Теорія автомобіля: від статики до динаміки
Теорія руху автомобіля - наука, в якій вивчаються найважливіші властивості колісних машин і визначаються їх основні кількісні показники з метою використання в якості вихідних даних при проектуванні, т. Е. При конструюванні і розрахунку даних машин. Тому вона займає особливе місце серед наук про автомобіль. З іншого боку, сама теорія в якості вихідних даних використовує ту чи іншу розрахункову модель - сукупність розрахункової схеми машини і її математичного опису, через що проблема вибору такої схеми і набуває критично важливе значення: чим ближче модель до реального об'єкту, який вона відображає , тим точніше виконані по ній розрахунки. З усіма наслідками, що випливають звідси наслідками для технічних, експлуатаційних і багатьох інших показників об'єкта. І якщо з цієї точки зору розглянути домінуючу сьогодні класичну версію теорії автомобіля, то вона явно недосконала. Уже хоча б тому, що являє автомобіль як матеріальну точку (крім розділу, де вивчається плавність ходу через властивості підвіски) і не враховує її внутрішні пружно-демпфирующие (динамічні) зв'язку. Інакше кажучи, за класичною версією теорії модель колісної машини - одномасова, "жорстка". Що суперечить об'єктивної реальності, яку характеризують три основні ознаки: наявність внутрішніх динамічних зв'язків; просторовість (протяжність по осях X, Y, Z) об'єкта, що досягається за рахунок цих зв'язків і деформованості; робота кожного колеса здійснюється в своїх, притаманних тільки йому умовах руху (автономне колесо).
У сукупності сказане вище означає, що класична версія теорії руху автомобіля описує лише статику процесу, в зв'язку з чим її можна назвати статичної. Якщо ж автомобіль розглядати з позицій об'єктивної реальності, то це вже динамічна версія теорії його руху.
Чи можлива така зміна версій? Цілком. Причому особливу роль в такому переході має відіграти поняття "автономне колесо". Адже колесо (колісний рушій) і двигун колісної машини - ті два первинних входу, які визначають всі силові та енергетичні взаємодії системи. У зв'язку з цим автономне колесо стає фундаментальним ознакою динамічної теорії руху, замикаючи на себе, з одного боку, динамічний момент "своєї" гілки приводу рухово-трансмісійної установки (ДТУ), а з іншого - "свою" опорну реакцію дороги, що формується динамічними властивостями підвіски.
Таким чином, є всі підстави сказати, що "каркасом" пропонованої увазі Новомосковсктелей концепції має стати спільна динамічна модель ДТУ і підвіски.
Дана модель, щоб вона відповідала принципам адекватності, системності, універсальності і структурності, повинна бути в максимально розумній мірі наближена до вихідної механічної (або проектованої) системі; враховувати внутрішні динамічні зв'язки, просторовість об'єкта і автономність колеса, що досягається за рахунок об'єднання просторових моделей ДТУ і підвіски; існувати в загальному вигляді (описувати якомога ширший клас машин) і мати здатність змінювати свою структуру.
Розглянемо ці властивості з точки зору пропонованої концепції.
Тягова динаміка. В даний час відомі три основні класи моделей, що застосовуються для її вивчення: "жорсткі" моделі; наведені мало- і багатоланкові моделі; моделі у власних (істинних) координатах.
Друге найважливіше концептуальне властивість моделі у власних координатах полягає в тому, що її можна не тільки розробити, а й реалізувати в загальному вигляді. Для чого достатньо ввести в неї відповідні ознаки структури, що дозволяють на кожному валу ДТУ встановлювати будь-(в розумно необхідних межах) число мас з їх динамічними зв'язками, а вали пов'язувати будь-яким (теж в розумно необхідних межах, природно) числом ступенів, що володіють, в тому числі і диференціальними зв'язками. У сукупності це дає можливість в рамках однієї ЕОМ-програми моделювати роботу автомобілів з колісними формулами 4x2, 4x4 і т. Д.
Плавність ходу. З огляду на специфіку систем під-рессоріванія, плавність ходу колісних машин спочатку вивчали на моделях, що містять пружні (і демпфирующие) зв'язку. Але, в основному, на площинних моделях вертикально-кутових коливань підресореною маси корпусу і вертикальних коливань безпружинних мас мостів (при незалежній підвісці - коліс) в поздовжньої або поперечної площинах. Тому що Р.В. Ротенберг свого часу зробив висновок про малу зв'язку коливань мас підвіски в цих площинах. Однак таке припущення прийнятно лише при дослідженні коливальних процесів. При складанні ж загальної моделі руху колісної машини воно неприйнятне. Адже навіть без застосування математичного апарату легко довести, що коливання всіх мас системи пов'язані не тільки в поздовжній або поперечній площинах, окремо, але і між площинами. Це випливає, зокрема, з того факту, що при коливаннях навколо центру мас динамічно перерозподіляти опорні реакції зумовлюють роботу гасять і пружних елементів підвіски в протифазі як по осях, так і по бортах колісної машини. Враховуючи ж, що сучасні гідроамортизатори мають несиметричну характеристику на ходах стиснення і відбою, зв'язок коливань мас системи стає її негативним атрибутом. Те ж саме можна сказати і про підвіску з прогресивною пружною характеристикою. Звідси напрошується висновок: необхідно критично переосмислити ті аспекти теорії підресорювання, які обґрунтовують можливість локалізації (розриву зв'язку) коливань чисто механічним способом і, отже, інших підходів до проектування підвіски.
Слід також враховувати, що вивчення таких властивостей колісної машини, як її гальмівна динаміка, керованість і т. Д. В повному обсязі при площинному відображенні процесу неможливо. Тут необхідно просторове моделювання підвіски, т. Е. Об'єднання площинних моделей коливань мас в подовжній і поперечній площинах.
Так просторове моделювання підвіски замикає логічне коло, пов'язаний з поняттям "автономне колесо": модель підвіски стає об'єктивно пов'язаної з моделлю ДТУ. У підсумку, просторова модель спільних коливань ДТУ і підвіски, no-суті, будучи загальної динамічної моделлю руху колісної машини, стає базовим фрагментом динамічної теорії руху, оскільки може бути адаптована до вивчення інших перерахованих раніше найважливіших властивостей машини, і одночасно (при її ЕОМ- реалізації) - інструментом кількісного дослідження (наприклад, з метою оптимізації) цих властивостей.
Для кількісної оцінки процесу необхідно скласти його енергетичний баланс, т. Е. Записати у вигляді однієї з форм закону збереження енергії. При цьому критично важливо володіти достовірною і повною інформацією про енерговитрати системи, і головне тут - "не втратити" жодної з них, що цілком можливо, якщо баланс складається виходячи з принципу незалежності розрахунку лівої (яку вносить енергія) і правої (витрати) його частин і враховує максимально можливу кількість витратних складових, включаючи енерговитрати внутрішніх динамічних зв'язків.
Справа в тому, що зазвичай становлять не енергетичний баланс, а енергетичне рівність і розраховують витратні, найчастіше паливні, складові (права частина рівності) процесу руху, сума яких оголошується витратою палива (ліва частина) двигуном. При такому підході "втрата" (неврахування) будь-якої реальної (т. Е. Існує в природі, але не облікованої в правій частині) витратної складової не призводить до порушення енергетичного рівності.
Зокрема, у багатьох енергетичних "балансах" не враховують втрати при буксовании фрикційного зчеплення, енергетику внутрішніх динамічних зв'язків, підвіски і т. Д. Але, тим не менш, такі "баланси" сходяться. Це суперечить закону збереження енергії і, no-суті, означає неможливість застосування енергетичних рівності для адекватної оцінки енерговитрат системи.
Чому так відбувається? Тому що при складанні енергетичного балансу не враховується фундаментальний принцип: права і ліва його частини повинні визначатися незалежно один від одного. Якщо даний принцип не порушувати, то при "втраті" будь-якої витратної складової енергетичний баланс не зійдеться. У чому і полягає його принципова відмінність від енергетичних рівності.
З практичної точки зору ця властивість енергетичного балансу можна використовувати при оцінці адекватності моделі, не вдаючись до натурних випробувань, найважливіший недолік яких, не кажучи вже про їх вартість, полягає в тому, що вони часто не дозволяють виявити шуканий параметр безпосередньо (типовий приклад - робота буксування фрикційного зчеплення). Звідси стає зрозумілою необхідність і актуальність розробки енергетичної моделі колісної машини, що представляє собою сукупність динамічної моделі руху цієї машини і її енергетичного балансу як атрибуту останньої.
Гальмівна динаміка. Ефективність гальмування колісної машини залежить від багатьох параметрів, які визначаються як природно природними причинами, так і конструктивними рішеннями. У практиці експлуатації кожне гальмує колесо апріорі є автономним. Сполучення величин коефіцієнтів зчеплення і опору коченню, радіусів коліс, опорних реакцій і т. П. Доповнені різними способами гальмування (роздільне гальмування коліс і двигуном; спільне гальмування з і без перемикання на знижувальну передачу; комбіноване, при якому гальмування в початковій стадії проводиться з перемиканням на знижувальну передачу, а потім здійснюється окремо) призводить до вельми значній кількості різних комбінацій цих параметрів, особливо для багатовісних колісних машин. Крім показників власне гальмівної динаміки, такі комбінації визначають і курсову стійкість машини при її гальмуванні. Все це різноманіття кінематичних і силових зв'язків не може бути враховано ні в "жорстких", ні в площинних моделях, які не поділяють колеса лівого і правого бортів. Таку можливість дають динамічні моделі, що містять автономне колесо.
Рух на криволінійній траєкторії. Процеси, що відбуваються в просторової динамічної багатомасової системі, причиною яких є кривизна траєкторії, до теперішнього часу мало досліджені. Причина - відсутність моделей, які об'єднують ДТУ і підвіску і містять їх внутрішні упругодемпфірующіе, фрикційні та інші зв'язки. Наприклад, класична теорія керованості колісних машин ігнорує колебательную динаміку системи в бічному напрямку, що залежить від пружно-демпфуючих підстав (шин). В результаті процеси, пов'язані з бічним відведенням, висвітлюються тільки в статиці. У той же час явище відведення тісно пов'язане з одним з істотних властивостей колісної машини - її поворачиваемостью, і можна припустити, що динамічний перерозподіл величин бічних реакцій шин має сприяти динамічному непостійності в часі і кутів відведення шин коліс передньої і задніх осей, а значить, їх співвідношенню, від якого, як відомо, залежить тип по-ворачіваемості колісної машини. Звідси випливає, що говорити про надмірну або недостатню пово-рачіваемості як про постійне властивості машини - некоректно. Більш правильно вести мову про динаміку цього властивості, пов'язаної з тим, що одна і та ж колісна машина в якийсь момент часу може мати одним видом поворотності, а вже в наступний момент - змінитися своїм антиподом.