НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗАГОРОДНОВ Михайло Іванович

УДК 629.113

ПОКРАЩАННЯ ПОКАЗНИКІВ МАНЕВРЕНОСТІ І
СТІЙКОСТІ РУХУ ШАРНІРНО ЗЧЛЕНОВАНИХ АВТОБУСІВ

Спеціальність 05.22.02 – Автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: |

кандидат технічних наук, доцент

Грищук Олександр Казимирович,

Національний транспортний університет,
доцент кафедри “Автомобілі”.

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Подригало Михайло Абович,

Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідуючий кафедрою “Технологія машинобудування і ремонту машин”;

кандидат технічних наук, доцент

Зав’ялова Людмила Іванівна,

Полтавський державний технічний університет
ім. Ю. Кондратюка, доцент кафедри “Теоретична і прикладна механіка”.

Провідна установа: |

Східноукраїнський національний університет
ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автомобілі”, м. Луганськ.

Захист відбудеться “25” лютого 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “24 ” січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Матейчик В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з головних проблем сучасного великого міста є глобальна криза нормального функціонування міського середовища внаслідок структурного росту рівня автомобілізації, перенасичення дорожньо-вуличної мережі транспортними потоками. Це приводить до різкого погіршення показників транспортного обслуговування населення, виникненню транспортних заторів, росту рівня шуму і забруднення повітряного басейну, практичного падіння швидкості пересування, зростанню енергетичних витрат, збільшенню числа жертв дорожньо-транспортних подій. Неконтрольована заміна автобусів великого та особливо великого класів на мікроавтобуси призвела до погіршення транспортної ситуації на вулицях міст.

Основними параметрами призначення (показниками його здатності виконувати свої функції) для всіх міських автобусів є габаритні розміри, масові параметри, швидкісні та динамічні характеристики, параметри виконуваної транспортної роботи та ін. У залежності від умов експлуатації (транспортних і дорожніх) на перший план виходять різні параметри, а саме пасажиромісткість, темп пасажирообміну, динаміка розганяння, стійкість, керованість, а для міських особливо великих, крім того, маневреність.

Проведеними до цього часу дослідженнями встановлено, що експлуатація шарнірно зчленованих автобусів (ШЗА) на граничних режимах руху (високі швидкості руху, мінімальні радіуси повороту) може зажадати конструктивних змін ланок автопоїзда. Ефективність використання ШЗА у міських умовах значно залежить від їх здатності вписуватися в допустиму смугу руху і не створювати перешкод для транспортного потоку. Рішення цієї проблеми стало можливим за рахунок раціонального компонування ШЗА, а також при обладнанні причіпних секцій керованими колесами. Вибір компонувальних параметрів і аналіз раціонального закону керування колесами причіпної секції є основною задачею керованості шарнірно зчленованого автобуса.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з планом: науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: тема “Механіка та енергетика автомобілів і автопоїздів”, № держреєстрації U003346, що виконується кафедрою „Автомобілі” Національного транспортного університету.

Метою роботи є розробка способів підвищення маневреності і стійкості шарнірно-зчленованих автобусів шляхом оптимізації їх конструктивних параметрів і раціонального вибору закону управління колесами (осями) причіпної секції.

Для досягнення поставленої мети задачі дослідження визначені в такий спосіб :

1. Визначити показники маневреності некерованих ШЗА у загальному випадку руху та область їх застосування.

2. Обгрунтувати аналітичний підхід до вибору закону керування поворот-

ними колесами причіпної ланки з метою поліпшення маневреності ШЗА.

3. Розробити математичну модель плоскопаралельного руху ШЗА за різних схем приводу ведучих коліс та систем управління колесами причіпної секції.

4. Виконати комп'ютерне моделювання руху ШЗА і провести аналіз впливу конструктивних і експлуатаційних параметрів на його вписуваність в поворот і стійкість руху.

5. Провести експериментальні дослідження макета ШЗА і встановити адекватність математичної моделі плоскопаралельного руху реальним процесам.

6. Розробити рекомендації щодо практичного використання результатів дослідження з метою підвищення показників маневреності і стійкості руху ШЗА.

Oб’єктом досліджень є маневреність і стійкість руху ШЗА за різних схем приводу ведучих коліс та систем управління причіпною секцією.

Предметом досліджень є вплив конструктивних параметрів, схеми приводу ведучих коліс і закону керування колесами причіпної секції на показники маневреності і стійкості ШЗА.

Методи досліджень передбачали математичне моделювання як стаціонарних, так і нестаціонарних рухів ШЗА для відтворення комп’ютерним способом дорожніх випробувань для визначення показників їх маневреності, багатоваріантні розрахунки показників маневреності і стійкості руху керованих та некерованих автобусів та експериментальне визначення цих показників.

Наукову новизну результатів дослідження складають:

- математична модель плоскопаралельного руху ШЗА за різних схем приводу ведучих коліс та систем управління причіпною секцією;

- методика визначення критичної швидкості і граничної швидкості початку коливальної нестійкості ШЗА, яка дозволяє підбирати та оптимізувати параметри колісного керуючого модуля та автопоїзда в цілому, завдяки чому забезпечується стійкість його руху в межах експлуатаційних навантажень та швидкостей;

- на підставі методу "продовження за параметром" визначені умови втрати статичної стійкості в круговому русі й отримані мінімально можливі стійкі динамічні радіуси повороту за різних швидкостей руху та отримані стаціонарні кругові режими ШЗА при дії на нього постійних зовнішніх сил і моментів.

Достовірність результатів дослідження забезпечена коректним використанням існуючих математичних методів і основних положень теоретичної механіки і теорії автомобіля, застосуванням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури і засобів математичного опрацювання результатів експериментальних досліджень макета ШЗА і підтверджується задовільним збігом результатів аналітичних і експериментальних досліджень, а також узгодженням їх із результатами, отриманими іншими авторами.

Практичну цінність результатів дослідження складають розроблені математичні моделі плоскопаралельного руху ШЗА за різних схем приводу ведучих коліс та систем управління колесами причіпної секції, які дозволяють за заданими конструктивними параметрами прогнозувати маневреність і стійкість автопоїзда на стадії проектування, скорочуючи при цьому час і витрати на створення нових і модернізацію існуючих автобусів.

Застосування систем управління колесами причіпної секції дозволяє зменшити радіус повороту шарнірно-зчленованого автобуса на 15 – 25%%, чим забезпечується його безперебійний рух на всіх міських маршрутах.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно. У роботах у співавторстві: [1] – методика визначення співвідношеннями між компонувальними параметрами тягача і причепа; [2] – методика розрахунку показників маневреності автобуса; [3] – методика до визначення впливу гальмівного моменту на показники маневреності автопоїзда; [4] – математична модель та аналіз впливу жорсткості керуючого колісного модуля на показники стійкості руху автомобіля; [5] – аналіз впливу конструктивних параметрів автомобіля на показники його стійкості руху; [6] – уточнений підхід до визначення параметрів закону управління причепом; [7] – методика для визначення основних компонувальних параметрів ШЗА; [9] – аналіз впливу типу привода до ведучих коліс ШЗА на показники його стійкості руху; [10] – аналіз впливу компонувальних параметрів тягача і причепа на показники стійкості руху ШЗА; [11] – результати експериментальних досліджень макета ШЗА.

Реалізація роботи. Результати досліджень по вибору масово-геометричних і конструктивних параметрів ШЗА прийняті до впровадження у відділі конструкторських розробок гаражного обладнання та спеціалізованого рухомого складу ДП “ДержавтотрансНДІпроект” та відділі наземного транспорту Авіаційного науково-технічного комплексу “АНТОНОВ” при розробці конструкцій автобусів особливо великого класу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались на конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету у 2003 р. та 2004 р., на міжнародних науково-технічних конференціях "Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і дорожніх машин (м.Київ 2003, 2004 р.р.), “Покращення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і машин”, на ІІІ Міжнародній науковій конференції АВІА – 2001 у Києві, “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych” (Польща, Жешув, 2001, 2002, 2003 p.р.), V Міжнародній науково-практичній конференції у Севастополі (2001 р.), науково-практичній конференції “Проблеми автобусних пасажирських перевезень та автобусобудування” (м. Київ, 02-03 квітня 2004 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані у 17 роботах: у 11 статтях в спеціалізованих виданнях ВАК України та в 6 матеріалах наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Повний обсяг дисертації становить 164 сторінки; з них 24 ілюстрації по тексту, 26 ілюстрацій на 15 сторінках; 11 таблиць по тексту; один додаток на 3 сторінках; 145 найменувань використаних джерел на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, представлено загальну характеристику роботи, перераховано коло задач, які вирішуються, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів дослідження.

У першому розділі показано, що в категорії особливо великих автобусів розрізняються три групи за габаритною довжиною: 18 м (найпоширеніша), 17 м (всього три моделі) і 16,5 м. Особливо великі автобуси за місткістю також підрозділяються на три групи: місткістю 180–187, 160–168 і 140–152 чол. (в основному це автобуси зі зменшеної до 16–16,5 м габаритною довжиною або зі збільшеним числом місць для сидіння).

Аналіз тенденцій зміни повних мас автобусів підтверджує їхню природну залежність від місткості і розмірів. Для особливо великих зчленованих автобусів найбільш чисельною є категорія з повною масою 24 т і 26 – 28 т.

Обмеження повної маси і навантажень на окремі осі автобуса обумовлено чинним законодавством, що діє у різних країнах. Ці обмеження ставлять перед конструкторами необхідність конкретного вибору: задовольнити чинному законодавству в частині навантаження шляхом обмеження місткості або зниженням розмірності (довжини) автобуса, або за рахунок планування салону, тобто співвідношення числа місць для сидіння та стояння. І конструктори використовують обидві можливості приблизно в однаковій мірі.

Компонувальна схема автобуса визначає собою майже всі параметри призначення, крім динаміки розганяння. Основною відмітною ознакою компонувальних схем автобусів (якщо мова йде про автобуси вагонного типу) є розташування двигуна: у передньому звисі, у задньому звисі (поздовжньо або поперечно), у межах колісної бази (під підлогою або зі зміщенням до борту). При цьому двигуни теж бувають скомпоновані по-різному: одно- або дворядні; з горизонтальним, вертикальним або V-подібним розташуванням циліндрів.

Наявність однієї або декількох секцій є додатковою відмітною ознакою компонувальної схеми ШЗА. Компонування зчленованих автобусів, крім того, розрізняється в залежності від виконання ведучими коліс передньої або задньої секції (так звані “тягнуча” та “штовхаюча” схеми) та розташуванням двигуна в межах колісної бази певної секції.

Пошук нових компонувальних схем є одним із основних напрямків діяльності провідних виробників міських автобусів особливо великого класу. Найперспективнішою для зчленованого дволанкового автобуса вважається зараз у всьому світі схема із розташуванням двигуна у задньому звисі та приводом на колеса задньої осі, хоча проблеми покращання стійкості і керованості таких автобусів ще остаточно не вирішені.

У другому розділі були розроблені математичні моделі для визначення показників маневреності ШЗА. Спочатку було розглянута маневреність ШЗА з некерованою віссю причіпної ланки при русі автобуса коловою, а причіпної ланки перехідною траєкторією. Було показано, що за зміни компонувальних параметрів існує безліч параметрів автобуса та причіпної ланки, за яких габаритна смуга руху (ГСР) зчленованого автобуса виходить за рамки допустимої. Тому для вибору оптимальних параметрів зчленованого автобуса було розглянуто його рух на неусталеному повороті.

Було прийнято, що траєкторія характерної точки автобуса задана у вигляді:

, (1)

а траєкторію характерної точки напівпричепа необхідно визначити, тобто

. (2)

Оскільки найбільша смуга руху, як показали проведені раніше дослідження, досягається на кругових траєкторіях при режимному коефіцієнті повороту, що наближається до нескінченості, розглянемо саме цей випадок, тобто рух автомобіля-тягача по круговій траєкторії, а причіпної секції – по перехідній траєкторії.

Рівняння руху характерної точки тягача при його русі по криволінійній траєкторії запишемо у вигляді:

, (3)

а при русі по прямолінійному відрізку дільниці – у вигляді:

. (4)

Для першого відрізку координати причіпної секції отримані у вигляді

, (5)

де

а= (6)

На другому етапі, коли автомобіль-тягач рухається по прямій виходу із повороту, координати причіпної секції були отримані у вигляді:

, (7)

Для визначення габаритної смуги руху необхідно знати максимальне зміщення траєкторії причіпної секції відносно траєкторії автомобіля-тягача. Для цього траєкторія причіпної секції була розбита на три характерні дільниці: перша – від початку повороту причіпної ланки до початку повороту автобуса; друга – при русі причіпної ланки всередині кругової траєкторії автобуса; третя – при русі автобуса по вихідній прямолінійній траєкторії.

За максимальне зміщення траєкторії будемо приймати на першій дільниці відстань від траєкторії возика напівпричепа до осі У, на другій – радіальну відстань від траєкторії возика до траєкторії тягача, на третій – від траєкторії возика до прямої виходу автомобіля-тягача із повороту. Тоді

. (8)

Проведеними розрахунками встановлено, що максимальне зміщення траєкторії причіпної секції відносно траєкторії тягача має місце на другій дільниці. Для цієї дільниці в подальшому із застосуванням програмного забезпечення Mathcad 2000 були визначені габаритні смуги руху ШЗА за широкої зміни його компонувальних параметрів.

Результати розрахунків дозволили зробити такі висновки:

- максимальне зміщення траєкторії причіпної секції відносно траєкторії тягача для усіх ШЗА на неусталеному повороті на 12...15% менше, ніж при усталеному круговому русі автопоїзда;

- із усіх розглянутих схем найменша смуга руху при Rзг=12,5м, що дорівнює 6,56м, забезпечується автопоїздом з такими параметрами: LA=7м, lза=2,5м, L=6,0м і lзп=2,5м (LA, L-база автобуса і причіпної секції, lза ,lзп–задній звис автобуса і причіпної секції);

- при виході за межі оптимальних параметрів габаритна смуга руху збільшується і виходить за рамки допустимої (7,2 м).

На другому етапі була визначені сили і моменти, що діють на ШЗА з некерованою віссю причіпної ланки при русі автобуса різними траєкторіями. Було встановлено, що при коловому русі ШЗА бічне прискорення центра мас причіпної секції монотонно збільшується зі збільшенням кута повороту траєкторії. За умови, що кут повороту траєкторії досягає свого максимального значення бічне прискорення також досягає свого максимального значення і далі не змінюється. На вихідній перехідній траєкторії бічне прискорення монотонно зменшується до нуля.

Як і у першому випадку, існує певне значення бази автобуса, за яких складова бічного прискорення досягає свого мінімального значення, тобто є оптимальною для ШЗА. Якщо ж база автобуса виходить за допустимі межі, то для зменшення величини бічного прискорення необхідно зменшувати базу причіпної ланки, а це в свою чергу, приведе до збільшення габаритної смуги руху і застосування керованих коліс причіпної ланки.

У подальшому були визначені параметри закону управління причіпною ланкою ШЗА.

Для плоскої моделі шарнірно-зчленованого автобуса (рис.1) закон управління поворотом коліс причепа, що реалізує “силовий” підхід, записаний у вигляді

2=h1, (9)

де 1 - перший кут складання; h - коефіцієнт передачі,

; (10)

V - лінійна швидкість руху автопоїзда; k2 - коефіцієнт опору відведенню коліс причепа; L-база причіпної ланки.

У свою чергу, перший кут складання ШЗА може бути визначений як

, (11)

де k2 – коефіцієнт опору відведенню коліс ведучої осі автобуса; k1 – коефіцієнт опору відведенню коліс керованої осі автобуса; k3 - коефіцієнт опору відведенню коліс причіпної ланки; LA - база автобуса; c- відстань від центра автобуса до точки зчіпки; b - відстань від точки зчіпки до задньої осі автобуса.

Аналіз виразу (11), що визначає закон управління поворотними колесами причепа, показує, що необхідні показники маневреності ШЗА можуть бути отримані тільки на гладких кривих при сталому повороті. Пояснюється це тим, що в наведеному законі відсутній фактор часу (не враховується затримка сигналу на управління причіпною ланкою), тобто не в повній мірі реалізується кінематичний підхід. Тому була розглянута можливість корекції закону управління поворотними колесами (віссю) причіпної ланки, що реалізує "силовий" підхід, кінематичними співвідношеннями, що забезпечують відстеження траєкторії автобуса його причіпною ланкою.

Проведеними розрахунками було встановлено, що розроблений алгоритм управління забезпечує майже повний збіг траєкторій автобуса і причепа при коловому русі, виконанні маневру "переставка" і незначне (до 5%) відхилення при русі "змійкою", тобто його реалізація в системі управління автобуса забезпечує необхідні показники маневреності і стійкості його руху. Проте реалізація запропонованого закону пов’язана зі значними конструктивними труднощами, обумовленими необхідністю створення регульованого приводу, передаточне відношення якого змінювалось би не тільки від конструктивних параметрів ШЗА, але і від швидкості його руху. Тому запропоновано у подальшому розглянути і інші принципи керування причепом, зокрема, шляхом корекції траєкторії гальмуванням коліс одного його борту.

У третьому розділі розглянуті питання стійкості руху ШЗА за різних схем приводу ведучих коліс з урахуванням параметрів керуючого колісного модуля автобуса.

Тягач представляє собою двохвісний автобус умовно розділений на два модулі - керуючий колісний (ККМ) та остов. ККМ включає в себе приведене керуюче переднє колесо, рульове колесо і елементи рульового керування, які знаходяться між ними (рульовий привід, рульовий механізм тощо). Остов - це кузов автобуса з задньою некерованою віссю.

Одновісний причіп умовно представлено одним модулем - остовом або з некерованою віссю, або керованими колесами осі причепа, або самовстановлювальними колесами осі.

Із застосуванням методу перетинів, була записана система диференціальних рівння руху ШЗА, яка була проінтегрована за допомогою програмного забезпечення Maple 8 за вихідних даних типових для ШЗА.

На рис. 2, де в плоскій системі координат зображений коловий рух ШЗА, наведені результати розрахунку параметрів його руху , зокрема траєкторії руху ведучої і веденої ланок автобуса за умови, що кут повороту керованих коліс напівпричепа дорівнює нулю, тобто за к=0.

Аналіз траєкторій руху ланок показує, що за обраних конструктивних параметрів ШЗА маневреність задовільна, тобто автобус вписується у нормовані габаритні радіуси повороту і габаритну смугу руху. Введення в систему управління ШЗА керованих коліс причіпної ланки майже не впливає на траєкторію ведучої ланки, зате збільшує радіус повороту веденої ланки, що в свою чергу, призводить до зменшення габаритної смуги руху автобуса. Із збільшенням кута повороту керованих коліс причіпної ланки кутова і бічна швидкість центра мас ведучої ланки, кут складання ШЗА, кут відведення коліс середньої осі і бічна сила на колесах цієї осі зменшуються, що призводить не тільки до поліпшення показників маневреності автобуса, але і показників його стійкості. Поліпшенню маневреності сприяє також збільшення радіуса поворо-ту причіпної ланки, що призводить до зменшення габаритної смуги руху ШЗА.

Управляти причіпною ланкою ШЗА можливо не тільки поворотом керованих коліс причіпної ланки, а і гальмуванням коліс одного борту.

Ефект управління автомобілем шляхом часткового гальмування коліс одного борту еквівалентний, у першому наближенні, ефекту від виникаючого при цьому моменту сил тертя. Цей ефект було враховано в математичній моделі шляхом введення гальмівного моменту у рівняння обертального руху причіпної ланки. У машинному вигляді гальмівний момент Mtr представлено виразом Mtr:=beta*0.75*Z3*В, де beta – коефіцієнт, який враховує долю поздовжньої сили на осі причіпної ланки, що створює гальмівний момент, Z3 – нормальна реакція опорної поверхні на колеса причепа, В - колія причепа.

У якості прикладу на рис. 3 представлені результати розрахунку параметрів руху шарнірно-зчленованого автобуса за значення коефіцієнта beta=0,05.

Аналіз графіків, рис. 3, показує, що радіус повороту ведучої ланки ШЗА при дії гальмівного моменту на колесо одного борту причіпної ланки залишається майже незмінним, а радіус повороту причіпної ланки збільшується. При цьому у разі дії гальмівного моменту стійкість руху ШЗА погіршується, про що свідчить графік залежності кутової швидкості причіпної ланки від часу перехідного процесу.

У разі застосування самовстановлювальних коліс (у цьому випадку бокова сила, що діє на колеса причіпної ланки, прирівнюється нулю) радіус повороту причіпної ланки збільшується в тих же межах, що і при керованих колесах. Різниця в радіусах повороту не перевищує 10,3%, тобто в подальшому при дослідженні маневреності ШЗА достатньо розглядати один із варіантів керування причіпною ланкою – примусовий поворот коліс за допомогою приводу управління або використання самовстановлювальних коліс.

Після аналізу кругового руху ШЗА було розглянуто маневр “переставка”. На рис. 4...7 наведені результати розрахунку траєкторії руху автобуса, а також зміни кута складання і кутових швидкостей окремих ланок автобуса за умови реалізації тягового зусилля на осі причіпної ланки.

Проведеними розрахунками встановлено також, що за обраних значень конструктивних параметрів ШЗА критична швидкість лежить в межах 28<v<29 м/с, що перевищує максимальну швидкість його руху. Збільшення критичної швидкості руху може бути досягнуто шляхом відповідного добору конструктивних параметрів керуючого колісного модуля і коефіцієнтів опору відведення коліс його осей. При закритичній швидкості v= 29 м/c за безпечної втрати стійкості прямолінійного руху ШЗА переходить на стійкий круговий стаціонарний режим досить великого радіуса (реалізація лівого-правого поворотів залежить від початкових збурень); порушення умов безпечної втрати стійкості (k 4500 Нм) приводить до необмеженого росту бічної складової швидкості центра мас і руху автомобіля по спіралі в площині дороги.

При реалізації тягового зусилля на осі причіпної ланки втрата стійкості кругових стаціонарних режимів реалізується за значень параметра 0,5<б<0,75 , а втрата стійкості прямолінійного руху при б = 0,245 (б – відношення тягового зусилля на осі причіпної ланки до сили тяжіння від повної маси автобуса). Критична швидкість у цьому випадку складає vkp= 12,38 м/с, тобто такі автобуси потребують спеціальної системи протискладання.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень макета ШЗА.

Аналітичні дослідження стійкості руху ШЗА проведені при деяких допущеннях, зокрема, про величину жорсткості рульового приводу, залежності кута бічного відведення від бічної сили, про величину гальмівного моменту на осі причіпної ланки тощо. Тому метою експериментальних досліджень явилася перевірка адекватності розробленої математичної моделі і вихідних положень, покладених в основу розрахунку параметрів маневренсті ШЗА.

В задачі експериментальних досліджень ШЗА входило визначення кінематичних параметрів і відхилень траєкторій ланок при сталому круговому русі автобуса, поворотах на 900, 1800 і S-подібному за класичної схеми пово-роту ШЗА, застосуванням самовстановлювальних коліс причепа і гальмування коліс одного борту, а також визначення кутових і лінійних відхилень ланок шарнірно-зчленованого автобуса при його прямолінійному русі.

Експериментальні дослідження були проведені на розробленому та виго-товленому на кафедрі “Автомобілі” НТУ макеті ШЗА, який обладнано відпо-відними пристроями і датчиками. Датчики кутів повороту і кутів складання – реостатні датчики кругового типу ПТП 1 і ПТП 2, лінійних прискорень –
МП–95, шляху і швидкості руху макета ШЗА – прилад "п'яте колесо" з оптотронним датчиком числа обертів колеса. Поряд з описаною апаратурою на макеті застосовувався гідравлічний відмітчик, що дозволяв фіксувати на опорній поверхні дійсні траєкторії руху характерних точок тягача і причепа.

Методикою виконання кожної із робіт передбачалося три повторності дослідів. За результат приймалося середнє значення по всіх повторностях.

Проведеними експериментальними дослідженнями і співставленням результатів експерименту з розрахунками для макета ШЗА по розробленій математичній моделі встановлено:

- за кутів повороту керованих коліс тягача 130 (радіус повороту тягача 10 м) і менше траєкторії причепа як некерованого автопоїзда, так і автопоїзда з самовстановлювальними колесами причепа майже збігаються між собою. За кутів повороту керованих коліс тягача, близьких до максимальних, ?ср=300 (Rт=4 м) застосування самовстановлювальних коліс привело до збільшення радіуса повороту причепа на 25,2% і відповідного зменшення на цю ж величину зсуву траєкторії причепа щодо траєкторії тягача;

- при збільшенні швидкості руху макета ШЗА від 5 до 30 км/год радіус повороту причепа збільшувався, що свідчить про недостатню повороткість макета ШЗА;

- на неусталених поворотах макета ШЗА з самовстановлювальними колесами причепа зсув його траєкторії щодо траєкторії тягача значно менший у порівнянні з некерованим макетом ШЗА;

- відведення коліс макета ШЗА призводить до збільшення зсуву на вході в поворот і до зменшення - на виході з повороту, причому величина зсувів траєкторії причепа збільшується зі збільшенням швидкості руху макета ШЗА незалежно від того, керований причіп чи некерований;

- експлуатаційні чинники, що мають місце при криволінійному русі макета ШЗА у реальних дорожніх умовах, не змінюють основні кінематичні співвідношення ШЗА, що отримані аналітичними методами. Відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищували 6,8% для усталеного колового руху, 7,3% - для повороту на 900 і 8,9% - для S-подібного повороту і руху з „переставкою”. Це дозволяє рекомендувати результати досліджень для інженерних розрахунків показників маневреності шарнірно-зчленованих автобусів різних компонувальних схем;

- для макета ШЗА з самовстановлювальними колесами причепа математичне очікування кутових відхилень при обраній швидкості руху значно перевищує значення, що мають місце в некерованому макеті ШЗА, причому з ростом швидкості руху ці відхилення зростають. Збільшення математичного очікування кутових відхилень приводить до збільшення кривизни траєкторії і бічних сил на осі причепа, що призводить до погіршення стійкості руху макета ШЗА.

У додатку наведені довідки про впровадження результатів досліджень.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача, пов’язана з підвищенням ефективності використання ШЗА у міських умовах перевезення пасажирів за рахунок вибору його оптимальних компонувальних параметрів та системи керування колесами причепа.

Основні наукові результати, висновки та практичні рекомендації роботи можна сформулювати у наступному вигляді.

1. Розроблені математичні моделі для визначення ГСР ШЗА. Проведе-ними розрахунками доведено, що максимальне зміщення траєкторії причепа щодо траєкторії тягача має місце на круговій траєкторії. Для цієї траєкторії в подальшому із застосуванням програмного забезпечення Mathcad 2000 була визначена ГСР ШЗА за різних значень його компонувальних параметрів.

2. Встановлено, що максимальне зміщення траєкторії причепа відносно траєкторії тягача ШЗА на неусталеному повороті на 12...15% менше, ніж при усталеному круговому русі, причому із усіх розглянутих значень компону-вальних параметрів найменша ГСР, що дорівнює 6,56м, за Rзг=12,5 м забезпе-чується автопоїздом з такими параметрами: LA=7м, lза=2,5м, L=6,0м і lзп=2,5м.

3. Встановлено зв’язок між основними компонувальними параметрами ШЗА – базою тягача, середнім кутом повороту керованих коліс, базою причепа і відстанню від точки зчіпки до осі причепа. Визначені оптимальні значення бази тягача, а відповідно і бази причепа, за яких складова бічного прискорення досягає свого мінімального значення, а стійкість руху – найвища.

4. Розроблено алгоритм управління керованими колесами причепа, який забезпечує майже повний збіг траєкторій тягача і причепа при повороті траєкторії на 900 і 1800, виконанні маневру "переставка" і незначне (до 5%) відхилення при русі "змійкою", тобто його реалізація в системі управління ШЗА забезпечить необхідні показники маневреності і стійкості руху. Проте реалізація запропонованого закону управління в приводі керування ШЗА пов’язана зі значними конструктивними труднощами, обумовленими необхідністю створення регульованого приводу, передаточне відношення якого змінювалось би не тільки від зміни конструктивних параметрів ШЗА, але і від швидкості його руху. Тому у подальшому розглянуті і другі принципи керування причепом, зокрема, шляхом гальмування коліс одного його борту.

5. Складена система диференціальних рівнянь, яка описує модель руху дволанкового ШЗА (двовісний тягач і одновісний причіп) як тримасової сис-теми з урахуванням ККМ тягача. Система дозволяє дослідити вплив конструкт-тивних параметрів тягача та причепа на показники стійкості руху ШЗА:

- показано, що за обраних конструктивних параметрів ШЗА маневреність задовільна, тобто автобус вписується у нормовані значення ГСР;

- введення в систему управління ШЗА керованих коліс причепа майже не впливає на траєкторію тягача, зате збільшує радіус повороту причепа, що в свою чергу, призводить до зменшення ГСР автобуса. Крім того, із збільшенням кута повороту керованих коліс причепа кутова і бічна швидкість центра мас тягача, кут складання ШЗА, кут відведення коліс середньої осі і бічна сила на колесах цієї осі зменшуються, що призводить не тільки до поліпшення показників маневреності автобуса, але і показників його стійкості;

- встановлено, що управляти причепом ШЗА можливо не тільки поворотом керованих коліс причепа, а і гальмуванням коліс одного борту. Ефект управління причепом шляхом часткового гальмування коліс одного борта еквівалентний, у першому наближенні, ефекту від виникаючого при цьому моменту сил тертя. Отримана залежність між величиною гальмівного моменту на колесах одного борту причепа і радіусом її повороту.

6. Встановлено, що за обраних значень конструктивних параметрів ШЗА критична швидкість лежить в межах 28<v<29 м/с, що перевищує максимальну швидкість його руху. Збільшення критичної швидкості руху може бути досягнуто шляхом відповідного добору конструктивних параметрів ККМ і коефіцієнтів опору відведення коліс його осей.

7. При реалізації тягового зусилля на осі причепа втрата стійкості кругових стаціонарних режимів реалізується за значень параметра 0,5<б<0,75 , а втрата стійкості прямолінійного руху при б = 0,245. Критична швидкість у цьому випадку складає vkp= 12,38 м/с. При цьому навіть за оптимально обраних жорсткісних і компонувальних параметрів критична швидкість руху ШЗА не перевищує 12,5 м/с, тобто такі автобуси потребують спеціальної системи протискладання.

8. Дорожні випробування макета ШЗА підтвердили достовірність результатів комп'ютерного моделювання показників маневреності і стійкості руху. При однаковому якісному характері експериментальних і аналітичних залежностей максимальні відхилення амплітуд коливань досліджуваних параметрів не перевищували 10%, що підтверджує достатню адекватність розробленої математичної моделі.

9. Результати досліджень по вибору масово-геометричних і конструктивних параметрів ШЗА прийняті до впровадження відділом конструкторських розробок гаражного обладнання та спеціалізованого рухомого складу ДП “ДержавтотрансНДІпроект” та відділом наземного транспорту Авіаційного науково-технічного комплексу “АНТОНОВ” при розробці конструкцій автобусів особливо великого класу.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті в наукових фахових виданнях

1. Сахно В.П., Веремчук О.А., Загороднов М.І. Вплив компонувальних параметрів автобусів великого класу на показники їх маневреності / Вісник Національного транспортного університету. – К., 2004. – Випуск 9. – С.132-137.

2. Сахно В.П., Загороднов М.І., Веремчук О.А. До визначення габаритної смуги руху зчленованих автобусів // Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2001. – Випуск №4. – С.94-97.

3. Сахно В.П., Загороднов М.І., Кізуб Р.Г., Сондак В.М. Шляхи підвищення маневреності автопоїзда з керованим довгобазним напівпричепом // Автошляховик України. – 2001. – №1. – С.19-22.

4. Сахно В.П. Вербицький В.Г., Веремчук О.А., Загороднов М.І. К анализу устойчивости прямолинейного движения автомобиля с учетом колебаний управляемого колесного модуля // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту i експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць. Випуск 11.-Київ. УТУ, ТАУ. – 2000.–С.60-65.

5. Сахно В.П. , Вербицький В.Г., Загороднов М.І. Чисельно-аналітичний метод оцінки маневреності автомобіля //Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту i експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць. Випуск 12.-Київ. УТУ, ТАУ. - 2001. –С.121-126.

6. Сахно В.П., Веремчук О.А., Загороднов М.І., Сондак В.М. До визначення параметрів закону управління причіпною ланкою шарнірно-зчленованого автобуса особливо великої місткості // Автошляховик України. Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2003. – Окремий випуск №6. - С.134-139.

7. Сахно В.П., Вакуліч А.В., Загороднов М.І. До визначення основних компонувальних параметрів шарнірно-зчленованих автобусів // Автошляховик України. Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2003. – Окремий випуск №6. - С.106-110.

8. Загороднов М.І. До визначення показників стійкості автобусів великого класу // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: зб. наук. пр. - Київ, УТУ, ТАУ. – Вип. 17. - 2003. - С.56-62.

9. Філіпова Г.А., Поляков В.М., Загороднов М.І. Розвиток компонувальних схем автобусів особливо великого класу // Автошляховик України. Вісник Північного наукового центру ТАУ. – 2003. – Окремий випуск №6. – С.139-142.

10. Сахно В.П., Вербицький В.Г., Загороднов М.І., Веремчук О.А. До визначення умов безпечної втрати стійкості прямолінійного руху автомобіля з керованим колісним модулем // Автошляховик України. Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2002. – Окремий випуск №5. – С.76-78.

11. Сахно В.П., Тімков О.М., Загороднов М.І. Результати експериментального визначення параметрів руху причіпного автопоїзда з наближеними осями причепа // Автошляховик України. Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2004. – Окремий випуск №7. - С.105-108.

Тези доповідей на наукових конференціях

12. Загороднов М.І. До визначення показників стійкості шарнірно-зчленованих автобусів // 60 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К: НТУ, 2004. – С. 28.

13. Сахно В.П., Сондак В.М., Загороднов М.І., Тімков О.М. Маневреність та стійкість руху трьохланкових автопоїздів //Metody obliczeniowe i badawcze w rozwozu systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samo-jezdnych. //Materialy IХ Sympozjum pod redakciq Kazimierza Lejdy. Rzeszow, 24-27 Wrzesien 2003. - С.282-287.

АНОТАЦІЇ

Загороднов М.І. Покращання показників маневреності і стійкості руху шарнірно-зчленованих автобусів. — Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 — Автомобілі та трактори. — Національний транспортний університет, Київ, 2005.

У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача, пов’язана з підвищенням ефективності використання ШЗА у міських умовах перевезення пасажирів за рахунок вибору його оптимальних компонувальних параметрів та системи керування колесами причепа.

Для визначення показників маневреності і стійкості руху автобусів за різних схем керування причіпною ланкою сладена система диференціальних рівнянь, яка описує модель руху двохланкового ШЗА (двохвісний тягач і одновісний причіп) як трьохмасової системи з урахуванням ККМ тягача. При реалізації тягового зусилля на осі причепа критична швидкість складає 12,38 м/с. При цьому навіть за оптимально обраних жорсткісних і компонувальних параметрів критична швидкість руху ШЗА не перевищує 12,5 м/с, тобто такі автобуси потребують спеціальної системи протискладання.

Результати досліджень по вибору масово-геометричних і конструктивних параметрів ШЗА прийняті до впровадження відділом конструкторських розробок гаражного обладнання та спеціалізованого рухомого складу ДП “ДержавтотрансНДІпроект” та відділом наземного транспорту Авіаційного науково-технічного комплексу “АНТОНОВ” при розробці конструкцій автобусів особливо великого класу.

Ключові слова: шарнірно зчленований автобус, маневреність, стійкість руху, система керування колесами причепа.

Загороднов М.И. Улучшение показателей маневренности и устойчивости движения шарнирно сочлененных автобусов. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 — Автомобили и тракторы. — Национальный транспортный университет, Киев, 2005.

В диссертационной работе решена научно-техническая задача, связанная с повышением эффективности использования шарнирно сочлененных автобусов (ШСА) в городских условиях перевозки пассажиров за счет выбора оптимальных компоновочных параметров и системы управления колесами прицепа.

При определении габаритной полосы движения (ГПД) показано, что максимальное смещение траектории прицепа относительно траектории тягача имеет место на круговой траектории. На неустановившемся повороте максимальное смещение траектории прицепа относительно траектории тягача ШСА на 12...15% меньше, чем при установившемся круговом движении.

Для улучшения маневренности автобуса разработан алгоритм управления управляемыми колесами прицепа, обеспечивающий почти полное совпадение траекторий тягача и прицепа при повороте траектории на 900 и 1800, выполнении маневра "переставка" и незначительное (до 5%) отклонение при движении "змейкой", то есть его реализация в системе управления ШСА обеспечит необходимые показатели маневренности и устойчивости движения. Тем не менее реализация предложенного закона управления в приводе управления ШСА связана со значительными конструктивными трудностями, обусловленными необходимостью создания регулируемого привода, передаточное отношение которого изменялось бы не только от изменения конструктивных параметров ШСА, но и от скорости его движения. Поэтому в дальнейшем рассмотрены и другие принципы управления прицепом, в частности, путем торможения колес одного его борта.

Для определения показателей маневренности и устойчивости движения автобусов при различных схемах управления прицепным звеном составлена система дифференциальных уравнений, описывающая модель движения двухзвенного ШСА (двухосный тягач и одноосный прицеп) как трехмассовой системы с учетом управляющего колесного модуля (УКМ) тягача. Система позволяет исследовать влияние конструктивных параметров тягача и прицепа на показатели устойчивости движения ШСА. Показано, что при выбранных конструктивных параметров ШСА маневренность удовлетворительная, то есть автобус вписывается в нормированные габаритные радиусы повороты и ГПД. Ведение в систему управления ШСА управляемых колес прицепа почти не влияет на траекторию тягача, зато увеличивает радиус поворота прицепа, что в свою очередь, приводит к уменьшению ГПД автобуса. Кроме того, с увеличением угла поворота управляемых колес прицепа угловая и боковая скорость центра масс тягача, угол складывания ШСА, угол увода колес средней оси и боковая сила на колесах этой оси уменьшаются, что приводит не только к улучшению показателей маневренности автобуса, но и показателей его устойчивости.

При реализации тягового усилия на оси прицепа потеря устойчивости круговых стационарных режимов реализуется при значениях параметра 0,5<б<0,75 , а потеря устойчивости прямолинейного движения при б = 0,245. Критическая скорость в этом случае составляет vkp= 12,38 м/с. При этом даже при оптимально выбранных жесткостных и компоновочных параметров критическая скорость движения ШСА не превышает 12,5 м/с, то есть такие автобусы требуют специальной системы противоскладывания.

Результаты исследований по