namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2022-4-43-57nami-255Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTЗакон оптимального управления подводимой мощностью к движителю колёсной машины при прямолинейном движенииLaw of optimal control of power supplied to wheeled vehicle running gear when moving linearlyКотиевГ. О.KotievG. O.

Котиев Георгий Олегович – д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

D.Sc. (Eng), professor, head of the department SM-10 “Wheeled vehicles”

Moscow 105005

kotievgo@yandex.ruКосицынБ. Б.KositsynB. B.

Косицын Борис Борисович – д-р техн. наук, доцент, кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

D.Sc. (Eng), associate professor

Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

kositsyn_b@bmstu.ruЕвсеевК. Б.EvseevK. B.

Евсеев Кирилл Борисович – канд. техн. наук, доцент, кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

PhD (Eng), associate professor

Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

kb_evseev@bmstu.ruГазизуллинР. Л.GazizullinR. L.

Газизуллин Руслан Ленарович – аспирант, кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

postgraduate

Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

rlgazizullin@gmail.comЧженХ.ChzhenKh.

Чжен Хуайюй – аспирант, кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

postgraduate

Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

zhypro@yandex.ruФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202203012023044357Copyright © Котиев Г.О., Косицын Б.Б., Евсеев К.Б., Газизуллин Р.Л., Чжен Х., 20232023Котиев Г.О., Косицын Б.Б., Евсеев К.Б., Газизуллин Р.Л., Чжен Х.Kotiev G.O., Kositsyn B.B., Evseev K.B., Gazizullin R.L., Chzhen K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/255

Введение (постановка задачи и актуальность). Одним из важнейших свойств современных транспортных средств является энергоэффективность. Повышение энергоэффективности позволяет снизить затраты на движение машины и, соответственно, перевозку грузов и пассажиров, а также уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Повышение энергоэффективности транспортного средства может достигаться разными способами, в том числе путём оптимизации закона управления подводимой мощностью к движителю с целью снижения затрат энергии на движение, вызванных проскальзыванием (буксованием) колёс.

Цель исследования – повышение энергоэффективности колёсных машин оптимальным управлением подводимой мощностью к движителю.

Методология и методы

Методология и методы. При движении машины неизбежно затрачивается энергия, часть которой обеспечивает создание тяговой силы на ведущих колёсах при преодолении сопротивления движению, а часть тратится на преобразование энергии, подводимой к движителю, и потери на буксование колеса. Таким образом, повышение энергоэффективности транспортного средства можно достичь за счёт оптимального управления подводимой мощностью к движителю. В качестве целевой функции при решении указанной задачи оптимизации используется мощность потерь в процессе движения машины при взаимодействии с внешней средой. Помимо снижения затрат энергии на движение, следует обеспечить необходимый уровень тяги транспортного средства для обеспечения скоростного режима движения, задаваемого водителем. В связи с этим при решении задачи оптимизации учитывается ограничение типа равенство, описывающее указанное условие. Для решения задачи оптимизации применяется метод множителей Лагранжа.

Результаты и научная новизна. При разработке закона управления подводимой мощностью к движителю необходимо использовать дополнительную информацию о взаимодействии колёс с опорной поверхностью. Здесь дополнительным источником информации является продольная сила на оси колеса, измеряемая путём установки динамометрических колёс – неотъемлемой части конструкции колёсной машины. Разработанный закон управления подводимой мощностью к движителю позволяет обеспечить более высокую энергоэффективность машины, нивелируя при этом недостатки известных типов трансмиссий со связанным и индивидуальным приводом: блокированной, дифференциальной и индивидуальной, реализующей распределение тяговых моментов между колёсами пропорционально действующим нормальным нагрузкам.

Практическая значимость

Практическая значимость. Применение разработанного закона управления подводимой мощностью к движителю позволит, используя единый подход к управлению трансмиссией, обеспечить высокие тяговые свойства в разнообразных условиях, а также снизить затраты энергии на движение машины, не требуя дополнительного управления блокировками дифференциалов, в случае дифференциальных связей, и предотвратить дополнительный износ шин или выход из строя элементов трансмиссии при возникновении циркуляции мощности в случае блокированного привода.

Introduction (problem statement and relevance). Energy efficiency is one of the most important properties of present-day vehicles. Energy efficiency increasing allows reducing the costs for vehicle movement and for cargo and passenger transportation respectively, as well as decreasing harmful environmental impact. Vehicle energy efficiency increasing can be achieved in different ways, including by optimizing the law of control of the power supplied to the running gear in order to decrease energy consumption for motion caused by wheel slipping (spinning). The research objective is to increase the wheeled vehicle energy efficiency by means of optimal control of the power supplied to the running gear.

Methodology and research methods. Vehicle driving inevitably consumes energy, part of which ensures tractive or propelling force generation in the driving wheels when overcoming resistance to motion, while other part is spent to transform energy supplied to the running gear and losses for wheel slipping. Thus, a vehicle energy efficiency increase can be reached by optimal control of the power supplied to the running gear. The loss power in the process of vehicle motion when interacting with the environment is used as a target function in solving this optimization problem. Besides decreasing the energy costs or consumption for the motion, the required vehicle traction level shall be ensured in order to ensure the driving speed mode set by the driver. In this regard, when solving the optimization problem the equality-type constraint describing the mentioned condition shall be taken into account. The method of Lagrange multipliers is used to solve the optimization task.

Scientific novelty and results. When developing the control law for the power supplied to the running gear, one shall use additional information on interaction of the wheels with the supporting surface. An additional source of information here is the axial force on the wheel axis measured by installation of the force measuring (dynamometrical) wheels that are an integral part of the wheeled vehicle design. The developed control law for the power supplied to the running gear allows ensuring higher energy efficiency of a vehicle, thereby leveling the disadvantages of the known transmission types with a coupled and individual drive: locked, differential and individual distributing tractive effort torques between the wheels in proportion to the actual normal loads.

Practical significance. Application of the developed control law for the power supplied to the running gear will allow, using a common transmission control approach, ensuring of high traction properties under various conditions as well as reduction of energy costs for vehicle motion without requiring additional differential lock control, in case of differential interconnections, and will also allow prevention of additional tyre wear or transmission element malfunction when power circulation occurs in case of a locked drive.

колёсная машиназакон управления подводимой мощностьюоптимизацияфункция Лагранжакоэффициент удельных потерь мощностиматематическая модельтрансмиссияwheeled vehiclesupplied power control lawlaw of control of supplied poweroptimizationLagrange functionspecific power loss factorspecific power loss coefficientmathematical modeltransmissionReferencesКотиев Г.О., Горелов В.А., Мирошниченко А.В. Разработка закона управления индивидуальным приводом движителей многоосной колёсной машины // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2012. – Т. 1. – С. 45–59.Kotiev G.O., Gorelov V.A., Miroshnichenko A.V. [Development of the сontrol аlgorithm of individual drives for a multiaxle wheeled vehicle]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie, 2012, vol. 1, pp. 45–59. (In Russian)Шухман С.Б., Соловьёв В.И., Прочко Е.И. Теория силового привода колёс автомобилей высокой проходимости. – М.: Агробизнесцентр, 2007. – 336 с.Shukhman S.B., Solov’ev V.I., Prochko E.I. [Theory of the power drive of the wheels of off-road vehicles]. Moscow, Agrobiznestsentr Publ., 2007. 336 p. (In Russian)Келлер А.В. Методологические принципы оптимизации распределения мощности между движителями колёсных машин // Вестник ЮУрГУ. – 2006. – № 11. – С. 96–101.Keller A.V. [Methodological principles for optimizing the distribution of power between the propellers of wheeled vehicles]. Vestnik YuUrGU, 2006, no. 11, pp. 96–101. (In Russian)Andreev A., Kabanau V., Vantsevich V. Driveline systems of ground vehicles. Teory and Design. – CRC Press, 2010. – 758 p.Andreev A., Kabanau V., Vantsevich V. Driveline systems of ground vehicles. Teory and Design. CRC Press, 2010. 758 p.Salama M.A., Vantsevich V.V., Way Th.R., Gorsich D.J. UGV with a distributed electric driveline: Controlling for maximum slip energy efficiency on stochastic terrain // Journal of Terramechanics. – 2018. – V. 79. – P. 41–57.Salama M.A., Vantsevich V.V., Way Th.R., Gorsich D.J. UGV with a distributed electric driveline: Controlling for maximum slip energy efficiency on stochastic terrain. Journal of Terramechanics, 2018, vol. 79, pp. 41–57.Смирнов Г.А. Теория движения колёсных машин: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов / 2-е изд., доп. и перераб. – М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.: ил.Smirnov G.A. [Theory of the movement of wheeled vehicles. Textbook for engineering students. specialist. universities]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990. 352 p. (In Russian)Бочаров Н.Ф., Гусев В.И., Семёнов В.М. и др. Транспортные средства на высокоэластичных движителях. – М.: Машиностроение, 1974. – 208 с.Bocharov N.F., Gusev V.I., Semenov V.M. et al. [Vehicles on highly elastic propellers]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1974. 208 p. (In Russian)Пирковский Ю.В., Шухман С.Б. Теория полноприводного автомобиля (прикладные вопросы оптимизации конструкции шасси). – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001; Элит-2000, 2001. – 230 с.Pirkovskiy Yu.V., Shukhman S.B. [Theory of a four-wheel drive vehicle (applied issues of chassis design optimization)]. Moscow, YuNITI-DANA Publ., 2001; Elit-2000 Publ., 2001. 230 p. (In Russian)Eto R., Sakata K., Yamakawa J. Driving force distribution based on tyre energy for independent wheel-drive vehicle on rough ground // Journal of Terramechanics. – 2018. – V. 76. – P. 29–38.Eto R., Sakata K., Yamakawa J. Driving force distribution based on tyre energy for independent wheel-drive vehicle on rough ground. Journal of Terramechanics, 2018, vol. 76, pp. 29–38.Ларин В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин: учебник. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 391 с.Larin V.V. [Theory of motion of all-wheel drive wheeled vehicles: textbook]. Moscow, BMSTU Publ., 2010. 391 p. (In Russian)Платонов В.Ф., Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колёсные транспортно-тяговые машины. – М.: Машиностроение, 1986. – 296 с.Platonov V.F., Leiashvili G.R. [Tracked and wheeled transport and traction vehicles]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1986. 296 p. (In Russian)Косицын Б.Б., Чжэн Х., Газизуллин Р.Л. Модернизация управляющей и измерительной систем стенда «Грунтовый канал» и разработка математической модели движения колеса в условиях стенда // Труды НАМИ. – 2021. – № 1 (284). – С. 25–34.Kositsyn B.B., Chzhen Kh., Gazizullin R.L. [Control and measuring modernization systems of the “Soil Channel” stand and the development of a wheel motion mathematical model in stand conditions]. Trudy NAMI, 2021, no. 1 (284), pp. 25–34. DOI: 10.51187/0135-3152-2021-1-25-34. (In Russian)Бертсекас Д. Условная оптимизация и методы множителей Лагранжа. – М.: Радио и связь, 1987. – 400 с.Bertsekas D. [Conditional optimization and Lagrange multiplier methods]. Moscow, Radio i svyaz’ Publ., 1987. 400 p. (In Russian)Janosi Z., Hanamoto B. The analytical determination of drawbar pull as a function of slip for tracked vehicles in deformable soil // Intern. Conf. on the mechanics of soil-vehicles. – Tyrin. – 1961. – Report 44. – P. 331–359.Janosi Z., Hanamoto B. The analytical determination of drawbar pull as a function of slip for tracked vehicles in deformable soil. Intern. Conf. on the mechanics of soil-vehicles, Tyrin, 1961, report 44, pp. 331–359.MathWorks/MATLAB. URL: https://www.mathworks.com (дата обращения: 01.03.2022).MathWorks/MATLAB. Available at: https://www.mathworks.com (accessed 01 March 2022).Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. – М.: Мир, 1985. –509 с.Gill F., Myurrey U., Rayt M. [Practical optimization]. Moscow, Mir Publ., 1985. 509 p. (In Russian)Банди Б. Основы линейного программирования / Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1989. – 176 с.: ил.Bandi B. [Fundamentals of linear programming. Translation from English]. Moscow, Radio i svyaz’ Publ., 1989. 176 p. (In Russian)Марохин С.М. Прогнозиров а ние характеристик подвижности спецавтомобиля, оснащённого системами активной безопасности: дисс. … канд. техн. наук. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 147 с.Marokhin S.M. [Forecasting the mobility characteristics of a special vehicle equipped with active safety systems. Cand. eng. sci. diss.]. Moscow, BMSTU Publ., 2005. 147 p. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.