ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Толстолуцький Віктор Олександрович

УДК 621.83

АНАЛІЗ І ПАРАМЕТРИЧНИЙ СИНТЕЗ МЕХАНІЧНИХ ТРАНСМІСІЙ СУЧАСНИХ ШВИДКОХІДНИХ ГУСЕНИЧНИХ МАШИН

Спеціальність 05.22.02 - автомобілі та трактори

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в казенному підприємстві Харківському конструкторському бюро з машинобудування ім. О.О. Морозова Міністерства промислової політики України

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор
Лебедєв Анатолій Тихонович,
Харківський національний технічний університет ім. Петра Василенка, завідуючий кафедрою тракторів та автомобілів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Подригало Михайло Абович,
Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідуючий кафедрою технології машинобудування і ремонту машин;

кандидат технічних наук, доцент
Волонцевич Дмитро Олегович,
Національний технічний університет “ХПІ”, доцент кафедри колісних та гусеничних машин.

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування
ім. А. М. Подгорного, відділ нестаціонарних механічних процесів Національна академія наук України, м. Харків.

Захист відбудеться “___”____________ 2007 р. о “___” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою:

Україна, 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “___”____________ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І.С. Наглюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Швидкохідні гусеничні машини (ШГМ) мають широкий спектр можливостей, який у повному об'ємі не доступний колісній техніці. ШГМ поєднують у собі швидкохідність, маневреність, високу прохідність, вантажопідйомність і низький, у порівнянні з колісними машинами, тиск на ґрунт, що робить їх незамінними в умовах відсутності якісного дорожнього покриття.

З розвитком транспортних засобів різного функціонального призначення не втрачає своєї актуальності питання забезпечення високого ґатунку рухливості й маневреності цих машин. Існує ряд принципових підходів підвищення якості експлуатаційних характеристик ШГМ. Основними з них є збільшення потужності головного двигуна, впровадження нових більш ефективних силових передач і застосування автоматизованих систем керування рухом і робочими органами. Очевидно, що домогтися найкращого результату можливо тільки за комплексного підходу до вдосконалення енергетичних і силових установок ШГМ.

Актуальність проблеми. Основним призначенням трансмісії ШГМ є забезпечення високих тягових характеристик і високих швидкостей руху. Ці найважливіші якості, що впливають на рухливість ШГМ, у більшій мірі забезпечуються механічними коробками передач. Розв’язання однієї з основних задач створення механічних трансмісій - вибору механічних параметрів ступінчастої трансмісії (параметричний синтез) - на базі універсальної математичної моделі є актуальним, оскільки дасть можливість одержати найбільш досконалі з погляду функціональності силові установки транспортних засобів. З іншого боку, вирішення даного завдання дозволить оцінити досконалість існуючих схемних рішень трансмісій.

Параметричний синтез механічних та інших трансмісій незмінно поєднується з необхідністю всебічного аналізу рухливості машини, навантаженості й кінематики руху елементів силової установки. При рішенні завдання синтезу повною мірою повинні бути досліджені як перехідні, так і сталі процеси в моторно-трансмісійній установці. У зв'язку з вищевказаним, актуальною є проблема комплексного аналізу в рамках однієї математичної моделі рухливості й внутрішньої динаміки елементів трансмісій транспортних засобів.

Необхідність аналізу й синтезу силових установок різної складності й структури, вимагає розробки універсальної, з погляду повноти врахування структурних ланок й опису процесів, що протікають, математичної моделі. Поряд із цим модель повинна зберігати необхідний ступінь адекватності реальному об'єкту. Розв’язання комплексу інженерних і дослідницьких проблем пов’язано з великим об’ємом обчислень, що робить актуальним розробку математичної моделі на сучасному рівні, розрахованому на застосування можливостей сучасної обчислювальної техніки.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до “Програми інноваційного розвитку КП ХКБМ ім. О.О.Морозова” та “Державною програмою розвитку озброєння й військової техніки до 2015р.”.

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є розробка методу параметричного синтезу механічних трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин на базі універсальної математичної моделі при застосуванні трансмісій у комплексі з автоматизованими системами керування рухом.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· розробити універсальну математичну модель моторно-трансмісійної установки гусеничної машини, що дозволяє проводити всебічний аналіз механічних трансмісій сучасних ШГМ, а також моделювати рух транспортного засобу на місцевості;

· виконати експериментальну перевірку адекватності розробленої комплексної математичної моделі реальному об'єкту;

· визначити критерій оптимальності набору механічних параметрів ступінчастої трансмісії та сформулювати завдання параметричного синтезу механічних трансмісій у вигляді задачі пошуку оптимуму;

· вирішити задачу параметричного синтезу на базі універсальної математичної моделі та дати рекомендації з удосконалення реального об'єкта.

Об'єктом дослідження є динамічні процеси, що протікають у механічних трансмісіях та визначають характеристики рухливості швидкохідних гусеничних машин.

Предметом дослідження є методи визначення оптимальних механічних параметрів ступінчастих трансмісій швидкохідних гусеничних машин за допомогою спеціально розробленої універсальної математичної моделі.

Методи дослідження, які застосовувалися в роботі:

· методи математичного моделювання моторно-трансмісійних установок у перехідних режимах роботи;

· методи математичного моделювання руху гусеничної машини на місцевості;

· методи математичного моделювання взаємодії елементів системи корпус - гусеничний рушій - ґрунт із застосуванням тягловозчіпних характеристик ґрунту;

· чисельні методи інтегрування систем звичайних диференціальних рівнянь із вибором кроку (метод Рунге-Кутта) рішення нелінійних рівнянь (метод дотичних);

· чисельні методи рішення задач умовної оптимізації (модифікований метод Ньютона з чисельними похідними).

Наукова новизна отриманих результатів:

· Одержало подальший розвиток моделювання силових установок гусеничних машин. Уперше розроблений універсальний метод моделювання, що відрізняється від існуючих повнотою врахування динамічних властивостей структурних ланок і точністю опису процесів. Метод дозволяє моделювати будь-які трансмісії та рух транспортного засобу в реальних умовах експлуатації.

· Формалізовано вимоги до структури передаточних чисел механічних трансмісій швидкохідних гусеничних машин за критерієм мінімуму функціонала часу розгону.

· Уперше розроблений розрахунковий метод параметричного синтезу на базі оптимізації процесу руху гусеничної машини.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи знайшли своє застосування в КП ХКБМ ім. О.О. Морозова. Здобувачем розроблений програмний комплекс “Dynamics” у якому реалізовані методи, викладені в дисертаційній роботі. Програмний комплекс успішно використовується в практиці розрахункового відділу КП ХКБМ. З його допомогою проведене настроювання сучасних автоматизованих систем керування швидкохідних гусеничних машин “Оплот”, “Аль-Халід” та “СААД”, проаналізована й допрацьована гідрооб'ємномеханічна трансмісія мотовоза. Дані рекомендації з удосконалення планетарної трансмісії швидкохідної гусеничної машини “Оплот” розробки КП ХКБМ ім. О.О.Морозова. Також результати дисертаційної роботи використовувалися в ХНТУСГ ім. П. Василенка при дослідженні елементів системи відбору потужності.

Внесок здобувача. Всі положення й результати, що виносяться на захист, наведені в роботах [1 - 6] і отримані автором самостійно. У роботі [1] описаний розроблений здобувачем метод параметричного синтезу механічних трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин на базі універсальної математичної моделі для випадку застосування трансмісій у комплексі з автоматизованими системами керування рухом. У роботах [2, 3] описана розроблена здобувачем універсальна математична модель гусеничної машини, за допомогою якої був проведений аналіз рухливості й маневреності різних гусеничних машин і були дані рекомендації з поліпшення системи керування рухом. У роботі [2] виконано порівняльний аналіз розрахункових й експериментальних даних, за результатами якого зроблено висновок про адекватність розробленої комплексної математичної моделі реальному об'єкту. У роботі [4] описана розроблена здобувачем математична модель силової взаємодії елементів системи двигун - трансмісія БТР 70М та проведено аналіз впливу нерівномірності роботи двигуна на динамічні навантаження елементів трансмісії. У роботі [5] описана розроблена здобувачем математична модель силової взаємодії елементів системи відбору потужності вітчизняних тракторів і проведений аналіз впливу процесу замикання муфти зчеплення на дієздатність валів системи відбору потужності.

Також здобувач розробив програмний комплекс “Dynamics”, у якому реалізовані основні положення дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були повідомлені й схвалені на засіданнях науково-технічної ради КП ХКБМ ім. О.О. Морозова (КП ХКБМ, Харків, 06.11.03, 09.02.06), науково-практичній конференції присвяченій 100-річчю від дня народження О.О. Морозова “Від танка Т-34 до сучасних зразків бронетанкової техніки”(КП ХКБМ, Харків, 2004), на міжнародній конференції, присвяченій 75-річчю ХНТУСГ ім. П. Василенко “Технічний сервіс в АПК” (ХНТУСГ, Харків, 2005), на міжнародній конференції “Технічний сервіс в АПК” (ХНТУСГ, Харків, 2006).

Публікації. За темою дисертації опубліковані 5 наукових статей у виданнях, які входять у Перелік ВАК України як спеціалізовані, а також 1 теза доповіді та 3 доповіді на конференціях.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів основного тексту, висновків; списку використаних літературних джерел, додатка. Повний об'єм роботи становить 134 сторінки, з них об'єм основного тексту 110 сторінок, 23 малюнка на 9 сторінках, 6 таблиць на 3 сторінках, 1 додаток на 2 сторінках, список використаних джерел з 110 найменувань на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, визначені мета й задачі дослідженя, наукова новизна й практичне значення отриманих результатів, дається загальна характеристика дисертації.

У першому розділі дисертаційної роботи виконано аналіз науково-технічної літератури за темою дисертації, визначені вимоги до сучасних трансмісій швидкохідних гусеничних машин, а також наведено огляд існуючих методів аналізу й вибору механічних параметрів ступінчастих трансмісій.

Швидкохідні гусеничні машини поєднують у собі швидкохідність, маневреність та високу прохідність. Висока прохідність забезпечується за рахунок гусеничного рушія й реалізованого тягового зусилля; гарна маневреність - за рахунок сучасних механізмів повороту й автоматизованих систем керування рухом; якість рухливості забезпечується: раціональним розподілом тягових зусиль по передачах, динамікою при перемиканні передач, динамікою руху на передачі, системою керування рухом. Більшою мірою реалізація цих якостей залежить від зв'язку двигун - трансмісія. Внаслідок цього існує два основних підходи поліпшення якостей ШГМ - це вдосконалення характеристик двигуна й оптимізація трансмісії за критерієм найкращої функціональності. Це дослідження присвячене розробці методу оптимізації параметрів трансмісії швидкохідних гусеничних машин.

При оптимізації параметрів будь-якого об'єкта необхідно мати цей об'єкт або його аналітичний еквівалент. Найбільш сучасними методами математичного моделювання моторно-трансмісійних установок ГМ вважаються матричні методи моделювання. Одним з таких методів є метод моделювання перехідних процесів у МТУ ГМ, запропонований ученими НДІ Трансмаш. Основу методу становить матрична математична модель (1) динаміки збуреного руху елементів трансмісії.

, | (1.1) (1)

де J – інерційна матриця, елементами якої є моменти інерції елементів трансмісії, приведені до узагальнених координат;

К - матриця кінематичних зв'язків між узагальненими координатами. Рядки кінематичної матриці являють собою рівняння руху залежних елементів, виражені через узагальнені координати;

- вектор-стовпець кутових прискорень узагальнених координат;

МР – вектор-стовпець реактивних моментів у кінематичних зв'язках;

М - вектор стовпець узагальнених крутних моментів наведених до мас, що відповідають узагальненим координатам;

А - матриця, що враховує структурний стан трансмісії.

Однак даний метод має недоліки, такі як необхідність формування вручну основної системи рівнянь, відсутність можливості заелементного аналізу трансмісії. Крім того, даний метод не дозволяє проводити статичний аналіз рухливості й маневреності гусеничних машин. З метою усунення зазначених недоліків на основі підходу, розробленого НДІ Трансмаш, була побудована нова математична модель.

Аналіз літератури показав, що в нинішній час вибір параметрів створюваної трансмісії або трансмісії яка модернізується ґрунтується на загальних статичних характеристиках транспортного засобу. Спектр перехідних процесів, який має місце при експлуатації, у цьому випадку не враховується. При сучасному підході необхідна розробка методів оптимізації трансмісій, які б ґрунтувалися на моделюванні реальних процесів, що протікають у трансмісіях транспортних засобів у процесі експлуатації.

У другому розділі описується концепція побудови модифікованої базової розрахункової динамічної моделі гусеничної машини. Ця математична модель охоплює всі типи моторно-трансмісійних установок (МТУ), до складу яких можуть входити: поршневий двигун, механічна або гідромеханічна трансмісії, керовані гідрооб'ємні передачі (ГОП), керовані фрикційні пристрої (ФУ).

Концепція побудови динамічної моделі трансмісії полягає в тому, що кожен елемент трансмісії представляється у вигляді зосередженої маси, яка характеризується моментом інерції. Для всіх інерційних мас системи записуються рівняння Лагранжа I-го роду, які розв’язуються разом з рівняннями постійних кінематичних і змінних зв'язків. Постійні кінематичні зв'язки утворюють диференціальний ряд, редуктор, жорсткий вал. Рівняння кінематичного зв'язку, утвореного диференціальним рядом має вигляд:

, | (1.2) (2)

де З, В, Э – кутові швидкості мас диференціального ряду, сонця, водила й епіциклу відповідно;

К - параметр диференціального ряду.

Рівняння зв'язку, утвореного редуктором:

, | (1.3) (3)

де 1, 2– кутові швидкості вхідного й вихідного валів редуктора;

u - передаточне відношення редукторного зв'язку.

Рівняння зв'язку, утвореної жорстким валом:

, | (1.4) (4)

де 1, 2 – кутові швидкості першої і другої інерційних мас.

До змінних зв'язків відносяться фрикційні пристрої, які можуть перебувати у двох структурних станах - замкнутому й розімкнутому. У замкнутому стані ФУ забезпечує кінематичний зв'язок двох мас системи. У розімкнутому стані ФУ діє на маси системи моментом тертя, що є функцією параметрів дисків тертя, коефіцієнта тертя й тиску в системі керування.

Робота двигуна моделюється прикладанням його ефективного крутного моменту до відповідної маси системи. Зовнішня моментна й гальмова моментна характеристики двигуна знаходяться шляхом апроксимації експериментальних даних поліномом 2-го порядку.

У математичну модель також включені моделі гідротрансформатора й гідрооб’ємної передачі, що дозволяє аналізувати не тільки механічні трансмісії.

Облік втрат в елементах трансмісії провадиться шляхом вирахування з узагальненої сили МА, що діє на масу, моменту силових втрат М и моменту холостих втрат МХП (5).

. | (1.5) (5)

Момент силових втрат у планетарному ряді визначається для двох зачеплень сонце - водило (6) і водило - епіцикл (7), що дозволяє розглядати рух мас планетарного ряду незалежно одна від одної.

, | (1.6) (6)

де МС – сумарний момент, що діє на масу сонця диференціального ряду;

СВ – КПД зачеплення сонце – водило;

С – частота обертання сонячної шестірні.

, | (1.7) (7)

де МЭ – сумарний момент, що діє на масу епіциклу;

ЭВ – КПД зачеплення епіцикл – водило;

Э – частота обертання епіциклу.

Таким чином, математична модель моторно-трансмісійної установки являє собою систему матричних рівнянь (8).

, | (1.8) (8)

де J - квадратна діагональна матриця моментів інерції елементів трансмісії;

В - матриця рівнянь постійних кінематичні зв'язки;

А - квадратна діагональна матриця коефіцієнтів (1 - );

МА - вектор узагальнених сил;

ВФ – матриця зв'язків, обумовлених замкнутими ФУ змінної структури.

Змінність структури забезпечується введенням структурного коефіцієнта , що дорівнює 1, якщо ФУ замкнутий, і дорівнює 0, якщо ФУ розімкнутий. З урахуванням даного коефіцієнта рівняння кінематичного зв'язку, накладеного замкнутим ФУ, має вигляд:

. (9)

В якості додаткових невідомих у систему (8) введені реактивні моменти замкнутих постійних МРП і змінних МРФ зв’язків.

При розрахунку перехідних процесів у МТУ використовується єдина для режимів прямолінійного руху й режимів повороту модель руху ГМ на рівній горизонтальній поверхні із заданими характеристиками ґрунту (рис. 1).

Нерухома система координат (U, V) використовується для визначення траєкторії руху БГМ. У якості незалежних координат приймаються Х, Y, Q. Похідні цих координат мають наступний фізичний зміст: – поточна швидкість ГМ у поздовжньому напрямку; – поточна швидкість ГМ у поперечному напрямку; – кутова швидкість повороту ГМ.

Сили тяги на лівій і правій гусениці визначаються за допомогою моделювання кінематичної й силової взаємодії МТУ з корпусом ГМ, що ґрунтується на застосуванні тяглово-зчіпних характеристик ґрунту, що дозволяє враховувати юз і буксування гусениць.

Рис. 1. Схема руху ГМ на місцевості.

VM -поточна швидкість руху машини;

F1, F2 – сили тяги на лівій і правій гусениці;

Д – дійсний радіус повороту;

FC – сила опору бічному зсуву;

МС – момент опору повороту.

При моделюванні динамічних режимів руху ГМ використовується параметрична система керування машиною зі зворотним зв'язком. Дана система дозволяє визначати момент перемикання передач нагору й униз залежно від частоти обертання вала двигуна, крім того, вона дозволяє втримувати машину на заданій траєкторії.

Оскільки вихідна математична модель трансмісії (8) є статично невизначеною, то при аналізі сталих режимів руху вихідна модель змінюється.

Рис. 2. Перетворення вихідної моделі трансмісії для проведення тягового розрахунку прямолінійного руху. | Рис. 3. Перетворення вихідної моделі трансмісії для проведення тягового розрахунку руху в повороті.

При аналізі тягових характеристик прямолінійного руху в модель додаються додаткові рівняння зв'язку ведучих коліс із закладенням. У результаті, приклавши відповідний крутний момент до маси двигуна, одержуємо розподіл реактивних моментів у зв’язках трансмісії. При цьому шуканим тяговим зусиллям на ведучому колесі буде реактивний момент у закладенні (рис. ).

У випадку аналізу тягових характеристик повороту ситуація зворотна: відомі навантаження на правому і лівому ведучих колесах, а невідомий необхідний для повороту момент двигуна. У такому випадку потрібно зафіксувати масу двигуна (рис. 3).

У третьому розділі виконана оцінка ступеня адекватності розробленої математичної моделі реальному об'єкту на підставі порівняння розрахункових даних й експериментів, проведених у КП ХКБМ.

У процесі конструкторсько-довідних випробувань ШГМ “Оплот” були визначені: мінімальний час розгону, частоти обертання вала двигуна при перемиканні передач “зверху - униз”, радіуси повороту машини залежно від кута повороту штурвала.

За допомогою програмного комплексу “Dynamics”, розробленого при виконанні дисертації, проведене моделювання режимів руху ШГМ, які були досліджені під час експериментів.

Рис. 4. Зміна швидкості руху в часі. | Рис. 5. Залежність частоти обертання валів двигуна від часу.

Результати порівняння розрахункових та експериментальних даних наведені на малюнках 4, 5 та у таблиці 1.

Порівняння експериментальних і розрахункових даних показало, що їхня середня розбіжність не перевищила 7% при погрішності експерименту не більше 9

Таблиця 1.

Порівняння розрахункових й експериментальних даних

Кут повороту штурвала, град | Радіус повороту, м

Експеримент | Розрахунок

14,57 | 17,59 | 17

21,64 | 11,47 | 12,3

Розроблена математична модель ГМ, маючи достатню точність, дозволяє моделювати різні режими руху ГМ, що, беручи до уваги дорожнечу натурних випробувань, значно скорочує вартість і час розробки нових і модернізації існуючих швидкохідних гусеничних машин.

Завдяки високій точності й повноті результатів, що отримуються за допомогою розробленої математичної моделі, стала можлива розробка на її базі методу параметричного синтезу механічних трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин.

Четвертий розділ присвячений рішенню задачі параметричного синтезу механічних трансмісій. Виконання цього завдання умовно розділено на три етапи: визначення критерію оптимальності набору параметрів; формування функціонала, що оптимізується; рішення задачі оптимізації.

Основною характеристикою ШГМ є рухливість, тому що вона залежить від найбільшого числа параметрів, які можна об'єднати у вигляді однієї вимоги - максимальної реалізації тягових можливостей двигуна. Найбільше повно тягові характеристики двигуна проявляються в процесі розгону машини. Інтегральним критерієм оптимальності реалізації тягових можливостей двигуна може служити час розгону машини до максимальної швидкості. Для доказу цього твердження розглянемо спрощене рівняння руху ГМ (10).

, (10)

де m – маса машини;

- прискорення центру мас;

FC – сила опору прямолінійному руху;

FT – сила тяги, яку можна визначити як:

, (11)

де MD – крутний момент двигуна;

iTP – передаточне число трансмісії;

RBK – радіус ведучого колеса.

Виразимо прискорення центра мас у кінцевих різностях:

, (12)

де - різниця швидкостей руху;

- часовий проміжок, за який реалізувалася різниця швидкостей.

Підставивши вирази (11) і (12) у формулу (10) і, перетворивши рівність, одержимо:

. (13)

У силу сталості величин , m, FC у рамках розглянутої задачі величина безпосередньо залежить від величини (). Таким чином, мінімум часу розгону , відповідає максимуму реалізованої тяги двигуна ().

Пряма мінімізація часу розгону може привести до неприпустимих, з погляду функціональності й працездатності ШГМ, рішень. Необхідне введення обмежень області зміни варійованих параметрів:

1. Забезпечення необхідної максимальної швидкості руху, або .

2. Забезпечення необхідної мінімальної швидкості руху (максимального тягового зусилля), або .

3. Забезпечення припустимого зниження частоти обертання вала двигуна при перемиканні передач, або .

4. Забезпечення припустимих частот обертання елементів трансмісії, або .

Мінімізація часу розгону, з урахуванням наведених обмежень, дозволяє синтезувати оптимальні механічні параметри трансмісії, забезпечивши при цьому необхідні функціональні якості машини й зберігши її працездатність. Таким чином, завдання параметричного синтезу зводиться до розвязання завдання умовної оптимізації (14):

. (14)

Одним з найбільш популярних методів рішення подібних задач, є метод штрафних функцій. У нашому випадку штрафні функції мають такий вигляд:

, (15)

, (16)

, (17)

. (18)

Штрафні функції (15) - (18) дозволяють сформулювати допоміжну функцію Т(х) (19), що може бути мінімізована методами безумовної оптимізації.

; (19)

де х – набір параметрів трансмісії;

Кi – коефіцієнти підсилення;

Т(х) - функціонал часу.

Час розгону машини до максимальної швидкості () визначається в результаті моделювання процесу розгону гусеничної машини. Контрольні величини швидкостей руху (V), частоти обертання елементів трансмісії (nДВ, nЭЛ) визначаються в результаті статичного розрахунку тягової характеристики прямолінійного руху. Таким чином, параметричний синтез механічних параметрів ступінчатих трансмісій є багатокритеріальною задачею оптимізації, при розв’язанні якої враховуються нелінійні характеристики процесу буксування ФУ, характеристики двигуна, особливості системи керування, інерційність мас трансмісії й т.і.

Задача параметричного синтезу було вирішено для трансмісії ШГМ “Оплот” розробки КП ХКБМ. ШГМ “Оплот” має дві бортові коробки передач, до складу яких входить 4 планетарних ряди й 6 фрикційних пристроїв, що забезпечують керування елементами трансмісії. Кінематична схема трансмісії (один борт) наведена на малюнку 6.

У якості варійованих параметрів обрані параметри диференціальних рядів Х = (К1, К2, К3, К4). Вихідний вектор варійованих параметрів має вигляд:

Х0 = (-1,1; -2; -4,57; -2,14). (20)

Були прийняті наступні обмеження: гранична частота обертання елементів трансмісії 10000 хв-1; зниження частоти обертання вала двигуна допускається до значення 1600 хв-1; максимальне відносне тягове зусилля 0,62, що відповідає швидкості 6,3 км/г при частоті обертання вала двигуна 1800 хв-1. Останнє обмеження визначається з умови забезпечення руху машини на підйомі 340, що є гранично можливим за умовою зчеплення гусениць із ґрунтом.

У результаті розвязання задачі параметричного синтезу були отримані наступні величини параметрів диференціальних рядів ХС = (-1,85; -1,8; -4,57; -4,3). При цьому час розгону до максимальної швидкості скоротився на 11% (таб. 2).

Рис. 6. Кінематична схема трансмісії БГМ “Оплот”.

Т, Ф - фрикційні пристрої (гальма й фрикціони відповідно);

ОД - основний двигун;

Реверс - бортова коробка передач, що забезпечує прямолінійний і реверсивний рух;

К1, К2, К3, К4 – параметри планетарних рядів;

Індекси 1 - 4 - порядкові номери диференціальних рядів.

Таблиця 2.

Порівняння часу розгону машин з вихідними й синтезованими параметрами диференціальних рядів |

Час розгону, с

до 30 км/год | до 60 км/год | до 70 км/год

Х0 | 7,84 | 41,9 | 66,5

ХС | 7,9 | 38,3 | 59,3

зміна | +0,7% | -8,7% | -10,8%

Порівняння вихідного й синтезованого варіантів показало, що в результаті оптимізації вектора варійованих параметрів отримане незначне збільшення часу розгону до швидкості 30 км/г, однак час розгону до швидкості 70 км/г скоротився на 11% (рис. 7).

Рис. 7. Розгінні характеристики вихідного й синтезованого варіантів.

Порівняльний аналіз тягових характеристик (див. рис. 8), відповідних вихідному (а) і синтезованому (b) варіанту, показав, що синтез механічних параметрів трансмісії привів до зсуву проміжних передач у напрямку підвищення швидкості, що забезпечило значні перекриття швидкостей на вищих передачах і розрідженість на нижчі. Внаслідок такого розподілу знизилися осідання частоти обертання колінчатих валів двигуна при перемиканні вищих передач (див. рис. 9, а й b). Так само розширився діапазон частот обертання вала двигуна, що використовується на нижчих передачах.

Рис. 8. Тягові характеристики вихідний варіант(a), синтезований варіант(b).

Рис. 9. Частота обертання вала двигуна вихідний варіант (a), синтезований варіант (b).

Поворот ШГМ “Оплот” здійснюється шляхом включення зниженої n-1 передачі на одному з бортів. Через скорочення розривів швидкісних діапазонів передач 3 - 4 й 4 - 5 синтезованого варіанту, поворот для цих передач пропонується здійснювати шляхом включення n-2 передачі. Порівняльний аналіз кінематичних радіусів вихідного й синтезованого варіанта машини показав поліпшення показників маневреності (рис.10).

Зсув швидкісних діапазонів вищих передач в напрямку збільшення швидкості привів до зростання кінематичних радіусів повороту машини на передачах 6 й 7, що дозволить більш повно використати діапазон зміни кута повороту штурвала й відповідно забезпечить плавне керування на високих швидкостях руху в порівнянні з вихідним варіантом.

Рис. 10. Зміна кінематичного радіуса повороту.

Позитивним ефектом синтезу механічних параметрів трансмісії ШГМ “Оплот” також можна вважати зменшення радіусів повороту на нижчих передачах (рис. 10).

У процесі розв’язання завдання параметричного синтезу величина частоти обертання сателітів першого планетарного ряду досягло гранично припустимого значення. Таким чином, для реалізації повного потенціалу МТУ ШГМ “Оплот” необхідна зміна схемного рішення трансмісії.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отриманий метод визначення оптимальних механічних параметрів ступінчастих трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин для випадку застосування їх у комплексі з автоматизованими системами керування рухом.

Основні наукові та практичні результати роботи і висновки, які випливають із них, полягають у наступному:

1. Аналіз сучасного стану проблеми синтезу трансмісій сучасних транспортних засобів показав, що методи параметричного синтезу успішно застосовуються при створенні складних деталей машин, настроюванні алгоритмів автоматизованих систем керування, при виборі розподілу передаточних чисел коробки передач колісної техніки й т.д. Однак питання визначення оптимальних механічних параметрів планетарних коробок передач швидкохідних гусеничних машин залишився не вирішеним, що говорить про актуальність розробки методів параметричної оптимізації планетарних коробок передач гусеничних машин.

2. Розроблена універсальна математична модель шасі гусеничної машини дозволяє вирішувати задачі аналізу кінематики та динаміки руху елементів трансмісії, а також робити аналіз рухливості та маневреності швидкохідної гусеничної машини. Дана математична модель відрізняється від існуючою повнотою обліку структурних елементів і докладністю опису динамічних процесів.

3. Запропонована математична модель навантаженого стану шасі гусеничної машини дозволяє в комплексі вирішувати завдання тягового розрахунку прямолінійного руху та повороту, моделювати розгін, гальмування й рух гусеничної машини в повороті.

4. Порівняльний аналіз експериментальних і розрахункових даних показав, що погрішність запропонованого математичного методу моделювання реальних динамічних процесів не перевищує 7%. Висока точність запропонованого математичного апарата дозволяє використати його при аналізі різних гусеничних машин на всіх стадіях проектування.

5. Запропонований критерій - функціонал часу розгону - дозволив розробити метод параметричного синтезу механічних параметрів ступінчастих трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин, що враховує не лінійність характеристик буксування фрикційних пристроїв та двигуна, а також особливості системи керування.

6. На прикладі швидкохідної гусеничної машини “Оплот” визначено, що використання даного методу дозволило скоротити час розгону на 11%, при цьому покращилася динаміка перемикання на вищих передачах і покращилися маневрені характеристики.

7. У результаті виконаного дослідження розроблено програмний комплекс “Dynamics”, в якому реалізовані методи моделювання різних режимів роботи елементів трансмісії, а також руху ГМ на місцевості, що дозволяє проводити оцінку характеристик розроблюваної машини на різних стадіях проектування без коштовних натурних випробувань. Програмний комплекс “Dynamics” був успішно використаний в КП ХКБМ ім. О.О. Морозова при розробці й доведенні автоматизованих систем керування ШГМ “Оплот”, “Аль-Халід” та “СААД”, а також при розробці гідрооб'ємномеханічної трансмісії мотовоза.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Толстолуцкий В.А., Бойко Н.Ф. Параметрический синтез механических параметров ступенчатых трансмиссий быстроходных гусеничных машин // Вісник НТУ “ХПІ”. Сб. наук. пр. Тематичний випуск “Автомобіле- та тракторобудування”. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2006. - №6. – С.64-70.

Здобувач розробив метод параметричного синтезу механічних трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин та дав рекомендації з вдосконалення планетарної трансмісій ШГМ “Оплот”.

2. Мущинский Ю.М., Толстолуцкий В.А. Использование математического моделирования для исследования подвижности гусеничных машин / Механика и машиностроение // Научно-технический журнал. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2004. - № 1. – С.171-174.

Здобувач розробив універсальну математичну модель гусеничної машини, за допомогою якої був проведений аналіз рухливості й маневреності та були дані рекомендації з вдосконалення системи керування рухом ШГМ “Оплот” та “СААД”, виконано порівняльний аналіз розрахункових й експериментальних даних.

3. Лебедев А.Т., Лебедев С.А., Толстолуцкий В.А. Увод гусеничного трактора с гидрообъемным механизмом поворота на пахотных работах // Вестник ХНТУСХ им. П. Василенко. Сб. научн. тр. Тематический выпуск “Механизация сельскохозяйственного производства”. – Харьков: ХНТУСХ – 2005. – Вып. 41. – С.37 – 43.

Здобувач розробив математичну модель гідрооб'ємномеханічного механізму повороту трактору ХТЗ - 200, за допомогою якої виконав дослідження факторів, що впливають на відведення трактора.

4. Мущинский Ю.М., Толстолуцкий В.А. Исследование динамических нагрузок в трансмиссии БТР – 70М при пуске двигателя // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. научн. тр. Тематический выпуск “Колесные и гусеничные машины специального назначения”. – Харьков: НТУ “ХПИ” – 2003. – №28. – С.3-9.

Здобувач розробив математичну модель силової взаємодії елементів системи двигун - трансмісія БТР 70М та провів аналіз впливу нерівномірності роботи двигуна на динамічні навантаження елементів трансмісії.

5. Антощенков В.Н., Артемов Н.П., Шевченко И.А., Толстолуцкий В.А. Анализ работоспособности вала отбора мощности // Вестник ХНТУСХ им. П. Василенко. Сб. научн. тр. Тематический выпуск “Технический сервис АПК, техника и технология в сельскохозяйственном машиностроении”. - Харьков: ХНТУСХ. – 2005. – Вып. 39 – С.96-100.

Здобувач розробив математичну модель силової взаємодії елементів системи відбору потужності вітчизняних тракторів та провів аналіз впливу процесу замикання муфти зчеплення на дієздатність валів системи відбору потужності.

6. Толстолуцкий В.А. Оценка подвижности гусеничных машин // Международный форум молодежи “Молодежь и сельскохозяйственная техника в 21 веке”. Сборник материалов форума. – Харьков: ХНТУСХ. – 2005. – С.11-12.

АНОТАЦІЯ

Толстолуцький В. О. Аналіз і параметричний синтез механічних трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.02 - Автомобілі та трактори. - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2007.

Дисертація присвячена питанням підвищення характеристик рухливості сучасних швидкохідних гусеничних машин шляхом оптимізації набору механічних параметрів трансмісії - параметричного синтезу.

У дисертації розроблена універсальна математична модель, яка забезпечує можливість всебічного аналізу механічних трансмісій сучасних ШГМ, рухливості й маневреності гусеничних машин у перехідних і стаціонарних режимах роботи. Визначено критерій оптимальності набору механічних параметрів ступінчастої трансмісії для швидкохідних гусеничних машин та сформульовано завдання параметричного синтезу механічних трансмісій у вигляді завдання умовної оптимізації. Розроблено метод параметричного синтезу механічних трансмісій сучасних швидкохідних гусеничних машин на базі універсальної математичної моделі.

Наведено реалізацію методу параметричного синтезу механічних трансмісій сучасних ШГМ на прикладі ШГМ “Оплот”. Застосування запропонованого методу дозволило зменшити час розгону до максимальної швидкості, знизити осідання частоти обертання валів двигуна при перемиканнях передач, збільшити діапазон частот обертання валів двигуна на нижчих передачах, покращити характеристики маневреності.

Ключові слова: математична модель, механічна трансмісія, параметричний синтез, гусеничні машини, рухливість, маневреність.

АННОТАЦИЯ

Толстолуцкий В.А. Анализ и параметрический синтез механических трансмиссий современных быстроходных гусеничных машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 - Автомобили и трактора. – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена вопросам повышения характеристик подвижности современных быстроходных гусеничных машин (БГМ) путем оптимизации набора механических параметров трансмиссии – параметрического синтеза.

В диссертации разработана универсальная математическая модель, объединяющая модели моторно-трансмиссионной установки гусеничной машины (ГМ), движения ГМ на местности и взаимодействия корпуса ГМ с грунтом через систему “движитель – грунт” с использованием тяговосцепных характеристик грунта. Модель обеспечивает возможность всестороннего анализа механических трансмиссий современных ГМ, подвижности и маневренности гусеничных машин в переходных (динамических) и стационарных (установившихся) режимах работы.

Проведена проверка адекватности разработанной комплексной математической модели реальному объекту при помощи сравнительного анализа данных, полученных экспериментальным путем и в результате моделирования соответствующих режимов движения. Сравнительный анализ проводился для быстроходной гусеничной машины “Оплот” разработки КП ХКБМ им. А.А. Морозова. Проведенный анализ показал, что расхождение экспериментальных и расчетных характеристик разгона и торможения двигателем не превышает точности данных полученных опытным путем. Расхождение радиусов поворота, полученных экспериментальным и расчетным путем, не превышает 7%. Разработанная математическая модель ГМ обладает достаточной точностью и позволяет моделировать различные режимы движения ГМ, что, принимая во внимание дороговизну натурных испытаний, значительно сокращает стоимость и время разработки новых ГМ и модернизации существующих.

Доказано что, интегральным критерием качества оптимальности набора механических параметров ступенчатой трансмиссии для быстроходных гусеничных машин с автоматизированными системами управления движением может служить время разгона до максимальной скорости. На базе этого утверждения сформулирована задача параметрического синтеза механических трансмиссий в виде задачи условной оптимизации. В качестве дополнительных условий, ограничивающих область изменения варьируемых параметров, в задачу оптимизации механических параметров трансмиссии БГМ включены требования, которые предъявляются к максимальной и минимальной скоростям движения машины, максимальной частоте вращения элементов трансмиссии и минимальной частоте вращения вала двигателя. Такой подход к решению задачи параметрического синтеза позволит использовать полученные результаты без дополнительных инженерно-расчетных мероприятий по доводке трансмиссии.

Разработан метод параметрического синтеза механических трансмиссий современных быстроходных гусеничных машин, который основывается на моделировании реального динамического процесса разгона гусеничной машины. Моделирование разгона ГМ производится с помощью предложенной в диссертации универсальной математической модели. Разработанный метод параметрического синтеза механических параметров ступенчатых трансмиссий является многокритериальной задачей оптимизации, при решении которой учитываются нелинейные характеристики процесса буксования фрикционных устройств, характеристики двигателя, особенности системы управления, инерционность масс трансмиссии и т.д.

Реализация метода параметрического синтеза механических трансмиссий современных БГМ рассмотрена на примере быстроходной гусеничной машины “Оплот”. Проведен сравнительный анализ характеристик исходной машины и машины с синтезированными параметрами. По отношению к исходной машине у БГМ с синтезированными параметрами уменьшилось время разгона до максимальной скорости, снизились просадки частоты вращения валов двигателя при переключениях высших передач, увеличился используемый диапазон частот вращения валов двигателя на низших передачах. Смещение скоростных диапазонов высших передач в сторону увеличения привело к возрастанию кинематических радиусов поворота машины на высших передачах и уменьшению радиусов поворота машины на низших передачах. Такое распределение радиусов поворота позволит более полно использовать диапазон изменения угла поворота штурвала и, соответственно, обеспечит наиболее плавное управление ГМ.

В результате выполненного исследования разработан программный комплекс “Dynamics”, в котором реализованы методы моделирования различных режимов работы элементов трансмиссии и движения ГМ на местности. Программный комплекс позволяет проводить оценку характеристик разрабатываемой машины на разных стадиях проектирования без дорогостоящих натурных испытаний. Программный комплекс “Dynamics” был успешно использован в КП ХКБМ им. А.А. Морозова при разработке и доведении автоматизированных систем управления БГМ “Оплот”, “Аль-Халид” и “СААД”, а также при разработке гидрообъемномеханической трансмиссии мотовоза.

Ключевые слова: математическая модель, механическая трансмиссия, параметрический синтез, гусеничные машины, подвижность, маневренность.

ABSTRACT

Tolstolutskiy V.A. Analysis and parametric synthesis of the mechanical transmission of modern fast tracked vehicles. – Manuscript.

Thesis to obtain scientific degree of candidate of science on the profession 05.22.02 - Automobiles and tractors. – Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, 2007.

The Thesis deals with questions of mobility characteristics increasing of the modern fast tracked vehicles (FTV) by optimization of the set of transmission mechanical properties – of parametric synthesis.

The universal mathematical model of FTV is designed, this model provides possibility of all-round analysis of mechanical transmission, mobility and maneuverability of the tracked vehicles at dynamic and stationary conditions of operation. The criterion of mechanical parameters optimality for step-like transmission of fast tracked vehicles with automated motion control system. The problem of the parametric synthesis of mechanical transmissions is formulated as a problem of conditional optimization. The method of parametric synthesis of mechanical transmissions of modern fast tracked vehicles is developed on the base of universal mathematical model.

Realization of the method of parametric synthesis of mechanical transmissions of modern TV is presented on the example of FTV ”Oplot”, designed at Kharkiv Morozov Machine Building Design Bureau is carried out. The use of proposed method has allowed to reduce the acceleration time to maximum velocity, to reduce the falls of engine rotation frequency for high transfer, increase the used range of rotational speeds of engine shafts on lower transmissions, enhance the characteristics of maneuverability.

Key words: mathematical model, mechanical transmission, parametric synthesis, tracked vehicles, mobility, maneuverability.