Устройство для моделирования движения гусеничной машины
CATERPILLAR TRACK MOTION SIMULATION DEVICE

Изобретение относится к учебно-тренировочным средствам и может быть использовано в тренажерах для обучения механиков-водителей гусеничных машин.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является известное устройство для моделирования движения гусеничной машины, содержащее блок моделирования двигателя, выход которого соединен со входом блока моделирования трансмиссии, первый блок моделирования гусеничного движителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом блока моделирования трансмиссии и с первым выходом датчика вида грунта, первый функциональный преобразователь, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй блок моделирования гусеничного движителя, входы которого соединены соответственно с выходом блока моделирования трансмиссии и вторым выходом датчика вида грунта, третий выход которого подключен к первым входам функциональных преобразователей, выход второго функционального преобразователя соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого подключен к третьему второго блока моделирования гусеничного движителя и ко входу первого инвертора, выход которого соединен с третьим входом первого блока моделирования гусеничного движителя, выход которого через второй инвертор подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока моделирования гусеничного движителя, выход второго сумматора через блок задания нелинейности подключен ко вторым входам функциональных преобразователей (см. Патент на изобретение №2165646, МКЛ 7 G09B 9/04, бюл. №11 от 20.04.2001 - прототип).
Существующее устройство не обеспечивает возможность моделирования условий опрокидывания гусеничной машины. Определение этих условий необходимо при обучении механиков-водителей бронированных гусеничных машин на тренажерах, так как это позволит исключить аварии с тяжелыми последствиями при вождении реальных машин. Кроме того, определение условий опрокидывания необходимо в процессе разработки бронированных гусеничных машин так как устойчивость к опрокидыванию является одной из важнейших характеристик любой гусеничной машины. При использовании такого устройства в тренажере и формировании у обучаемых случаев, когда у них наступает «опрокидывание» с соответствующим пояснением причин позволит избежать аварий с очень тяжелыми последствиями, которое имело место, например, с армянским экипажем при проведении Международных армейских игр «Танковый биатлон».
Целью изобретения является повышение точности моделирования динамики движения за счет определения условий опрокидывания бронированной гусеничной машины.
Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования движения гусеничной машины введены третий сумматор, блок деления, генератор напряжения, блок извлечения квадратного корня и схема сравнения, выход которой является выходом устройства, а первый вход подключен к выходу третьего сумматора, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго блоков моделирования гусеничного движителя, а выход подключен к первому входу блока деления, другой вход блока деления соединен с выходом второго сумматора, выход блока деления последовательно подключен ко второму входу схемы сравнения, через генератор напряжения и блок извлечения квадратного корня.
На фигуре изображена функциональная схема предлагаемого устройства для моделирования движения гусеничной машины.
Устройство для моделирования движения гусеничной машины содержит блок 1 моделирования двигателя, блок 2 моделирования трансмиссии, первый и второй блоки 3 и 4 моделирования гусеничного движителя, датчик 5 вида грунта, второй инвертор 6, второй сумматор 7, блок 8 задания нелинейности, первый и второй функциональные преобразователи 9 и 10, первый сумматор 11, первый инвертор 12, третий сумматор 13, блок 14 деления, регулятор 15 напряжения, блок 16 извлечения квадратного корня, схему 17 сравнения.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение, пропорциональное оборотам коленчатого вала двигателя и крутящему моменту, с блока 1 поступает на вход блока 2, моделирующего трансмиссию гусеничной машины. Моделирующие узлы, входящие в состав трансмиссии гусеничной машины, и само техническое исполнение блока моделирования трансмиссии определяется конструктивными особенностями моделируемой машины.
На выходе блока 2 моделирования трансмиссии формируется напряжение, пропорциональное моменту и оборотам выходного вала трансмиссии. Это напряжение поступает на первые входы первого и второго блоков 3 и 4 моделирования гусеничного движителя. На выходе каждого блока получается напряжение, пропорциональное скорости движения соответствующего гусеничного движителя (моменту и оборотам ведущего колеса).
Таким образом, на выходах первого и второго блоков 3 и 4 моделирования гусеничного движителя имеются напряжения, величины которых определяются положением датчиков органов управления движением машины. Если напряжения на выходах этих блоков равны, то движение будет прямолинейном, в любых других случаях движение будет криволинейным. В этом случае на третьи входы блоков 3 и 4 моделирования гусеничных движителей подаются напряжения, пропорциональные моменту, действующему на гусеничный движитель при повороте, причем знак этого напряжения за счет инвертора 12 будет различным для блоков 3 и 4 моделирования гусеничного движителя. Это сделано для учета рекуперации мощности, чтобы при повороте гусеничной машины на забегающую гусеницу действовал тормозной, а на отстающую - раскручивающий момент.
Формирование напряжения, пропорционального моменту, действующему на гусеничный движитель при повороте, осуществляется следующим образом. С помощью инвертора 6 и сумматора 7 определяется напряжение, пропорционального угловой скорости поворота гусеничной машины, то есть решается зависимость
2
1
где ω - угловая скорость поворота гусеничной машины; V - скорость забегающей гусеницы; V - скорость отстающей гусеницы; В - ширина колеи (расстояние между серединами гусеничных лент - база гусеничной машины, например для объекта 172 расстояние между гусеницами В = 2790 мм).
Определение фактической кривизны k траектории поворота осуществляется с помощью блока 8 задания нелинейности, который с учетом формулы (1), решает зависимость
2
1
где принимается, что в диапазонах скоростей, воспроизводимых на тренажере V+V=A=const. Тогда напряжение, пропорциональное фактической кривизне k траектории поворота имеет линейную зависимость между напряжением, пропорциональным угловой скорости вращения ведущего колеса.
В этом же блоке 8 задания нелинейности решается зависимость коэффициента сопротивления повороту μ от кривизны K, которая, при указанном допущении и от угловой скорости ω поворота гусеничной машины будет иметь вид
max
где μ - максимальное значение коэффициента сопротивления повороту при K=В в зависимости от состояния грунта; α - постоянный коэффициент; R - радиус поворота; В - расстояние между центрами гусениц; K - кривизна поворота.
СП
Напряжение, пропорциональное моменту сопротивления поворота М, определяется из выражения
СП
где М - коэффициент сопротивления повороту; Q - вес машины; L - длина опорной поверхности ветви гусеницы.
А с учетом различного состояния грунта, эта зависимость будет иметь вид
Указанная зависимость реализуется с помощью функциональных преобразователей 9, 10 и сумматора 11. Каждый функциональный преобразователь 9 и 10 формирует напряжение, пропорциональное моменту сопротивления повороту, в зависимости от вида грунта, с разной полярностью, которая определяется направлением поворота гусеничной машин.
Определение условий опрокидывания осуществляется из нахождения критической скорости, при которой возникает опрокидывание. Значение критической скорости по опрокидыванию определяется по следующей формуле
опр
кр
где V - скорость центра машины, при которой для данного критического радиуса R наступает опрокидывание; В - ширина колеи (расстояние между серединами гусеничных лент), h - высота центра тяжести.
C
Скорость V центра машины равна
C
C
Напряжение, пропорциональное скорости V центра машины, определяется с помощью сумматора 7, на первый и второй входы которого поступают напряжения скоростей гусениц, соответственно с первого и второго блоков 3 и 4 моделирования гусеничных движителей. Напряжение, пропорциональное скорости забегающей гусеницы, с сумматора 7 поступает на вход блока 14 деления, на другой вход которого поступает напряжение, пропорциональное угловой скорости поворота гусеничной машины, с выхода третьего сумматора 13, в результате суммирования двоичных чисел на выходе блока 14 деления формируется напряжение равное отношению двух токовых сигналов и пропорциональное радиусу поворота машины. Однако это напряжение будет иметь различные знаки при повороте машины в разные стороны. Чтобы знак напряжения не менялся, напряжение, пропорциональное критической скорости по опрокидыванию, пропускается через регулятор 15 напряжения, выполненный по схеме выделения модуля абсолютного значения сигнала. С выхода регулятора отрегулированное напряжение поступает на блок 16 извлечения квадратного корня, который реализует функцию извлечения квадратного корня  В результате чего формируется напряжение, пропорциональное величине критической скорости, при которой, при данном радиусе поворота, возникает опрокидывание. Это напряжение с помощью схемы 17 сравнения сравнивается с напряжением пропорциональным действительной скорости движения машины, и если это напряжение ниже напряжения, пропорционального значению критической скорости по опрокидыванию, то на выходе схемы 17 сравнения напряжение разностного сигнала равно нулю. Если напряжение, пропорциональное значению критической скорости по опрокидыванию равно или больше напряжения, пропорционального скорости V центра машины, то напряжение разности сигналов на ее выходе принимает максимальное значение, что указывает на наличие опрокидывания гусеничной машины.
Таким образом, предлагаемое устройство для моделирования движения позволяет определить условия, при которых возникает опрокидывание гусеничной машины. Использование предлагаемого устройства в тренажере и фиксирование у обучаемых случаев, когда наступает «опрокидывание» с соответствующим пояснением инструктором обучения причин их возникновения, позволит избежать аварий с очень тяжелыми последствиями при эксплуатации реальных гусеничных машин.