Оптимизация управления фрикционными элементами гидромеханической трансмиссии транспортной машины

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

УДК 629.1.013

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ФРИКЦИОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ

© 2011 А.И. Болгарский1, В.Б. Держанский2, И.А. Тараторкин3

Институт машиноведения УрО РАН

Поступила в редакцию 10.11.2011

Не смотря на очевидные успехи в создании электромеханических, гибридных и вариаторных трансмиссий разрабатываемые и модернизируемые многоцелевые гусеничные и колесные транспортные машины специального назначения, эксплуатируемые в особо трудных дорожных условиях, оснащаются гидромеханическими трансмиссиями (ГМТ). Конструкция новых трансмиссий по техническому уровню не уступает зарубежным образцам мировых лидеров фирм «Allison», «Zanradfabric» и др. В тоже время эффективность машин с ГМТ и надежность их функционирования ограничивается долговечностью фрикционных элементов блокировки гидротрансформатора и переключения передач (рис. 1) [1].

Рис.1. Изношенные фрикционные диски.

Выполненный анализ показывает, что при движении машин по дорогам с интенсивным изменением сопротивления движению эти элементы подвержены высокой динамической нагруженности, во многом определяемой качеством управления переходными процессами. В настоящее время, на основе использования программного и аппаратного обеспечения фирмы «Bosch» представляется возможным синтезировать и реализовать адаптивное оптимальное управление.

Временная характеристика управления двигателем и фрикционными элементами определяется из условия минимизации работы буксования

t

minL6 — ф(^){соД{^ — co2(t))dt при ограниче-

0

нии динамической нагруженности

2

Мф (!) - 2п zbRrp sign(Aoj)(Аса)pit),

обеспечения быстродействия tnn

AV

и приращения температуры. Последнее требует дополнения математической модели движения уравнением теплопроводности Фурье. В этой формуле

jUTP (Асо) является характеристикой изменения ко-

эффициента трения материалов от относительной скорости элементов. Для автоматизированных трансмиссий рекомендуются новые фрикционные материалы марки НО112.5 производства фирмы Hoerbiger (Германия), способные качественно выполнить свои функции в рабочих жидкостях высокого класса частоты. Накладки на бумажной основе обеспечивают стабильный коэффициент трения, обладают высокой износостойкостью и долговечностью. Кроме того, в процессе их работы практически не образуются продукты износа, способные оказать негативное влияние на сложную аппаратуру системы гидроуправления. Эта характеристика (/uw (Aft))) подлежит определению.

Как показали результаты численного моделирования динамики механической системы с фрикционной муфтой (рис. 2) из четырех рассмотренных моделей трения - Кулона (рис. 2а), вязкого трения (рис. 2б), с ниспадающими ветвями (рис. 2в) и модели трения с эффектом Штрибека (рис. 2г), модель 2г дает результаты (длительность включения, установившийся момент трения, характер высокочастотных затухающих колебаний угловой скорости и др.), которые качественно и количественно совпадают с экспериментальными данными (рис. 3).

Эта модель принята в дальнейшем для расчетов.

Временная характеристика давления управления p(t) при включении j±1-ой передачи в бустерах сервомоторов фрикционных элементов и изменения частоты вращения представлены на рис. 4.

При связном управлении двигателем и фрикционами выключаемой и включаемой передач возможно плавное, по существу бесступенчатое переключение при минимальном значении работы буксования дисков трения, ограничении их нагрева и износа. Характер изменения давления Pj гидросерводвигателя в выключаемом фрикционе определяется графиком 1 (рис. 4), а в включаемом Pj±1 графиком 2 (рис.4).

При выполнении условия переключения передач в верх (j^j+1) давление управления в выключаемом фрикционе снижается одновременно с уменьшением подачи топлива и разблокировкой гидротрансформатора. Длительность переключения определяется временем заполнения бустера t3, временем регулирования t до окончания буксования фрикционного элемента (Дю^-0, график 2 на рис. 4).

974

Механика и машиностроение

Рис. 2. Результаты компьютерного моделирования процесса включения фрикционной муфты для различных моделей трения: МТР - момент трения фрикциона, Нм; пвх, пвых - угловые скорости ведущих и ведомых частей фрикциона, с"1

Рис. 3. Фрагмент осциллограммы при переключении передач с V на VI: пВХ - обороты ведущего вала; пВЫХ - обороты ведомого вала; МВХ, МВЫХ - моменты на входном и выходном валах; РФ4, РФ5 - давления в бустерах фрикционов.

Рис. 4. Временная характеристика давления управления в бустерах сервомоторов фрикционных элементов и изменения частоты вращения.

Переход к рабочему давлению вследствие ограниченной деформации пакета дисков происходит за сотые доли секунды. Анализ результатов исследования показывает, что длительность переключения определяется параметрами конструкции машины, трансмиссии и сопротивлением движению. В частности, повышение быстродействия системы управления, уменьшение начальной скорости буксования, следовательно, снижение работы буксования и динамической нагруженности способствует сближению передаточных чисел на смежных передачах трансмиссии для перекрытия параметров тяговой характеристики по скорости и удельной силе тя-ги.Снижение динамического момента, нагружающего трансмиссию при переключении передач, может быть достигнуто адаптивным управлением каждого фрикционного элемента с учетом номера включаемой передачи. Это следует из зависимости качества переходного процесса от переменных упруго" инерционных свойств трансмиссии.

Сокращение длительности переключения, соответственно и работы буксования достигается при создания импульса давления. Такое управление (пунктир на графике 2, рис. 4) позволяет ускорить синхронизацию включающих элементов и заранее нагрузить ведомые детали трансмиссии, минимизировать вероятность перегрева дисков, уменьшить износ и повысить долговечность элементов.

Анализ выражений для определения работы и времени буксования фрикционных элементов показывает, что на работу буксования существенно влияет величина момента трения Mw (t) и разность частот вращения ведущих (7) и ведомых О2 (I) частей фрикционного устройства. Чем меньше момент Мф (t) при заданной разности

975

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

А со — ох — со2. тем плавней переключаются передачи, однако при этом значительно возрастает время и увеличивается работа буксования. Графическая зависимость работы буксования, динамического момента и зона оптимального управления от относи-

тельных параметров импульса (длительности импульса At и амплитуды ДА) приведена на рис. 5. Область оптимального управления находится вблизи пространственной кривой, образованной пересечением полученных трехмерных графиков.

Рис. 5. Зависимости характеристик процесса включения фрикционной муфты от параметров закона управления и область оптимального управления: а) зависимость работы буксования от параметров закона управления; б) зависимость динамического момента трения от параметров закона управления; в) область оптимального управления.

Рис. 6. Определение области оптимального управления блокировкой ГТК.

При управлении фрикционом блокировки гидротрансформатора создание импульса эффекта не дает. С ростом относительной скорости вращения ведущих и ведомых частей фрикциона блокировки работа буксования и динамическая нагруженность увеличивается. Чем интенсивнее происходит процесс, тем выше нагруженность фрикциона но ниже работа буксования. Более плавное включение фрикциона приводит к снижению коэффициента динамичности,

но существенной работе буксования. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований определена область оптимального управления блокировкой гидротрансформатора (рис. 6), обеспечивающая минимум работы буксования при выполнении ограничения по динамическому моменту. Реализация оптимального управления позволяет снизить работу буксования фрикциона блокировки от 20 до 45 % при уменьшении коэффициента динамического момента в 1,5 раза.

Вывод: На основе приведенных результатов исследования в работе решена задача выбора параметров временной функции оптимального регулирования давления гидросерводвигателей фрикционов, обеспечивающих минимум работы буксования, ограничение динамического момента и выполнение других функциональных условий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Держанский В.Б., Тараторкин И.А. Прогнозирование динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии транспортных машин Монография. Екатеринбург: УрО РАН, 2010. - с. 176.

OPTIMIZATION OF FRICTION ELEMENTS HYDROMECHANICAL TRANSMISSION TRANSPORT MACHINES

© 2011 A.I. Bolgarskiy, V.B. Derzhanskiy, I.A. Taratorkin Institute of engineering science, Ural branch, The RAS

976