Способ оценки потерь мощности в коробке передач транспортного средства
METHOD OF ESTIMATING POWER LOSSES IN A GEARBOX OF A VEHICLE

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования машин, в частности к способу оценки потерь мощности в коробке передач (КП) транспортного средства (ТС).
Существующие инструментальные методы оценки потерь мощности в агрегатах трансмиссии зачастую не позволяют провести измерение в реальных условиях эксплуатации, обладают низкой точностью измерений, высокой трудоемкостью реализации и требуют высокотехнологичного оборудования, приобретение которого в большинстве случаев не рационально.
КП
Известен способ определения потерь мощности в коробке передач посредством измерения мощности потребляемого тока асинхронным электродвигателем, приводящим во вращение КП [1]. Для реализации данного способа коробку передач необходимо предварительно демонтировать с транспортного средства, установить на испытательный стенд и подключить цепной привод от ведущего двигателя стенда к первичному валу КП. Мощность N, теряемую в агрегате, вычисляют по формуле [1]:
ДВ
где N - мощность, потребляемая двигателем, Вт;
ДВ
η - коэффициент полезного действия двигателя;
ЦП
η коэффициент полезного действия цепной передачи.
Недостатками данного способа являются необходимость проведения трудоемких подготовительных работ по демонтажу КП с транспортного средства и ее установки на стенд, а также низкая точность измерений, т.к. представленным способом не предусмотрен учет влияния условий окружающей среды на коэффициент полезного действия двигателя и цепной передачи.
Известен способ определения потерь мощности в агрегатах трансмиссии, при котором автомобиль устанавливают на тормозной стенд, подключают измерительное оборудование, пускают двигатель и проводят испытания на постоянном скоростном и нагрузочном режимах и получают зависимости вида [2]:
где ΔР - разрежение за дросселем во впускном трубопроводе, мм рт.ст.;
τ - время работы автомобиля с момента начала проведения испытания, мин.;
г.п
t - температура испытываемого масла в картере главной передачи, °С.
e
Затем двигатель автомобиля устанавливают на стенд, на котором измеряют эффективную мощность (N) и определяют зависимость:
e
г.п
e
Далее устанавливают зависимость потерь эффективной мощности от температуры испытываемого масла в картере главной передачи (N=ƒ(t)) путем перестроения функции ΔР=ƒ(τ) с использованием дроссельной характеристики (4), а потери мощности в силовой передаче и на качение колес автомобиля ΔN определяют по формуле:
где  - мощность, потребляемая тормозной системой стенда, л.с.;
- мощность, потребляемая механической системой и трансмиссией стенда, л.с.
Недостатками указанного способа являются высокая трудоемкость определения потерь мощности и необходимость приобретения дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения потерь мощности в коробке передач трактора в условиях эксплуатации, при котором на выходной вал устанавливают проволочные тензометрические датчики, соединенные по полумостовой схеме с влаготермозащитой, коммутация датчиков и усилителя осуществляется ртутными токосъемниками с установленными на них специальными обогревателями. Измерительный комплекс подвергается предварительному тарированию. Потери мощности в КП определяются как разница между эффективной мощностью двигателя и мощностью на выходном валу коробки передач, вычисленная на основании данных, полученных с помощью измерительного комплекса [3].
Несмотря на представленную возможность получения потерь мощности в коробке передач в условиях реальной эксплуатации, данный способ имеет недостатки в виде низкой надежности конструкции, предполагающей наличие токсичных токосъемников, использование которых часто сопровождается нарушением электрических контактов при обрыве цепи из-за недостатка ртути или ее загрязнения и замыканием между кольцами при избытке ртути. Другим недостатком предлагаемого способа является сложность установки тензодатчиков и токосъемников на валы коробки передач, так как при этом требуется разбор агрегата.
Известно, что в случае изменения величины и направления передаваемого через агрегаты трансмиссии эффективного крутящего момента двигателя, на опорах агрегатов возникают усилия, характеризующие реактивный момент. Измеряя данные усилия, можно оценить не только мощность на выходе из коробки передач, но и ее потери в агрегате.
Техническая задача - совершенствование способа оценки потерь мощности в коробке передач за счет снижения трудоемкости и повышения оперативности измерений.
Сущность изобретения заключается в следующем. При проведении испытаний подготавливают транспортное средство, в опоры коробки передач и, в случае жесткого соединения двигателя и коробки передач, в опоры двигателя устанавливают первичные преобразователи силы, к которым присоединяют измерительное устройство. Подготавливают двигатель к пуску, пускают и прогревают его совместно с коробкой передач до номинальной температуры. При предварительных испытаниях осуществляют разгон технически исправного транспортного средства на каждой передаче с максимально возможным ускорением, фиксируют пиковые значения усилий на опорах, суммируют полученные значения, находят среднее по опорам для соответствующей передачи и принимают его за эталонное значение, строят зависимость среднего значения пиковых усилий на опорах от включенной передачи и принимают ее за контрольную характеристику. При последующих испытаниях транспортного средства в условиях эксплуатации проверяют и, при необходимости, доводят до исправного технического состояния двигатель и сцепление, проводят аналогичные испытания и строят зависимость среднего значения пиковых усилий на опорах от включенной передачи, сравнивают полученную характеристику с контрольной, определяют отклонение средних значений пиковых усилий на опорах при эксплуатации от эталонных значений и дают оценку потерям мощности в коробке передач.
Таким образом, возможно создать достаточно простой способ оценки потерь мощности в коробке передач транспортного средства.
ij
j
жj
кj
На фиг. 1 представлена схема сил и крутящих моментов, возникающих в коробке передач при передаче крутящего момента от двигателя к ведущим мостам, где F - усилия, возникающие на i-й опоре для j-й передачи, Н; M - крутящий момент на ведомом валу коробки передач на j-й передаче, Нм; на фиг. 2 - схемы крепления двигателя и коробки передач: а - жесткая связь коробки передач с двигателем; б - связь коробки передач с двигателем карданной передачей; на фиг. 3 - зависимости средних значений пиковых усилий на опорах от номера включенной передачи на примере пятиступенчатой коробки передач с прямой четвертой передачей: а - для коробок передач, жестко связанных с двигателем; б - для коробок передач, связанных с двигателем карданной передачей, где  - средние значения пиковых усилий на опорах при предварительных испытаниях на j-й передаче при жесткой связи с двигателем и при связи с двигателем карданной передачей соответственно, принятые за эталонные значения, Н;  - средние значения пиковых усилий на опорах при эксплуатации на j-й передаче при жесткой связи коробки передач с двигателем и при связи с двигателем карданной передачей соответственно, Н;  - зависимости средних значений пиковых усилий на опорах соответственно при жесткой связи коробки передач с двигателем и при связи с двигателем карданной передачей от номера передачи, принятые за эталонные характеристики;  - зависимости средних значений пиковых усилий на опорах при эксплуатации соответственно при жесткой связи коробки передач с двигателем и при связи с двигателем карданной передачей; ΔF, ΔF - отклонения средний значений пиковых усилий на опорах при эксплуатации от эталонных значений для j-й передачи соответственно при жесткой связи с двигателем и при связи с двигателем карданной передачей, Н.
Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.
ij
В штатные опоры коробки передач и двигателя при их жесткой связи устанавливают первичные преобразователи силы, например тензометрические датчики, таким образом, чтобы усилия F, передаваемые через опоры раме транспортного средства, полностью воспринимались преобразователями. При связи коробки передач и двигателя карданной передачей, первичные преобразователи силы монтируют только в опоры коробки передач. К преобразователям силы присоединяют измерительное устройство, устанавливают транспортное средство на ровную поверхность, подготавливают двигатель к пуску, пускают и прогревают его совместно с коробкой передач до номинальной температуры. При предварительных испытаниях осуществляют разгон технически исправного транспортного средства на каждой передаче с максимально возможным ускорением, фиксируют пиковые значения усилий  на опорах, суммируют полученные значения и находят среднее по опорам для соответствующей передачи по формуле:
где i - количество опор КП, шт.;
- пиковое значение усилия на i-й опоре для j-й передачи, Н.
ж
к
Полученные средние значения пиковых усилий на опорах на j-й передаче  и  принимают за эталонные значения. Затем строят зависимость среднего значения пиковых усилий на опорах при предварительных испытаниях от включенной передачи  или  и принимают ее за контрольную характеристику. При последующих испытаниях транспортного средства в условиях эксплуатации проверяют и, при необходимости, доводят до исправного технического состояния двигатель и сцепление, проводят аналогичные испытания и строят зависимость среднего значения пиковых усилий на опорах при эксплуатации от включенной передачиилисравнивают полученную зависимость с контрольной характеристикой, определяют отклонение средних значений пиковых усилий на опорах при эксплуатации от эталонных значений (F или F) и дают оценку потерям мощности в коробке передач.
ж
к
Отклонения средних значений пиковых усилий на опорах при эксплуатации от эталонных значений ΔF и ΔF определяют по формулам:
где j - количество передач, на которых производились измерения.
Сравнение зависимости среднего значения пиковых усилий на опорах при эксплуатации от включенной передачи и контрольной характеристики осуществляют для оценки характера полученной зависимости. При наличии местных отклонений полученной зависимости, соответствующих средним усилиям на опорах для определенной передачи, делают вывод о неисправности данной передачи.
к4
Усилия  при последующих испытаниях в условиях эксплуатации также вычисляют по формуле (1). В случае испытания коробок передач, связанных с двигателем при помощи карданной передачи, расчет величины ΔF по формуле (5) для прямой передачи не проводят, так как усилия на опорах незначительны и не характеризуют передаваемый крутящий момент.
При величине отклонений средних значений пиковых усилий от эталонных более 2%, потери мощности в коробке передач признают существенными, а эффективность ее эксплуатации - неудовлетворительной. Величина отклонений установлена исходя из суммарной погрешности современного измерительного оборудования, составляющей не более 2%, при условии, что повышение потерь мощности в агрегатах трансмиссии при эксплуатации не допускается.
Проверка технического состояния двигателя и сцепления при последующих испытаниях в условиях эксплуатации осуществляется с целью подачи на первичный вал КП крутящего момента, равного по величине крутящему моменту при предварительных испытаниях.
Преобразователи силы устанавливают на стадии производства в целях снижения трудоемкости диагностирования при испытаниях. В качестве измерительного устройства можно использовать аналого-цифровой преобразователь, регистрирующий получаемые электрические импульсы и производящий простейшие вычислительные операции.
Таким образом, можно оценить потери мощности в коробке передач с использованием общедоступных, простых средств измерений и регистрации возникающих усилий.
Список источников
1. Курносов А.Ф. Подогрев механической коробки передач транспортных средств сельскохозяйственного назначения в условиях Сибири: дис. … канд. техн. наук / А.Ф. Курносов - Новосибирск, 2016. - С. 66-67.
2. Брусянцев Н.В. Исследование работы автомобиля при различных вязкостях и температурах масла в механизмах силовой передачи / Н.В. Брусянцев, Г.И. Клинковштейн, Г.П. Покровский // Зимняя эксплуатация автомобилей. Сборник статей. - М.: Автотрансиздат, 1954. - С. 98-101.
3. Селиванов Н.И. Рациональное использование тракторов в зимних условиях / Н.И. Селиванов. - Красноярск, 2006. - С. 181-182.