Optimization of transmission control laws for all-wheel drive vehicles with individual drive per wheel

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. этого условия появлением в ходе процесса выпуклости «вверх» может свидетельствовать о наличии самоблокировки муфт с избыточным буксованием, а вогнутости «вниз» - о наличии разрыва потока мощности.

Выводы

В простейшем случае, исключив из аргументов выражения (4) все параметры, кроме времени t, получим «жёсткие» законы управления переключением передач. В условиях большого разброса и отсутствия информации о величинах параметров коэффициентов К1;2, определяющих условия процесса, а именно нагрузки и приведённой массы, по-видимому, получить требуемый результат не удастся [3].

Учитывая сложности определения аргументов в виде коэффициентов по выражению (4), а также предложенную формулировку условий приемлемого хода переходного процесса, решить данную задачу аналитическим путём будет довольно сложно. Для отыскания необходимых законов управления переключением передач без разрыва потока мощности наиболее удобным представляется составление и использование компьютерной модели.

Литература

1. Ганькин Ю.А., Шипилевский Г.Б. Теория автоматических систем трактора. - СПб, 1995.

2. Шипилевский Г.Б. Возможности электронного и электрогидравлического управления переключением передач на тракторе. "Тракторы и сельскохозяйственные машины", 2004, №12.

3. Щельцын Н.А. Исследование механизма переключения передач без разрыва потока мощности для энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов общего назначения: Дис. канд. техн. наук. - М.: 1977.

Оптимизация законов управления трансмиссией полноприводных автомобилей с индивидуальным приводом ведущих колес

д.т.н., проф. Бахмутов С.В., Гусаков Д.Н.

МГТУ «МАМИ»

В современном автомобилестроении при повышении мощности двигателей ставятся задачи эффективной реализации возросших потенциальных возможностей автомобиля. Это, в частности, ведет к выбору полноприводных схем трансмиссий. Очевидно, что при таких схемах появляется возможность дополнительного изменения показателей проходимости, управляемости и устойчивости, топливной экономичности автомобиля за счет оптимального распределения сил тяги.

Для грузовых автомобилей повышенной проходимости, выполняющих транспортные работы в тяжелых условиях эксплуатации, несущая способность может быть увеличена повышением числа осей. При этом желательно сохранение полного привода, что требует применения регулируемых трансмиссий с правильно подобранными управляющими алгоритмами. Традиционно, для автомобилей повышенной проходимости первичной задачей считается улучшение тяговых возможностей, при этом допускается некоторое ухудшение ряда характеристик, например, поворачиваемости транспортного средства при применении блокированного привода, повышенного негативного воздействия на грунт и т.д.

В ходе предварительных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что кроме проходимости, наиболее существенно закон распределения мощности между ведущими колесами влияет на показатели управляемости, устойчивости и топливной экономичности автомобиля. Данное направление исследований в современной автомобильной науке представляет значительный интерес, поскольку открывает дополнительный ресурс для улучшения потребительских качеств автомобиля.

С целью оценки возможностей улучшения характеристик автомобиля за счет перераспределения мощности между ведущими колесами, целесообразно исследовать полноприводный автомобиль с «гибким интеллектуальным приводом». На сегодняшний день известно

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. два основных типа такой трансмиссии: электрическая и гидрообъемная. В качестве объекта исследования в данной работе выбрана гидрообъемная трансмиссия.

Для первичной оценки указанных свойств исследовано криволинейное движение по твердому основанию. Авторами составлено универсальное математическое описание движения шестиколесного полноприводного автомобиля [1] с гидрообъемной трансмиссией. При разработке модели были учтены все возможные степени свободы подрессоренных и непод-рессоренных масс, что позволяет использовать ее для описания как квазистационарных, так и динамических режимов движения с учетом макро- и микропрофиля дорожной поверхности. Предварительными расчетами оценено влияние некоторых алгоритмов распределения мощности в трансмиссии на указанные эксплуатационные характеристики автомобиля.

Проведенные экспериментальные исследования на автомобиле «гидроход» [2] показали адекватность математической модели движения автомобиля. В качестве экспериментальных данных использованы результаты маневров «спираль» и «рывок руля» на исследуемом объекте. По результатам испытаний подтверждена возможность существенного влияния параметров управления интеллектуальной трансмиссией на эксплуатационные характеристики автомобиля.

Следующим этапом теоретических исследований явилась постановка и решение многокритериальной параметрической оптимизационной задачи. В качестве локальных критериев были приняты следующие показатели:

Таблица 1.

Локальные критерии в задачах оптимизации_

Свойство объекта Вид маневра Локальный критерий*

Управляемость и устойчивость Спираль 1,2 - запасы управляющего момента

3,4 - запасы стабилизирующего момента

5,6 - эффективности управления

7,8 - эффективности стабилизации

9 - статическая поворачиваемость

10 - статическая чувствительность к управлению

11,12- статическая устойчивость

13 - угол бокового крена

Рывок руля 14 -заброс реакции по угловой скорости

15 - время пика реакции по угловой скорости

16 - время 90%-й реакции по угловой скорости

17 -заброс реакции по боковому ускорению

18 - время пика реакции по боковому ускорению

19 - время 90%-й реакции по боковому ускорению

20 -заброс реакции по угловой скорости

21 - время пика реакции по боковому крену

22 - время 90%-й реакции по боковому крену

Топливная экономичность Равномерное круговое движение 23,24,25 - путевой расход топлива

-*---

- в качестве 26-го локального квазикритерия принята скорость поступательного движения, которая должна поддерживаться постоянной.

Для проведения оптимизационных расчетов на ЭВМ был выбран программный комплекс MOVI, позволяющий решать многокритериальные задачи и успешно используемый творческим коллективом кафедры «Автомобили» МГТУ «МАМИ» при решении ряда прикладных задач применительно к активной безопасности автомобиля [3, 4].

При постановке оптимизационной задачи для трехосного автомобиля в качестве варьируемых параметров гидрообъемной трансмиссии выбиралось межосевое перераспределение

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. тяги, а также перераспределение тяги между колесами каждой оси. Диапазон изменения составлял ±25% от номинала при сохранении постоянной суммарной силы тяги для поддержания заданного режима движения.

Исходные оптимизационные задачи представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Варьируемые параметры в задачах оптимизации_

Номер задачи Перераспределение силы тяги, %

межосевое межколесное первой оси межколесное второй оси межколесное третьей оси

1 0.25 0 0 0

-0.25 0 0 0

2 0 0.25 0.25 0.25

0 -0.25 -0.25 -0.25

3 -0.25 0.25 0.25 0.25

0.25 -0.25 -0.25 -0.25

4 0.1 0.25 0.25 0.25

0.1 -0.25 -0.25 -0.25

Представленные оптимизационные задачи позволили оценить влияние отдельных параметров на выходные характеристики автомобиля. В исследуемом автомобиле с гидрообъемной трансмиссией регулируемыми являются величины рабочих объемов гидронасосов и гидромоторов.

Исследуемый режим работы трансмиссии - дифференциальный, который для данного автомобиля реализуется объединением напорных и сливных контуров всех гидронасосов, поэтому фактическое влияние на распределение мощности между ведущими колесами оказывают рабочие объемы гидромоторов. По указанным выше причинам задавать рабочие объемы как независимые параметры нецелесообразно. Для выработки алгоритмов управления трансмиссией интерес представляет перераспределение тяги между ведущими колесами каждой из осей и между осями автомобиля (смещение тяги вперед или назад). В связи с этим было выбрано четыре независимых параметра: К1 - коэффициент смещения тяги между осями автомобиля (зеркально относительно средней оси) и коэффициенты К1, К2, К3 - смещение тяги на внешнее или внутреннее колесо в пределах каждой из осей. Учитывая предварительную обработку экспериментальных данных, максимальное значение для каждого из параметров установлено на уровне 25%. Положительное значение соответствует смещению тяги вперед или наружу (в зависимости от коэффициента).

В первой задаче оценивалась возможность улучшения критериев при перераспределении тяги между осями (при равном распределении тяги между колесами в пределах каждой оси). Затем проводилось исследование при межколесном перераспределении с симметричным межосевым распределением. В заключительных задачах все параметры регулировались независимо для изучения максимально возможного изменения значения каждого из критериев. Также был отдельно исследован алгоритм управления трансмиссией, при котором межосевое регулирование одинаково, но несимметрично и отвечает наилучшему значению параметра с позиций топливной экономичности, полученному на первом шаге оптимизации.

По результатам расчетов первой задачи оптимизации (см. рис. 1) выделены две группы критериев по реакции на регулирование: изменяемые соответственно существенно или незначительно. Отмечен ряд чувствительных критериев, изменение которых в решаемой задаче может достигать 10%.

Также отмечена корреляция критериев топливной экономичности и устойчивости, однако улучшение данных критериев, достигаемое при 10% смещении тяги вперед, ухудшает управляемость. Одновременное улучшение всех критериев не достигнуто, однако есть повторяющиеся характерные векторы параметров (крайние точки).

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

Диапазон изменения критериев

Рис. 1. Результаты расчетов задачи оптимизации при межосевом регулировании.

Оценка максимальной чувствительности критериев к регулированию трансмиссии.

При бортовом перераспределении тяги (см. рис. 2) наблюдается более существенное изменение критериев управляемости и устойчивости.

В обоих случаях диапазоны критериев эффективности управления, поворачиваемости, чувствительности к управлению и угла бокового крена в значительной степени смещены в область ухудшения и лишь незначительно попадают в область улучшения. В результате эти критерии накладывают наибольшие ограничения на возможные оптимальные решения.

Диапазон изменения критериев

10

%

8 6 4 2 0

порядковые номера критериев

26

Рис.2. Результаты расчетов задачи оптимизации при межколесном регулировании

(при равном распределении тяги по осям).

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

При совместном регулировании (см. рис. 3) расширяется поле полученных решений при сохранении отмеченных общих тенденций. По сравнению со второй задачей наглядно показано преимущественное влияние межколесного регулирования. Для данной задачи, ввиду наиболее подробного исследования заданной области, приведены численные значения возможного изменения каждого из критериев и значения параметров, при которых они получены (см. табл. 3).

Диапазон изменения критериев

108

%

порядковые номера критириев

26

Рис. 3. Результаты расчетов задачи оптимизации при совместном регулировании

параметров.

Таблица 3.

Результаты решения третьей оптимизационной задачи. _

№ Название кри- Тип Значение Наилучшее зна- Наихудшее зна- Разброс

терия критерия чение (улучше- чение (ухудше- значений,

для прото- ние) ние), % %

типа %

1 Запас управ- тах 0,2744 0,2765 (0,8) 0,2725 (0,7) 1,5

ляющего мо- К1= -0,115 К1= -0,12

мента (внутрь К2= 0,225 К2= -0,23

траектории) Кз= 0,24 К4= 0,25 К3= -0,21 К4= -0,24

2 Запас управ- тт -0,2767 -0,2828 (2,2) -0,2755 (0,12) 2,32

ляющего мо- К1= -0,162 К1= -0,25

мента (наружу К2= -0,24 К2= 0,13

траектории) Кз= -0,113 К4= -0,234 К3= 0,102 К4= 0,245

3 Запас стабили- тт -0,004855 -0,007541 (55,3) -0,003677 (24,2) 79,5

зиру-ющего К1= 0,248 К1= 0,25

момента К2= -0,248 К2= 0,19

(внутрь) К3= 0,135 К4= 0,041 К3= 0,25 К4= 0,21

4 Запас стабили-зиру-ющего момента (наружу) тах 0,00527 0,01660 (215) 0,004647 (11,8) 226,8

К1= 0,205 К2= 0,05 К3= -0,24 К4= -0,23 К1= -0,245 К2= 0,043 К3= -0,006 К4= -0,23

5 Эффективность управления (внутрь) тах 0,2123 0,2149 (1,25) 0,2083 (1,86) 3,11

К1= 0,244 К2= 0,1 К3= -0,15 К4= -0,2 К1= -0,115 К2= 0,225 К3= 0,24 К4= 0,25

6 Эффективность управления (наружу) тах 0,1674 0,1688 (0,87) 0,1641 (1,9) 2,77

К1= 0,244 К2= 0,1 К3= -0,15 К4= -0,2 К1= -0,24 К2= 0,24 К3= 0,22 К4= 0,24

7 Эффективность стабилизации (внутрь) тах -0,067 0,02295 (134) -0,09345 (39,5) 173,5

К1= -0,12 К2= -0,23 К3= -0,21 К4= -0,24 К1= -0,25 К2= 0,13 К3= 0,102 К4= 0,245

8 Эффективность стабилизации (наружу) тах 0,02455 0,3213 (1209) -0,0628 (356) 1564

К1= -0,12 К2= -0,23 К3= -0,21 К4= -0,24 К1= -0,25 К2= 0,13 К3= 0,102 К4= 0,245

9 Поворачивае-мость тах 0,1020 0,1022 (0,3) 0,1015 (0,43) 0,73

К1= 0,22 К2= 0,1 К3= 0,23 К4= 0,085 К1= -0,162 К2= -0,24 К3= -0,113 К4= -0,234

10 Чувствительность к управлению тах 2,338 2,344 (0,25) 2,260 (3,35) 3,6

К1= 0,1 К2= -0,22 К3= -0,22 К4= -0,19 К1= -0,25 К2= 0,25 К3= -0,1 К4= 0,05

11 Статическая устойчивость ау=2) тт 0,02111 0,01951 (7,56) 0,02131 (1) 8,56

К1= -0,24 К2= 0,24 К3= 0,22 К4= 0,24 К1= 0,244 К2= 0,1 К3= -0,15 К4= -0,2

12 Статическая устойчивость ау=4) тт 0,00952 0,009466 (0,56) 0,01013 (6,45) 7,01

К1= -0,23 К2= 0,13 К3= 0,165 К4= -0,18 К1= -0,18 К2= 0,16 К3= -0,235 К4= 0,24

13 Угол бокового крена тт 0,1061 0,1058 (0,154) 0,1090 (2,754) 7,01

К1= -0,245 К2= -0,15 К3= -0,2 К1= 0,2 К2= -0,05 К3= -0,05

К4= -0,1 К4= -0,215

14 Заброс угловой тт 0,2334 0,2332 (0,066) 0,2343 (0,372) 0,438

скорости (норм.) К1= 0,23 К2= 0,23 К3= -0,23 К4= 0,2 К1= 0,07 К2= -0,23 К3= -0,22 К4= 0,175

15 Пиковое время тт 1,347 1,335 (0,9) 1,35 (0,2) 1,1

реакции К1= 0,25 К2= -0,19 К3= -0,1 К4= -0,21 К1= -0,25 К2 К2= -0,062 К3= 0,16 К4= 0,08

16 Время 90% ре- тт 0,408 0,39 (4,4) 0,408 (0) 4,4

акции К1= 0,11 К2= 0,23 К3= 0,25 К4= 0,175 -

17 Заброс попе- тт 0,04315 0,04120 (4,5) 0,05756 (33,4) 37,9

речного ускорения (норм.) К1а= -0,25 К2= 0,13 К3= 0,102 К4= 0,245 К1= -0,162 К2= -0,24 К3= -0,113 К4= -0,234

18 Пиковое время тт 1,623 1,623 (0) 1,629 (0,37) 0,37

реакции - К1= -0,25 К2= 0,22 К3= 0,25 К4= -0,13

19 Время 90% ре- тт 0,291 0,282 (3,1) 0,294 (1) 4,1

акции К1= -0,115 К2= 0,225 К3= 0,24 К4= 0,25 К1= 0,25 К2= 0,003 К3= -0,16 К4= -0,1

20 Заброс угла тт 0,4688 0,4656 (0,7) 0,4931 (5,2) 5,9

крена (норм.) К1= 0,1 К2= -0,22 К3= -0,22 К4= -0,19 К1= 0,25 К2= 0,19 К3= 0,25 К4= 0,21

21 Пиковое время реакции тт 0,723 0,723 (0) 0,723 (0) 0

22 Время 90% реакции тт 0,423 0,423 (0) 0,423(0) 0

23 Расход тт 54,3 54,27 (0,06) 55,11 (1,48) 1,54

(при 1 м/с2) К1= -0,001 К2= 0,065 К3= 0,15 К4= 0,04 К1= 0,25 К2= 0,19 К3= 0,25 К4= 0,21

24 Расход тт 55,2 54,68 (0,9) 55,90 (1,3) 2,2

(при 2 м/с2) К1= 0,015 К2= -0,013 К3= -0,032 К1= -0,232 К2= -0,205 К3= 0,23

К4= -0,01 К4= -0,225

25 Расход (при 4 м/с2) тт 57,25 56,31 (1,64) 58,11 (1,5) 3,14

К1= -0,04 К2= -0,055 Кз= -0,061 К4= 0,04 К1= -0,223 К2= 0,215 К3= -0,2 К4= 0,23

26 Отклонение скорости окончания маневра (норм.) тт 0,7062 0,4981 (29,5) 0,7205 (2) 31,5

К1= -0,18 К2= 0,16 Кз= -0,235 К4= 0,24 К1= 0,244 К2= 0,1 К3= -0,15 К4= -0,2

Диапазон изменения критериев

Рис. 4. Результаты расчетов задачи оптимизации при совместном регулировании параметров и фиксированном несимметричном межосевом распределении.

Поиск уточненного решения в суженном поле параметров проведен в четвертой задаче (см. рис. 4) с целью улучшения показателей управляемости при выигрыше в топливной экономичности. Было выбрано межосевое регулирование, при котором отмечалось улучшение топливной экономичности в первой задаче с введением межколесного регулирования, дающего наиболее ощутимые изменения управляемости. Такой анализ не дал положительных результатов, что доказывает целесообразность дополнительного поиска Парето-оптимальных решений.

Выводы

1. В рамках поставленных задач и выполненных объемов вычислений не достигнуто улучшение (по сравнению с прототипом) для всего выбранного набора критериев путем регулирования потоков мощности в трансмиссии.

2. Методами регулирования передаточных отношений трансмиссии можно достичь улучшения каждого из критериев. Также выделены области ухудшения значений критериев (нежелательные области регулирования).

3. Выявлены группы критериев, имеющих высокую корреляцию (в обобщенном варианте -топливной экономичности и устойчивости). Однако, при улучшении топливной эконо-

мичности и устойчивости за счет регулирования трансмиссии снижаются показатели управляемости (и наоборот).

4. В отношении количественного изменения критериев наибольшее влияние (до 2-кратного по отдельным критериям) оказывает межколесное регулирование.

5. Анализ полученных решений показывает, что для улучшения топливной экономичности автомобиля с гидрообъемной трансмиссией при криволинейном движении по твердой опорной поверхности целесообразно увеличивать тягу на передней оси до 10% (соответственно уменьшая тягу на задней оси), а также - на внутренних по отношению к центру поворота колесах (до 5%). Такое регулирование незначительно уменьшает угол бокового крена и улучшает параметры стабилизации. Для получения наилучшей управляемости необходимо максимально (до 20-25 %) смещать тягу в сторону задних колес, но при этом для передней управляемой оси повышать тягу на внешнем колесе (до 25%), а на средней и задней - на внутреннем (до 20 и 25 % соответственно).

6. По результатам анализа решения авторы считают возможным рекомендовать данную методику для проведения поиска законов управления трансмиссией с индивидуальным регулированием, а также статических предустановок нерегулируемых или ступенчато регулируемых трансмиссий для различных условий движения.

Литература

1. Бахмутов С.В., Гусаков Д.Н. Математическая модель движения автомобиля как многомассовой системы Известия МГТУ «МАМИ», 2008, № 1, с. 6-12.

2. Бахмутов С.В., Гусаков Д.Н. Экспериментальная оценка влияния распределения мощности по осям полноприводного многоосного автомобиля на показатели управляемости и устойчивости. Известия МГТУ «МАМИ», 2007, № 2, с. 14-19.

3. Бахмутов С.В., Ахмедов А.А. Многокритериальная параметрическая оптимизация в задачах совершенствования характеристик управляемости и устойчивости автотранспортных средств Известия МГТУ «МАМИ», 2007, № 2, с. 19-31.

4. Бахмутов С.В., Ахмедов А.А. Оптимизация АТС по критериям управляемости и устойчивости в условиях неровной дороги. «Автомобильная промышленность», 2004, № 10, с. 12-21.