна пневмосистема з розподіленими параметрами, а ММ сформована у вигляді кінцево-різницевих сіток, яка відрізняється тим, що передача міжмодульної інформації в ній здійснюється за допомогою кубічних інтерполяційних сплайнів;

- запропоновано метод визначення оптимальних значень швидкостей автобуса, за яких необхідно здійснювати перехід на індивідуальне регулювання кожного з передніх і задніх коліс за умови мінімуму ВКЕЕГА при роботі АБС за алгоритмічним принципом модифікованого індивідуального регулювання.

Набули подальшого розвитку:

- ММ взаємодії колеса з дорогою у поздовжньому і поперечному напрямках з одержанням багатофакторних неперервних функцій коефіцієнтів поздовжньої, поперечної та сумарної дотичних сил;

- теорія стійкості гальмуючого автобуса при неусталеному русі зі сповільненням, в якій враховані моделі взаємодії коліс з дорогою у вигляді багатофакторних функцій коефіцієнтів поздовжніх та поперечних питомих дотичних сил;

- математичні моделі функціонального розрахунку БГМ, які відрізняються універсальністю з точки зору їх придатності для розрахунку різних типів гальмових механізмів при розширеному переліку врахованих параметрів;

- методи багатофакторних досліджень теплових процесів БГМ і ДГМ на основі МСЕ та МКР з отриманням рівнянь регресій;

- метод визначення та аналітичні залежності, що описують зміну коефіцієнта використання сили зчеплення коліс з дорогою для загального випадку нелінійної залежності коефіцієнта розподілу сумарної гальмівної сили;

- теоретичні основи і методи визначення оцінювальних критеріїв регулювання гальмівних сил та вибору закону регулювання на підставі імовірнісного підходу;

- теоретичне обґрунтування переліку керувальних параметрів алгоритмів АБС для автобусів різних класів, яке базується на врахуванні динамічних характеристик ГК.

Удосконалено:

- методи визначення механічних та термічних напружень в елементах гальмового диска з розробленням ММ, в яких враховано реальне силове навантаження диска та фактичні температурні поля його ротора і фланця;

- теоретичне обґрунтування доцільності спільного використання РГС та АБС на автобусах на основі аналітичного дослідження умов забезпечення керованості процесом гальмування;

- методи забезпечення інваріантності АБС та стабілізації фазових траєкторій за рахунок синтезу багатофакторних законів зміни керувальних параметрів при регулюванні за розімкнутою та замкнутою схемами.

Практичне значення одержаних результатів. На основі запропонованих методів і ММ аналізу та синтезу ГК автобусів розроблені алгоритми, пакети прикладних програм та методики, які дають змогу на стадії проектування визначати основні конструктивні параметри підсистем ГК з умови оптимальності їх функціональних характеристик і критеріїв (локальних та ВКЕЕГА).

Розроблено методики та отримано поліномінальні залежності, які дозволяють аналізувати вплив різних чинників на: критерії ефективності екстреного гальмування автобуса; температурний режим та фрикційні властивості гальм; тривалість наростання тиску та осьову і бортову несинхронність ПГП; закони зміни керувальних параметрів АБС та ін.

Практична цінність роботи підтверджена розробленими за участю автора чисельними новими конструктивними рішеннями (гальмові механізми, РГС, пришвидшувальний клапан (ПК), гальмовий кран), 13 з яких виконані на рівні винаходів і захищені авторськими свідоцтвами.

Значна частина результатів, отриманих у роботі, впроваджена на автобусобудівних підприємствах. Зокрема, РГС, новизна якого підтверджена авторським свідоцтвом, впроваджений на 10406 автобусах моделей ЛАЗ-4202, ЛАЗ-42021 і ЛАЗ-42022. У ВАТ “Укравтобуспром” впроваджені методики розрахунку, ММ та програми для визначення оптимальних значень параметрів ГК, параметрів та структури ПГП, програмно-вимірювальний комплекс і робочі методики для експериментальних досліджень гальмових систем автобусів. Результати теоретичних та експериментальних досліджень використані під час розроблення і модернізації ГК автобусів ЛАЗ-4202, ЛАЗ-4207, А-172, А-181, А-091, А-144, А-231. У НТЦ “Еталон-авто” впроваджена методика уточненого розрахунку гальмових механізмів та вибору оптимальних параметрів ГК, а у ВАТ “Черкаський автобус” методика вибору параметрів ГК з різнотипними конструкціями гальмових механізмів за їх оптимальної узгодженості.

Методи аналізу та синтезу ГК, а також створені лабораторні стенди та пристрої увійшли до навчальних програм і методичної літератури дисциплін “Прикладна теорія автомобіля”, “Експлуатаційні властивості автомобіля” та “Конструювання і розрахунок автомобіля” і використовуються в навчальному процесі підготовки спеціалістів та магістрів за спеціальністю “Колісні та гусеничні транспортні засоби” у Національному університеті “Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, які містяться в дисертаційній роботі, отримані автором особисто. На всіх етапах досліджень автор брав безпосередню участь в аналізі отриманих результатів. В працях, які опубліковані у співавторстві, автору належать наступні результати: [1, 2] – виведення аналітичних залежностей для граничних радіусів повороту гальмуючого автомобіля за умов збереження його керованості та відсутності занесення задньої осі; [1, 4] – розроблення алгоритму і програми для аналізу технічної стійкості гальмуючого автомобіля, проведення розрахунків та експериментальних досліджень; [1] – участь у розвитку методів функціонального розрахунку гальм та дослідженнях їх режимів роботи і енергонавантаженості при експлуатації автобусів; [3] – створення методики експериментального дослідження стійкості та керованості АТЗ з розробленням відповідних елементів вимірювального комплексу; [6] – постановка задачі, розроблення алгоритму та програми дослідження динаміки приводу; [7] – розроблення конструкції ДГМ з двома скобами, методики експериментальних досліджень та участь у їх проведенні; [8] – постановка задачі, обґрунтування методу дослідження, отримання і аналіз рівнянь регресії; [11] – систематизація та аналіз статистичної інформації; [17] – розроблення конструктивної схеми стенда, принципової схеми випробувального комплексу та методики досліджень; [22] – розроблення конструктивної схеми гальма, обґрунтування його параметрів для моделювання; [23, 30] – удосконалення тривимірної сіткової моделі гальма, вивчення і аналіз праць з розподілу теплових потоків у гальмах та участь у розробці програми і проведенні досліджень; [26] – постановка задачі, обґрунтування розрахункових схем і методів досліджень та проведення експериментів, а також участь у виведенні аналітичних залежностей; [28] – систематизація етапів стратегії та ознак системності і обґрунтування доцільності застосування системотехніки для аналізу та синтезу ГК автобусів у складі системи “гальмуючий автобус”; [31, 44 - 46] – розробка концепцій, конструктивних схем та участь у експериментальних випробуваннях; [32] - розроблення конструкції гофрованого пневмотора; [33, 42] – проектування конструкції роликових опор клиново-роликового розтискного пристрою зі зменшеними втратами на тертя і його експериментальні дослідження; [34 - 37, 43] – постановка задачі, створення методики випробувань, участь у їх проведенні та розробленні апаратури; [38] – опрацювання конструктивних схем гальм та участь у проектних роботах і експериментальних дослідженнях; [39, 41] – розробка концепцій, методів аналізу і синтезу та розрахункових програм.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень за темою дисертації доповідались, обговорювались та одержали позитивну оцінку на: науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Львівського політехнічного інституту (1971–1992 рр.), Національного університету “Львівська політехніка” (1993-2004 рр.); 60-ій ювілейній науковій конференції Національного транспортного університету (2004 р.); ХХХІ науково-дослідній конференції МАДИ (Москва, 1973 р.); ХХХІ науково-дослідній конференції ЛИСИ (Ленінград, 1973 р.); 1-й конференції молодих науковців Західного Наукового центру України (Ужгород, 1973 р.); республіканській науково-технічній конференції з підвищення ефективності роботи автомобільного транспорту (Харків, 1971 р.); 1-й республіканській науково-технічній конференції “Пути повышения безопасности дорожного движения” (Тбілісі, 1978 р.); 2-й республіканській науково-технічній конференції “Динамика и прочность мобильных машин” (Кутаїсі, 1990 р.); Всесоюзних науково-технічних конференціях “Повышение эффективности использования автомобильного транспорта и автомобильных дорог в условиях жаркого климата и высокогорных районов” (Ташкент, 1985 р.) і “Теория и расчет мобильных машин и ДВС” (Тбілісі, 1985 р.); 10 – ти міжнародних конференціях: “Застосування мікропроцесорного керування в агрегатах автобусів” (Львів, 1989 р.); “Методи дослідження та діагностування систем автомобілів і машин” (Львів, 1990 р.); “Перспективи і проблеми розвитку автобусів, автонавантажувачів і агрегатів” (Славське, 1991 р.); “Проблеми та перспективи розвитку конструкцій і організації виробництва автобусів (тролейбусів), автовантажників, автокранів та агрегатів” (Східниця, 1992 р.); “Завдання та хід розвитку автобусобудування України в сучасних умовах” (Львів, 1994 р.); “Новые технологии в машино-приборостроении и на транспорте” (Севастополь, 2001 2004 рр.); “Динаміка наукових досліджень „2004” (Дніпропетровськ, 2004 р.); 9 - ти міжнародних симпозіумах: “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemуw pojazdуw samochodowych i maszyn” (SAKON–90, SAKON–91, SAKON–92, SAKON–94, Польща, Жешув, 1990-1992 рр.,1994 р.); “Кonferencja hamulcowa–2001” (Польща, Лодзь, 2001 р.); 2-му, 3-му, 5-му та 6-му міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 1995 р., 1997 р., 2001 р., 2003 р.).

У повному обсязі дисертація доповідалась і схвалена на розширеному засіданні кафедри “Автомобілебудування” Національного університету “Львівська політехніка” та на розширеному науковому семінарі кафедри „Автомобілі” ХНАДУ, на науково-технічних радах ВАТ “Укравтобуспром” і “Львівський автобусний завод”, у НТЦ “Еталон-авто”.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 33 наукових працях, до яких віднесені: 1 монографія (у співавторстві), 29 статтей у наукових фахових виданнях (з них 16 одноосібні) та 3 авторські свідоцтва на винаходи. Додатково матеріали дисертації висвітлені також у 4 статтях, 6 тезах і матеріалах конференцій та 3 авторських свідоцтвах на винаходи.

Загалом за темою дисертаційної роботи опубліковано 93 наукові праці, одержано 13 авторських свідоцтв на винаходи. Результати досліджень наведені також у 15 звітах з НДР, у 4 з яких здобувач був керівником тем, у 9 – відповідальним виконавцем і у 2 – виконавцем.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 8 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації - 514 с., у т.ч. 307 с. основного тексту, 243 рис. на 135 с., 51 табл. на 29 с., списку 436 літературних джерел на 43 с. 17 додатків викладені в окремій книзі на 215 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й основні задачі досліджень, окреслено новизну та практичну цінність результатів з відзначенням особистого внеску автора у розв’язок проблеми, наведені дані про апробацію результатів і публікації, що відображають основний зміст дисертації.

З метою виявлення резервів покращання гальмових властивостей автобусів в роботі досліджується відкрита ергатична система “гальмуючий автобус” (ВЕГА) з розширеними контурами, до складу якої входить ГК з його основними підсистемами – гальмові механізми, ПГП, РГС та АБС, а також функціонально пов’язана з ним багатомасова просторова система “гальмуючий автобус” з підсистемами нижчого рівня - “підвіска” і “кермове керування” та однорівневими підсистемами “колесо - дорога” і “водій”. У дослідженні тягово-швидкісних властивостей можна розглядати відкриту ергатичну систему “продуктивний автобус” (ВЕПА), а у дослідженні плавності руху – відкриту ергатичну систему “комфортний автобус” (ВЕКА). З’ясована наявність у досліджуваній системі всіх ознак системності (цілісність, відкритість, ергатичність, наявність структури, ієрархічність, цілеспрямованість, стахостичність, мінливість у часі, багатоаспектність), у зв’язку з чим в роботі набули подальшого розвитку питання використання системотехніки як методологічної основи для аналізу та оптимального проектування ГК автобуса у складі ВЕГА.

У першому розділі відзначено, що питаннями динаміки гальмування АТЗ, стійкості при гальмуванні, а також дослідженнями робочих процесів та проектуванням підсистем ГК займалися такі вчені як М.П. Александров, Р.А. Акопян, Д.А. Антонов, Ю.Б. Бєлєнький, В.О. Богомолов, М.А. Бухарін, О.І. Вольченко, Б.Б. Генбом, Є.М. Гецович, А.Б. Гредескул, Г.С. Гудз, В.К. Доля, В.А. Іларіонов, Г.М. Косолапов, А.С. Літвінов, Г.І. Маміті, М.Ф. Метлюк, Я.Н. Нєфєд’єв, Я.М. Певзнер, М.А. Подригало, І.К. Пчелін, О.О. Ревін, В.П. Сахно, А.П. Солтус, А.Г. Тарапон, А.М. Туренко, Я.Є. Фаробін, О.С. Федосов, А.К. Фрумкін, А.А. Хачатуров, А.В. Чічінадзе, Є.А. Чудаков, P. Zazanski, E. Fiala, M. Mitschke, G.A. Fazekas, T. Newcomb та ін. Працями цих вчених та створеними ними науковими колективами закладено основи і забезпечено високий рівень розвитку сучасної теорії гальмуваня АТЗ та дослідження робочих процесів їх гальмових систем. Незважаючи на досягнуті вагомі результати, деякі проблемні питання залишилися поза увагою дослідників, з урахуванням чого була обґрунтована актуальність цієї роботи та сформульовані задачі досліджень.

У розділі 1 розроблено комплекс ММ з програмним забезпеченням, призначених для аналізу та синтезу системи ВЕГА з урахуванням підсистем “колесо - дорога” та “водій”. Просторова ММ підсистеми “гальмуючий автобус” має такі особливості: автобус розглядається як об’єкт, який складається з 9 мас і має 14 ступенів вільності; наявність у ММ багатомасової підсистеми “кермове керування” з можливістю використання для досліджень передатної функції підсистеми “водій”; рух кузова розглядається як загальний випадок руху вільного твердого тіла, який має 6 ступенів вільності, причому його центр мас не знаходиться у поперечній площині, яка проходить через центр мас автобуса; враховується вплив кінематичної схеми підвіски на диферент та крен кузова; взаємодія коліс з дорогою у площині дороги описується неперервними функціями коефіцієнтів поздовжньої та поперечної сил, які залежать від сумарного проковзування коліс. Рівняння руху, складені на основі рівнянь Аппеля, зведені до системи 24-ох диференціальних рівнянь, наведених у матричному вигляді: Аy = B, де А - квадратна матриця розміром 2424, компоненти а1,1 - а24,24 якої визначені через конструктивні параметри підсистем автобуса; y- вектор-стовпець перших похідних від змінних системи; В - вектор-стовпець правих нелінійних частин системи рівнянь, компоненти якого визначені через конструктивні параметри та змінні системи.

У диференціальних рівняннях, які входять у ММ підсистеми “кермове керування”, враховані жорсткості, а також в’язке та сухе тертя в елементах кермового механізму та приводу. У результаті врахування особливостей кінематичної схеми підсистеми “підвіска” отримано залежності для визначення координат центру диферента кузова за умови відсутності його поздовжньо-кутових коливань під час гальмування з урахуванням впливу розподілу сумарної гальмівної сили між передніми та задніми колесами.

Системність у дослідженні ВЕГА передбачає вивчення її взаємодії з навколишнім середовищем і, передусім, закономірностей функціонування її підсистеми “колесо - дорога”. На думку багатьох дослідників, як лінійна, так і нелінійна теорії відведення колеса мають істотні недоліки, у зв’язку з чим у роботі підтримується та розвивається концепція про спільну природу та якісну подібність характеристик взаємодії колеса з дорогою у поздовжньому і поперечному напрямках. Її підтверджують результати опрацьованих нами експериментальних залежностей коефіцієнта опору відведенню Ку від кута відведення , отриманих різними дослідниками, з побудовою на їх підставі кривих коефіцієнта поперечної сили у від кута за формулою зв’язку у=Куд / Z, ?е Z - нормальна реакція дороги на колесо. Під час моделювання підсистеми “колесо - дорога” отримано залежності у вигляді багатофакторних неперервних функцій коефіцієнтів поздовжньої x, поперечної у та сумарної дотичних сил від коефіцієнта проковзування Sі

і=ki1+(ki/1i-1)(Si-Ski)2/(1-Ski)2/Si,

де Ski – критичне значення коефіцієнта Si, за якого і = max; ki та 1i – значення коефіцієнта і відповідно при Si = Ski та Si =1. Отримано також залежності для уточненого відтворення випуклого та увігнутого характеру кривих позакритичної та докритичної гілок функції (S). Розроблена методика корекції координат характерних точок функції (S) (із залученням МПЕ) у функції швидкості V, нормальної реакції Z та тиску повітря в шинах Рш для різних станів покриття доріг.

З урахуванням анізотропності параметрів зчеплення колеса з дорогою у поздовжньому та поперечному напрямках, а також відомих співвідношень між коефіцієнтами проковзувань у відповідних напрямках, отримано залежності між коефіцієнтами поздовжньої, поперечної та сумарної дотичних сил, а також узагальнену просторову графічну інтерпретацію взаємозв’язку між ними у вигляді еліптичного параболоїда зчеплення. Проілюстровано, як за допомогою останнього вирішується низка задач щодо різних методик побудови еліпсів зчеплення, залежностей х(Sх), y(Sy), x(S) i y(S), а значить, і силових параметрів гальмуючого колеса у загальному випадку його руху.

Аналіз відкритої системи “гальмуючий автобус” як ергатичної системи дає можливість дослідити потенційні можливості водія щодо підвищення активної безпеки автобусів під час гальмування. Дослідження у роботі виконані на основі двомірної передатної функції водія, диференціальна форма якої має вигляд:

Tк (t) + (t) = Kк(t-); Тп Рпед(t)+Pпед (t) = Kп Х-1п( t-п),

де Тк і Тп – постійні часу; – кут повороту кермового колеса; – курсовий кут автобуса; Рпед – зусилля на педалі; Хп – віддаль до перешкоди; Кк і Кп – коефіцієнти чутливості водія; і п – тривалість реакції водія; t – час.

Для розв’язку системи диференціальних рівнянь, що входять до складу системи ВЕГА (разом із ММ підсистем ГК), розроблено програмне забезпечення, яке складається з комплексу ієрархічно об’єднаних програм, що відрізняються між собою формою подання рівнянь (у матричному вигляді, у формі Коші), а також кількістю врахованих мас та ступеней вільності в ММ системи.

Другий розділ присвячено формуванню критеріїв (скалярних і ВКЕЕГА) та аналізу впливу різних чинників на динаміку гальмування. Запропоновано концепцію та новий метод формування ВКЕЕГА. Особливістю цього методу є те, що він не потребує використання вагових коефіцієнтів і в ньому формалізовані наступні три умови: ефективні значення критерію знаходяться поблизу компромісної кривої, утвореної Парето-оптимальними значеннями; різниця між допустимими запасами скалярних критеріїв – мінімальна, а їх сума – максимальна. Утворений векторний критерій ефективності Q екстреного гальмування автобуса має вигляд

Q=ХГ2+YГ2 + 0,5(XГ +YГXГ +YГ )-1, (1)

де XГ – поздовжній скалярний критерій ефективності, тобто нормована найбільша віддаль між відповідними габаритними точками автобуса вздовж осі х на початку та в кінці гальмування (з урахуванням повороту автобуса);YГ – поперечний скалярний критерій ефективності, який відповідає нормованій найбільшій поперечній координаті габаритних точок гальмуючого автобуса в процесі гальмування. Вважається, що вихід за межі смуги руху при гальмуванні автобуса – це не менш небезпечне явище, ніж перевищення допустимого гальмівного шляху. Базами для нормування скалярних критеріїв ефективності прийнято нормативний гальмівний шлях автобуса та габаритну ширину смуги руху. Мінімальне Yгmin визначалося габаритною шириною автобуса, а Xгmin– мінімально можливим гальмівним шляхом, який визначався за формулою, отриманою на підставі принципу максимуму Понтрягіна. Узагальнена формула для nс скалярних критеріїв Xі набуває вигляду:

Для кожної з підсистем розроблено локальні критерії ефективності, які ієрархічно узгоджені з глобальним критерієм ефективності системи – ВКЕЕГА.

Аналіз системи ВЕГА полягав у дослідженні впливу її параметрів на функціональні характеристики та критерії ефективності системи і виконувався з використанням наведених вище ММ. Їх адекватність підтверджена порівнянням результатів моделювання з даними експериментальних досліджень. Встановлена добра якісна та задовільна кількісна (в межах 12 - 18%) збіжність результатів.

До компонент вектору зовнішніх параметрів ВЕГА віднесені нормативні показники та вихідні параметри процесу гальмування автобуса, а до внутрішніх – вектори конструктивних та експлуатаційних параметрів, а також вектори збурень та керувальних дій водія. Ранжування компонент векторів внутрішніх параметрів здійснювалося способом визначення коефіцієнтів варіації оцінювальних показників та методом випадкового балансу. Так, для автобуса середнього класу компоненти вектора конструктивних параметрів за їх впливом на ВКЕЕГА можна розташувати у послідовності: а/L, MГ, М, , h/L, tH, Z, BK, де L – база автобуса; а і h – координати центру мас; MГ – сумарний гальмівний момент; М – маса автобуса; – коефіцієнт розподілу сумарної гальмівної сили; tH – тривалість наростання тиску в силових пристроях гальмових механізмів; Z – радіус інерції автобуса відносно вертикальної осі; BK– колія автобуса. До найбільш істотних компонент вектору експлуатаційних параметрів віднесені початкова швидкість V0 та коефіцієнт зчеплення коліс з дорогою , а серед компонент вектору збурень виділені коефіцієнт нерівності гальмівних моментів на колесах обох осей (КГ), передньої (КГ1) та задньої (КГ2) осей.

Кількісний аналіз впливу компонент векторів внутрішніх параметрів на скалярні ХГ, YГ та векторний Q критерії ефективності екстреного гальмування автобуса здійснювався на підставі отриманих трикомпонентних графічних залежностей та аналітичних експрес-моделей. Поглиблена і точніша оцінка здійснювалась за допомогою комп’ютерних програм, складених для повних ММ. Нижче наведено дві із 9-ти експрес-моделей та їх графічні інтерпретації:

Yг=35,090,6410-4M92,8a/L+5,89h/L+0,2110-2Ma/L0,4310-7M2+44,09(a/L)2;

Xг=42,412+6KГ10,28210-3МГ+21,9970,19510-2МГ +0,10810-7МГ 2+61,631.

Найменше значення критерій YГ набуває за найбільшої маси автобуса через відсутність блокування коліс. Отримані ММ дають змогу проектувальникам та дослідникам робити швидку попередню оцінку впливу низки конструктивних та експлуатаційних чинників на скалярні критерії та ВКЕЕГА.

Встановлено, що для автобусів середнього класу коефіцієнт нерівності гальмівних моментів на передніх колесах не повинен перевищувати 8%, а на задніх -10% (раніше діючий норматив – 13%). Це підвищує вимоги до удосконалення гальмових механізмів, забезпечення стабільності їх роботи, а також розширення застосування ДГМ, в першу чергу, на передніх колесах.

Виявлене та досліджене явище самоповертання керованих коліс при гальмуванні, яке виникає через нерівність гальмівних сил на передніх колесах і недостатню жорсткість кермового приводу, а також за рівних гальмівних сил, але при різних податливостях частин кермового приводу, з’єднаних з лівим та правим колесами. Моделюванням встановлено, що при співвідношенні гальмівних сил на лівому та правому колесах, яке становить 0,77, відбувається значне кутове та поперечне переміщення автобуса тільки за рахунок самоповертання керованих коліс (?=390 і YГ=5,5м). Істотних значеннь досягають ці параметри і за різних жорсткостей ланок кермового приводу, з’єднаних з лівим та правим колесами.

У дослідженні можливостей водія з підтримання стійкості руху гальмуючого автобуса моделювався процес гальмування автобуса А-144 (V0=16,67 м/с; =0,8) із заблокованими задніми колесами та нерівністю гальмівних моментів на передніх колесах. Якщо водій не повертає кермового колеса, то під кінець процесу гальмування автобус повертається на кут = 20,7о при КГ1 = 0,2. Занос задньої осі успішно гаситься при повороті кермового колеса в сторону заносу задньої осі (=5,6о), причому параметри передатної функції водія під час моделювання були в межах психофізіологічних можливостей останнього (?max<120о; <60 град/с; КП<20). Із збільшенням тривалості реакції водія (п>0,8 с) ефект гашення заносу при V>9 м/с досягається лише тоді, коли задіяно обидва канали двомірної передатної функції водія – зменшення зусилля на гальмовій педалі з одночасним поворотом кермового колеса в сторону заносу задньої осі.

Нормативними документами допускається випередження блокування задніх коліс під час гальмування автобусів при 0,3, тобто мінімальне значення оптимального коефіцієнта 0, за якого відбувається повне використання сил зчеплення коліс з дорогою, згідно нормативів, становить 0,3. Моделюванням процесу гальмування автобуса А-092 у режимі, коли задні колеса знаходилися на межі блокування, а на передніх створювалась нерівність гальмівних моментів (КГ1=0,09), встановлено, що при V0=16,67 м/с поперечний критерій ефективності YГ не виходить за допустимі межі лише при 0,4, тобто мінімальне значення 0 повинно становити 0,4. Коефіцієнт 0 зростає із збільшенням V0 та КГ1. Для розглянутого випадку 0=0,07V0 - 0,77. Залежність 0(V0) слід встановлювати для кожного автобуса окремо або ж для групи автобусів, близьких за своїми параметрами. Встановлений ефект залежності оптимального коефіцієнта зчеплення 0 від початкової швидкості V0 необхідно враховувати у процесі синтезу законів регулювання гальмівних сил, а також при створенні нових трисигнальних РГС, які повинні реагувати не тільки на традиційні параметриінтенсивність гальмування (чи пропорційний до неї параметр) і на масу АТЗ, але і на його початкову швидкість V0.

Стійкість гальмуючого автобуса досліджувалась кількісними та якісними методами. В основу кількісних методів покладено положення теорії технічної стійкості, згідно з якою рух гальмуючого автобуса можна вважати технічно стійким, якщо під час обмежених збурень його відхилення від незбуреного руху знаходиться в допустимих межах. Оцінка технічної стійкості здійснювалась з використанням поперечного критерію ефективності екстреного гальмування та його компонент і yс. Розвинуто також якісний метод аналізу стійкості гальмуючого автобуса, що базується на положеннях теорії стійкості Ляпунова. В обох методах використана модель взаємодії гальмуючих коліс з дорогою у вигляді багатофакторних функцій поздовжньої, поперечної та сумарної питомих дотичних сил.

При використанні першого методу Ляпунова на підставі диференціальних рівнянь руху гальмуючого автобуса були сформовані рівняння збуреного руху і, після розкладання їх правих частин у ряди Тейлора, отримано рівняння першого наближення. У результаті умову стійкості автобуса отримано у формі

V01<{gL/[1/(m2 K2)-1/(m1 K1)]}0,5, (3)

де g – пришвидшення вільного падіння; m1 і m2 – коефіцієнти динамічного перерозподілу навантажень між осями автобуса під час гальмування; K1 і K2 – кутові коефіцієнти лінійної апроксимації функції (S) для передніх та задніх коліс.

Права частина умови (3) визначає критичну за стійкістю швидкість V01 руху автобуса. З урахуванням залежностей між параметрами Kі та коефіцієнтами опору відведенню Kуі, умову (3) можна звести до традиційних виразів для критичних швидкостей, наведених у роботах Я.М. Певзнера, А.С. Літвінова та ін., що свідчить про її коректність. Хоч умова (3) придатна лише для аналізу початкової стадії процесу, у якій швидкість змінюється неістотно, проте вона розширює можливості з дослідження стійкості за рахунок використання додатніх та від’ємних значень K. Дослідження умов стійкості проводились за допомогою запропонованої площини з координатами (m1K1) і (m2K2) з виділенням ділянок стійкого та нестійкого руху.

Умову (3) отримано також за допомогою прямого методу Ляпунова, який має ширші можливості, порівняно з першим методом. Зокрема, за прямим методом досліджена стійкість неусталеного руху автобуса