СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛАМИ МНОГОПРИВОДНЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН
METHOD OF CONTROLLING DIFFERENTIALS OF MULTI-DRIVE WHEELED VEHICLES

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам управления блокировками дифференциалов многоприводных колесных машин. Может быть использовано при проектировании систем регулирования тяговых усилий на ведущих колесах многоприводных машин, а также при проведении исследований и испытаний колесных машин.
Известны способы управления режимами работы дифференциалов, заключающиеся в блокировании дифференциалов при достижении рассогласований кинематических параметров, в частности частот вращения элементов привода, связываемых этими дифференциалами ведущих колес на определенные промежутки времени [Ванцевич В.В., Высоцкий М.С., Гилелес Л.Х. Мобильные транспортные машины: Взаимодействие со средой функционирования. - Минск: Беларуская навука, 1998. - 303 с.].
Данный способ реализован в конструкции электронной системы распределения тяговых усилий «Авто-Лок» фирмы ”International” [Disel and Turbine Progress. New Axle Lock System and Front Driving Axle. 1979. 21 p.] с управлением режимом работы межосевого дифференциала. Он позволяет исключить пробуксовку отдельных мостов многоприводных колесных машин при плохих погодных и неблагоприятных сцепных условиях и в результате повысить их проходимость и тягово-скоростные свойства.
Недостатком данного способа является то, что он не учитывает влияние блокировки дифференциалов на управляемость машины, которое при криволинейном движении многоприводной колесной машины может быть значительным. В результате реализация данного способа при криволинейном движении может существенным образом ухудшить управляемость и активную безопасность колесной машины.
Известен также способ управления дифференциалами многоприводных колесных машин, заключающийся в блокировании дифференциалов на определенные промежутки времени при достижении пороговых значений рассогласований кинематических параметров связываемых этими дифференциалами ведущих колес, разблокировании дифференциалов по истечении определенных промежутков времени их блокировки или разблокировании одновременно всех при достижении порогового значения показателя управляемости [Ванцевич В.В., Высоцкий М.С., Закревский А. Д. Управление дифференциалами многоприводных колесных машин / Научный центр проблем механики машин Академии наук Беларуси. - Минск, 1994. - 22 с.].
Данный способ управления дифференциалами позволяет исключить пробуксовку отдельных мостов и колес многоприводных колесных машин при плохих погодных и неблагоприятных дорожно-сцепных условиях с целью повышения их проходимости и тягово-скоростных свойств и обеспечить удовлетворительную управляемость, характеризуемую пороговым значением ее показателя.
Недостатком этого способа является узкий рабочий диапазон системы регулирования тяговых усилий, ограничиваемый условиями обеспечения удовлетворительной управляемости многоприводной колесной машины.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ управления дифференциалами многоприводных колесных машин, заключающийся в блокировании дифференциалов на определенные промежутки времени при достижении пороговых значений рассогласований кинематических параметров связываемых ими ведущих колес и разблокировании дифференциалов по истечении определенных промежутков времени или при достижении порогового значения показателя управляемости. Причем разблокирование дифференциалов при достижении порогового значения показателя управляемости осуществляют индивидуально в последовательности, определяемой влиянием блокировки дифференциала на управляемость колесной машины, начиная с межтележечного дифференциала, блокировка которого оказывает наибольшее влияние на управляемость колесной машины [Высоцкий М.С., Дубовик Д.А., Белоус М.М., Лабецкий Л.Н., Чернин М.А. Патент 10163, МПК В60К 17/16, В60К 17/34, F16H 48/00, 2006]. Данный способ принят в качестве прототипа.
Недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой эффективности ходовых систем многоприводных колесных машин вследствие наличия раздельного буксования ведущих колес многоприводных колесных машин.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности ходовых систем многоприводных колесных машин при движении в плохих погодных и неблагоприятных дорожно-сцепных условиях за счет превентивного управления приводом ведущих мостов и колес для устранения раздельного буксования колес вторых и последующих ведущих мостов и тележек.
Решение поставленной задачи достигается в способе управления дифференциалами многоприводных колесных машин, заключающемся в блокировании дифференциалов на определенные промежутки времени при достижении пороговых значений рассогласований кинематических параметров связываемых ими ведущих колес и разблокировании дифференциалов по истечении определенных промежутков времени или при достижении порогового значения показателя управляемости, разблокирование дифференциалов при достижении порогового значения показателя управляемости осуществляют индивидуально в последовательности, определяемой влиянием блокировки дифференциала на управляемость колесной машины, начиная с межтележечного дифференциала, блокировка которого оказывает наибольшее влияние на управляемость колесной машины, причем согласно техническому решению, при блокировании дифференциалов первых ведущих моста и тележки осуществляют блокирование дифференциалов второго и последующего ведущих мостов и тележки по истечении некоторых промежутков времени, не превышающих отношения расстояния от первого ведущего моста до соответствующих второго или последующих ведущих мостов к скорости движения многоприводной колесной машины.
Заявляемый способ позволяет повысить эффективность ходовых систем многоприводных колесных машин за счет упреждающего управления дифференциалами второго и последующих ведущих мостов и тележек при движении в плохих погодных и неблагоприятных дорожно-сцепных условиях.
Пример реализации способа. Заявляемый способ оценивался расчетным методом в качестве алгоритма функционирования системы регулирования тяговых усилий внедорожной колесной машины МЗКТ-79091 полной массой 43,5 т с колесной формулой 8×8 и шинами 1500×600-635, построенной на управлении межколесными и межосевыми дифференциалами привода ведущих мостов и колес.
Для компьютерного моделирования движения внедорожной машины МЗКТ-79091 составлялась математическая модель движения колесной машины 8×8 с использованием уравнений Аппеля [Ванцевич В.В., Высоцкий М.С., Дубовик Д.А. Управление динамикой криволинейного движения колесных машин // Весцi НАН Беларусi Сер. фiз.-тэхн. навук. - 2001. - №3. - С.123-128.].
Моделирование движения осуществлялось по наиболее вероятной для движения внедорожных колесных машин грунтовой опорной поверхности в удовлетворительном состоянии (с коэффициентом сцепления ведущих колес с опорной поверхностью 0,6 и коэффициентом сопротивления качению колес 0,03) [Платонов В.Ф. Полноприводные автомобили. - 2-е изд., переработ., и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.] со скоростью 1 м/с.
В качестве участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями для оценки эффективности предлагаемого способа принимался участок опорной поверхности с уменьшенными значениями коэффициента сцепления ведущих колес с опорной поверхностью с 0,6 до 0,1. Для оценки эффективности заявляемого способа размеры участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями принимались под колесами одного борта и меньшими, чем минимальное расстояние между ведущими мостами внедорожной машины МЗКТ-79091. Последнее соответствует расстоянию между первым и вторым мостом и третьим и четвертым мостом внедорожной машины МЗКТ-79091 и равняется 2,2 м.
Для изменения значений коэффициента сцепления использовалась следующая нелинейная зависимость:
где φ - текущее значение коэффициента сцепления ведущих колес с опорной поверхностью;
0
φ - математическое ожидание коэффициента сцепления ведущих колес с грунтовой опорной поверхностью удовлетворительного состояния;
Δφ - величина изменения коэффициента сцепления ведущих колес с опорной поверхностью;
-1
Т - параметр, характеризующий размер участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями, с;
t - время движения колесной машины по участку опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями, с.
Для сравнительной оценки эффективности предлагаемого способа осуществлялось моделирование трех колесных машин с одними и теми же массовыми, геометрическими и другими параметрами, близкими к параметрам внедорожной машины МЗКТ-79091, но с различным приводом ведущих колес. В машине 1 моделировался простой симметричный дифференциальный привод ведущих колес. В машине 2 моделировался простой симметричный дифференциальный привод ведущих колес с управлением дифференциалами в соответствии со способом, принятым в качестве прототипа. В машине 3 моделировался простой симметричный дифференциальный привод ведущих колес с управлением дифференциалами в соответствии с заявляемым способом.
На фиг.1-3 приведены графические зависимости коэффициентов буксований ведущих колес машин 1, 2, 3, соответственно, от времени движения по опорным поверхностям удовлетворительного состояния с участком с плохими дорожно-сцепными условиями.
На фиг.4-6 приведены графические зависимости показателя эффективности ходовых систем машин 1, 2, 3, соответственно, от времени движения по опорным поверхностям удовлетворительного состояния с участком с плохими дорожно-сцепными условиями.
В качестве показателя эффективности ходовой системы многоприводной колесной машины использовался следующий количественный показатель, по своей структуре соответствующий требованиям, предъявляемым к коэффициентам полезного действия:
rsα
где η - показатель эффективности ходовых систем колесных машин [Высоцкий М.С., Дубовик Д.А. Коэффициент полезного действия ходовых систем колесных машин // Доклады НАН Беларуси. - 2007. - Т. 51, №2. - С.91-94.];
kα
N - мощность, расходуемая ходовой системой на осуществление
движения машины в направлении, задаваемом водителем поворотом рулевого колеса, Вт;
k
N - мощность, передаваемая ходовой системе, Вт;
kαir
kαil
N и N - мощность, расходуемая соответственно левым и
правым колесами i-го моста на осуществление движения машины в направлении, задаваемом водителем поворотом рулевого колеса (знаки r и l относятся соответственно к правому и левому колесу моста), Вт;
kir
kil
N и N - мощность, подведенная соответственно к левому и правому колесу i-го моста, Вт;
n - число ведущих мостов колесной машины.
Анализ зависимостей на фиг.1 показывает, что при движении многоприводной колесной машины 1 с простым симметричным дифференциальным приводом по участку опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями происходит раздельное буксование ведущих колес. Значения коэффициентов буксований ведущих колес машины 1 изменяются со значений, равных 0,0124…0,0134, при движении по грунтовой опорной поверхности удовлетворительного состояния до значений 0,099…0,1096 при прохождении участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями. Наибольшее увеличение значений коэффициентов буксований соответствуют колесам первого и второго ведущих мостов с меньшей нормальной нагрузкой.
Изменения коэффициентов буксований ведущих колес машины 2 показаны на фиг.2. Из фиг.2 следует, что раздельное буксование ведущих колес у многоприводной колесной машины с управлением дифференциалами в соответствии со способом, принятым в качестве прототипа, ограничивается пороговым значением, задаваемым в программном обеспечении электронного блока управления системы регулирования тягового усилия. В настоящем примере, в качестве порогового значения принималась величина отношения буксований колес ведущих мостов, численно равная 4,62.
При достижении пороговых значений рассогласований кинематических параметров (скоростей вращения или др.) колес ведущих мостов происходит блокирование межколесного дифференциального привода и реализация в дальнейшем в течение заданных промежутков времени блокированного привода ведущих колес. При этом значения коэффициентов буксования ведущих колес, движущихся по участку опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями, увеличиваются более чем на 0,048 и достигает диапазона значений 0,06…0,062. В результате блокирования межколесного привода при достижении пороговых значений отношения буксований устраняется раздельное буксование колес, что положительным образом сказывается на повышении опорной проходимости и тягово-скоростных свойств внедорожных машин.
Зависимости на фиг.3 свидетельствуют о том, что у машины 3 с управлением дифференциалами в соответствии с заявляемым способом раздельное буксование реализуется при прохождении участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями только ведущими колесами первого моста. При достижении порогового значения рассогласования кинематических параметров (отношения буксований, равного 4,62) происходит блокирование привода колес первого ведущего моста и ограничение увеличения коэффициентов буксования ведущих колес свыше диапазона значений 0,06…0,062. При этом, по истечении промежутков времени, не превышающих отношения расстояния от первого ведущего моста до соответствующих второго или последующих ведущих мостов к скорости движения многоприводной колесной машины, также осуществляется блокирование дифференциалов второго и последующих ведущих мостов. В настоящем примере промежутки времени для блокирования дифференциалов второго, третьего и четвертого мостов внедорожной машины МЗКТ-79091 после блокирования дифференциала первого моста определялись по следующей формуле:
i
где t - промежуток времени для блокирования дифференциалов
2
3
4
второго, третьего и четвертого мостов внедорожной машины МЗКТ-79091 после блокирования дифференциала первого моста (t=0,2 с; t=3,5 с; t=5,7 с), с;
i
2
3
4
l - расстояние от первого моста до второго, третьего и четвертого мостов внедорожной машины МЗКТ-79091 (l=2,2 м; l=5,5 м; l=7,7 м), м;
ν - скорость движения внедорожной машины МЗКТ-79091 (ν=1,0 м/с), м/с;
Таким образом реализуется превентивное управление приводом ведущих колес и преодоление многоприводной колесной машиной участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями от его начала до конца происходит с блокированным приводом колес второго и последующих ведущих мостов.
В результате практической реализации заявляемого способа устраняется раздельное буксование колес второго, третьего и четвертого ведущих мостов. Изменение коэффициентов буксований колес второго, третьего и четвертого ведущих мостов машины 3 происходит синхронно. При прохождении участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями они увеличиваются до диапазона значений 0,0217…0,0235, определяемых текущими значениями характерных параметров дорожно-сцепных условий под колесами.
rsα
Для оценки эффективности заявляемого способа рассмотрим зависимости изменения показателя η (2) от времени движения многоприводной колесной машины по опорной поверхности с участком с плохими дорожно-сцепными условиями, приведенные на фиг.4-6.
rsα
rsα
rsα
Анализ зависимости на фиг.4 показывает, что у многоприводной колесной машины 1 с простым симметричным дифференциальным приводом ведущих мостов и колес показатель η при движении по опорной поверхности удовлетворительного состояния составляет 0,987. При преодолении участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями показатель η снижается до диапазона значений 0,9739…0,9755. Снижение показателя η на 0,0115…0,0131 объясняется увеличением буксований ведущих колес, движущихся по участку опорной поверхности с уменьшенным коэффициентом сцепления.
rsα
rsα
rsα
rsα
У многоприводной колесной машины 2 с управлением дифференциалами в соответствии со способом, принятым в качестве прототипа, снижение показателя η происходит каждый раз при преодолении ведущими колесами участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями. У внедорожной машины МЗКТ-79091 с колесной формулой 8х8 при преодолении одного участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями снижение показателя η наблюдается четыре раза: всякий раз при попадании одного из колес каждого из четырех ведущих мостов на участок опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями (фиг.5). Снижение показателя η у машины 2 ограничивается блокированием дифференциалов привода ведущих колес, которое осуществляется при достижении пороговых значений рассогласований кинематических параметров связываемых ими ведущих колес, т.е. только тогда, когда снижение показателя η вследствие раздельного буксования ведущих колес уже произошло.
rsα
rsα
rsα
Снижение показателя η у машины 2 происходит до значений 0,9806…0,9808 и зависит от нормальных реакций на ведущих колесах, которые в данный момент движутся по участку опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями. Наибольшему снижению показателя η (до 0,9806) соответствует движение колес первого и второго ведущих мостов с меньшими нормальными реакциями по участку опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями, наименьшему снижению показателя η (до 0,9808) - движение колес третьего и четвертого ведущих мостов с более высокими нормальными реакциями.
rsα
2
3
4
При преодолении участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями многоприводной колесной машиной 3 с управлением дифференциалами в соответствии с заявляемым способом снижение показателя η вследствие раздельного буксования ведущих колес до значения, численно равного 0,9806, происходит только при движении по участку колес первого ведущего моста. При достижении отношения буксований ведущих колес первого моста пороговой величины, равной 4,62, осуществляется блокирование межколесного дифференциала первого моста. При этом, в соответствии с заявляемым способом по истечении промежутков времени t=0,2 с, t=3,5 с, t=5,7 с, не превышающих отношения расстояния от первого ведущего моста соответственно до второго, третьего и четвертого ведущих мостов к скорости движения многоприводной колесной машины, осуществляют блокирование дифференциалов второго, третьего и четвертого ведущих мостов.
rsα
В результате блокирование межколесных дифференциалов второго, третьего и четвертого мостов происходит до попадания ведущих колес этих мостов на участок опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями. Преодоление машиной 3 участка опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями происходит с заблокированным приводом колес второго, третьего и четвертого ведущих мостов, что предотвращает снижение показателя η вследствие раздельного буксования колес этих мостов при движении по участку опорной поверхности с плохими дорожно-сцепными условиями.
При реализации заявляемого способа в алгоритмическом и программном обеспечении электронного блока управления системы регулирования тягового усилия устраняется раздельное буксование колес второго и последующих ведущих мостов и тележек, что положительным образом сказывается на повышении опорной проходимости и тягово-скоростных свойств многоприводных колесных машин.
Таким образом, практическая реализация разработанного способа позволяет повысить эффективность ходовой системы, опорную проходимость и тягово-скоростные свойства многоприводных колесных машин при движении в ухудшенных дорожно-сцепных условиях за счет исключения раздельного буксования ведущих колес и мостов второго и последующих мостов и тележек в результате превентивного управления режимами работы соответствующих дифференциалов. При этом упреждающее блокирование соответствующих дифференциалов при движении ведущих колес второго и последующих мостов вне дорог с твердым покрытием позволяет исключить срыв верхнего слоя опорной поверхности, что также благоприятным образом сказывается на обеспечении мобильности колесной машины.