Закон оптимального управления подводимой мощностью к движителю колёсной машины при прямолинейном движении

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. 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. 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.

1. Котиев 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.

2. Шухман С.Б., Соловьёв В.И., Прочко Е.И. Теория силового привода колёс автомобилей высокой проходимости. – М.: Агробизнесцентр, 2007. – 336 с.

3. Келлер А.В. Методологические принципы оптимизации распределения мощности между движителями колёсных машин // Вестник ЮУрГУ. – 2006. – № 11. – С. 96–101.

4. Andreev A., Kabanau V., Vantsevich V. Driveline systems of ground vehicles. Teory and Design. – CRC Press, 2010. – 758 p.

5. 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.

6. 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.

7. Бочаров Н.Ф., Гусев В.И., Семёнов В.М. и др. Транспортные средства на высокоэластичных движителях. – М.: Машиностроение, 1974. – 208 с.

8. Пирковский Ю.В., Шухман С.Б. Теория полноприводного автомобиля (прикладные вопросы оптимизации конструкции шасси). – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001; Элит-2000, 2001. – 230 с.

9. 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.

10. Ларин В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин: учебник. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 391 с.

11. Платонов В.Ф., Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колёсные транспортно-тяговые машины. – М.: Машиностроение, 1986. – 296 с.

12. 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.

13. Бертсекас Д. Условная оптимизация и методы множителей Лагранжа. – М.: Радио и связь, 1987. – 400 с.

14. 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.

15. MathWorks/MATLAB. URL: https://www.mathworks.com (дата обращения: 01.03.2022).

16. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. – М.: Мир, 1985. –509 с.

17. Банди Б. Основы линейного программирования / Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1989. – 176 с.: ил.

18. 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.