Analysis of design schemes of combination of vehicles towing elements wheel drives

Abstract

The article presents an analytical review devoted to the design of combination of vehicles towing elements wheel drives in domestic and foreign automotive industry. Brief information regarding the developed mathematical model of linear dynamics for tractor unit with active towing element is given.

Full Text

Одним из важных направлений развития отечественного автомобилестроения является разработка новых и модернизация существующих специальных транспортных средств по- вышенной проходимости. Значительная часть разрабатываемых месторождений нефти и газа находится в труднодоступных районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, в условиях “вечной мерзлоты” и бездорожья, в связи с чем, транспортное обеспечение их разведки, обу- стройства и обслуживания весьма затруднено. Колесные машины повышенной и высокой проходимости находят также активное применение при решении транспортных задач других отраслей экономики страны, и конечно, незаменимы при обеспечении обороноспособности. Особая роль в решении проблем, связанных с перевозкой грузов в условиях бездоро- жья, отводится специальным внедорожным автопоездам [1]. Однако рост перевозок с помо- щью автомобильных поездов существенным образом сдерживается их недостаточной прохо- димостью и невозможностью в связи с этим широко применения в районах с неразвитой до- рожной сетью. В [2] отмечается, что для повышения проходимости большегрузных и длиннобазных автопоездов недостаточно иметь только тягач повышенной (или даже высокой) проходимо- сти, необходимо также обеспечить активизацию колес прицепных звеньев, т.е. иметь систему повышения сцепного веса автопоезда при преодолении наиболее трудных по проходимости участков дороги и местности, а также при движении в условиях гололеда. Активизация осей прицепов и полуприцепов позволяет без существенных усложнений и изменений конструкции решить проблему повышения проходимости, в том числе при ис- пользовании серийных моделей тягачей. Привод активных прицепных звеньев может быть постоянного и периодического дей- ствия. Приводы постоянного действия имеют относительно малое распространение и приме- няются главным образом на большегрузных многозвенных автопоездах. На двухзвенных ав- топоездах обычно используются приводы периодического действия (бустерного типа) [3]. По типу трансмиссии системы привода активных осей прицепных звеньев подразделяют на ме- ханические, гидрообъемные и электрические. Возможны две конструктивные схемы механического привода: с передачей крутящего момента обычной карданной передачей и через шкворень седельно-сцепного устройства. Существенным недостатком первой схемы является ограничение угла складывания между тягачом и полуприцепом предельно допустимыми углами карданных шарниров (до 45°), что значительно ухудшает маневренные свойства. Такой привод находит широкое применение в активных автопоездах с одноосными тягачами. а) б) Рис. 1 Активные автопоезда компании Multidrive: а - транспортер танков MTM30-40; б - сельскохозяйственная машина M8-40 8х8 Для улучшения маневренности автопоездов с передачей крутящего момента карданной передачей британская компания Multidrive использует сцепное устройство с двойным меха- низмом сочленения (рис. 1). Для устранения необходимости работы карданной передачи на критических углах введен поворотный стол задней тележки полуприцепа. Такое сцепное устройство обеспечивает повышенные углы продольной (до ±15°), поперечной (до ±10°) и горизонтальной (до ±100°) гибкости. Отбор мощности для привода колес прицепного звена при такой схеме осуществляется от заднего моста тягача, который выполняется проходным. Для обеспечения подвода допол- нительного момента на задние ведущие мосты модернизации требует также раздаточная ко- робка тягача. Схема компоновки агрегатов трансмиссии активного автопоезда (8×8) с приво- дом прицепа такого типа представлена на рис. 2. Как показывает опыт компании Multidrive [4], такой тип привода наиболее рационален для автопоездов с колесной формулой 8×8. Недостатком схемы является уязвимость элемен- тов привода прицепного звена при движении по пересеченной местности, а также сложность операций сцепки и расцепки. Рис. 2. Компоновка агрегатов привода типа «Multidrive»: 1, 2 - ведущие мосты тягача; 3 - механизм сочленения; 4, 5 - промежуточные опоры; 6 - поворотный механизм; 7, 8 - ведущие мосты полуприцепа а) б) в) г) Рис. 3. Активные автопоезда с механическим приводом полуприцепа: а - НАМИ-058С; б - БАЗ-6009; в - Урал-44201-862А; г - КрАЗ-260Д-9382 В нашей стране работы над созданием активных автопоездов велись с конца 50-х годов. Наиболее распространен в те годы был механический привод колес прицепного звена через шкворень седельно-сцепного устройства. В результате разработок советских автозаводов и СКБ были изготовлены различные образцы активных двухзвенных автопоездов военного назначения [5], некоторые примеры представлены на рис. 3. После испытаний ряда экспери- ментальных конструкций наиболее эффективными были признаны автопоезда с колесной формулой 10x10, состоявшие из трехосных полноприводных седельных тягачей и активных двухосных полуприцепов со всеми ведущими односкатными колесами. Отбор мощности обычно осуществляется от раздаточной коробки тягача. Далее крутя- щий момент передается через специальное проходное опорно-сцепное устройство и систему угловых (конических) редукторов и карданных валов на ведущие мосты полуприцепа, ходо- вая часть которых унифицирована с тягачами (поэтому общее передаточное число привода для прицепного звена должно быть таким же, как и для тягача). Схема компоновки активного автопоезда (10×10) с механическим приводом представлена на рис. 4. Рис. 4. Компоновка агрегатов механического привода полуприцепа: 1, 2, 3 - ведущие мосты тягача; 4 - коробка отбора мощности; 5, 6, 7, 8 - угловые редукторы; 9, 10 - ведущие мосты полуприцепа Для включения привода предусмотрены две муфты: одна на коробке отбора мощности, другая перед тележкой полуприцепа. В обычных условиях движения обе муфты выключены, в результате чего нет потерь на холостое вращение редукторов. Привод необходимо вклю- чить для преодоления автопоездом особо трудных участков местности, где происходит дви- жение на пониженных передачах. После прохождения этих участков привод необходимо от- ключить для предотвращения циркуляции мощности между тягачом и полуприцепом. Такой тип привода имеет следующие недостатки: применение нестандартного опорно-сцепного устройства, которое не предусматривает возможность расцепления звеньев автопоезда и замены прицепного состава; значительное количество угловых редукторов и карданных валов, увеличивающих массу привода; кинематические несоответствия при вращении колес тягача и прицепного состава и про- блемы оптимального перераспределения необходимых сил тяги и торможения на каждое колесо автопоезда, особенно заметные на ровной дороге, при поворотах и торможении. Широкое применение для активизации колес прицепных звеньев в отечественном и за- рубежном автомобилестроении находит гидрообъемный привод. Использование гидрообъ- емного привода для активных автопоездов по сравнению с применением механического име- ет следующие преимущества [6]: устойчивость работы при малых скоростях и больших нагрузках; удобство компоновки агрегатов привода; легкость и простота реверсирования (позволяет производить «раскачку» застрявшего транспортного средства); надежная защита от перегрузок (с помощью предохранительных клапанов и ограничите- лей давления). По данным фирмы Sisu автопоезд, оснащенный объемной гидравлической трансмисси- ей, развивает тягу на 25% выше и преодолевает подъем в 1,5 раза круче, чем без нее [6]. Схемы гидрообъемных приводов активных колес прицепных звеньев делятся на два основных типа: «гидровал» и «гидромотор-колесо». В СССР был распространен привод типа «гидровал». Примеры автопоездов, выполненных по такой схеме, представлены на рис. 5. В таких конструкциях гидропривод выполняет функции карданных валов, обеспечивая подвод крутящего момента на ведущие мосты прицепного звена [7]. Компоновка агрегатов привода типа «гидровал» приведена на рис. 6. Особенностью такого привода является широкое использование стандартных агрегатов. Однако из-за малого количества гидроагрегатов (один насос и один мотор) значительная часть привода приходится на механические агрегаты (главные передачи, дифференциалы, карданные передачи). При данной компоновке для по- вышения проходимости должна быть реализована возможность блокировки межколесных дифференциалов в мостах прицепного звена автопоезда. На современном этапе технического развития реализация гидропривода происходит по схеме типа «гидромотор-колесо». В таком случае гидромотор встраивается в каждый из дви- жителей. Примеры автопоездов приводом «гидромотор-колесо» представлены на рис. 7. а) б) Рис. 5. Активные автопоезда с гидрообъемным приводом полуприцепа: а - ЗИЛ-137; б - МАЗ-7410-9988 Рис. 6. Компоновка агрегатов гидрообъемного привода полуприцепа типа «гидровал»: 1, 2, 3 - ведущие мосты тягача; 4 - коробка отбора мощности; 5 - насос; 6 - гибкие шланги; 7 - гидромотор; 8 - вал привода полуприцепа; 9, 10 - ведущие мосты полуприцепа а) б) Рис. 7. Активные автопоезда с гидрообъемным приводом полуприцепа типа «гидромотор-колесо»: а - FAUN SLT; б - полуприцеп «НАМИ-Сервис» с тягачом КамАЗ-44108 В системе гидропривода типа «гидромотор-колесо» один гидронасос обслуживает не- сколько гидромоторов. Компоновка агрегатов привода типа «гидромотор-колесо» приведена на рис. 8. Преимуществом такой схемы является возможность реализации индивидуального привода колес прицепного звена в зависимости от условий движения. Для привода колес применяют гидромоторы двух типов: низкооборотные высокомо- ментные радиально-поршневые (например, фирм Sisu и Poclain) и высокооборотные акси- ально-поршневые (фирм Sundstrand и Bosch Rexroth). Достоинством радиально-поршневых гидромоторов является возможность передачи больших крутящих моментов и устойчивой работы под нагрузкой при малых оборотах (7…10 об/мин), что позволяет упростить конструкцию мотор-колеса, поскольку исключается необходимость в колесном редукторе. Ак- сиально-поршневые гидромоторы имеют меньший диаметр, чем радиально-поршневые, по- этому их используют при малом диаметре ступицы колеса. Под нагрузкой минимально устойчивые обороты такого гидромотора находятся в пределах 100…150 об/мин, поэтому требуется установка понижающего колесного редуктора. Рис. 8. Компоновка агрегатов гидрообъемного привода полуприцепа типа «гидромотор-колесо»: 1, 2, 3 - ведущие мосты тягача; 4 - коробка отбора мощности; 5 - насос; 6 - гибкие шланги; 7, 8 - гидромотор Особенностью гидрообъемной трансмиссии является то, что она работает в достаточно узком диапазоне скоростей движения машины, что объясняется рабочими процессами объ- емных гидромашин [8]. Скоростной диапазон работы гидропривода лесовоза фирмы Sisu со- ставляет 10% от всего скоростного диапазона машины; на автопоезде ЗИЛ-137 гидропривод работает только при движении со скоростью не более 7 км/час. В конструкции трансмиссий предусматривается блокирование системы управления гидрообъемной трансмиссии, исклю- чающее ее применение на более высоких скоростях. Использование гидропривода носит ограниченный характер по следующим причинам: КПД меньше, чем у механического привода (вследствие двойного преобразования энер- гии); сложность эксплуатации в условиях низких температур (для поддержания работоспособ- ности необходимо постоянно прокачивать рабочую жидкость, что приводит к большим барботажным потерям); большая себестоимость по сравнению с механическим приводом; ограниченная возможность применения в длинномерных автопоездах (из-за больших по- терь в трубопроводах). Наиболее рациональной для многоприводных колесных машин считается электриче- ская трансмиссия [6]. Электрической называется передача, в которой преобразование факто- ров силового потока приводного двигателя машины (ДВС) во всем диапазоне регулирования осуществляется электрическим трансформатором крутящего момента. Простейший транс- форматор состоит из двух электрических машин, одна из которых работает в режиме генера- тора, а другая - в режиме электродвигателя. Если в такой передаче установлены ступенчатые (фрикционно-зубчатые) редукторы или другие механические распределяющие механизмы, то она называется электромеханической. Важным свойством электромеханических трансмиссий является возможность индиви- дуального управления режимами работы каждого из колесных движителей в соответствии с условиями их движения и состояния опорной поверхности. Для активизации колес прицепа или полуприцепа автопоезда с тягачом, обладающим серийным приводом, применяют электрический привод периодического действия (рис. 9), который используют при движении на низших передачах. Для снижения потерь при движе- нии на более высоких передачах необходимо разрывать кинематическую связь между коле- сом и звеньями редуктора с тяговым электродвигателем. Электрические трансмиссии с приводом постоянного действия применяются на полно- приводных автопоездах с большим числом ведущих осей (рис. 10). Рис. 9. Компоновка агрегатов электрического привода полуприцепа: 1, 2, 3 - ведущие мосты тягача; 4 - коробка отбора мощности; 5 - генератор; 6 - силовые провода; 7, 8 - электромотор-колесо При движении в тяжелых дорожных условиях или с полной нагрузкой все электромо- тор-колеса реализуют мощность, передаваемую от ДВС и генератора, и сцепные свойства автопоезда используются полностью. При движении таких автопоездов по дорогам с усо- вершенствованным покрытием и с неполным грузом необходимая сила тяги машины значи- тельно уменьшается. В этих условиях целесообразно отключать часть электромотор-колес. а) б) Рис. 10. Активные автопоезда с электрическим приводом полуприцепа: а - Terex, транспортер под МБР МХ; б - LeTourneau TC-497 Отличительной особенностью использования активных автопоездов является наличие в каждый конкретный момент большого количества возможных комбинаций режимов работы ведущих колес, зависящее от характера распределения мощности между движителями авто- поезда. Это сказывается на тягово-скоростных свойствах, проходимости и экономичности автопоезда. Рис. 11. Расчетная схема движения активного автопоезда Доказано [9], что при осуществлении индивидуального управления каждым приводным двигателем можно обеспечить необходимое значение тяги при минимальных энергозатратах. На основании вышесказанного можно сделать заключение, что одной из актуальных задач по обеспечению опорной проходимости автопоезда с активным прицепом или полуприцепом и индивидуальным приводом колес является разработка системы распределения мощности с целью реализации потенциальных возможностей движителя. Для решения этой задачи со- здана математическая модель движения активного двухзвенного седельного автопоезда, от- личающаяся учетом влияния изменяющейся в процессе движения вертикальной силы в опорно-сцепном устройстве на определение нормальных реакций тягача и полуприцепа. Рас- четная схема движения автопоезда, представленная на рис. 11, принята с учетом характера решаемой задачи и описывается соответствующими уравнениями движения (1) [10].  3 m1 V1   Rxi  m1  g  sin   Pw  Pkr ;  i1  6 m2 V2   Rxi  m2  g  sin   Pkr ; (1)  i4 Jki i  M ki  Rxi  rd  M fi ,   где: i = 1…6; m1 и m2 - масса тягача и прицепа, соответственно; V̇ 1 и V̇ 2 - продольное ускоре- ние центра масс тягача и прицепа, соответственно; Rxi - продольная реакция колеса с опорным основанием; Jki - момент инерции i-го колеса; ώi - угловое ускорение i-го колеса; Mki - крутящий момент, подводимый к i-му колесу; rd - расстояние от оси колеса до поверхности дороги; Mfi - момент сопротивления качению i-го колеса; g - ускорение свободного падения; α - угол наклона опорной поверхности; Pkr - сила на крюке; Pw - сила сопротивления воздуха. Связь тягача и прицепа реализуется через силу на крюке, которая определяется по зави- симости (2) [10]: Pkr   XСТ  XСПр  C  VXТ VXПр  B, (2) где: C - коэффициент жесткости сцепного устройства в продольном направлении; B - коэф- фициент сопротивления демпфера сцепного устройства в продольном направлении; XСТ - координата центра масс тягача по оси Х; XСПр - координата центра масс прице- па по оси Х; VXТ - скорость центра масс тягача; VXПр - скорость центра масс прицепа. Численное моделирование движения автопоезда проводилось в пакете Simulink систе- мы Matlab. Описанная выше математическая модель была реализована в виде блок-схемы, состоящей из трех основных блоков (рис. 12) [10]: «Тягач» (car), в котором моделируется движение автомобиля-тягача; «Прицеп» (trailer), в котором моделируется движение прицеп- ного звена; «Сцепное устройство» (hitch), в котором реализуется различный характер связи между звеньями автопоезда. Рис. 12. Блок-схема математической модели движения активного автопоезда Блок-схема расчета параметров движения отдельного звена автопоезда, представленная на рис. 13, включает в себя следующие подсистемы: динамика кузова (Body_dynamics), рас- чет вертикальных реакций (Calculations_Rzi) и определение параметров качения каждого ко- леса звена (Wheels). С помощью данной модели в настоящее время проводится обоснование принципов эф- фективного использования привода колес полуприцепа и разработка закона управления трансмиссией автопоезда в зависимости от условий движения на недеформируемом опорном основании при различных вариантах индивидуального привода движителей. Проверка эф- фективности и при необходимости корректировка синтезируемого закона управления транс- миссией предполагаются с помощью математической модели динамики активного седельно- го автопоезда на деформируемой опорной поверхности. Рис. 13. Блок-схема математической модели динамики звена автопоезда Выводы Проведенный аналитический обзор показал, что в конструкциях трансмиссий двух- звенных автопоездов применяют в основном механические и гидрообъемные приводы бу- стерного типа, реже электрические. Отбор мощности для прицепных звеньев осуществляется преимущественно от раздаточной коробки тягача. Активные многозвенные автопоезда обо- рудуют исключительно электрическим приводом. Перспективным направлением создания активных автопоездов является оснащение их регулируемыми «интеллектуальными» трансмиссиями с системами автоматического адап- тивного управления, обеспечивающими оптимальное распределение мощности между веду- щими колесами в конкретных условиях движения. Наибольший эффект следует ожидать от построения их на основе гидрообъемного или электрического привода. Направление дальнейших исследований заключается в разработке автоматических си- стем управления активным приводом. Значительный научный и практический интерес пред- ставляет оптимизация параметров распределения мощности с использованием различных электронных систем управления, эффективность которой должна быть доказана с помощью имитационного математического моделирования на ЭВМ.