МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ КАЗЕННЕ ПІДПРИЄМСТВОХАРКІВСЬКЕ КОНСТРУКТОРСЬКЕ БЮРО З МАШИНОБУДУВАННЯ ІМЕНІ О.О. МОРОЗОВА (КП ХКБМ) 61001, м. Харкiв, вул. Плеханiвська, 126 тел. /факс: (057) 757-41-68, 757-41-01, тел. 757-41-44 телетайп:«Грім»,125040, e-mail:morozov@morozov.com.ua УДК 621.85-52РЕФЕРАТ до роботи «Розробка та впровадження автоматичної трансмісії легкоброньованих колісних військових машин для підвищення параметрів рухливості»,що представляється Харківським конструкторським бюро з машинобудування ім. О. О. Морозова на здобуття премії Президента України для молодих вчених у 2010 році^ Автори:Соловйов Володимир Михайлович інженер-конструктор 3 кат у казенному підприємстві «Харківське конструкторське бюро з машинобудування імені О.О. Морозова».^ Стрімовський Сергій Вікторович інженер-електронік 2 кат у казенному підприємстві «Харківське конструкторське бюро з машинобудування імені О.О. Морозова».^ Толстолуцький Віктор Олександрович кандидат технічних наук, провідний інженер-конструктор у казенному підприємстві «Харківське конструкторське бюро з машинобудування імені О.О. Морозова».^ Назва та адреса організації: Казенне підприємство «Харківське конструкторське бюро з машинобудування імені О.О. Морозова» 61001, м. Харкiв, вул. Плеханiвська, 126 тел. /факс: (057) 757-41-68, 757-41-01, тел. 757-41-44 телетайп:«Грім»,125040, e-mail:morozov@morozov.com.uaХарків 2010 Сучасні погляди теорії та практики збройної боротьби звертають увагу на все зростаючу роль мобільних сил, здатних вести стрімкі дії на великих просторах, як у розвиненій мережі доріг, так і на операційних напрямках поза дорогами, а також в умовах сильних руйнувань, затоплень, штучних загороджень, де потрібен широкий і швидкий маневр силами та засобами. У зв'язку з цим, сучасні зразки легкоброньованої колісної техніки повинні забезпечувати високі характеристики рухливості в різних умовах руху. Існує ряд принципових підходів до підвищення експлуатаційних характеристик військових машин. Основними з них є підвищення потужності основного двигуна, впровадження нових, більш ефективних, силових установок і автоматичних систем керування рухом. Очевидно, що найкращого ефекту можна домогтися тільки при комплексному підході до вдосконалювання енергетичних і силових установок легкоброньованих колісних військових машин (ЛКВМ).^ Актуальність проблеми. Вітчизняні бойові колісні й гусеничні машини, як правило, оснащені механічними трансмісіями з ручним керуванням, які мають високий коефіцієнт корисної дії й надійно працюють у важких дорожніх умовах. Однак режим перемикання передач у цих трансмісіях задається водієм суб'єктивно й залежить від його кваліфікації. Помилки у виборі потрібної передачі приводять до зниження тягового зусилля військової машини у порівнянні з технічно можливим та падіння швидкості й росту витрати палива, а також сприяють зменшенню ресурсу роботи двигуна та трансмісії. Таким чином, гостро стоїть науково-технічне завдання, що полягає у розробці та впровадженні автоматичної трансмісії на ЛКВМ. Завдяки розвитку технологій в галузі автомобілебудування стало можливим рішення цього завдання шляхом розробки гідромеханічної трансмісії з системою автоматичного керування, що забезпечує надійну роботу та високу ефективність колісних військових машин, а також підвищує ергономічність транспортного засобу. На всіх етапах проектування необхідне застосування сучасних методів аналізу якості конструктивних рішень і ефективності застосованих алгоритмів, що вимагає розробки комплексної математичної моделі спроектованого транспортного засобу.^ Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана відповідно до «Програми інноваційного розвитку КП ХКБМ ім. О.О.Морозова», «Державною програмою розвитку озброєння та військової техніки до 2015р.» і в рамках виконання дослідно-конструкторської роботи БТР-4, шифр «Ладья» у рамках виконання договору №247/2/072 з Міністерством оборони України.^ Мета й завдання дослідження. Метою даної роботи є розробка сучасної гідромеханічної трансмісії оснащеною системою автоматичного керування для ЛКВМ українського виробництва. Досягнення поставленої мети дослідження зажадало систематизованого підходу до аналізу та розробки вузлів і агрегатів автоматичної трансмісії, що включає рішення наступних науково-технічних завдань: - проведення всебічного аналізу світового досвіду щодо створення легкоброньованої техніки, номенклатури існуючих енергетичних установок, конструкцій трансмісій і їхніх систем автоматизованого керування; - проектування гідромеханічної трансмісії з урахуванням уніфікації її конструкції для встановлення на різні легкоброньовані колісні машини та можливості установки двигуна конкретної марки на вимогу замовника; - розробка механічної частини гідромеханічної трансмісії відповідно до вимог високої надійності, легкості автоматизації процесу керування, ремонтопридатності, а також з урахуванням досвіду КП ХКБМ у розробці механічних трансмісій для колісних і гусеничних машин; - розробка алгоритмів і електронного автомата системи автоматичного керування коробкою зміни передач і гідротрансформатором гідромеханічної трансмісії; - розробка універсальної математичної моделі робочого процесу гідротрансформатору (ГТР), яка дозволяє з достатньою точністю проводити розрахунок гідродинамічних параметрів та зовнішніх характеристик ГТР; - розробка комплексної математичної моделі шасі колісної машини й системи автоматичного керування коробкою передач; - проведення широкого спектру чисельних експериментів з метою визначення характеристик рухливості машини з розробленою автоматичною трансмісією і якості роботи алгоритмів системи керування; - проведення комплексу стендових і ходових випробувань зразка легкоброньованої колісної військової машини розробки КП ХКБМ; - визначення економічного ефекту від впровадження розробленої гідромеханічної трансмісії із системою автоматичного керування на вітчизняній легкоброньованій техніці.^ Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: Одержали подальший розвиток методи проектування трансмісій транспортних військових машин. Розроблено універсальну гідромеханічну трансмісію, яка задовольняє вимогам експлуатації в екстремальних умовах сучасного бою у складі колісної машини масою до 25 т. Уперше розроблений метод параметричного синтезу мікропроцесорної системи автоматичного керування гідромеханічною трансмісією для легкоброньованих колісних військових машин. Формалізовано вимоги до набору інформаційних вхідних параметрів електронної системи керування та обґрунтовані алгоритми закону керування гідромеханічною трансмісією. Обґрунтовано технічні рішення, що підвищують надійність і живучість системи автоматичного керування гідромеханічною трансмісією. Розроблена найбільш універсальна математична модель робочого процесу ГТР на основі модифікованого безрозмірного рівняння балансу гідравлічної енергії з додатковим обліком: кінцевого числа лопаток всіх лопаткових коліс ГТР, зміни площі живого перетину потоку, стиснення потоку лопатками коліс ГТР і коефіцієнтів ударних втрат. Одержали подальший розвиток методи аналізу та математичного моделювання транспортних засобів. Розроблено комплексну математичну модель навантаженого стану шасі колісної військової машини, що відрізняється від існуючих повнотою обліку структурних ланок і має високу точність.^ Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи знайшли застосування в КП ХКБМ ім. О.О. Морозова. На основі даних, отриманих у процесі представленого дослідження створені гідромеханічна трансмісія й електронна апаратури системи керування трансмісією зразка ЛКВМ розробки КП ХКБМ. Розроблено програмне забезпечення, у якому реалізовані методи математичного моделювання представлені в роботі. З його допомогою проведений аналіз рухливості різних військових машин і настроювання систем керування, встановлених на вироби розробки КП ХКБМ.Загальна кількість публікацій за темою роботи: 17 (з них тез доповідей: 3).^ ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ Важливою тактико-технічною характеристикою військової машини (ВМ) є рухливість. Вона характеризується високими тяглово-швидкісними властивостями, прохідністю, маневреністю, плавністю руху та досить великими середніми швидкостями руху як на дорогах з твердим покриттям, так і на ґрунтових дорогах. Дослідження технічних характеристик сучасних легкоброньованих колісних машин провідних світових виробників показало, що найбільш ефективними є машини, оснащені дизельними двигунами, з гідромеханічною трансмісією та системою автоматичного керування коробкою зміни передач. Таблиця 1. Характеристики двигунів світових виробників Показник Держава/Модель двигуна Україна Італія Германія 3ТД-3 Cursor 10 TDC2015V6 TDC2015V8 Тип двигуна 2-х тактний 4-х тактний 4-х тактний 4-х тактний Максимальна потужність, к.с. (кВт) 500 (368) 430 (316) 489 (360) 597 (440) Маса, кг 800 932 975 1250 Питома потужність к. с. /кг 0,625 0,461 0,5 0,478 Габаритна потужність к. с. /м3 762 596,7 441,7 454,7 П 1 - планетарні ряди; 2 - фрикціони; 3 - двосекційний шестерний насос; 4 - ГТР; 5 - вихідний вал; 6 - ДВС Рис. 1 Кінематична схема силової передачі.орівняння технічних характеристик дизельних двигунів світових виробників (табл. 1) показало, що двигун 3ТД-3 українського виробництва має найбільшу габаритну та питому потужність, що робить його кращим для установки на ЛКВМ. Крім того, даний двигун оснащений ежекційною системою охолодження, що має меншу вагу, габаритні розміри та відбирає менше потужності в порівнянні з вентиляторної. На основі досвіду, накопиченого в КП ХКБМ, розроблена трансмісія з використанням гідротрансформатора, планетарної механічної коробки зміни передач (КЗП) з гідрокеруванням і редуктора, що погоджує роботу двигуна та гідротрансформатору. Кінематична схема КЗП була синтезована з міркувань оптимальних умов роботи із ГТР. У результаті була отримана схема із трьома ступенями свободи з повною реалізацією всіх можливих варіантів парних комбінацій керуючих елементів (фрикціонів) (рис. 1). Розбивка по передачах найбільше повно відповідає роботі КЗП із ГТР, що забезпечило досягнення найкращих динамічних характеристик розгону ЛКВМ. Гідродинамічні трансформатори служать для перетворення крутного моменту двигуна, забезпечуючи гідравлічний зв'язок між ведучою та відомою (трансмісія) ланками транспортного засобу. Основними перевагами ГТР є: автоматичність зміни режиму роботи залежно від навантаження на відомому валу, відсутність жорсткого зв'язку між ведучими та відомими ланками, гасіння крутильних коливань двигуна й динамічних навантажень трансмісії, збільшення терміну служби елементів двигуна й трансмісії. Вибір ГТР із числа існуючих конструкцій є найбільш раціональним варіантом у порівнянні з розробкою нового, оскільки не вимагає витрат на проведення розрахунково-теоретичних вишукувань і глибоких експериментально-доводочних випробувань. Дослідження номенклатури існуючих ГТР вітчизняного виробництва показало, що застосування ГТР ГТК-XV (Dа=380мм) у складі трансмісії ЛКВМ є найбільш оптимальним, оскільки дозволяє сполучити в одній точці максимальний момент двигуна та момент насосного колеса на пусковому режимі, а також момент при максимальній потужності двигуна й момент насосного колеса на розрахунковому режимі, що забезпечує максимальну інтенсивність розгону й можливість використання максимальної потужності двигуна. Рис. 2 Спільна робота двигуна 3ТД-3 і ГТК- XV (Dа=380мм). Для забезпечення найбільш ефективної спільної роботи двигуна 3ТД-3 і обраного ГТР було визначено передатне відношення редуктора, що погоджує їх роботу. Цей редуктор є ключовим елементом розробленої силової передачі, оскільки забезпечує універсальність трансмісії у сенсі застосування її в комплексі з різними двигунами. При проектуванні системи автоматичного керування (САК) для розробленої трансмісії використаний створений метод параметричного синтезу, який дозволяє підвищити ефективність процесу проектування САК ГМТ для ЛКВМ. Даний метод базується на методах теорії керування трансмісією автомобіля, математичного моделювання дизельного двигуна із системою томливоподачі й ГМТ транспортної колісної машини, а також методах теорії побудови мікропроцесорних пристроїв, підвищення надійності й живучості електронних пристроїв. При побудові закону керування розробленої ГМТ був визначений необхідний набір вимірюваних інформаційних параметрів, таких як положення педалі подачі палива, швидкість руху колісної машини, прискорення колісної машини, частота обертання колінчатого вала двигуна, передаточне число гідротрансформатора. Як показало проведене дослідження закон керування необхідно представляти в табличному виді (у вигляді таблиці еталонних значень), що дозволило одержати ефективний з погляду економічності й функціональності електронний автомат керування ГМТ. Система автоматичного керування оснащена електромеханічною дублюючою системою, що забезпечує живучість САК під впливом потужних електромагнітних перешкод. 1 - двигун внутрішнього згоряння; 2 - комплексний гідротрансформатор; 3 - планетарна коробка передач; 4 - гідророзподільник; 5 - электрогідроклапана; 6 - датчики виміру тиску в бустерах фрикціонів; 7 - датчик частоти обертання колінчатого вала двигуна; 8 - датчик частоти обертання вихідного вала коробки передач; 9 - датчик положення педалі подачі палива; 10 - датчик натискання педалі гальма; 11 - кнопка механічного блокування важеля селектора; 12 - селектор режиму руху ВМ основної системи керування; 13 - індикатор номера включеної передачі; 14 - електронний автомат керування; 15 - вимикач аварійної подачі живлення для роботи дублюючої системи; 16 - селектор дублюючої системи керування; 17 - кнопка механічного блокування важеля виборця. Рис. 3. Структурна схема САК ГМТ із дублюючою електромеханічною системою На всіх етапах проектування та впровадження гідромеханічної трансмісії із САК для визначення параметрів рухливості ЛКВМ використалася розроблена комплексна математична модель навантаженого стану шасі та системи автоматичного керування коробкою зміни передач ЛКВМ. У рамках комплексу реалізовані математичні моделі двигуна, гідротрансформатора, трансмісії, взаємодії колеса із ґрунтом і руху колісної машини по рівній горизонтальній поверхні. Математична модель моторно-трансмісійної установки являє собою систему матричних рівнянь (1): , (1) де J - квадратна діагональна матриця моментів інерції елементів трансмісії; В - матриця рівнянь постійних кінематичні зв'язки; А - квадратна діагональна матриця коефіцієнтів (1 - ); МА - вектор узагальнених сил; ВФ – матриця зв'язків, обумовлених замкнутими фрикційними пристроями змінної структури. Рис. 4 Розрахункова динамічна модель силової установки. При розробці математичної моделі гідротрансформатора особлива увага приділена обліку додаткових особливостей кінематики й структури потоку робочої рідини в ГТР. Вихідними даними для математичної моделі ГТР служать геометричні параметри лопаткових коліс і проточної порожнини, а також вхідні навантажувальні характеристики, обумовлені двигуном. Модель заснована на використанні модифікованого рівняння балансу гідравлічної енергії що дозволяє робити розрахунок визначення безрозмірного коефіцієнта швидкості потоку φ: , (2) де: ; (3) ; (4) . (5) Підставляючи отримані розрахунковим шляхом значення коефіцієнта швидкості в рівняння моделі ГТР, здійснюється розрахунок параметрів зовнішньої й внутрішньої характеристик, які надалі використовуються в розрахунковій динамічній моделі силової установки. Моделювання руху колісної машина на рівній горизонтальній поверхні здійснюється з урахуванням відведення шин, стабілізуючого та моменту опору ковзанню, та ґрунтується на рівняннях рівноваги збуреного руху машини: (6) де B – колія машини; lc– відстань до центра мас від задньої осі; li – відстань від задньої до i – ой осі; m, IМ – маса й момент інерції в обертовому русі машини відповідно; ij - кут повороту коліс; МСП – момент опору повороту колеса. У рівняннях індексом i, позначений номер осі, індексом j - номер борту (j = 1 - внутрішній борт; j = 2 - зовнішній борт). Сили тяги на ведучих колесах та продовжні реакції грунту визначаються за допомогою моделювання кінематичної й силової взаємодії моторно-трансмісійної установки з корпусом ВМ, що ґрунтується на застосуванні тяглово-зчіпних характеристик ґрунту, що дозволяє враховувати юз і буксування коліс. Рис. 5 Зміна швидкості руху ЛКВМ у процесі розгону на бетонному покритті. За допомогою розробленої математичної моделі проведений ряд чисельних експериментів, який продемонстрував високі показники рухливості ЛКВМ із розробленою автоматичною трансмісією, а також ефективність алгоритмів системи керування. Для підтвердження ефективності рішень реалізованих при розробці автоматичної трансмісії були проведені стендові та ходові випробування зразка легкоброньованої колісної машини розробки КП ХКБМ БТР-4. У тому числі експеримент по зняттю зовнішніх характеристик ГТР, які проводилися на стендовому устаткуванні дослідно-виробничої бази КП ХКБМ ім. О. О. Морозова; експеримент по фізичному моделюванню роботи САК в лабораторних умовах, здійснений за допомогою спеціально розробленого блоку імітації сигналів датчиків САК ГМТ і індикації стану електромагнітів керування; ходові випробування. Під час ходових випробувань БТР-4 визначалися середня швидкість руху, час розгону до максимальної швидкості, середня витрата палива, віднесена до пройденого шляху та контролювалася надійність роботи САК ГМТ. При цьому середня швидкість руху виробу БТР-4 по шосе на різних трасах склала 47 і 69,2 км/г; середня витрата палива дорівнювала 81,7 і 82,7 л/100км. Час розгону до максимальної швидкості склав 92с. При цьому витрата палива, віднесена до пройденого шляху, склала 1,088 г/м. Таблиця 2. Характеристики сучасних ЛКВМ Показник Держава / Виріб Україна Росія Швейцарія Германія Австрія БТР-4 БТР-3Е БТР-90 Piranha IV Fuchs II Pandur II Колісна формула 8х8 8х8 8х8 8х8 6х6 8х8 Маса виробу, кг · 103 20,1 15,8 22 25 22 22 Двигун, маркаПотужність, к.с. (квт) 3ТД-3500 (368) УТД-20С1300 (220,8) УТД-32ТР510 (375) MTU 6V199 TE20 544(331) MTU 6V 199 TE20 EURO III428 (315) Cummins ISLe HPCR 455 (335) Питома потужність, к.с. /т 24,8 19 23,2 21,8 19,45 20,7 Тип трансмісії,число передач авт. ГМТ5х1 механічна5х1 автоматична5х1 авт. ZF 7HP5027x1 ^ ZF ECOMAT 6HP602C6x1 ZF ECOMAT 6HP602C6x1 Vmax руху вперед, км/г (м/с) 110 (30,5) 89,8 (24,3) 100 (27,8) 100 (27,8) 96 (26,7) 105 (29,2) Vmin руху вперед, км/г (м/с) 2,93 (0,81) 3,7 (1,03) 3,0 (0,83) 2,8 (0,78) 3,0 (0,83) 3,0 (0,83) Vср, км/г (м/с) по шосе 69,2 (19,2) 62,6 (14,7) 62 (17,22) 67 (18,6) 59 (16,4) 64 (17,7) Час розгону, з від 0 до 50 км/г 12,5 24 13,4 13,5 15 14 Запас руху по шосе, км 720 700 800 750 700 900 Порівняльний аналіз даних отриманих у процесі ходових випробувань зразка БТР-4 і характеристик ЛКВМ провідних світових виробників показав, що запропонована трансмісійна установка забезпечує найвищий показник питомої потужності, найвищу максимальну швидкість руху машини по шосе й має середній запас ходу. Про ефективність роботи системи автоматичного керування коробкою зміни передач говорить менший серед порівнюваних об'єктів час розгону. Поряд із кращими тактико-технічними характеристиками порівняно зі світовими зразками легкоброньованої техніки, БТР-4 також є більш привабливим економічно. Як показали дослідження економічної ефективності впровадження розробленої трансмісії забезпечує економію 113,4 тис. грн. при 100000 км пробігу, та збільшує надходження до бюджетів всіх рівнів та цільових фондів на 3519,9 тис.грн. за рік. Необхідно відзначити, що при розробці моторно-трансмісійної установки зразка ЛКВМ використовувались вузли та агрегати вітчизняного виробництва, що дозволяє серійно виготовляти ЛКВМ нового покоління в Україні, незалежно від закордонних фірм виробників.ВИСНОВКИ Метою даної роботи була розробка сучасної гідромеханічної трансмісії оснащеною системою автоматичного керування коробкою перемикання передач для легкоброньованої колісної військової машини українського виробництва, яка успішно вирішена та втілена у життя шляхом створення діючого зразка ГМТ для ЛКВМ. Основні наукові та практичні результати роботи та висновки, які випливають із них, полягають у наступному: 1. Аналіз світового досвіду по створенню легкоброньованої техніки, номенклатури існуючих енергетичних установок, конструкцій трансмісій і їхніх систем автоматизованого керування показав, що найбільшою ефективністю, надійністю й економічністю володіють колісні машини, оснащені дизельним двигуном, гідромеханічною трансмісією з системою автоматичного керування коробкою зміни передач. 2. Спроектовано уніфіковану гідромеханічну трансмісію, що дозволяє встановлювати її на різні колісні машини масою до 25т і може успішно застосовуватися із двигунами різних марок на вимогу замовника. Розроблена гідромеханічна трансмісія забезпечує виконання вимог високої надійності, легкості автоматизації процесу керування, ремонтопридатності, що дозволило впровадити її до складу військової машини. 3. Розроблено алгоритми та електронний автомат системи автоматичного керування коробкою зміни передач гідромеханічної трансмісії, які забезпечують надійну й ефективну роботу силової передачі. Оснащення системи автоматичного керування електромеханічною дублюючою системою дозволило забезпечити рухливість військової машини в екстремальних умовах сучасного бою під впливом потужних електромагнітних перешкод. 4. Розроблено комплексну математичну модель шасі колісної машини та системи автоматичного керування коробкою зміни передач, що дозволяє вирішувати завдання аналізу кінематики та динаміки руху елементів трансмісії, а також аналізу рухливості колісної машини. Дана математична модель відрізняється від існуючою повнотою обліку структурних ланок і докладністю описаних процесів. 5. Проведено комплекс чисельних експериментів, завдяки чому визначені характеристики рухливості машини з розробленою автоматичною трансмісією й оцінена якість роботи алгоритмів системи керування ще до виробництва реального дослідного зразка. Результати математичного моделювання були підтверджені в ході стендових і ходових випробувань зразка ЛКВМ розробки КП ХКБМ. 6. Порівняльний аналіз характеристик рухливості провідних світових зразків легкоброньованої техніки з розробленої колісної військової машини показав її перевагу по ряду показників, таких як питома потужність, час розгону до швидкості 50 км/г і максимальна швидкість руху. 7. Дослідження економічної ефективності від впровадження розробленої гідромеханічної трансмісії із системою автоматичного керування показало, що забезпечується економія 113,4 тис. грн. на один БТР при 100000 км пробігу, та збільшується надходження до бюджетів всіх рівнів та цільових фондів на 3519,9 тис.грн. за рік. Необхідно відзначити, що при розробці моторно-трансмісійної установки зразка ЛКВМ використалися вузли й агрегати лише вітчизняного виробництва.