Д.т.н. Келлер А.В., д.т.н. Мурог И.А., д.т.н. Алюков С.В.

Южно-Уральский государственный университет,

Челябинск, Россия

Метод ВВЕДЕНИЯ ЖЕСТКОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОго РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ

Основными показателями подвижности многоцелевой колесной машины (МКМ) являются максимальная и среднетехническая скорости движения, при этом они, главным образом, определяются удельной мощностью, а средняя скорость движения по грунтовым дорогам удовлетворительного состояния дополнительно определяется параметрами подвески. Однако, анализ показывает, что с увеличением удельной мощности МКМ и его массы темп роста скорости движения снижается, а достигнув определенного значения, скорость движения практически не повышается [1].

Это связано с тем, что для условий эксплуатации МКМ на вероятных стратегических направлениях типичным является движение по покрытиям с различной степенью неравномерности распределения сопротивления качению и сцепления, как в поперечном, так и в продольном направлениях. Следовательно, для повышения подвижности МКМ необходимо дальнейшее совершенствование конструкции его шасси, и в том числе схемы распределения мощности [2].

При модернизации МКМ наиболее рациональной является концепция функционирования трансмиссии, представленная на рис. 1.

На режиме трогания с места и последующего разгона до скорости 30 км/ч вводится жесткая кинематическая связь между ведущими мостами и колесами неуправляемых мостов. После достижения скорости 30 км/ч происходит отключение жесткой кинематической связи и обеспечивается дифференциальная связь между ведущими колесами. При достижении установившейся скорости движения и буксования ведущих колес менее 5% происходит отключение передних мостов. При увеличении буксования ведущих колес свыше 5% осуществляется включение полного дифференциального привода.

В случае движения в сложных дорожных условиях со значительными силами внешних сопротивлений и неоднородной в сцепном отношении опорной поверхностью вводится жесткая кинематическая связь. При этом первоначально осуществляется выравнивание угловых скоростей соединяемых мостов путем уменьшения подачи топлива или приложения тормозного момента к буксующим колесам.

Рис. 1 – Концепция функционирования трансмиссии МКМ

Компенсация возникающего в процессе движения кинематического несоответствия осуществляется регулированием давления воздуха в шинах.

Таким образом, трансмиссия перспективного МКМ должна модернизироваться в следующих направлениях:

- полный привод с рациональным значением передаточного числа межосевого дифференциала;

- реализация возможности периодического, отключения части ведущих мостов при движении в хороших дорожных условиях или включаются в работу дополнительные ведущие мосты прицепа при движении в условиях, требующих развития значительных сил тяги;

- обеспечение ограничения избыточной мощности силовой установки путем уменьшения подачи топлива или приложения тормозного момента к буксующему колесу;

- обеспечение в процессе движения введения жесткой кинематической связи, с компенсации кинематического несоответствия путем регулирования давления воздуха в шинах.

Эффективность предлагаемых методов распределения мощности в настоящее время изучена в различной степени. Таким образом, возникает задача комплексной оценки эффективности методов распределения мощности между ведущими колесами МКМ.

В работе предложено разделить реализуемые в трансмиссиях многоцелевых колесных машин методы распределения мощности на 4 группы:

· метод частичного решения, при котором выбирается постоянное значение коэффициента распределения мощности (например, передаточное число межосевого дифференциала), удовлетворяющее наибольшему числу вероятных условий движения многоцелевой колесной машины на различных стратегических направлениях;

· метод периодического действия, при котором осуществляется переход от непрерывного распределения мощности между всеми ведущими мостами и колесами МКМ к периодическому (например, отключается часть ведущих мостов при движении в хороших дорожных условиях или включаются в работу дополнительные ведущие мосты прицепа, при движении в условиях, требующих развития значительных сил тяги);

· метод ограничения избыточного действия, при котором избыточная мощность силовой установки снижается путем уменьшения подачи топлива или приложением тормозного момента к буксующему колесу;

· метод введения жесткой кинематической связи, при котором устраняется возможность относительного вращения ведущих колес, обеспечивая тем самым распределение крутящих моментов пропорционально сцепным возможностям ведущих колес.

Для примера рассмотрим более подробно применение метода введения жесткой кинематической связи.

Установлено, что методу введения жесткой кинематической связи присущи два существенных недостатка: затрудненное введение жесткой кинематической связи в процессе движения МКМ и перераспределение крутящих моментов вследствие неизбежного кинематического несоответствия.

Для обеспечения возможности введения жесткой кинематической связи разработана конструкция дифференциала, объединенного с муфтой свободного хода (рис.1). В качестве муфты свободного хода может выступать разработанный в последнее время механизм свободного хода релейного типа, нагрузочная способность которого может на порядок превышать нагрузочную способность известных конструкций обгонных муфт [3].

В работе обоснована целесообразность приложения тормозного момента к буксующим колесам и уменьшения подачи топлива для предварительного выравнивания угловых скоростей буксующих колес и последующей блокировки межосевого и межколесных дифференциалов.

Существенное влияние на эффективность использования метода введения жесткой кинематической связи оказывает наличие кинематического несоответствия между мостами МКМ.

Зависимости силы тяги и удельной силы тяги от числа ведущих мостов МКМ при движении по суглинку представлены на рис. 2.

Анализ рис. 2 позволяет сделать вывод о том, что при определенном кинематическом несоответствии (порядка 8,5%) между ведущими мостами реализуемая сила тяги при количестве ведущих мостов больше трех может уменьшиться. Удельная сила тяги при наличии кинематического несоответствия всегда уменьшается с увеличением числа ведущих мостов.

1 – корпус; 2 – крестовина; 3 – сателлиты; 4, 5 - полуосевые шестерни; 6 - кулачки прямоугольного профиля; 7 - шлицевая втулка; 8 – центральное кольцо; 9 - диафрагменная пружина; 10, 12 – полуоси; 11 – зубья трапециевидного профиля

Рис. 1 – Дифференциал с муфтой свободного хода

(свидетельство РФ на полезную модель №22810)

Существенное кинематическое несоответствие возникает при движении МКМ в горной местности вследствие перераспределения массы на колеса задних мостов и, как следствие, существенного уменьшения их радиуса качения в ведомом режиме. Особенно это заметно на МКМ типа 4Х4, для которых характерно значительное перераспределение массы между передними и задними мостами. Как следует из рис. 3, МКМ типа 4Х4 при движении в горной местности недоиспользует в зависимости от массы ВВТ и уклона дороги от 5 до 30% своих тяговых возможностей (что существенно снижает его подвижность). При буксировании ВВТ степень недоиспользования потенциальных возможностей увеличивается еще на 5…10%.

В ходе экспериментального исследования МКМ в составе активного автопоезда было оценено влияние кинематического несоответствия в приводе ведущих колес прицепа на эффективность применения активного привода. Результаты экспериментального исследования представлены на рис.4. Результаты экспериментального исследования МКМ в составе активного автопоезда показали, что несоответствие в 10% увеличивает потребный для движения момент на 24% на асфальте, на 10% на песке и на 6% на суглинистой пахоте.

Рис. 2 - Зависимость суммарной силы тяги МКМ (Р_ка) и удельной силы тяги (j_уд) МКМ от количества ведущих мостов n и кинематического несоответствия К

Установлено, что кинематическое несоответствие, возникающее при прямолинейном движении между ведущими мостами МКМ, можно скорректировать путем изменения давления воздуха в шинах, для чего необходимо существенное повышение быстродействия систем изменения давления в шинах. Комплексным применением всех способов повышения быстродействия пневматической системы (увеличением диаметра и сокращением длины трубопроводов, а также применением корректирующих устройств, обеспечивающих эжектирование воздуха из шин) можно в 3-5 раз повысить быстродействие этих систем. Установлено, что наиболее эффективным способом повышения быстродействия в зоне низких давлений воздуха (ниже 0,15 МПа) является применение корректирующих устройств.

Оснащение МКМ предложенными средствами введения и корректировки параметров жесткой кинематической связи позволяет повысить на 6…8% среднюю скорость движения по размокшим грунтовым дорогам и бездорожью (участки 7 – 9) и снизить на 10…15 % расход топлива по сравнению с серийным МКМ. В целом комплексное применение предложенных методов частичного решения (рационального передаточного числа межосевого дифференциала) и введения жесткой кинематической связи позволяет повысить на 6…10% среднюю скорость движения и снизить на 5…10 % расход топлива.

Рис. 3 – Зависимость потерь суммарной силы тяги МКМ типа 4Х4 вследствие кинематического несоответствия от массы ВВТ и уклона дороги	Рис. 4 - Влияние кинематического несоответствия kv на величину крутящего момента Мкр на валу раздаточной коробки МКМ в составе активного автопоезда

Литература

1. Келлер А.В., Мурог И.А. Принципы и методы распределения мощности между ведущими колесами полноприводных автомобилей: монография. - Челябинск, 2009. - 218 с.

2. Келлер А.В., Мурог И.А., Торопов А.Н. и др. Методология оптимизации распределения мощности в трансмиссиях автомобилей многоцелевого назначения. Сборник рефератов депонированных рукописей. – Сер. А. – Вып. № 2(103). - М.: ЦВНИ МО РФ, 2009.

3. Алюков С.В. Механизм свободного хода релейного типа. Патент № 57440 РФ, МПК F 41 A 3/00, F 16 D 41/00. - опубл. в бюл. «Патенты и полезные модели». – М., 2006. – № 28.