Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

УДК 629.113

РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОПОЕЗДА С АКТИВНЫМПРИЦЕПОМ

С.В. Ушнурцев1, кандидат технических наук;

А.В. Келлер2, доктор технических наук, профессор; В.Ю. Усиков1, кандидат технических наук

1 Омский автобронетанковый инженерный институт

(Филиал ФГКВОУ ВО «Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулева»), Омск, Россия

2 Государственный научный центр Российской Федерации

ФГУП «НАМИ», Москва, Россия

Аннотация. В статье рассмотрена проблема повышения проходимости и тягово-скоростных свойств полноприводных автопоездов в условиях движения по деформируемым опорным поверхностям, а также предложена система распределения мощности между ведущими колесами автопоезда для ее решения.

Ключевые слова: автомобильная техника, мощность, проходимость, ведущие колеса, активный прицеп.

IMPLEMENTATION OF A ROAD TRAIN WITH AN ACTIVE TRAILER

S.V. Ushnurtsev1, candidate of technical sciences; A.V. Keller2, doctor of technical sciences, professor; V.Y. Usikov1, candidate of technical sciences

1 Omsk automobile and armored engineering Institute

(Branch of the FSTME IHE«Military Academy of material and technical support named aftergeneral of the army A.V. Khrulev»), Omsk, Russia

2 State scientific center of the Russian Federation FSUE «NAMI», Moscow, Russia

Annotation. The article deals with the problem of increasing the cross-country ability, traction and speed properties and efficiency of four-wheel drive road trains in the conditions of movement on deformable support surfaces, and also offers a system of power distribution between the driving wheels of the road train to solve it.

Keywords: automotive equipment, power, cross-country, driving wheels, active trailer.

Введение

На сегодняшний день вопросы перевозки различного рода грузов экономически более выгодно решаются с использованием автомобильного транспорта. При этомстоимость перевозок автомобилями в составе автопоездов ниже чем автомобилями без прицепов, в среднем от 25 до 45 %. Вместе с тем рост перевозок автомобильным транспортомпреимущественноограничевается недостаточнойпроходимостью и сравнительно небольшой реализацией на территориях с малой сетью усовершенствованных дорог.

В связи с чем разработка автопоездов, имеющих достаточно высокую проходимость дляпреодолениясложных дорожных условий, является весьма актуальной технической задачей.

Для ее решения существуют несколько основных направления: первое –разработка более энерговооруженных автомобилей; второе – активизация колес прицепов и полуприцепов.

Первое направление требует привлечения значительных ресурсов, так как необходимо разработать совершенно новый автомобиль-тягач, что с учетом всех издержек до начала окупаемости приведет к росту себестоимости перевозок и может сделать их менее рентабельными, чем перевозки на отдельных автомобилях.

170

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Второе направление, по активизацииколес прицепов и полуприцепов, позволяет без значительныхконструктивных изменений решить проблему повышения проходимости на основе использования, выпускаемых промышленностью базовых моделей, как для всех отраслей гражданского сектора, так и для силовых структур, которыми предъявляются повышенные требования к автомобилям[1].

Основная часть

Отличительной особенностью использования полноприводных автопоездов является наличие в каждый конкретный момент большого количества возможных комбинаций режимов работы ведущих колес, зависящих от характера распределения мощности между движителями автопоезда. Это особенно явно проявляется при криволинейном движении, движении по деформируемым грунтам и по неровным опорным поверхностям, когда одна часть колес работает в ведущем режиме, а другая часть при этом – в ведомом, свободном, нейтральном или даже тормозном. Все это, безусловно, сказывается на проходимости, тягово-скоростных свойствах и экономичности полноприводного автопоезда.

Всвязи с чем решение вопроса о рациональном распределении энергии двигателя между движителями автопоезда,в целом, является актуальной задачей.

Для повышения эффективности использования автопоездов в сложных дорожных условиях наиболее перспективным и реальным является передача части мощности двигателя тягача колесам прицепа, которые в этом случае становятся ведущими. В этой связи определение рационального распределения энергии между движителями автопоезда приобретает достаточную актуальность и значимость[2].

Втрансмиссиях полноприводных автомобилей приемлют, как межколесные, так и межосевые дифференциальные механизмы, при этом подводимый к дифференциалу момент распределяется по его осям в соответствии с его внутренним передаточным отношением. Как правило внутреннее передаточное отношение выбирают равным отношению числа соединяемых межосевыми дифференциалами мостов. Этот обусловлено тем, что многоосные полноприводныеавтомобили имеют жесткую несущую раму иоснащаюися колесами равного диаметра, нагрузка по осям, в таклм случае, распределяетсяболее равномерно. В связи с чем применениебездифференциального привода, для передачи части мощности от автомобиля-тягача на колеса прицепа, становится более рациональным. Реализовать схему передачи части мощности на колеса прицепа нивелируя дифференциальные механизмы при их наличии, позволит применение гидрообъемной передачи, но при этом необходимо установить оптимальные значения коэффициента распределения мощности в приводе, которые должны быть регулируемым в зависимости от условий эксплуатации автопоезда [3].

Для реализации данного теоретического положения разработана конструкция автопоезда с активным прицепом (рисунок 1), которая включает в себя: устройства дистанционного управления 1 с каналами передачи информации 2 в электронный блок управления 7, гидронасос 3 с гидромагистралями 4 (напорной и сливной), выполненными в бронированной гибкой оплетке, идущими в гидромотор 10, датчики числа оборотов задних ведущих колес автомобиля 5 (задние ведущие колеса автомобиля на рисунке не обозначены цифровой позицией) с каналами передачи информации 6 в электронный блок управления 7, датчики числа оборотов ведущих колес прицепа 9 с каналами передачи информации 8 в электронный блок управления 7, карданные передачи 11 соединенные с гидромотором 10 для передачи крутящего момента через мосты на ведущие колеса прицепа (на рисунке не обозначены цифровыми позициями), раздаточную коробку 12 с установленной штатной коробкой отбора мощности 13 на привод дополнительного оборудования.

171

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

1 – Устройства дистанционного управления; 2, 6, 8 – каналы передачи информации; 3 – гидронасос; 4 – гидромагистрали (напорная и сливная); 5 – датчики числа оборотов задних ведущих колес автомобиля; 7 – электронный блок управления; 9 – датчики числа оборотов ведущих колес прицепа; 10 – гидромотор; 11 – карданные передачи; 12 – раздаточная коробка; 13 – коробка отбора мощности

Рисунок 1 – Автопоезд с активным прицепом

Принцип действия предлагаемой системы распределения мощности между ведущими колесами автопоезда заключается в следующем: во время движения автомобиля с прицепом, как груженого, так и порожнего, оснащенного предлагаемой системой, в составе автопоезда, в условиях низкого сцепления ведущих колес с опорной поверхностью и по бездорожью (грунтовая дорога неудовлетворительного состояния; песчаная местность; суглинистая почва, насыщенная влагой; снежный покров и т.д.) водитель снижает скорость до 20 км в час, после чего на панели приборов нажимает кнопку включающую в работу активный прицеп (кнопка включения на рисунке не обозначена цифровой позицией). При этом от раздаточной коробки 12 чрез штатную коробку отбора мощности 13 начинает передаваться крутящий момент на устройство дистанционного управления 1 сопряженное с гидронасосом 3. Рабочая жидкость из гидронасоса 3 по напорной (верхней) бронированной гибкой гидромагистрали 4 поступает в гидромотор 10 сопряженный с устройством дистанционного управления 1, который соединен с карданными передачами 11. Затем рабочая жидкость проходит через гидромотор 10 приводя его в движение, при этом создаваемый крутящий момент передается через карданные передачи 11 на мосты и далее, на ведущие колеса прицепа приводя их в движение (на рисунке не обозначены цифровыми позициями). После чего рабочая жидкость из гидромотора 10 поступает по сливной (нижний) бронированной гибкой гидромагистрали 4 в гидронасос 3, тем самым замыкая цикл передачи части мощности от автомобиля к активному прицепу. Коробка отбора мощности 13 позволяет передавать до 44 кВт (60 л.с.) от автомобиля к активному прицепу, при этом не снижая ходовых характеристик тягача.

Впроцессе движения автопоезда с активным прицепом важным обстоятельством повышения проходимости является одновременное вращение ведущих колес как автомобиля, так и прицепа с одинаковой частотой вращения, для исключения кинематического несоответствия в приводе, увеличивающего затраты энергии на движение.

Для исключения данного негативного явления на задних ведущих колесах автомобиля (на рисунке не обозначены цифровыми позициями) размещаются датчики числа оборотов 5 с каналами передачи информации 6 в электронный блок управления 7, в который также поступает информация от датчиков числа оборотов 9 ведущих колес прицепа через каналы передачи информации 8. Информация поступает в режиме реально времени, в электронный блок управления 7, который в свою очередь управляет устройствами дистанционного управления 1 гидронасоса 3 и гидромотора 10.

Вслучае если датчики числа оборотов 5 задних ведущих колес автомобиля фиксируют превышение угловой скорости вращения по отношению к ведущим колесам прицепа на 10 %, то в таком случае электронный блок управления 7 передает исполнительную команду через канал передачи информации 2 на устройство дистанционного управления 1 гидронасоса 3 кратковременно отключая его, до момента выравнивания угловых скоростей вращения ведущих колес автопоезда.

Вслучае если датчики числа оборотов 9 ведущих колес прицепа фиксируют превышение угловой скорости вращения по отношению к ведущим колесам автопоезда на 10 %, то в таком случае электронный блок управления 7 передает исполнительную команду через канал передачи

172

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

информации 2 на устройство дистанционного управления 1 гидромотора 10 кратковременно отключая его, до момента выравнивания угловых скоростей вращения ведущих колес автопоезда (рисунок 1).

Стоит отметить, что значительное влияние на эффективность применения активного привода прицепа оказывает кинематического несоответствия между мостами автопоезда, которое возникает вследствие конструктивных и эксплуатационныхфакторов.

Например, заблокированный межколесный дифференциал, по причине разных угловых скоростей вращения или радиусов ведущих колес приводит к движению их с разнымихарактеристиками буксования. Что в свою очередь снижает эффективность использования сцепного веса агрегата для увеличенияобщей касательной силы тяги. Эксплуатация показывает, что при движении автомобиля с заблокированными ведущими колесами по твердой поверхности и малом значении буксования суммарная касательная сила тяги будет меньше, чем для того же автомобиля, но с дифференциальным приводом ведущих колес[4].

Так между заблокированными ведущимиколесамивозникает коэффициент кинематического несоответствия (K).

Для двух мостов (колес) этот коэффициент может быть определен по уравнению:

где:

δ2, δ1 – буксование «отстающего» и «забегающего» колес;

Vт1, Vт2, Vд – расчетная поступательная скорость осей «забегающего» и «отстающего» колес, и действительная скорость осей колес.

В активных автопоездах вступление колес в ведущий режим происходит последовательно в зависимости от величины К между двумя «смежными» мостами.

Рка– суммарная сила тяги автопоезда; n – количество ведущих мостов; К – кинематическое несоответствие

Рисунок 2 – Зависимость суммарной силы тяги автопоезда от количества ведущих мостов при различном кинематическом несоответствии

Для проведения оценки эффективности применения активного привода прицепа в среде Mathcad была разработана одноименная программа (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020613388). Программа основана на типовых программах и методах испытаний полноприводных автомобилей на проходимость (реальных объектов), в частности на РТМ 37.001.039-77 «Типовая программа и методы испытаний полноприводных автомобилей на проходимость», при этом позволяет задавать исходные данные (параметры), как для реальных сред и объектов, так и для проектируемых объектов, и при помощи числового моделирования получать

173

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

значения: коэффициента сопротивления опорной поверхности для среды, а также динамического фактора, максимального преодолеваемого подъема и силы тяги на крюке для объекта[5].

Так же существует определенное сочетание массы автомобиля, массы буксируемого прицепа и сопротивления качению колес автопоезда, при котором целесообразно включение полного привода. Результаты проведенного расчета, представленные в таблице 1, показывают значения силы тяги и буксования ведущих колес, при которых мощность, затрачиваемая для движения неактивного автопоезда, превышает мощность, требуемую для движения активного.

Таблица 1 – Результаты расчета значений силы тяги и буксования ведущих колес в различных дорожных условиях

Проведенный анализ, свидетельствует о том, что при движении по дистиктивной опорной поверхности момент включения активного привода будет определяться недостаточными условиямипо сцеплениюведущих колес тягача с дорогой,так как потери на привод ведущих колес прицепа будут компенсироваться только при полном буксовании колес тягача на деформируемых и сыпучих грунтах.В таком случае наиболее рациональный момент включения в работу активного прицепа автопоезда соответствует разности по буксованию ведущих колес одной оси тягача свыше 15%. В свою очередь максимальная сила тяги на ведущих коле сах тягача будет соответствовать буксованию его колес порядка в пределах 40 %. В следствии чего, моментактивизации привода прицепа наступит раньше длядостижения лучшей экономичности, нежели повышения проходимости.

Заключение

Таким образомпередача части мощности от автомобиля-тягача на ведущие колеса прицепа позволяет в целом повысить проходимость и тяговые свойства автопоезда в сложных дорожных условиях, а также на участках бездорожья и сложного рельефа. Кроме того, включение активного привода уменьшает потери, обусловленные проскальзыванием колес относительно опорной поверхности.

«Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» – Омск: ОТИИ, 2004. – С. 19-23.

3. Жилейкин, М.М. Алгоритм работы системы динамической стабилизации для автомобиля 4х4

сподключаемой задней осью / М.М. Жилейкин, А.О. Чулюкин // Наука и образование, 2014. – № 4. – С. 90-123.

4.Zanten, V. The Vehicle Dynamics Control System of Bosch / V. Zanten, T. Anton, R. Erhardt, and G. Pfaff // SAE Technical Paper. – 1995. – P.300-330.

5.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020613388 Российская Федерация. Программа для оценки эффективности применения активного привода прицепа: № 2020612334:

заявл. 21.02.2020: опубл. 13.03.2020 / С.В.Ушнурцев, А.В. Келлер; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Акселот -Л».

174