255 "Озброєння та військова техніка"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Підвищення рухливості легкоброньованих гусеничних машин шляхом застосування розподіленого електричного приводу(2023) Карпов, Вадим ОлеговичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 255 – Озброєння та військова техніка (25 – Воєнні науки, національна безпека, безпека державного кордону). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», МОН України, Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Інформаційних технологій і систем колісних та гусеничних машин імені О.О.Морозова» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова 2. Актуальність теми. Використання електромеханічних трансмісій в гусеничних машинах порівняно з класичними механічними трансмісіями має низку незаперечних переваг: • відмова від жорстких зв'язків та валів дозволяє зберегти і без того дефіцитний об’єм всередині корпусу машини, а також спрощує омпонування загалом; • спрощена система управління тяговими електродвигунами (ТЕД) полегшує керування транспортним засобом, що забезпечує можливість керування рухом будь-яким членом екіпажу в тому числі дистанційно; • можливість плавного рушання з місця та руху з повзучими швидкостями без використання фрикційних або гідравлічних передач; можливість безшумного руху за рахунок накопичувачів енергії, що особливо важливо для військових транспортних засобівпри виконанні бойових завдань; можливість прогнозування несправностей, та спрощення діагностики і ремонту за рахунок використання блочної компоновки систем ТЕД. Але тривіальні питання щодо наставної потужності ТЕД на легкові автомобілі, перетворюються на складні багатогранні питання при встановленні ТЕД на важкий ТЗ, особливо гусеничний. Це обґрунтовується тим, що порівняно з колісними, гусеничні машини є здебільшого «машинами граничних можливостей». Тобто, середовище та умови їх експлуатації змушують максимально використовувати всі можливості агрегатів, при цьому їх ресурс та вагово-габаритні характеристики мають бути мінімальними, а ремонтопридатність максимальною. Широкому розповсюдженню електричного приводу на гусеничних машинах заважав стереотип, що в гусеничному обводі може знаходитись лише одне ведуче колесо, а необхідність реалізації в обводі великої потужності створювала суттєві компонувальні проблеми. Проте у зв’язку з відносно малими габаритами сучасних ТЕД та простим способом підводу потужності з’являється можливість встановлювати декілька ТЕД на один борт гусеничної машини, тому відкритими для дослідження залишаються питання поведінки гусеничного рушія з двома та більше ведучими колесами. Виходячи з викладеного вище, дослідження гусеничного рушіяз розподіленим електроприводом є своєчасним і актуальним. Об'єкт дослідження – процес взаємодії елементів гусеничного обводу ВГМпри усталених режимах руху розподіленого електричного приводу. Предмет дослідження – взаємозв'язки конструктивних, кінематичних і силових параметрів при взаємодії елементів гусеничного обводу з розподіленим електричним приводом при русі машини в усталеному режимі. Методи дослідження. У роботі використані як методи емпіричного, так і теоретичного дослідження, зокрема: метод порівняння, метод лабораторного експерименту для визначення окремих параметрів досліджуваного об’єкту, метод формалізації та метод математичного моделювання з використанням апарату аналітичної механіки, теоретичної механіки, обчислювальної математики у тому складі чисельні методи рішення диференціальних рівнянь, що описують рух системи та її елементів. Метою дисертаційної роботи є підвищення рухливості гусеничних машин при високих показниках економічності та отриманні всіх базових переваг електричної трансмісії шляхом застосування розподіленого електроприводу. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: –розробити методологію, щодо визначення сумарної наставної потужності ТЕД, необхідної для отримання потрібної динамічності в заданих дорожніх умовах в залежності від прийнятої кількості ступенів механічних редукторів і алгоритму їхнього перемикання; – експериментально та чисельно визначити значення параметрів, необхідних для моделювання процесів взаємодії елементів гусеничного рушія, таких як: коефіцієнт жорсткості та демпфування опорного котка; коефіцієнт тертя в гусеничному шарнірі; залежність розтягнення траків від сили натягу гусеничної стрічки; –математично змоделювати і перевірити стійкість роботи гусеничного рушія з активними мотор-котками при використанні гребеневого зачеплення. Наукова новизна отриманих результатів. Основними науковими результатами, які виносяться на захист, являються: – вперше встановлена закономірність для визначення сумарної наставної потужності тягових електродвигунів, необхідної для отримання заданої динамічності досліджуваних машин у визначених дорожніх умовах, яка враховує не тільки прийняту кількість ступенів механічних редукторів, як у традиційних підходах, а й алгоритм їх перемикання; – дістала подальшого розвитку методика розрахунково-експериментального отримання параметрів матеріалу або виробу за рахунок паралельного до фізичного експерименту використання верифікованої математичної моделі, що описує більш простий фізичний експеримент, і в яку входить необхідний для визначення параметр; – вдосконалено математичну модель гусеничного обводу, у яку додано можливість використання розподіленої електромеханічної трансмісії з установленням декількох ведучих коліс на борт, включаючи мотор-котки з гребеневим зачепленням, що створило підґрунтя для моделювання розподіленого електроприводу в гусеничних машинах. Практичне значення одержаних результатів. – розроблено рекомендації щодо визначення наставної потужності тягових електродвигунів залежно від маси машини, потрібного динамічного фактору, прийнятої кількості ступенів механічних редукторів і алгоритму їх перемикання; – запропоновано новий спосіб визначення коефіцієнту демпфування пневматичних коліс та коліс із гумовим бандажем шляхом комбінації фізичного експерименту і математичного моделювання; – за розробленою математичною моделлю гусеничного обводу з розподіленою електромеханічною трансмісією створено програмний комплекс, який дає можливість досліджувати роботу гусеничного рушія з декількома ведучими колесами на борт, включаючи мотор-котки з гребеневим зачепленням. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані її мета і основні завдання дослідження, наведені шляхи їхнього рішення, визначено об’єкт і предмет дослідження, наукову новизну та практичну цінність роботи, дана інформація про особистий внесок здобувача, апробацію і впровадження результатів роботи. В першому розділі проведено аналіз існуючих напрацювань в напрямку електричних та електромеханічних трансмісій гусеничних транспортних засобів. Основним висновком розділу є те, що, не зважаючи на доцільність, опису або математичної моделі, яка би включала визначення поведінки гусеничного рушія та машини в цілому при встановленні декількох ведучих коліс в обводі, в тому числі ведучих опорних котків, знайдено не було. В другому розділі описано методологію розрахунку наставної потужності ТЕД та генератора з різними типами редукторів в залежності від прийнятої кількості ступенів механічних редукторів і алгоритму їхнього перемикання. Запропонований алгоритм розрахунку мінімально необхідної сумарної механічної наставної потужності ТЕД та генератора для електромеханічної трансмісії військових або транспортних гусеничних машин залежно від їхньої маси, типу застосовуваних редукторів (одноступінчастий, двохступінчастий та редуктор з пониженою передачею) для машин, що можуть експлуатуватися як на дорогах з твердим покриттям, так і на бездоріжжі. В третьому розділі представлена математична модель ходової частини гусеничної машиниз розподіленим електроприводом з метою перевірки можливості використання мотор-котків, для отримання якої було істотно доопрацьовано та адаптовано комплексну функціональну математичну модель гусеничного рушія. Отримана модель дозволяє оцінювати геометрію, кінематику та втрати у всіх елементах обводу гусеничного рушія з розподіленим електричним приводом. В четвертому розділі описані експериментальні роботи з визначення необхідних для математичного моделювання ходової частини гусеничної машини з розподіленим електроприводом параметрів та розроблена методика розрахунково-експериментального отримання параметрів матеріалу або виробу за рахунок паралельного до фізичного експерименту використання верифікованої математичної моделі, що описує більш простий фізичний експеримент, і в яку входить необхідний для визначення параметр.Документ Підвищення рухливості військових колісних машин шляхом застосування міжколісних диференціалів з гідростатичним блокуванням без фрикційних дисків(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Мормило, Яков МихайловичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 255 "Озброєння та військова техніка" (25 – Воєнні науки, національна безпека, безпека державного кордону). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Актуальність теми. Потреба в міжколісних диференціалах (МКД) виникла відразу ж після появи перших автомобілів із приводом на два колеса однієї осі. Найбільш відчутно ця потреба проявлялася при проходженні автомобілем поворотів і їзді по дорогах з нерівностями. Відсутність МКД у таких трансмісіях приводило до появи циркуляції потужності, невиправдано великого додаткового навантаження на ведучу вісь і колеса, підвищення витрати палива, великого зношування шин. З винаходом класичного конічного симетричного МКД ці проблеми були вирішені. Однак з'явилися інші проблеми, пов'язані з явищем буксування у важких дорожніх умовах. Природно, що на цей виклик найшлася велика кількість технічних рішень, які так чи інакше згладжували проблему, але не вирішували її комплексно. В останні десятиліття з'явилися конструктивні рішення, у яких величина блокування диференціала контролюється електронікою по заданому алгоритму, а також приводи, у яких система контролю тяги управляє безпосередньо крутним моментом, що підводиться до ведучого колеса. Особливо ефективно такі рішення працюють у випадку застосування електричних або гідростатичних мотор-коліс. Однак, не дивлячись на достаток технічних рішень в області диференціального привода ведучих коліс, ефективної конструкції МКД для військових колісних машин (КМ) і повнопривідних автомобілів багатоцільового призначення (ПАБП) отримано поки не було. Існуючі конструкції або як і раніше використовують повне блокування з ручним керуванням, або базуються на диференціалах, що самоблокуються, підвищеного тертя, які не в змозі одночасно забезпечити і високу прохідність, і гарну керованість. Тому, не дивлячись на бурхливий розвиток електронних систем керування та індивідуального електроприводу, для військових КМ і ПАБП розробка ефективного МКД із внутрішньою автоматичністю є актуальною. Метою дисертаційної роботи є збільшення тягової динаміки колісних бронетранспортерів і ПАБП в складних дорожніх умовах при високих показниках економічності і керованості шляхом розробки і застосування МКД із гідростатичним блокуванням на базі шестеренного насосу. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: – методами чисельного моделювання провести дослідження впливу структури і параметрів МКД на динаміку розгону машини в складних дорожніх умовах; – методами чисельного моделювання провести дослідження впливу структури і параметрів МКД на опір криволінійному руху і керованість; – оцінити теоретично і експериментально можливість реалізації гідростатичного блокування без додаткових фрикційних дисків для МКД бронетранспортера БТР-4 і визначити його необхідні технічні параметри; – оцінити експериментально характеристики штатного кулачкового МКД бронетранспортера БТР-4 при повному вивішуванні одного з коліс; – визначити параметри МКД із гідростатичним блокуванням і методами чисельного моделювання провести дослідження обраних параметрів рухливості бронетранспортера БТР-4, укомплектованого запропонованими МКД. Наукова новизна отриманих результатів. Основними науковими результатами, які виносяться на захист, являються: – вперше науково обґрунтована можливість створення МКД з гідростатичним блокуванням без додаткових фрикціонів на основі шестеренного насосу для колісного бронетранспортера; – вперше запропонований енергетичний метод оцінки ефективності МКД, який на відміну від існуючих спирається на втрати не при сталому русі, а при розгоні машини в складних дорожніх умовах до заданої швидкості; – вперше запропонований метод оцінки впливу структури і параметрів МКД на спротив криволінійному руху по дорогах з твердим покриттям, який на відміну від існуючих спирається на оцінку не тільки втрат в МКД при криволінійному русі, а й на втрати при проковзуванні коліс по дорозі і збільшення дійсного радіусу повороту за рахунок уводу коліс і їх проковзування; – вперше експериментально отримана залежність блокувального моменту від швидкості буксування для двохрядного кулачкового МКД бронетранспортера БТР-4. Практичне значення одержаних результатів. Проведені дослідження надали можливість розрахувати параметри шестеренного насосу для гідростатичного блокування МКД, що з незначними доробками монтується в картер головної передачі бронетранспортера БТР-4 і в змозі замінити покупний російський вузол з гіршими експлуатаційними характеристиками. Розроблені методи оцінки ефективності диференціалів при прямолінійному розгоні в складних дорожніх умовах і при криволінійному русі по дорогах з твердим покриттям надають можливість проводити структурно-параметричний синтез не тільки МКД, а й міжосьових диференціалів для військових КМ та ПАБП з механічною трансмісією. Практичне значення результатів дисертаційного дослідження підтверджується актами про впровадження в розрахункову практику запропонованих методів оцінки ефективності МКД в ДП "Харківське конструкторське бюро з машинобудування ім. О.О. Морозова" та ТОВ "Машгідропривод", а також актом про впровадження в навчальний процес методів оцінки ефективності МКД в НТУ "ХПІ" при підготовці студентів за спеціальністю 133 – Галузеве машинобудування, спеціалізації 133.02 – Автоматизоване проектування транспортних засобів високої прохідності. Висновки по роботі: 1) З аналізу літературних джерел був зроблений висновок про відсутність технічного рішення в області МКД, яке б забезпечувало високу прохідність (у тому числі при повному вивішуванні ведучих коліс), не погіршувало керованість, мало внутрішню автоматичність, було досить простим і дешевим у виготовленні і надійним в експлуатації. 2) Для КМ, експлуатація яких припускає можливість вивішування при русі одного або декількох коліс, у МКД для забезпечення прохідності необхідно використовувати або повне блокування, або протибуксовочні системи на базі АБС, або диференціали, що самоблокуються, з моментом, що блокує, залежним від різниці або квадрата різниці частот відносного обертання півосей і корпуса диференціала. Використання повного блокування в існуючих конструкціях вимагає або повної зупинки машини перед блокуванням / розблокуванням диференціалів або використання фрикційних дисків, блокування яких вимагає додаткового відбору потужності для їхнього втримання в замкнутому стані і які при активній експлуатації машини в складних дорожніх умовах інтенсивно зношуються. Для використання протибуксовочних систем на базі АБС на даний момент, на жаль, ми не маємо відпрацьованих достатньо надійних в умовах військового застосування вітчизняних АБС, які могли б лягти в основу створення противобуксовочной системи. Тому доцільним є використання МКД із гідростатичним блокуванням без використання додаткових фрикційних дисків. 3) З наведеного аналізу витікає, що найбільш ефективним вхідними параметрами для більшості підходів по забезпеченню автоматичного розподілу потужності між колесами є кінематична неузгодженість швидкостей обертання ведучих коліс і положення керованих коліс. 4) При аналізі прохідності КМ, які припускають можливість вивішування при русі одного або декількох коліс, необхідно оперувати поняттям блокувального моменту диференціала, а не коефіцієнта блокування. 5) У результаті математичного моделювання і розрахунків на прикладі бронетранспортера БТР-4 були отримані значення максимальної відносної частоти обертання півосі і корпусу МКД, що може виникнути через різницю у швидкостях обертання коліс різних бортів при маневруванні на дорогах із твердим покриттям, а також залежності необхідного для забезпечення прохідності блокувального моменту МКД від частоти відносного обертання півосі і корпусу МКД. Виявлено, що оптимально блокувальний момент повинен зростати від нуля до максимального значення в 3000 Нм відповідно при зростанні відносної частоти обертання півосі і корпусу диференціалу від 80 до 115 хв⁻¹. 6) З розглянутих конструкцій МКД по динаміці розгону в складних дорожніх умовах для середніх значень коефіцієнтів пропорційності перевагу мають МКД, у яких ступінь блокування залежить від навантаження. 7) При обраних коефіцієнтах пропорційності системи для малих кутів повороту керованих коліс (до 8) у перших трьох чвертях діапазону безпечних швидкостей і по опору повороту, і по зростанню радіуса повороту перевагу мають МКД, у яких ступінь блокування залежить від квадрата різниці швидкостей півосей. 8) Для більших кутів повороту керованих коліс у першій половині діапазону безпечних швидкостей також перевагу мають МКД, у яких ступінь блокування залежить від квадрата різниці швидкостей півосей. Але при швидкостях, близьких до перекидання, для будь-яких кутів повороту керованих коліс їх випереджають по показниках МКД, у яких ступінь блокування залежить від навантаження. 9) Диференціали із ПБС на базі АБС найбільше доцільно використовувати при відносно невеликих значеннях дисбалансу коефіцієнтів зчеплення по бортах машини і інтегрувати їх із системами підтримки курсової стійкості, які дозволяють залежно від ситуації легко змінювати значення коефіцієнтів пропорційності (настроювання системи). 10) Для автомобілів підвищеної прохідності, експлуатація яких не припускає режими з повним вивішуванням ведучих коліс можливо ефективне використання МКД, у яких ступінь блокування залежить від навантаження. 11) Для автомобілів високої прохідності і військових КМ, при експлуатації яких можливо повне вивішування ведучих коліс, доцільне використання МКД із фрикційним моментом, що залежить від квадрата різниці швидкостей обертання півосей. Вони можуть мати високі енергетичні показники при розгоні з мінімальним негативним впливом на керованість машини і при цьому опиратися не на електронні системи керування, а на власну внутрішню автоматичність. 12) Проведені випробування показали, що сила тяги ведучого мосту із дворядним кулачковим диференціалом при повному вивішуванні одного з коліс (правого) істотно залежить від частоти обертання колеса, що буксує, і досягає максимальної величини в 1091 Н при частоті обертання колеса, що буксує, 399 хв-1. Ця частота обертання відповідає обертанню вхідного фланця ведучого мосту для руху бронетранспортера зі швидкістю 11 м/с (39,6 км/год) після чого наступає заклинювання диференціала. 13) Отримані значення для сили тяги ведучого мосту із дворядним кулачковим диференціалом при повному вивішуванні одного з коліс (правого) недостатні для впевненого подолання бронетранспортером перешкод типу «яр» або «бархан» з діагональним вивішуванням і перешкод типу «рів» з послідовним вивішуванням мостів. 14) На основі шестеренного насоса із внутрішнім зачепленням можна реалізувати МКД із гідростатичним блокуванням без використання додаткових дисків тертя. Даний диференціал має квадратичну залежність блокувального (гальмівного) моменту від різниці кутових швидкостей півосі і корпусу диференціала. Це дозволяє, з одного боку, одержати практично повне блокування диференціала при буксуванні і, з іншого боку, чинити мінімальний опір повороту при маневруванні на дорогах із твердим покриттям. 15) Для бронетранспортера БТР-4 робочий об'єм шестеренного насоса із внутрішнім зачепленням, що дозволяє при блокуванні реалізувати максимальне зчеплення з дорогою колеса, яке не буксує, становить 415 см3. Такий насос успішно компонується в габаритах штатної головної передачі при заміні існуючого кулачкового диференціала на класичний відкритий диференціал з конічними шестірнями. 16) Оптимальний розрахунковий діаметр дроселюючого отвору становить 2 мм. Однак залежно від точності виготовлення елементів шестеренного насоса і сукупних об'ємних втрат ця величина повинна коректуватися експериментальним шляхом в бік зменшення. 17) Героторні насоси із циклоїдальним зачепленням були зняті з розгляду по причині складності реалізації в них високого тиску через низький коефіцієнт перекриття профілів зубів. Для синтезу МКД із внутрішньою автоматичністю, який би задовольняв вимогам і до тягової прохідності, і до динаміки машини і одночасно не перешкоджав її криволінійному руху, остаточно прийнятий диференціал, у якому величина блокувального моменту залежить від квадрата різниці кутових швидкостей півосей. 18) МКД із моментом блокування, що залежить від навантаження (у тому числі і штатний дворядний кулачковий диференціал) досить успішно конкурують із розглянутими диференціалами з гідростатичним блокуванням по ефективності роботи в складних дорожніх умовах, але без повного вивішування одного з коліс. 19) Для МКД із гідростатичним блокуванням досить мати діаметр дроселюючого отвору більше 3 мм для безперешкодного входу бронетранспортера в поворот і криволінійного руху без істотного збільшення енерговитрат і погіршення керованості в усьому діапазоні швидкостей руху. 20) З метою одержання необхідної прохідності і динаміки руху в складних дорожніх умовах для МКД з гідростатичним блокуванням необхідно мати діаметр дроселюючого отвору не більше 1 мм. 21) Для ліквідації отриманого протиріччя пропонується ставити в шестеренний насос керований електромагнітний клапан, що у важких дорожніх умовах буде дозволяти по команді водія в будь-якому режимі руху зменшувати прохідний перетин до діаметра менш 1 мм або взагалі повністю його закривати з розрахунком на запобіжний клапан по тиску і об’ємні втрати.