713

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова“

В.В. Аюпов

ИССЛЕДОВАНИЕ

МАНЕВРЕННЫХ СВОЙСТВ АВТОПОЕЗДОВ

НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Монография

ПЕРМЬ ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА

2012

1

УДК 629.113 ББК 39.33-01 А-998

Рецензенты: заведующий кафедрой деталей машин Пермской ГСХА, доктор технических наук, профессор Елтышев В.А.; доцент кафедры процессов управления иинформационной безопасности Пермского ГНИУ,кандидат физико-математических наук Лутманов С.В.

А-998 Аюпов В.В.

Исследование маневренных свойств автопоездов на основе системного подхода[Текст]: монография./ В.В. Аюпов, М-во с/х РФ, ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА. – Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012. – 96 с.; - 100 экз. ISBN –978-5-94279-141-4

В монографии изложена методика применения системного подхода в исследовании маневренных свойств автопоездов. Сформированы структурные и вычислительные блоки и модули, на основе которых компонуются математические модели движения автопоезда как механической системы связанных твердых тел с учетом различных режимов и дорожных условий его движения. Проведены аналитические и численные расчеты, определяющие основные траектории и габаритные полосы движения звеньев автопоезда. Представлены результаты сопоставления расчетного и экспериментального исследования маневренности трехзвенного автопоезда.

Книга представляет интерес для специалистов в области математического моделирования технических систем, для научных и инженерно-технических работников, связанных с конструированием, исследованием и эксплуатацией автомобильного транспорта.

УДК 629.113

ББК 39.33-01

Печатается по решению ученого совета Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова.

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………….…….4

Предисловие…………………………………………………………….…...5

1. Разработка системной методики формирования структурных и вычислительных модулей движения автопоезда………………………...8

1.1.Системный подход в прикладных исследованиях автомобиля

иавтопоезда…………………………………………………………8

1.2.Обзор способов исследования автопоезда…………………………9

1.3.Системное описание функционирования автопоезда……………11

1.4.Структурный анализ автопоездов……………………………..…..13

1.5.О представлениях движения автопоезда как механической системы……………………………………………………….….….24

1.6.Формирование структурных и вычислительных модулей…..…...25

1.7.Компоновка структурной и вычислительной моделей функционирования автопоезда……………………………..….…..36

1.8.Системный анализ содержания научно-исследовательских

работ по автомобильным поездам……………………………...….39

Выводы………………………………………………………………..……46

2.Исследование маневренности многозвенного автопоезда..……..…..47

2.1.Основные понятия и определения…………………....…………...47

2.2.Режимы движения автопоезда…………………………..………..50

2.3.Аналитическое определение положения звеньев многозвенного автопоезда на опорной плоскости……………………………...…48

2.4.Моделирование закона управления автопоездом………………..….....53

2.5.Аналитический расчет уравнений кинематики многозвенного автопоезда…………………………………..…..…55

2.6.Определение характеристик маневренности автопоезда…….….59

2.7.Исследование частных случаев движения автопоезда……….….62

2.8.Экспериментальная проверка методики расчета кинематических параметров многозвенного автопоезда…………………………...78

Выводы…………………………………………………………………….84

Заключение….………………………………………………….…………85

Список литературы……………………………………………….……....88

3

ВВЕДЕНИЕ

Решение задачи повышения производительности автотранспортных средств (АТС) во многом зависит от решения вопросов освоения производства новых типов АТС большой грузоподъемности, разработки и создания прогрессивных технологических процессов обслуживания и эксплуатации автомобильного транспорта.

В настоящее время все большее распространение получают автомобильные поезда – сочлененные автотранспортные средства (САТС), как эффективные средства для перевозки различных грузов.

По сравнению с автомобилем автопоезда имеют ряд преимуществ: более высокие технико-экономические показатели; возможность варьирования грузоподъемности автопоезда в более широких пределах; обслуживание одним водителем нескольких транспортных единиц и другие.

Эффективность использования АТС главным образом определяется совокупностью их эксплуатационных свойств, которые требуют рационального управления на стадиях проектирования, производства и эксплуатации АТС.

Каждый раз при создании новых сочлененных АТС вопрос обеспечения их маневренности, управляемости и устойчивости оказывается достаточно сложным, и решать его из-за отсутствия единой методики приходится заново. В связи с этим, разработка единого, системного подхода к вопросам исследования эксплуатационных свойств, в том числе, маневренности автопоездов всех типов является актуальной.

Одним из важнейших свойств подвижного состава автомобильного транспорта, влияющих на его производительность и безопасность движения, является маневренность. Практика эксплуатации автопоездов, в особенности многозвенных, показывает, что в силу наличия сочленений между звеньями показатели маневренности таких АТС становятся хуже с ростом числа присоединенных звеньев. Это выражается в ухудшении характеристик вписываемости в заданные габариты, в увеличении ширины коридора движения автопоезда на прямолинейных и криволинейных участках дороги. При этом характеристики маневренности автопоезда существенно зависят от типа конструкции, геометрических и весовых параметров звеньев автопоезда, характера их сочленения, законов управления колесными осями, характеристик шин, режимов и условий движения.

Отмеченные факторы делают актуальными теоретические разработки, направленные на улучшение свойств маневренности автопоездов, так как эти свойства могут оказаться ограничивающими применение автопоездов, в особенности многозвенных, в определенных дорожных условиях эксплуатации.

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Возрастающая роль автомобильных поездов в грузоперевозках, важность проблем повышения их производительности, экономической эффективности и безопасности эксплуатациии не в полной мере разработанные методики аналитического и компьютерного расчета параметров, определяющих показатели управляемости, устойчивости и маневренности обусловили необходимость системного - более полного и детального исследования выделенных эксплуатационных свойств автопоездов.

Обзор работ по автомобильным поездам показывает, что проблематика исследований автопоездов интенсивно развивается учеными, как в России, так и за рубежом.

К первым работам, посвященным вопросам автомобильных поездов, следует отнести работы Е.А. Чудакова [120, 121], Н.А. Яковлева [127],

М.М. Бергмана [24], Б. Пасхина [96], W. Schaar [128], G. Fasekas [129], C. Bourcier [130] и др. В них изложены вопросы тяговых свойств автопоезда, динамического взаимодействия его звеньев, движения автопоезда на поворотах. Однако при рассмотрении криволинейного движения автопоездов ни в одной из отмеченных работ не принимаются во внимание кинематические факторы (угловая скорость звеньев, скорость движения автопоезда, переходные режимы движения и т. п.) – задачи решаются чисто геометрически. При этом рассматриваемые задачи имеют частный характер, и поэтому материалы исследований не могут быть обобщены для автопоездов различного структурного состава и различных режимов движения.

В последующие годы появились работы, посвященные теории движения колесных машин, а также исследованиям управляемости, устойчивости и маневренности автомобиля и автопоезда. Значительный вклад в изучение отмеченных вопросов внесли такие отечественные исследователи, как Я. Х. Закин [49 - 53], Я.Е. Фаробин [23, 110 - 116], А.А.

Хачатуров [12, 13, 31, 84, 85, 98, 117, 118], Д.А. Антонов [10, 11], В.Л.

Бидерман[26],Ю.А. Брянский [27], Н.А. Взятышев [28, 29, 30], Л.Л. Гинцбург [19, 35, 55, 56], А.С. Горобцов, Р. П. Кушвид [37, 38, 39],Л.Н. Гродко, Н.Е. Левин [42, 43], Б.М. Додонов [45], В.К. Зыков [57], П.Д. Клычков [60], А.С. Литвинов [71], В.В. Маланин [17, 74 -80], И.И.Марголин [82], В.В. Осепчугов [88, 89], В.А. Павлов [63, 95], М.Л. Ровинзон [101], Р.В. Ротенберг [104], Г.А. Смирнов [106],В.Г. Терлецкий [108], Е.Е. Черейский [119] и др. Из зарубежных ученых - В. Дайбол, Д. Хакен[44], И. Рокар [103], Д. Эллис [126], Н.Р. Рашидов [99], А.А. Мартынюк [81], Л.Г. Лобас [72, 73], Н.И. Крышень [68], К. П. Косев [67] и др.

5

Впоследние два десятилетия появились разработки [37, 38, 39, 131138 и др.], в которых автотранспортное средство рассматривается как механическая система связанных твердых тел, совершающих перемещения относительно опорной поверхности. В указанных работах проводится структурное и математическое моделирование технических систем, частным случаем которых являются автотранспортные средства, разрабатываются алгоритмы формирования математических моделей и их аналитического и численного расчета и программные комплексы, реализующие эти алгоритмы на персональном компьютере. В программных комплексах [131, 135 - 138] разработаны средства графического представления выходных данных и анимационного представления движения технической системы.

Так, в работах Иванова В.Н. [132, 134] рассматриваются ориентированные на использование ПЭВМ алгоритмы формирования уравнений движения систем многих тел в декартовых координатах и методы их разрешения относительно ускорений. Проведено сравнение эффективности применения описанных методов для механических систем

сразличными структурами и кинематическими связями.

Вработе [131] представлены результаты моделирования движения автомобиля в программном комплексе ―ЭЙЛЕР‖(EULER). В этом комплексе реализована технология автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем.Дано сравнение результатов математического моделирования с результатами натурных испытаний.

Программная система―MSC.ADAMS‖разработана для виртуального моделирования сложных машин и механизмов[135].Программный пакет позволяет исследовать множество вариантов конструкции сложных машин и механизмов с помощью моделирования на компьютере реальных условий их работы, сравнивать и выбирать лучший вариант и совершенствовать будущее изделие. Такой подход дает значительное сокращение затрат времени и средств по сравнению с традиционным путѐм.

Программный комплекс ―Универсальный Механизм‖ (UM) [133, 137] предназначен для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических систем.Программа ориентирована на инженеров-практиков, студентов и преподавателей вузов, всех, кто исследователей динамического поведения машин и механизмов.

Программный комплекс ―Моделирование в технических устройствах‖ (МВТУ) [138]–это современная среда интеллектуального САПР, предназначенная для исследования и анализа нестационарных процессов в системах автоматического управления, в технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования.

6

Программная система формирования решений уравнений нелинейной динамики―ФРУНД‖ [136] предназначена для моделирования динамических процессов в машинах и конструкциях. Она позволяет по описанию расчѐтной схемы создавать уравнения математической модели динамики движения исследуемой конструкции и генерировать программу интегрирования этих уравнений, а так же производить их решение, обработку и вывод результатов в удобной для пользователя форме.

В тоже время анализ доступных источников показывает, что пока не разработаны специализированные системы, позволяющие формировать структуру автопоезда, системы уравнений, описывающие кинематику автопоезда, и получать расчетные показатели, характеризующие маневренные свойства автопоезда любой структуры. Решению именно такой задачи посвящена предлагаемая работа.

7

1. РАЗРАБОТКАСИСТЕМНОЙМЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ И

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХМОДУЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ АВТОПОЕЗДА

Целью разработки системной методики формирования структурных и вычислительных модулей движения автопоезда является создание средств эффективного управления исследованиями в прикладной теории автопоезда, которые позволили бы существенно сокращать сроки разработок математических моделей и их расчетов, уменьшать стоимость и трудоемкость исследовательских и расчетных работ.

В основу создания такой методики положены принципы системного подхода: системное единство (целостность), развитие (пополнение, открытость), совместимость (согласованность частных методик), стандартизация (общность, унификация) [25, 59, 124].

Процесс разработки системной методики состоит из следующих этапов:

-создание методики системного описания функционирования автопоезда,

-формирование системы структурных и вычислительных блоков и модулей,

-компоновка обобщенной вычислительной модели движения автопоезда.

Данныйраздел посвящен обсуждению системного подхода в прикладной теории автомобиля и автопоезда, обзору методов исследования автопоезда и описанию компонентов, представляющих содержание перечисленных этапов разработки системной методики.

1.1.Системный подход в прикладных исследованиях автомобиля

иавтопоезда

Системный подход как методология целостного, комплексного исследования поведения сложных объектов получила в последнее время широкое распространение в различных отраслях науки [1, 2, 14, 97, 100]. В частности, в теории автомобиля системный подход занял вполне определенное место. Об этом свидетельствует ряд научных работ, появившихся за последние десятилетия, посвященных как обсуждению принципов системного подхода в теории автомобиля [6, 90, 91, 92, 93, 105,123 и др.], так и общим теоретическим исследованиям автомобиля, основным на этом подходе [117].

Основополагающий вклад в развитие системного подхода в теории автомобиля сделан учеными МАДИ. В ряде публикаций [90-94] разработаны основы системного подхода в теории автомобиля. В частности, в работе [94] рассматривается вопрос о необходимости

8

системного подхода при оценке эксплуатационных свойств автотранспортного средства (АТС). Задача состоит в том, чтобы на основе синтеза системы показателей конструктивных параметров АТС и системы показателей условий эксплуатации получить систему показателей эксплуатационных свойств АТС, характеризующих его качество.

Проблемы повышения качества АТС носят комплексный характер, что обусловливает применение соответствующего аппарата, важнейшим элементом которого является системный подход. Возможность использовать этот подход при решении таких сложных задач, как эффективное управление системой «автотранспортное средство – условия эксплуатации» появилась благодаря развитию вычислительной техники и ряда разделов прикладной математики, необходимых для практической реализации комплексных решений.

Первые теоретические исследования, основанные на системном подходе, были проведены профессором А.А.Хачатуровым. В монографии [117] автомобиль рассматривается в качестве динамического элемента системы «дорога – шина – автомобиль –водитель».

Расширение области применений такого подхода в автомобилестроении вполне закономерно. Это связано с тем, что, вопервых, современная автотранспортная техника по своей сути является системной: ее основной объект –сложные системы управленияавтомобили, автопоезда и др. Во-вторых, системными являются как способы конструирования автотранспортных средств, предполагающие координацию работы многих людей и механизмов, так и процессы их функционирования. В-третьих, накоплен достаточный для обобщения исследовательский материал по многим вопросам автомобилестроения.

Рост потока научно-исследовательской информации по различным проблемам автотранспорта связан с интенсивным развитием последнего. При этом возникает необходимость использования ее для практических целей в компактной форме. Возможность обобщений и унификаций больших объемов фактов и информации в теории автомобиля заложена в системном подходе. Следовательно, все более актуальной становиться задача приложения системных принципов к различным исследовательским аспектамавтомобиля и автопоезда, создания средств автоматизации формирования и расчета математических моделей, основанных на системном методе.

1.2.Обзор способов исследования автопоезда

Функционирование грузового АТС - автопоезда определим как выполнение им задачи транспортирования грузов.

Рассмотрим основные компоненты научного исследования (И) функционирования автопоезда: метод исследования (МИ), способ

9

представления (описания) (СО), модель (МАП), способ получения показателей функционирования (СР-способов расчета модели) автопоезда, иерархическая зависимость между которыми изображена на рис. 1.1.

Выделенные компоненты в компактной форме отражают содержание задачи исследования автопоезда.

В рамках каждой новой проблемы в проведении исследований автопоезда существуют три основных способа исследования (МИ): экспериментальный (Э) (получение количественных результатов измерением физических величин исследуемого объекта), моделирования (М) (получение качественных и количественных характеристик на основе представления объекта в виде физической или математической модели) и комплексный (К). Комплексное исследование включает в себя как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Метод исследования автопоезда опирается на способ его (автопоезда) представления (описания) (СО). В экспериментальном исследовании имеет место натурный способпредставления автопоезда (Н). При моделировании могут быть использованы физический (Ф) способ представления автопоезда, теоретический (Т) или системный (С) способ описания автопоезда.

Физический способ представления автопоезда базируется на использовании физических моделей (ФМ), которые строятся и исследуются на основе аналоговых принципов и положений теории размерности и подобия. Теоретические способыописанияавтопоезда

10