Дифференциальный механизм поворота мобильной машины и способ управления дифференциальным механизмом поворота Российский патент 2023 года по МПК B62D11/10 F16H47/00 

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к трансмиссиям мобильных машин, в частности промышленных тракторов, и может быть использована в дифференциальных механизмах поворота мобильных машин.

Известен дифференциальный механизм поворота гусеничной машины, содержащий гидрообъемную передачу (ГОП), регулируемый насос которой соединён с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а нерегулируемый мотор соединен, через устройство поворота, выполненное в виде зубчатых передач и вала подкрутки, с двумя суммирующими дифференциальными механизмами (СДМ) и бортовыми редукторами [Теория движения танков и БМП: Учебник/М.: Военное издательство. 1984, стр. 166].

Недостатком такого механизма поворота является самопроизвольное изменение радиуса поворота гусеничной машины при изменении сопротивления движению. При росте сопротивления движению уменьшается частота вращения турбины гидротрансформатора, а частота вращения коленчатого вала ДВС сохраняется. При этом линейная скорость движения трактора уменьшается, а угловая скорость поворота остается постоянной, что в результате ведет к произвольному изменению траектории движения при постоянном положении штурвала.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является дифференциальный механизм поворота гусеничной машины, содержащий гидрообъемную передачу (ГОП), регулируемый насос которой соединён с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а нерегулируемый мотор соединен, через устройство поворота, выполненное в виде зубчатых передач и вала подкрутки, с двумя суммирующими дифференциальными механизмами (СДМ) и бортовыми редукторами, гироскопический датчик и микропроцессорный блоком управления поворотом [Патент на изобретение № 2721207 «Дифференциальный механизм поворота мобильной машины и способ управления дифференциальным механизмом поворота» от 18.05. 2020].

Недостатком такого механизма поворота является наличие ошибки управления, возникающей в инерциальной измерительной системе на основе гироскопа из-за вращения Земли. При технологической скорости движения трактора до 1м/с эта ошибка может достигать нескольких метров на дистанции пути в 100 м.

Известен способ управления дифференциальным механизмом поворота гусеничной машины, заключающийся в измерении угловой скорости поворота корпуса гусеничной машины гироскопическим датчиком, в сравнении ее с угловой скоростью поворота, заданной штурвалом, в вычислении разности этих скоростей и внесении через обратную связь сигнала, корректирующего положение наклонной шайбы насоса ГОП [Кондаков С.В. Автоматизированное управление движением быстроходной гусеничной машины: монография / С.В. Кондаков, О.О. Павловская. - Saarbrucken: LAPLAMBERT Academic Publishing, 2013. - стр. 50-54].

Недостатком такого способа является уменьшение быстродействия управления за счет того, что управление осуществляется только по отклонению угловой скорости поворота от заданной штурвалом, при этом не используется управление по возмущению, напрямую возникающему при изменении сопротивления прямолинейному движению, и проявляющемуся в явном виде через снижение частоты вращения турбины гидротрансформатора (ГТ).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ управления дифференциальным механизмом поворота, заключающийся в изменении положения наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи для реализации заданного ручкой управления поворотом радиуса поворота, для чего измеряют частоту вращения турбины и насоса гидротрансформатора, угловую скорость поворота, заданную ручкой управления поворотом, угловую скорость поворота гироскопическим датчиком, и независимо от оператора, задающего ручкой управления поворотом радиус траектории движения мобильной машины, вычисляют сигнал, формирующий угол поворота наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи по формуле
'
:

где - относительное угловое положение наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи, - относительное угловое положение ручки управления поворотом, iГТ - передаточное отношение гидротрансформатора, ωГК - угловая скорость поворота, измеряемая гироскопическим датчиком, ωР - угловая скорость поворота, заданная ручкой управления поворотом, k₁ - коэффициент усиления [Патент на изобретение № 2721207 «Дифференциальный механизм поворота мобильной машины и способ управления дифференциальным механизмом поворота» от 18.05.2020].

Недостатком такого способа является невозможность преодоления ошибки управления, наличествующей из-за вращения Земли.

Решаемой технической задачей группы изобретений является повышение точности отработки заданной траектории движения мобильной машины.

Технический результат группы изобретений направлен на обеспечение постоянства радиуса поворота мобильной машины при неизменном положении ручки управления поворотом и изменяющемся сопротивлении движению при любом направлении движения относительно положения на север.

Также технический результат группы изобретений заключается в повышении точности и быстродействия в управлении поворотом.

Для достижения указанного технического результата дифференциальный механизм поворота мобильной машины, как и наиболее близкий аналог, содержит гидрообъемную передачу, регулируемый насос которой соединён с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, а нерегулируемый мотор соединен, через устройство поворота, выполненное в виде зубчатых передач и вала подкрутки, с двумя суммирующими дифференциальными механизмами и систему управления поворотом, состоящую из ручки управления поворотом, гироскопического датчика и микропроцессорного блока управления. Но, в отличие от наиболее близкого аналога, дифференциальный механизм поворота снабжен в составе системы управления еще и магнитным компасом, который соединен посредством электрических связей с микропроцессорным блоком.

Указанный технический результат достигается также тем, что, как и наиболее близкий аналог, способ управления дифференциальным механизмом поворота мобильной машины заключается в изменении положения наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи для реализации заданного ручкой управления поворотом радиуса поворота. Но, в отличие от наиболее близкого аналога, в заявляемом способе также измеряют компасом угол между продольной осью мобильной машины и направлением на север Земли, и независимо от оператора, задающего ручкой управления поворотом радиус траектории движения мобильной машины, вычисляют сигнал, формирующий угол поворота наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи по формуле:

,

где - относительное угловое положение наклонной шайбы ГОП, - относительное угловое положение ручки управления поворотом, iГТ - передаточное отношение ГТ, ωГК - угловая скорость поворота, измеряемая гироскопическим датчиком, - угловая скорость поворота, заданная ручкой управления поворотом, k₁ - коэффициент усиления, - угловая скорость вращения Земли, ϕ - угол между продольной осью мобильной машины и направлением на север Земли.

Наличие микропроцессорного блока управления в дифференциальном механизме поворота обеспечивает постоянство радиуса поворота мобильной машины при неизменном положении ручки управления поворотом управления и изменяющемся сопротивлении движению. Микропроцессорный блок управления получает информацию о положении ручки управления поворотом и о частотах вращения насоса и турбины гидротрансформатора, угловой скорости, заданной ручкой управления поворотом и угловой скорости, замеренной гироскопическим датчиком, положении продольной оси мобильной машины относительно направления на север, замеренном компасом, и формирует на основе этой информации итоговый сигнал для определения положения наклонной шайбы насоса ГОП. То есть в заявляемой группе изобретений управление учитывает положение корпуса машины в любой момент времени относительно положения на север Земли. Это компенсирует ошибку от вращения Земли и повышает точность управления на местности.

Сущность группы изобретений поясняется принципиальной схемой работы дифференциального механизма поворота мобильной машины, представленной на чертеже.

Двигатель внутреннего сгорания 1 приводит в движение гидротрансформатор, включающий насос 2 и турбину 3, и ГОП, содержащую регулируемый насос 4, нерегулируемый мотор 5, устройство поворота, выполненное в виде зубчатых передач 11 и вала подкрутки 10, два суммирующими дифференциальными механизмами 7 и 8 и систему управления поворотом, состоящую из ручки управления поворотом 9, гироскопического датчика 12, компаса 13 и микропроцессорного блока управления 6.

Способ реализован в дифференциальном механизме поворота мобильной машины следующим образом: крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания 1 передается насосу 2 гидротрансформатора и насосу 4 ГОП. Турбина 3 гидротрансформатора в свою очередь вращает эпициклические колеса (на чертеже не показаны) суммирующих дифференциальных механизмов 7 и 8, а мотор 5 ГОП вращает солнечную шестерню (на чертеже не показана) суммирующего дифференциального механизма 8. В свою очередь, устройство поворота, выполненное в виде зубчатых передач 11 и вала подкрутки 10 вращает солнечную шестерню (на чертеже не показана) механизма 7. Гироскопический датчик 12 замеряет угловую скорость корпуса машины, компас 13 измеряет угол между продольной осью машины и положением на север Земли, затем они передают сигналы в микропроцессорный блок управления 6.

Микропроцессорный блок управления 6 вычисляет передаточное отношение ГТ по формуле , где - частота вращения турбины гидротрансформатора, - частота вращения насоса гидротрансформатора, вычисляет косинус угла ϕ между продольной осью трактора и направлением на север компаса.

Микропроцессорный блок управления 6 также вычисляет интеграл от разности угловых скоростей: замеренной гироскопическим датчиком 12, заданной ручкой управления поворота 9, и угловой скоростью вращения Земли, умноженной на косинус угла ϕ. Далее полученный сигнал о передаточном отношении ГТ перемножает на сигнал о положении ручки управления поворота 9, складывает с интегралом разности угловых скоростей измеряемой гироскопическим датчиком 12, заданной ручкой управления поворота и угловой скоростью вращения Земли, умноженной на косинус угла между продольной осью мобильной машины и направлением на север Земли, и создает итоговый управляющий сигнал для наклонной шайбы насоса 4 ГОП по формуле:

'

Заявляемым способом и механизмом поворота мобильной машины обеспечивается повышение точности управления поворотом и прямолинейным движением независимо от направления движения мобильной машины относительно направления на север Земли.

Группа изобретений относится к дифференциальным механизмам поворота мобильных машин. Дифференциальный механизм поворота содержит гидрообъемную передачу, регулируемый насос, нерегулируемый мотор. Нерегулируемый мотор соединен через устройство поворота с двумя суммирующими дифференциальными механизмами и системой управления поворотом. Система управления поворотом состоит из ручки управления поворотом, гироскопического датчика и микропроцессорного блока управления. Дифференциальный механизм поворота снабжен также магнитным компасом, который соединен посредством электрических связей с микропроцессорным блоком. Способ управления дифференциальным механизмом поворота мобильной машины заключается в изменении положения наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи. Измеряют компасом угол между продольной осью мобильной машины и направлением на север Земли и вычисляют сигнал, формирующий угол поворота наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи. Достигается повышение точности отработки заданной траектории движения мобильной машины. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Дифференциальный механизм поворота мобильной машины, с устройствами привода в виде двигателя внутреннего сгорания и гидротрансформатора, содержащий гидрообъемную передачу, включающую регулируемый насос с наклонной шайбой и нерегулируемый мотор, два суммирующих дифференциальных механизма, устройство поворота, выполненное в виде зубчатых передач и вала подкрутки, систему управления поворотом, состоящую из ручки управления поворотом, гироскопического датчика и микропроцессорного блока управления, отличающийся тем, что дифференциальный механизм поворота снабжен в составе системы управления магнитным компасом, который соединен посредством электрических связей с микропроцессорным блоком; наклонная шайба регулируемого насоса соединена посредством электрических связей микропроцессорного блока, с ручкой управления поворотом, насосом и турбиной гидротрансформатора, гироскопическим датчиком и компасом.

2. Способ управления дифференциальным механизмом поворота мобильной машины, заключающийся в изменении положения наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи для реализации заданного ручкой управления поворотом радиуса поворота, отличающийся тем, что при этом измеряют частоту вращения турбины и насоса гидротрансформатора, угловую скорость поворота, заданную ручкой управления поворотом, угловую скорость поворота, измеряемую гироскопическим датчиком, и угол положения корпуса мобильной машины относительно направления на север, измеряемый компасом, и независимо от оператора, задающего ручкой управления поворотом радиус траектории движения мобильной машины, вычисляют сигнал, формирующий угол поворота наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи по формуле:

,

где – относительное угловое положение наклонной шайбы насоса гидрообъемной передачи; – относительное угловое положение ручки управления поворотом; i_ГТ – передаточное отношение гидротрансформатора; ω_ГК - угловая скорость поворота, измеряемая гироскопическим датчиком; ω_Р – угловая скорость поворота, заданная ручкой управления поворотом; k₁ – коэффициент усиления; ω₃ –угловая скорость вращения Земли; ϕ – угол между продольной осью трактора и направлением на север компаса.