Имитационная модель реального времени для исследования законов переключения передач

Создание машин инженерного вооружения на базе производств МТЗ позволит использовать развитую товаропроводящую сеть предприятия для сбыта данной продукции в различных странах, что положительно скажется на экономических показателях Беларуси.

Техника, поступающая на вооружение, должна соответствовать ряду требований, отражающих специфику боевого применения. При техническом оснащении Вооруженных Сил Республики Беларусь военная техника закупается в России, существенно увеличивая нагрузку на бюджет страны. Отечественные предприятия, успешно работая на рынке гражданской техники и поставляя ее в Россию, не имеют достаточного опыта по созданию военно-инженерной техники и не рассматриваются Министерством обороны Республики Беларусь в качестве потенциальных поставщиков. Это приводит к тому, что предприятия, накопившие огромный технический потенциал в смежных отраслях, не вкладывают средства в разработку военно-инженерных направлений.

В Ы В О Д

Создание военно-инженерной техники следует рассматривать как научную проблему, решение которой позволит сформулировать основные направления деятельности по диверси-

фикации гражданской техники в машины инженерного вооружения и в конечном итоге будет способствовать созданию реального военно-промышленного комплекса.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Аксенов, П. В. Многоосные автомобили: теория общих конструктивных решений / П. В. Аксенов. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1989. - 278 с.

2. Леонович, И. И. Машины для строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог: учеб. / И. И. Леонович, А. Я. Котлобай. - Минск: БНТУ, 2005. -552 с.

3. Машины по содержанию и ремонту автомобильных дорог и аэродромов: учеб. пособие / А. В. Вавилов [и др.]; под ред. А. В. Вавилова. - Минск: БНТУ, 2003. -408 с.

4. Многоцелевые гусеничные шасси / В. Ф. Платонов [и др.]; под ред. В. Ф. Платонова - М.: Машиностроение, 1998. - 342 с.

5. Платонов, В. Ф. Гусеничные и колесные транс-портно-тяговые машины / В. Ф. Платонов, Г. Р. Леиаш-вили. - М.: Машиностроение, 1986. - 296 с.

6. Платонов, В. Ф. Полноприводные автомобили / В. Ф. Платонов. - М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.

7. Полковая землеройная машина ПЗМ-2. Техническое описание, эксплуатация и хранение. - М.: Воен-издат, 1976. - 240 с.

Поступила 20.01.2009

УДК 629.113-585

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ

Инж. ФИЛИМОНОВ А. А., канд. техн. наук, доц. КУСЯК В. А.

Белорусский национальный технический университет

При конструировании автоматизированных систем переключения передач (АСПП) возникает вопрос об их эффективности в зависимости от различных законов переключения передач (ЗПП), заложенных в алгоритм работы АСПП. ЗПП представляет собой сочетание определенных, так называемых информационных параметров, при котором должно осу-

ществляться переключение. В качестве информационных параметров используются скорость транспортного средства (ТС), положение педали управления двигателем, ускорение транспортного средства и др. [1-3].

Закон переключения, индивидуальный для каждой передачи, получен аппроксимацией

внешней и частичных характеристик двигателя и представлен полиномом 2-й степени вида

а>—К0 +К1а + К2а2,

где Ко, К1, К2 - числовые коэффициенты; а -положение органа управления топливопода-чей, %; ю - угловая скорость коленчатого вала двигателя, при которой должно происходить переключение на высшую (низшую) передачу.

Для исследования влияния законов переключения передач на эффективность работы АСПП создана имитационная модель ТС с автоматизированным силовым агрегатом (дизельный двигатель, сухое фрикционное сцепление, механическая коробка передач). Модель позволяет переключать передачи как в автоматическом, так и в командном (ручном) режимах.

Схема динамической модели транспортного средства, используемой для моделирования его движения, приведена на рис. 1.

Мд Срд Jд

На схеме обозначены: Jд - момент инерции вращающихся частей двигателя и ведущей части сцепления; Jт - то же трансмиссии и ведущих колес; Jа - то же маховика, эквивалентного поступательно движущейся массе ТС, а также ведомых колес; фд, фк, фп - угловые перемещения соответственно коленчатого вала двигателя, ведущих и ведомых колес; Мд, Мсц, М -моменты соответственно двигателя, трения сцепления, сцепления ведущих колес с дорогой; Мв - момент сопротивления воздуха; Мд, М^ - то же дороги на ведущих и ведомых колесах; Мт1, Мт2 - тормозные моменты на ведущих и ведомых колесах; итр - передаточное число трансмиссии,

итр = ^ки^рк^О

где икп, ирк, и0 - передаточные числа коробки передач, раздаточной коробки и главной передачи.

Мт2 Мf2 Мъ М,

\ \ ;

! 1 1

Рис. 1. Схема динамической модели ТС

Математическое описание представлено единой системой логико-дифференциальных уравнений (2), учитывающей все возможные структурные состояния динамической модели [4]. Это достигается использованием логических переключателей Ь1, Ь2 и функций переключения Р1, Р2:

со„ -

Мд -Мсцаёп(сод - о\£/тр )(1 - Ц )(1- Рх) - (Мт1 +Мп )ЦРХ /ЦТ? п(а\ - соа) х

Л + (•Л'+ 'А/-: )Ци.тР

—>.

х(1 - ь2 (1 - д) я/тр - (Мт2 +м,2 +мв +м. ^ЦРР

тр

=

М.ЦЦЦ^ +мсцыёп(юд - а^Ц^ )(1 - Ц )(1 - Рх - (Мт1 +Мп) -

/и^р +JT л-ЗаЬ1

^ -М^Ссо. -соа)(1-12)(1-Д)-(Мт2 +М/2 +МВ +М,)Ь2Р2 JДLX Щтр + Jт + JaL1

. —>

сМди.w -мт1 -Мп )1А 1\1а1>2 + (Assign (о*, - ú\i/ф )1 /ф -Мт1 -М/1)(1-А)(1-Р1)4Р2 +

ц А / ^Лр + "Л ) А + "Лг +Mpsign

—

(•/дА /^Лр +-Л0А

[О^д^Ю,; Ф СОа ;

A = o,5^i+sign мсц -|мд + Ад| ];

Д =0,5

1 + sign

М. -

(Мд + ./дЮдХ/гр + -Мт1 -Мп Ц + + М^^од )итр + /^(ок -Мд -М/1 х

х

Для интегрирования системы (2) необходимо задать моменты внешних воздействий, момент трения сцепления и момент сцепления ведущих колес с дорогой.

Крутящий момент двигателя Мд определяется как функция угловой скорости коленчатого вала двигателя и положения педали подачи топлива, т. е. Мд = /(о)л. ад). В процессе счета текущее значение крутящего момента находится с помощью линейной интерполяции по заданным внешней и частичным скоростным характеристикам при работе двигателя в тяговом режиме. А при работе двигателя в тормозном режиме - по характеристике механических потерь.

При определении КПД трансмиссии учитываем только механические потери, пренебрегаем гидравлическими потерями и используем осредненные значения КПД передач.

Момент трения сцепления

Мсц =Мсц0

(\-e~Kct),

где Мсцо - максимальный момент трения сцепления, Н м; /\'с - темп включения сцепления, с-1; I - время после начала включения, с.

Темп включения сцепления увеличивается при переходе на следующую высшую передачу.

Момент сцепления ведущих колес с дорогой Мф для ТС, имеющего в качестве ведущих задние колеса:

Mv=(pRZ2rK.

где ф - коэффициент сцепления ведущих колес с дорогой; гк - радиус качения колеса, м; RZ2 -нормальная реакция дороги задней оси, Н.

Моменты сопротивления дороги на ведущих и ведомых колесах Мд, Mf2:

Mfl=GwrK;

Mf2 =G2\|/rK,

где G\, G2 - вес, приходящийся на ведущие и ведомые колеса, Н; \|/ - коэффициент суммарного дорожного сопротивления;

¥ = (/о + flVa + fol ) COS 0Сдор + SÍn ОСдор,

где /0 - коэффициент сопротивления качению шины, катящейся с постоянным радиусом; Л, /2 - коэффициенты, зависящие от системы подрессоривания и микропрофиля дороги; уа - скорость ТС, км/ч; адор - угол наклона продольного профиля дороги.

Момент сопротивления воздуха

Мв =KBABv^rK,

где Кв - коэффициент сопротивления воздуха, Н с2/м4; Ав - лобовая площадь, м2; уа - скорость ТС, м/с.

Тормозные моменты на ведущих и ведомых колесах МтЬ Мт2 могут изменяться в зависимости от интенсивности торможения, но их максимальные значения ограничиваются по условию сцепления колес с дорогой:

Мт1=ц>Я22гк, МТ2 = Ц>Я21Гк,

где Яг2, Ягг - нормальные реакции дороги задней и передней оси ТС, Н.

В целом имитационная модель реализует логику действий водителя по управлению ТС в процессе движения по маршруту и позволя-

ет производить анализ динамики движения автомобиля при случайных внешних воздействиях.

Отличительная особенность разработанного программного обеспечения - возможность моделирования не только в машинном масштабе

времени, но и в режиме реального масштаба времени [5]. Исследователь получает информацию о процессе движения визуально посредством виртуальной панели приборов (рис. 2), отображаемой на экране компьютера.

Файл Правка Моделирование Настройка ?

АТС | Двигатель) Трансмиссия ;Доро[а :| Результаты моделирования | Результаты оптимизации |

Магистральный цикл на дороге( грузовые свышеЗ,5ти междугородные автобусы) 4000 длина маршрута, м

номер участка 1000 расстояние видимости, м коэф .сопр .кач. коэф  ,чАсм коэф. ,(-0.0051 0.000002 0.00000005 коорд.,м уклон,% доп. скорость,

1000

1300 1400 2200 2700 2900 3500 3850 4000 10000

300 м 0,0% - уклон 70 км/ч

1000 м 0,0%-уклон 50 км/ч замедление двигателем 1300 м 0,0% - уклон 50 км/ч 1400 м 0,0% - уклон 70 км/ч

МС1 ОН ДОРОГИ РЕЖИМ

_ 0,0% КОМАНД ^

х^А"'', ° О4»7',

О ю 20 4 40 80 х

грп 1x100 * кпуь **

-5 25— —20 100-

-

' " 0000 812 •0 30-- 0 120 -

ВРЕМЯ

00:00:57

Уа. ш/ч гд, об/ник

69,1 1396

л'ЮОим а, РЛ'С1?

39,0 0,02

5м, км О. л

4 0,75

Рис. 2. Общий вид экрана

При этом действия водителя по управлению автомобилем могут имитироваться с помощью клавиатуры, что дает возможность оценить работу АСПП при широком спектре воздействий со стороны водителя, в том числе неправильных действиях, например при ошибочном выборе передачи в командном режиме или одновременном нажатии на педали тормоза и управления топливоподачей двигателя.

Для оценки качества и эффективности работы АСПП в автоматическом и командном режимах (реализованы различные ЗИП) предлагается использовать такие показатели, как время прохождения и средняя скорость движения на участке, число переключений передач, скорость в конце участка, расход топлива, удельная производительность [1]. В роли основного из перечисленных показателей принята удельная производительность - комплек-

Основные технические

сный показатель, учитывающий массу перевезенного груза, среднюю скорость и расход топлива:

=

_ ^ср

уд

й

, т км2/(0,01 л ч),

ср

где тн - масса полезной нагрузки, кг; уср - средняя скорость движения, км/ч; Qср - средний расход топлива, л/100 км.

Возможности имитационной модели при использовании моделирования в реальном масштабе времени иллюстрирует описанный ниже эксперимент. В эксперименте была воспроизведена реальная дорожная ситуация по преодолению затяжного подъема протяженностью 900 м с уклоном 5 %. В качестве моделируемого ТС был взят автопоезд в составе седельного тягача МАЗ-544008 с полуприцепом (табл. 1).

Таблица 1

характеристики автопоезда

Параметр Тип, модель, величина

Полная масса, кг 40000

Двигатель ЯМЗ 7511.10, дизельный с турбонаддувом

Макс. мощность, кВт

Макс. крутящий момент, Нм

Коробка передач МАЗ-543205, 9-ступенчатая

Передаточные числа коробки передач 10,08; 6,13; 4,51; 3,5; 2,78; 1,75; 1,29; 1,0; 0,795

Передаточное число главной передачи 3,86

Размерность шин 315/80 К22.5

Перед началом уклона автопоезд двигался

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 ж, м 1900

с установившейся скоростью 70 км/ч, предварительно разогнавшись на участке 1000 м. При движении на подъем ставилась цель минимизации потери скорости для того, чтобы тяжелый автопоезд не стал помехой для более динамичных участников движения. Поэтому движение осуществлялось с полным нажатием на педаль подачи топлива.

Результаты моделирования, отображающие основные параметры движения на участке подъема при командном и автоматическом режимах работы АСПП, представлены на рис. 3. Итоговые (оценочные) показатели движения на участке приведены в табл. 2.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 ж, м 1900

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 ж, м 1900

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Рис. 3. Графики моделирования движения на участке: а - в командном режиме («неквалифицированный водитель»); б - в автоматическом режиме («автомат»); в -в командном режиме («водитель высокой квалификации»):

1 - V, км/ч; 2 - М?х5; 3-М, %; 4 - Лйх0,05, об/мин

Из ряда выполненных при помощи имитационной модели заездов можно выделить три типичных, условно названных:

1) «неквалифицированный водитель»;

2) «автомат»;

3) «водитель высокой квалификации».

В первом случае имел место неверный для достижения поставленной цели выбор передач водителем (т. е. оператором ЭВМ). Во втором случае выбор передач осуществлялся не водителем, а АСПП по заложенным законам переключения передач. В третьем случае выбор передач водителем был самым эффективным. Это было установлено опытным путем после анализа всех выполненных заездов. На графиках: V - скорость; N0 - номер включенной передачи; Лй - положение педали подачи топлива, Ш - частота вращения коленчатого вала двигателя.

В случае «неквалифицированного водителя» (рис. 3а) движение осуществлялось «вна-тяг», т. е. переход на низшую передачу водитель, не желая работы двигателя на повышенных оборотах, стремился осуществить как можно позже, надеясь «дотянуть» до конца подъема. Однако это вызвало слишком большую потерю скорости, что заставило включить пятую передачу уже через 500 м после начала подъема. Кроме того, число переключений получилось наибольшим, вследствие чего увеличилось время движения с разрывом потока мощности. Как видно из табл. 2, средняя скорость при движении на подъем получилась наименьшей, что дало в результате низкую удельную производительность (меньше на 25,6 % варианта «водитель высокой квалификации»), несмотря на самый низкий расход топлива.

а

б

В случае «водитель высокой квалификации» (рис. 3в) был осуществлен заблаговременный переход на седьмую передачу, а в конце участка автопоезд двигался на шестой передаче. Выбранные передачи позволили поддержать максимальную силу тяги на ведущих колесах, что в

Итоговые показатели дв]

итоге дало наибольшую среднюю скорость на участке при некотором ухудшении топливной экономичности. Однако производительность автопоезда оказалась в этом случае максимальной.

Таблица 2

автопоезда на маршруте

Заезд Скорость в конце участка, км/ч Время прохождения участка, с Средняя скорость, км/ч Число переключений передач Средний расход топлива, л/100 км Удельная производительность, ткм2/

1 26,7 91,4 35,4 5 117,9 7,101

2 33,8 73,1 44,3 3 118,8 8,819

3 40,6 63,7 50,9 1 126,1 9,546

Движение на подъем в автоматическом режиме работы АСПП иллюстрирует рис. 3б. Момент переключения и номер включаемой передачи определялись согласно заложенным в алгоритм работы АСПП законам переключения передач, т. е. не зависели от водителя. Следует отметить, что этот вариант на 7,6 % хуже варианта «квалифицированный водитель» по удельной производительности, однако с точки зрения топливной экономичности имеет по сравнению с ним преимущество в 5,8 % (табл. 2).

В Ы В О Д

На рассмотренном примере показана эффективность практического применения имитационной модели, работающей в режиме реального времени для оценки эффективности законов переключения передач. В перспективе имеется возможность существенно улучшить эффективность работы АСПП в автоматическом режиме (режиме «автомат»), запрограммировав в алгоритм переключения передач оптимальные законы переключения. Получить последние возможно путем решения задачи

синтеза ЗПП методом многокритериальной параметрической оптимизации, что потребует, наряду с имитационной моделью, разработки комплексной оптимизационной модели.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Руктешель, О. С. Анализ и синтез систем автоматического управления переключением передач автотранспортных средств: дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.03 / О. С. Руктешель. - Минск, 1987. - 503 с.

2. Тарасик, В. П. Интеллектуальные системы управления транспортными средствами / В. П. Тарасик, С. А. Рын-кевич. - Минск: УП «Технопринт», 2004. - 512 с.

3. Крайнык, Л. В. Основы теории и синтеза оптимального управления гидромеханическими передачами автомобилей: дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.02 / Л. В. Крайнык. - Киев, 1995. - 364 с.

4. Кусяк, В. А. Применение гибридных функций и переключателей при разработке математических моделей / В. А. Кусяк // Материалы междунар. мат. конф., Гомель, 20-21 мая 1999 г. - Гомель, 1999. - С. 35-36.

5. Филимонов, А. А. Моделирование движения автомобиля в реальном масштабе времени / А. А. Филимонов, О. С. Руктешель // Автотракторный факультет на грани столетий: сб. докл.; под ред. Н. М. Капустина. - Минск, 2002. - 6 с.

Поступила 21.11.2008