|
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
БОГОМОЛОВ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ
УДК 629.113-59
СТВОРЕННЯ І ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ГАЛЬМУВАННЯМ АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ
СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 05.22.02 – АВТОМОБІЛІ ТА ТРАКТОРИ
АВТОРЕФЕРАТ
ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ ДОКТОРА ТЕХНІЧНИХ НАУК
ХАРКІВ – 2001 Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі автомобілів Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету
Науковий консультант: Лауреат державної премії України, Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Туренко Анатолій Миколайович, ректор Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету
Офіційні опоненти: 1. доктор технічних наук, професор Тернюк Микола
Ємануілович, директор Інституту машин та систем НАН
України;
2. доктор технічних наук, професор кафедри експлуатації та
ремонту автомобільної техніки Державного університету
“Львівська політехніка” Гудз Густав Степанович;
3. доктор технічних наук, професор кафедри системотехніки
і діагностики транспортних машин Варфоломєєв Володимир
Миколайович, (Харківський державний автомобільно-
дорожній технічний університет)
Провідна установа: Інститут проблем машинобудування імені А.М. Підгорного НАН України
Захист відбудеться “29”ТРАВНЯ 2001 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради ВАК України Д 064.059.02 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету.
Автореферат розісланий “25”квітня 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради А.М.Юрченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Швидкості пересування, що збільшуються, транспортних засобів висувають усе більш жорстокі вимоги до ефективності основних систем безпеки.
Зменшення в цьому зв'язку часу на прийняття самого оптимального рішення в процесі керування гальмовою системою (ГС), особливо при екстреному гальмуванні, змушують творців гальмових систем усе більше впроваджувати автоматичні системи керування процесом гальмування.
Найбільш відомі і популярні з них – це регулятор гальмових сил (РГС) і антиблокувальна система (АБС).
Актуальність теми. Україна є експортером транспортних засобів категорій М1, М3, N3, О3, О4, як у країни СНД, так і далекого зарубіжжя. Гальмова система автотранспортного засобу (АТЗ) одна із самих відповідальних, складних і дорогих систем на автомобілі. І дуже часто є визначальною в його конкурентоспроможності. Яка в першу чергу, як відомо, залежить від якості і ціни товару.
Рішення цієї проблеми на вітчизняних АТЗ дуже часто зводиться до закупівлі імпортного устаткування, наприклад, таких фірм, як KNORR BREMSE, WABCO Westinghouse.
Ці апарати досить надійні, але дуже дорогі. Це може сприяти деякому зниженню їх конкурентоспроможності на ринку СНД, наприклад, міських автобусів ЛАЗ. А ці автобуси, а також автомобілі КрАЗ, можуть бути однією з істотних статей взаєморозрахунків України і країн СНД за нафту, газ та ін.
Тому створення методики системного проектування, що дозволяє розробляти гальмові системи, їхні агрегати і механізми, взаємодіючі з нею, що по функціональних можливостях не уступають закордонним аналогам, освоєння цих конструкцій українськими виробниками, упровадження їх у гальмову систему українських АТЗ, для України є актуальною задачею.
Крім того, ВАК України (Бюлетень ВАК України, №5, 2000 р., с.12) визначає роботи, присвячені підвищенню безпеки на транспорті, як найактуальніший напрямок досліджень.
За участь у роботі “Розроблення теоретичних та практичних основ створення та промислового освоєння нового покоління конкурентноспроможних, високоефективних та надійних апаратів пневматичних систем дорожніх транспортних засобів” автору присуджена Державна премія України в галузі науки і техніки (Указ Президента України №1256/98 від 17 листопада 1998 р.).
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до:
- Постанови кабінету міністрів України №39 від 26 січня 1994 р. “Про організацію виробництва міських автобусів великої місткості”;
- Постанови Національної Ради з питань безпечної життєдіяльності населення №3 від 25 грудня 1997 р. “Про відповідність вимогам охорони праці машин, транспортних засобів, обладнання, які виробляються в Україні”;
- була складовою частиною програми ДКНТ СРСР №054.04 за рішенням науково-технічної проблеми: “Розробити і впровадити прогресивні технічні засоби, прилади, системи і нові методи в області підвищення безпеки дорожнього руху на автомобільних дорогах країни на 1986…1990 роки” (тема 04.01: “Розробити теоретичні основи і створити нові конструкції автомобільних гальмових систем”);
- планів НДР кафедри автомобілів ХДАДТУ по проблемі: “Безпека дорожнього руху” комплексної теми: “Системне проектування і конструювання транспортних засобів, що забезпечують необхідну активну безпеку дорожнього руху”.
Мета і задачі дослідження. Метою наукової праці є створення теорії і методики системного проектування гальмових систем автотранспортних засобів категорій М1, М2, М3, N1, N2, N3, О3, О4, що дозволяють значно розширити можливості удосконалювання способів регулювання вихідних параметрів гальмової системи АТЗ, шляхом використання методів системного аналізу.
Відповідно до поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:
- розробити критерії системної оцінки функціональних властивостей гальмової системи АТЗ, як системи “людина – машина”;
- розробити критерії і методику системної оцінки необхідності застосування РГС;
- розробити теоретичні основи і методику оцінки застосовності різних способів регулювання гальмових сил на АТЗ усіх категорій;
- розробити конструкції, конструктивні схеми, теоретичні основи і методики проектування пристроїв, що дозволяють найбільш раціонально реалізувати кожний з відомих і знову знайдених способів регулювання гальмових сил;
- розробити рекомендації з подальшого удосконалювання гальмової системи АТЗ як системи автоматичного керування;
- провести експериментальні дослідження, що підтверджують справедливість теоретичних розробок.
Об'єктом дослідження є процес створення і теоретичного аналізу функціональних властивостей гальмових систем АТЗ, що визначає проблему системного підходу при розробці цих питань.
Предметом дослідження є удосконалювання способів регулювання вихідних параметрів гальмової системи АТЗ на основі методології системного підходу при проектуванні і теоретичному аналізі властивостей гальмової системи АТЗ.
При аналізі необхідності застосування РГС, способів регулювання гальмових сил, створенні основ теорії проектування РГС використовувалися методи системного аналізу.
Наукова новизна дослідження полягає в тім, що на основі методології системного підходу вперше розроблена теорія системного проектування гальмової системи АТЗ із РГС, розроблені відповідні критерії оцінки її функціональних властивостей; уперше теоретично обґрунтована область можливих способів регулювання гальмових сил на АТЗ категорій М1, М2, N1, N2, N3, O3, O4; уперше розроблена теорія синтезу найбільш раціональної вихідної характеристики РГС для АТЗ цих категорій; уперше теоретично доведена необхідність спільного використання РГС і АБС; удосконалена теорія створення гальмових систем АТЗ, як замкнутих систем автоматичного керування; удосконалена динамічна модель барабанного гальма; вперше розроблена теорія проектування РГС із характеристиками обмежника і компенсатора тиску в пневматичному гальмовому приводі (ПГП); удосконалена імовірнісна модель барабанного гальма з колодками, що плавають; одержали подальший розвиток моделі ідеального і реального розподілу нормальних реакцій по осях двох - і тривісного зчленованого АТЗ; уперше запропоновано системний комплекс критеріїв оцінки необхідності застосування РГС; уперше розроблені теоретичні основи підвищення стійкості вихідної характеристики РГС проти автоколивань у ньому.
Практичне значення одержаних результатів. Основні наукові положення, розробки і рекомендації використані в:
- навчальному процесі підготовки інженерів-механіків і інженерів-конструкторів по спеціальностях 7.090215 “Автомобілі та автомобільне господарство”, 7.090211 “Колісні і гусеничні транспортні засоби”;
- 4 модифікаціях РГС у конструкції автобусів ЛАЗ (м.Львів);
- 2 модифікаціях РГС у конструкції тролейбусів ЗІУ (м.Энгельс Саратовської обл.);
- 3 модифікаціях РГС у конструкціях автомобілів Краз (м.Кременчук);
- 2 модифікаціях РГС у конструкції автобусів “Альтерна” (м.Лікіно-Дульово, Росія);
- 1 модифікації РГС у конструкції напівпричепа СЗАП (м. Ставрополь, Росія);
- РГС із характеристикою компенсатора тиску прийнятому до впровадження в конструкцію ГС міського автобуса виробництва авторемонтного заводу №126 (м.Харків);
- 2 модифікаціях регулятора рівня підлоги (РРП) у конструкціях пневмопідвіски автобусів ЛАЗ, ЛіАЗ, тролейбусів ЗІУ, напівпричепів СЗАП.
При цьому Вовчанським агрегатним заводом (м.Вовчанськ) впроваджені в серійне виробництво: 12 модифікацій РГС із характеристикою променевого типу; 2 модифікації РРП; прийняті до впровадження в серійне виробництво 4 модифікації гальмових кранів з рівнобіжними секціями.
Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать:
- методика системного проектування гальмової системи АТЗ із РГС;
- нові способи регулювання гальмових сил на АТЗ, конструктивні схеми і способи їхньої реалізації;
- методика синтезу найбільш раціональної вихідної характеристики РГС для двох і багатовісних АТЗ категорій М1, М2, N1, N2, N3, O3, O4;
- методика створення гальмових систем із РТС, як замкнутих систем автоматичного керування;
- методика експериментальної оцінки ККД механізмів розтиску та ін.;
- узагальнена динамічна модель барабанного гальма;
- удосконалена теорія проектування РГС із характеристикою променевого типу;
- теорія проектування РГС із характеристикою обмежника тиску;
- імовірнісна модель барабанного гальма з колодками, що плавають;
- розробка комплексу критеріїв оцінки необхідності застосування РГС;
- конструктивні схеми: гальмових кранів з рівнобіжними секціями, гальмового крана, об'єднаного з РГС;
- методика підвищення стійкості вихідних параметрів РГС проти автоколивань у ньому;
- конструктивні схеми комплексу апаратів керування пневмопідвіскою;
- результати експериментальних досліджень РГС і РРП.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і робота в цілому доповідалися й одержали позитивну оцінку на:
- 4-х міжнародних конференціях, у тому числі:
- ХХІІ, ХХХ міжнародних науково-технічних конференціях “Безпека конструкції автотранспортних засобів” (м.Дмітров, Московська обл. 1998, 2000 р.);
- 15-й науково-технічній конференції “Активна безпека автомобіля” (м.Москва, 1996 р.);
- 7-й Міжнародній конференції “Технології ремонту машин, механізмів і устаткування” (м.Алушта, 1999 р.);
а також:
- науково-технічній конференції “Надійність машин, механізмів, устаткування”. Засновник Асоціація технологів-машинобудівників України. (п.Славське, м.Київ, 2000 р.);
- науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт: прогрес, технології, кадри” (з міжнародною участю). (м.Севастополь, 2000 р.);
- науково-технічній конференції “Теорія і практика розробки колісних та гусеничних машин спеціального призначення” (м.Алушта, 2000 р.);
- 11-ти науково-технічних та науково-методичних сесіях ХДАДТУ (м. Харків, 1986...2000 р.р.) та ін.;
- засіданні наукової наради Українського інституту автобусо-тролейбусобудування (м. Львів, 2000 р.).
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 37 роботах, у тому числі 1 монографії, 27 друкованих роботах у фахових журналах ВАК України, 1 навчальному посібнику, у 2 матеріалах і тезах конференцій, 3 патентах і авторських посвідченнях на винаходи та ін.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 555 сторінок, у тому числі 146 малюнків на 117,5 стор., 4 таблиць на 6,5 стор., 12 додатків на 116 стор. Список використаних джерел містить 334 найменування на 28 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
В вступі обгрунтовується необхідність створення методики проектування гальмової системи АТЗ на основі методології системного аналізу.
Пропонується комплекс критеріїв оцінки властивостей об'єкта, що проектується:
1. ефективність дії гальмової системи;
2. якість розподілу гальмових сил;
3. можливість блокування коліс тієї або іншої осі;
4. стабільність вихідних параметрів;
5. ергономічні показники, що визначають фактор зручності керування гальмовою системою.
Робиться висновок про те, що на першому етапі системного проектування його методика повинна давати відповідь на наступні основні питання:
1. потрібний чи ні для проектованого транспортного засобу РГС;
2. скільки регуляторів потрібно застосовувати на АТЗ;
3. якщо один, то в контурі якої осі застосовувати його найбільш доцільно;
4. яка вихідна характеристика РГС найбільш доцільна для даного АТЗ, синтез цієї характеристики;
5. які конструктивні співвідношення АТЗ і його гальмової системи найбільш доцільні з погляду більш ефективної роботи РГС.
6. у яких напрямках необхідно удосконалювати конструкції апаратів, що працюють разом із РГС і визначають ефективність його роботи.
Обгрунтовується тема дисертаційної роботи.
У першому розділі одержали подальший розвиток “плоскі” моделі розподілу нормальних реакцій по осях двох -, тривісного з балансирним візком і тривісного зчленованого АТЗ.
Ідеальний розподіл гальмових моментів і сил по осях підкоряються наступним закономірностям:
- у двохосьового АТЗ
 (1)
де МТ1, МТ2 – гальмові моменти на колесах передньої і задньої осей відповідно; Р – вага АТЗ; Е – база; h – висота центра мас; b – відстань від центра мас до задньої осі; rд1, rд2 – динамічний радіус колеса передньої і задньої осей;
- у балансирному візку тривісного АТЗ
 (2)
де Т2, Т3 – гальмові сили на передній і задній осях балансирного візка; a - кут нахилу реактивних тяг;
- для тривісного зчленованого АТЗ
 ; (3)
 ; (4)
 , (5)
де Т1, Т2, Т3 – гальмові сили на 1-й, 2-й і 3-й осях АТЗ; Р1,3, Р2,3 – вага “тягача” і “напівпричепа”; L3 – база “тягача”; с3 – відстань між 2-й і 3-й осями; m3 – відстань від зчіпки до 2-й осі; а3, b3 – відстань від ц.м. “тягача” до 1-й і 2-й осей; d3 – відстань від ц.м. “напівпричепа” до 3-й осі; h1, h2 – висота ц.м. “тягача” і “напівпричепа”.
Гальмова система повинна відповідати міжнародним вимогам Додатка 10 Правил №13 ЄЭК ООН. Тобто так звані криві реалізованого зчеплення повинні задовольняти відповідним граничним умовам.
Теоретичні дослідження показали, для того, щоб одержати в найбільш загальному виді відповіді на питання першого етапу системного проектування необхідно розглянуті нормативні вимоги Правил №13 для двохосьового АТЗ перешикувати в координатах  .
По запропонованому способу в роботі розроблені відповідні методики для АТЗ категорій: М1, М2, М3, N1, N2, N3, O3, O4.
Так, наприклад, відповідно до цієї методики розподіл гальмових сил в АТЗ категорії М1 у навантаженому і порожньому станах повинно задовольняти системі нерівностей:
 (6)
де “Г” - індекс, що відповідає навантаженому АТЗ; Р1, Р2 – вага, що приходиться на передню і задню осі в статиці; z=j/g – коефіцієнт гальмування; j – поточне уповільнення АТЗ; g=9.8 м/с2.
Графічно вираження (6) представлені на рис.1.
Відповідно до класифікації РГС (див. рис. 9) питання про застосування типу РГС повинне вирішуватися в наступній послідовності: можливість узагалі не застосовувати РГС; застосування програмного РГС; застосування РГС-обмежника або компенсатора тиску; застосування РГС променевого типу; РГС променевого типу з нелінійною характеристикою.
Рис.1 Граничні криві для легкового автомобіля:
 - порожній автомобіль;  - навантажений автомобіль
З рис.1 видно, що якщо співвідношення гальмових сил по осях АТЗ відповідає:
 (7)
тоді РГС можна не застосовувати.
Якщо має місце розташування граничних кривих, представлене на рис.2, тобто якщо виконуються умови (8), (9):
 (8)
 (9)
де “П” - індекс, що відповідає порожньому АТЗ,
тоді для такої гальмової системи досить РГС програмної дії.
Якщо криві ідеального розподілу гальмових сил мають явно виражений максимум, тобто
(10
Рис.2 Синтез статичної характеристики регулятора гальмових сил програмної дії
де zуст – коефіцієнт гальмування, що відповідає нормативному уповільненню АТЗ, то для такого АТЗ досить застосування РГС - обмежника тиску.
Питання про необхідність використання компенсатора тиску або РГС променевого типу (див. рис. 3) пропонується вирішувати за допомогою так званого узагальненого показника якості апроксимації ідеальних кривих:
 (11)
де ПКГ, ПКП – показники якості апроксимації ідеальних кривих для навантаженого і порожнього станів АТЗ.
Для РГС променевого типу:
 ;  . (12)
Для РГС – компенсатора тиску:
 (13)
 (14)
Таким чином, якщо ПКЛ>ПКИ, то доцільно застосовувати РГС із характеристикою променевого типу, якщо ПКИіПКЛ, то компенсатор тиску.
| 
