RU2805453C2

RU2805453C2 - Differential turning mechanism of a mobile machine and method for controlling the differential turning mechanics

Info

Publication number: RU2805453C2
Application number: RU2020138975A
Authority: RU
Inventors: Владимир Геральдович Перезолов; Сергей Владимирович Кондаков; Рамиль Агзамович Закиров; Юрий Матвеевич Землянский; Ольга Олеговна Павловская; Ирина Александровна Подживотова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Производственная компания "Ходовые системы"
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2023-10-17

Abstract

FIELD: mobile machines.

SUBSTANCE: differential rotation mechanism contains a hydrostatic transmission, an adjustable pump, and an unregulated motor. The unregulated motor is connected through a rotation device to two summing differential mechanisms and a rotation control system. The steering control system consists of a steering control handle, a gyroscopic sensor and a microprocessor control unit. The differential rotation mechanism is also equipped with a magnetic compass, which is connected via electrical connections to the microprocessor unit. The method of controlling the differential rotation mechanism of a mobile machine is to change the position of the swashplate of the hydrostatic transmission pump. The angle between the longitudinal axis of the mobile machine and the direction to the north of the Earth is measured with a compass and the signal that forms the angle of rotation of the swashplate of the hydrostatic transmission pump is calculated.

EFFECT: increase in the accuracy of working out a given trajectory of a mobile machine is achieved.

2 cl, 1 dwg

Description

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. The group of inventions relates to the field of mechanical engineering, namely to transmissions of mobile machines, in particular industrial tractors, and can be used in differential turning mechanisms of mobile machines.

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].There is a known differential mechanism for turning a tracked vehicle, containing a hydrostatic transmission (GOP), the adjustable pump of which is connected to the crankshaft of an internal combustion engine (ICE), and the unregulated motor is connected, through a turning device, made in the form of gears and a twist shaft, with two summing differential mechanisms (SDM) and final drives [Theory of movement of tanks and infantry fighting vehicles: Textbook/M.: Military publishing house. 1984, p. 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.The disadvantage of this turning mechanism is the spontaneous change in the turning radius of the tracked vehicle when the movement resistance changes. As motion resistance increases, the rotation speed of the torque converter turbine decreases, but the rotation speed of the internal combustion engine crankshaft remains the same. In this case, the linear speed of movement of the tractor decreases, and the angular speed of rotation remains constant, which as a result leads to an arbitrary change in the trajectory of movement at a constant position of the steering wheel.

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].The closest thing to the claimed invention is a differential turning mechanism of a tracked vehicle, containing a hydrostatic transmission (GOP), the adjustable pump of which is connected to the crankshaft of an internal combustion engine (ICE), and the unregulated motor is connected through a turning device made in the form of gears and a twist shaft , with two summing differential mechanisms (SDM) and final drives, a gyroscopic sensor and a microprocessor rotation control unit [Patent for invention No. 2721207 “Differential rotation mechanism of a mobile machine and a method for controlling the differential rotation mechanism” dated 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.The disadvantage of this rotation mechanism is the presence of control error that occurs in the gyroscope-based inertial measurement system due to the rotation of the Earth. At a technological tractor speed of up to 1 m/s, this error can reach several meters over a travel distance of 100 m.

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].There is a known method for controlling the differential turning mechanism of a tracked vehicle, which consists in measuring the angular speed of rotation of the body of a tracked vehicle with a gyroscopic sensor, comparing it with the angular speed of rotation set by the steering wheel, calculating the difference between these speeds and introducing a signal through feedback that corrects the position of the swash plate of the GOP pump. [Kondakov S.V. Automated motion control of a high-speed tracked vehicle: monograph / S.V. Kondakov, O.O. Pavlovskaya. - Saarbrucken: LAPLAMBERT Academic Publishing, 2013. - pp. 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).The disadvantage of this method is the reduction in control speed due to the fact that control is carried out only by the deviation of the angular speed of rotation from that specified by the steering wheel, while control by the disturbance that directly arises when the resistance to linear motion changes, and which manifests itself explicitly through a decrease in the turbine rotation speed, is not used torque converter (GT).

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
'
: The closest to the claimed invention is a method for controlling a differential steering mechanism, which consists in changing the position of the swash plate of the hydraulic displacement pump to implement the turning radius specified by the steering control knob, for which the rotation speed of the turbine and torque converter pump, the angular speed of rotation specified by the steering control knob, the angular turning speed using a gyroscopic sensor, and regardless of the operator setting the radius of the trajectory of the mobile machine with the turning control knob, the signal that forms the angle of rotation of the swash plate of the hydrostatic transmission pump is calculated according to the formula
'
:

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, k ₁ - коэффициент усиления [Патент на изобретение № 2721207 «Дифференциальный механизм поворота мобильной машины и способ управления дифференциальным механизмом поворота» от 18.05.2020].Where - relative angular position of the hydraulic displacement pump swashplate, - relative angular position of the steering control knob, iГТ - gear ratio of the torque converter, ω ГК - angular speed of rotation, measured by a gyroscopic sensor, ω Р - angular speed of rotation specified by the steering control knob, k ₁ - gain [Patent for invention No. 2721207 “Differential the turning mechanism of a mobile machine and the method of controlling the differential turning mechanism" dated 05.18.2020].

Недостатком такого способа является невозможность преодоления ошибки управления, наличествующей из-за вращения Земли.The disadvantage of this method is the inability to overcome the control error present due to the rotation of the Earth.

Решаемой технической задачей группы изобретений является повышение точности отработки заданной траектории движения мобильной машины.The technical problem solved by the group of inventions is to increase the accuracy of working out a given trajectory of a mobile machine.

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.The technical result of the group of inventions is aimed at ensuring a constant turning radius of a mobile machine with a constant position of the turning control handle and changing resistance to movement in any direction of movement relative to the position to the north.

Также технический результат группы изобретений заключается в повышении точности и быстродействия в управлении поворотом.Also, the technical result of the group of inventions is to increase the accuracy and speed of turning control.

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.To achieve the specified technical result, the differential turning mechanism of a mobile machine, like the closest analogue, contains a hydrostatic transmission, the adjustable pump of which is connected to the crankshaft of the internal combustion engine, and the unregulated motor is connected through a turning device made in the form of gears and a twist shaft, with two summing differential mechanisms and a rotation control system consisting of a rotation control handle, a gyroscopic sensor and a microprocessor control unit. But, unlike the closest analogue, the differential rotation mechanism is also equipped as part of the control system with a magnetic compass, which is connected through electrical connections to a microprocessor unit.

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:This technical result is also achieved by the fact that, like the closest analogue, the method of controlling the differential turning mechanism of a mobile machine consists in changing the position of the swashplate of the hydrostatic transmission pump to implement the turning radius specified by the turning control knob. But, unlike the closest analogue, in the claimed method the angle between the longitudinal axis of the mobile machine and the direction to the north of the Earth is also measured with a compass, and regardless of the operator who sets the radius of the trajectory of the mobile machine with the turning control knob, the signal that forms the angle of rotation of the swash plate is calculated hydrostatic transmission pump according to the formula:

, ,

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, k ₁ - коэффициент усиления, - угловая скорость вращения Земли, ϕ - угол между продольной осью мобильной машины и направлением на север Земли.Where - relative angular position of the swashplate GOP, - relative angular position of the turn control handle, iГТ - gear ratio of the GT, ω ГК - angular speed of turn, measured by a gyroscopic sensor, - angular speed of rotation specified by the rotation control knob, k ₁ - gain, - angular velocity of rotation of the Earth, ϕ - angle between the longitudinal axis of the mobile machine and the direction to the north of the Earth.

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.The presence of a microprocessor control unit in the differential turning mechanism ensures a constant turning radius of the mobile machine with a constant position of the steering control handle and changing resistance to movement. The microprocessor control unit receives information about the position of the steering control handle and the rotation speeds of the pump and turbine of the torque converter, the angular velocity set by the steering control handle and the angular velocity measured by the gyroscopic sensor, the position of the longitudinal axis of the mobile machine relative to the direction to the north, measured by a compass, and generates Based on this information, the final signal is used to determine the position of the swashplate of the gas pump pump. That is, in the claimed group of inventions, the control takes into account the position of the machine body at any time relative to the position to the north of the Earth. This compensates for the error caused by the Earth's rotation and increases the accuracy of control on the ground.

Сущность группы изобретений поясняется принципиальной схемой работы дифференциального механизма поворота мобильной машины, представленной на чертеже.The essence of the group of inventions is illustrated by the principle diagram of the operation of the differential rotation mechanism of a mobile machine, shown in the drawing.

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.The internal combustion engine 1 drives a torque converter including a pump 2 and a turbine 3, and a GOP containing an adjustable pump 4, an unregulated motor 5, a turning device made in the form of gears 11 and a twist shaft 10, two summing differential mechanisms 7 and 8 and turn control system, consisting of a turn control handle 9, a gyroscopic sensor 12, a compass 13 and a microprocessor control unit 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.The method is implemented in the differential rotation mechanism of a mobile machine as follows: the torque from the internal combustion engine 1 is transmitted to the torque converter pump 2 and the GOP pump 4. Turbine 3 of the torque converter, in turn, rotates the epicyclic wheels (not shown in the drawing) of the summing differential mechanisms 7 and 8, and the GOP motor 5 rotates the sun gear (not shown in the drawing) of the summing differential mechanism 8. In turn, the rotation device, made in the form gears 11 and twist shaft 10 rotate the sun gear (not shown in the drawing) of mechanism 7. Gyroscopic sensor 12 measures the angular velocity of the machine body, compass 13 measures the angle between the longitudinal axis of the machine and the position to the north of the Earth, then they transmit signals to the microprocessor control unit 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.Microprocessor control unit 6 calculates the GT gear ratio according to the formula , where - torque converter turbine rotation speed, - torque converter pump rotation speed, calculates the cosine of the angle ϕ between the longitudinal axis of the tractor and the north compass direction.

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:The microprocessor control unit 6 also calculates the integral of the difference in angular velocities: measured by the gyroscopic sensor 12, specified by the rotation control knob 9, and the angular velocity of the Earth's rotation, multiplied by the cosine of the angle ϕ. Next, the received signal about the gear ratio of the GT is multiplied by the signal about the position of the turn control handle 9, added with the integral of the difference in angular velocities measured by the gyroscopic sensor 12, the specified turn control handle and the angular velocity of rotation of the Earth, multiplied by the cosine of the angle between the longitudinal axis of the mobile machine and the direction to north of the Earth, and creates the final control signal for the swashplate of pump 4 GOP according to the formula:

'

'

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.The inventive method and mechanism for turning a mobile machine ensures increased accuracy of control of rotation and straight-line movement, regardless of the direction of movement of the mobile machine relative to the direction to the north of the Earth.

Claims

1. A differential turning mechanism for a mobile machine, with drive devices in the form of an internal combustion engine and a torque converter, containing a hydraulic transmission, including an adjustable pump with an inclined washer and an unregulated motor, two summing differential mechanisms, a turning device made in the form of gears and a twist shaft, turn control system, consisting of a turn control handle, a gyroscopic sensor and a microprocessor control unit, different the fact that the differential rotation mechanism is equipped as part of the control system with a magnetic compass, which is connected via electrical connections to the microprocessor unit; The swashplate of the adjustable pump is connected through electrical connections of the microprocessor unit, with the steering control handle, the pump and the torque converter turbine, the gyroscopic sensor and the compass.

2. A method for controlling the differential turning mechanism of a mobile machine, which consists in changing the position of the swashplate of the hydrostatic transmission pump to implement the turning radius specified by the turning control knob, characterized in that the rotational speed of the turbine and torque converter pump, the angular speed of turning specified by the turning control knob are measured. , the angular speed of rotation, measured by a gyroscopic sensor, and the angle of position of the body of the mobile machine relative to the direction to the north, measured by a compass, and regardless of the operator setting the radius of the trajectory of movement of the mobile machine with the rotation control handle, a signal is calculated that forms the angle of rotation of the swash plate of the hydrostatic transmission pump according to formula:

,

Where – relative angular position of the swashplate of the hydrostatic transmission pump; – relative angular position of the steering control handle;i _GT – gear ratio of the torque converter;ω _GK - angular speed of rotation, measured by a gyroscopic sensor;ω _R – angular speed of turn, specified by the turn control handle;k ₁ - gain;ω ₃ – angular velocity of the Earth’s rotation; ϕ is the angle between the longitudinal axis of the tractor and the north compass direction.