Оценка динамической поворотливости колесной машины 8Х8 с комплексной системой управления поворотом

Котиев Г.О., д.т.н., проф. / Чернышев Н.В., асс. / Горелов В.А., к.т.н., доц. МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 629.11.012

Эффективность колёсной машины (КМ) зависит от её подвижности, которая определяется совокупностью взаимосвязанных факторов, одним из которых является поворотливость [1, стр. 3]. Как известно, поворотливость — свойство машины совершать повороты с максимальной кривизной на дороге и местности [3, стр. 88]. Для проведения анализа поворотливость целесообразно разделить на статическую и динамическую [4, стр. 19]. Одним из основных критериев статической поворотливости является максимальная кривизна поворота. Обеспечить большую кривизну можно использованием бортового поворота, то есть изменением соотношения скоростей вращения колёс разных бортов. Кроме этого, такая система позволяет увеличить полезный объём, который освобождается за счёт отсутствия поворачиваемых колёс. Это имеет особенное значение для боевых колёсных машин с целью обеспечения большого башенного погона и увеличения внутреннего пространства [1, стр. 237]. Примером является французская боевая колёсная машина AMX-10RC, стоящая на вооружении во Франции, странах Азии и Африки (см. рис. 1).


Рисунок 1. Боевая колёсная машина AMX-10RC.

Ещё одним достоинством использования бортового поворота является унификация узлов трансмиссии с гусеничной машиной для построения унифицированных семейств. Так в AMX-10RC используется общая с БМП AMX-10Р моторно-трансмиссионная установка (МТУ).

Одними из недостатков бортового поворота колёсной машины являются высокие затраты мощности на его выполнение и износ движителей, поэтому существуют образцы техники, в которых используется комбинированная система управления поворотом: изменением угла поворота управляемых колёс и изменением соотношения скоростей вращения колёс разных бортов. Такая система является компромиссным решением. Например, автомобиль AHED компании General Dynamics UK (рис. 2) имеет управляемые колёса двух передних осей, а реализация электромоторколёс позволяет выполнять бортовой поворот.


Рисунок 2. Бронированный автомобиль AHED

На вооружении армии РФ стоит БТР-90 с бортовой раздачей мощности (рис. 3), который оборудован комбинированной системой управления поворотом, состоящей из управляемых колёс 2-х передних осей и гидрообъёмного механизма поворота (ГОМП). В настоящее время ГОМП используется только для выполнения поворота с максимальной кривизной на малых скоростях. Кроме повышения статической поворотливости, внедрением в эту систему алгоритмов динамической стабилизации можно добиться повышения динамической поворотливости КМ, то есть способности машины к поворотам при движении с высокими скоростями [4, стр.19]. В данной статье рассматривается система управления поворотом КМ 8х8 с управляемыми колёсами двух передних осей, в которой гидрообъёмный механизм поворота используется как элемент системы динамической стабилизации. Далее эту систему будем называть комплексной системой управления поворотом (КСУП). Для сравнения предложенной системы с другими разработан метод оценки динамической поворотливости колёсной машины с различными системами управления поворотом, основанный на использовании методов статистической динамики и имитационного моделирования.


Рисунок 3. Бронетранспортёр БТР-90

Показателем качества работы КСУП является стремление фактической кривизны к кривизне, задаваемой водителем:


Задаваемая кривизна связана с кинематическим радиусом, который определяется положением рулевого колеса и зависит от конструкции рулевого управления:


Фактическую кривизну с точностью, достаточной для реализации алгоритма динамической стабилизации посредством КСУП, заменим на расчётную кривизну, которая определяется по формуле:


где wz — угловая скорость КМ относительно вертикальной оси, определяемая гироскопическим датчиком угловой скорости; Vc — поступательная скорость центра масс машины, которая определяется по частоте вращения выходного вала главной передачи, измеряемой индуктивным датчиком.

При работе КСУП положение регулировочной шайбы, которая определяет значение относительного рабочего объёма насоса ГОМП, задаётся так, чтобы обеспечить минимальную разницу между указанными кривизнами. Динамическая поворотливость характеризуется степенью снижения средней скорости машины из-за встречающихся на пути поворотов [4, стр. 19]. Снижение средней скорости вызвано опасностью заноса машины, поэтому сравнить динамическую поворотливость машины с различными системами управления поворотом можно по средней технической скорости, ограниченной заносом. Средняя техническая скорость — это реальная скорость машины в заданных условиях при идеальном безошибочном управлении или управлении идеальным водителем [2, стр. 11]. Средняя скорость криволинейного движения, ограниченная заносом, зависит от распределения кривизны пути ~kд движения КМ. Установлено, что при движении по дорогам и местности Европейской территории РФ, распределение ~kд подчиняется нормальному закону [2, стр. 101]:


Поскольку для оценки средней скорости направление поворота не имеет значения, её следует проводить по абсолютному значению дорожной кривизны ~ kд. Тогда плотность распределения вероятностей абсолютных значений описывается следующей зависимостью:


Для получения средней технической скорости, ограниченной заносом, необходимо получить функцию максимальной кривизны пути, ограниченной заносом, от скорости движения КМ, kд = kд (V).

Для построения функции используется разработанная математическая модель КМ 8х8 (см. журнал ААИ №2 (55) 2009). В процессе имитационного моделирования определяются параметры установившегося криволинейного движения КМ. В процессе теоретических исследований была проведена оценка динамической поворотливости КМ с тремя различными системами управления поворотом:

1) система управления поворотом с помощью изменения угла поворота управляемых колёс 2-х передних осей;

2) система бортового поворота с системой динамической стабилизации, которая работает по описанному выше закону, где задаваемая кривизна определяется положением штурвала;

3) комплексная система управления поворотом КСУП.

Расчёты были проведены для криволинейного движения по двум типам опорного основания: с высокими и низкими сцепными свойствами. Коэффициенты взаимодействия колёсного движителя с опорной поверхностью при полном скольжении соответственно равны 0,6 и 0,3 и не зависят от направления скольжения пятна контакта.

Алгоритм расчёта характеристик криволинейного движения КМ с использованием имитационного математического моделирования отличался для системы управления поворотом с управляемыми колёсами и для систем, которые используют алгоритм динамической стабилизации. Для КМ с системой поворота с управляемыми колёсами определялась зависимость кривизны поворота от скорости для всех значений углов поворота колёс с шагом 1° от минимального значения в 5°, который соответствует скорости 100 км/ч, до максимального 35°, который ограничен конструкцией автомобиля. Кинематическая взаимосвязь углов поворота управляемых колёс во всех системах обеспечивала минимальное скольжение неуправляемых колёс при любой кривизне поворота. Определялись предельные значения кривизны поворота и скорости для установившегося движения, по которым далее строилась функция максимальной кривизны, ограниченной заносом, от скорости КМ. Для КМ с системами управления поворотом, которые используют алгоритм динамической стабилизации, определялась максимальная скорость установившегося криволинейного движения с заданной кривизной. Диапазон изменения кривизны определялся диапазоном, который можно обеспечить с помощью поворота управляемых колёс.

На рисунках 4 и 5 представлены полученные функции и зависимость кривизны поворота от критической скорости по сцеплению, которая ограничивается только параметрами взаимодействия колёс с опорным основанием.


Рисунок 4. Функция максимальной кривизны, ограниченной заносом, от скорости при криволинейном движении по основанию с высокими сцепными свойствами.


Рисунок 5. Функция максимальной кривизны, ограниченной заносом, от скорости при криволинейном движении по основанию с низкими сцепными свойствами.

Анализ выполненных расчётов позволяет сделать вывод о том, что КМ 8х8, оборудованная системой бортового поворота с динамической стабилизацией или КСУП, на малых и средних скоростях может поворачивать с большой кривизной. При этом на основаниях с высокими сцепными свойствами преимущество систем управления поворотом с динамической стабилизацией по сравнению с системой управления поворотом с управляемыми колёса двух передних осей возрастает.

Если известна плотность распределения вероятностей абсолютных значений дорожной кривизны по пути, то через функцию распределения вероятностей значения дорожной кривизны, которая определяется как интеграл плотности распределения


и функцию максимальной кривизны поворота от скорости движения kд = kд (V), можно перейти к функции быстроходности по пути, которая является функцией распределения вероятности того события, что значение скорости будет больше заданной. Так как скорость движения ограничивается заносом КМ, то функция распределения вероятности ее значения будет называться функцией быстроходности по заносу,


Графически описанное преобразование показано на рисунке 6.


Рисунок 6. Графическое построение функции быстроходности.

По полученной функции быстроходности по заносу можно определить плотность распределения вероятностей скорости ws(V) = – dF(V) / dV [2, стр. 18] и определить среднюю техническую скорость, ограниченную заносом:


Минимальное значение скорости Vmin (15 км/ч и 20 км/ч для движения по опорному основанию с низкими и высокими сцепными свойствами соответственно) определялось по максимальной кривизне поворота, которую можно получить на КМ 8х8 с помощью системы управления поворотом с управляемыми колёсами двух передних осей. Максимальное значение скорости Vmax (65 км/ч и 95 км/ч для движения по опорному основанию с низкими и высокими сцепными свойствами соответственно) ограничивалось сцепными свойствами основания или техническими характеристиками БТР-90. Результаты вычислений средней технической скорости КМ с различными системами управления поворотом на различных основаниях и с различным распределением дорожной кривизны представлены в таблицах 1 и 2.



Сравнение различных систем управления поворотом показало возможность повышения средней технической скорости, ограниченной заносом КМ, использованием КСУП. С увеличением сцепных свойств взаимодействия колеса с опорным основанием и кривизны выполняемого манёвра, увеличивается преимущество по технической скорости выполнения манёвра колёсной машины с КСУП по сравнению с другими системами управления поворотом. Применение предложенной системы позволяет увеличить среднюю техническую скорость, ограниченную заносом, на 10% по сравнению с поворотом управляемыми колёсами на основании с высокими сцепными свойствами при среднеквадратичном отклонении кривизны бk = 0,08 м-1. На основании этого можно сделать вывод, что применение КСУП целесообразно для повышения поворотливости КМ 8х8 с передними управляемыми колёсами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Антонов Д.А., Беспалов С.И., Лазаренко В.П., Маковей В.С., Тимофеев В.Д., Шишкин В.А. Теория движения боевых колесных машин. — М.: Издание академии бронетанковых войск, 1993. — 385 с.

2. Дмитриев А.А., Савочкин В.А. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин. — М.: Машиностроение, 1993. — 320 с.

3. Смирнов Г.А. Теория движения колёсных машин: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов. — 2-е изд. доп. и перераб. — М.: Машиностроение, 1990 — 352 с.: ил.

4. Фаробин Я.Е. Теория поворота транспортных машин. — М.: Машиностроение, 1970. –176 с.

Оценка динамической поворотливости колесной машины 8Х8 с комплексной системой управления поворотом

Котиев Г.О., д.т.н., проф., Чернышев Н.В., Горелов В.А., к.т.н., МГТУ им. Н.Э. Баумана

В статье приведено описание комплексной системы управления поворотом колёсной машины 8x8 с управляемыми колёсами передних осей и гидрообъёмным механизмом поворота. П редставлен метод оценки динамической поворотливости машины с различными системами управления поворотом, основанный на использовании методов статистической динамики и имитационного математического моделирования.

EVALUATION OF DYNAMIC TURNING ABILITY OF 8Х8 VEHICLE WITH COMPLEX STEERING SYSTEM

Kotiev G., PhD, Prof., Chernyshev N., Gorelov V., Dr., Moscow State Technical University n.a. N.E. Baumana (MSTU)

The paper describes new complex steering system of 8x8 vehicle, which uses two front axles kinematic steering and hydrostatic steering system. Dynamic turning ability evaluation method, based on statistic dynamics and mathematical simulating, is also represented.