Способ управления автоматической коробкой передач
AUTOMATIC TRANSMISSION CONTROL METHOD

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в конструкциях трансмиссий самоходных машин, преимущественно промышленных тракторов и погрузчиков с гидромеханической трансмиссией.
Предлагаемый способ управления автоматической коробкой передач решает задачи изобретения: обеспечивает переключение передач в автоматическом и безразрывном режиме с оптимальными параметрами, что сокращает время цикла работы трактора и повышает производительность; параметры переключение передач калибруются, настраиваются, программа управления корректируется с учетом износа фрикционных дисков, переключение производится при условии равенства скоростей на смежных передачах с учетом подачи топлива, что обеспечивает переключение передач в оптимальном режиме с минимальными динамическими нагрузками и износом фрикционных дисков с улучшением комфортности работы оператора; контроль давления во ФМ предотвращает работу трансмиссии с пониженным давлением рабочей жидкости и, соответственно, аварийный износ дисков, повышает надежность трансмиссии; автоматическое блокирование ГТР увеличивает тяговое КПД трансмиссии и снижает расход топлива.
Известен способ переключения передач в автоматизированной ступенчатой коробке передач (RU 2015039, опубликованный 30.06.1994, класс МПК В60К 41/06), заключающийся в том, что механизм переключения передач включают в тот момент синхронизации, когда время, оставшееся до выравнивая угловых скоростей вторичного вала и шестерни включаемой передачи, равно времени срабатывания механизма переключения передач, а управление двигателем прекращают в момент синхронизации, когда время, оставшееся до выравнивания угловых скоростей вторичного вала и шестерни включаемой передачи, равно времени срабатывания механизма управления двигателем. Недостатком этого способа является то, что рассматриваются только отдельные операции автоматизированного переключения передач.
Известен способ управления автоматической двухдиапазонной коробкой передач и устройство для его осуществления (RU 2424927, опубликованный 27.07.2011, класс МПК B60W 10/10), принятый за прототип, заключающийся в том, что после пуска двигателя по сигналу электронного блока управления включают фрикцион нижнего диапазона и оставляют его постоянно включенным на нейтрали коробки передач при неподвижном транспортном средстве, при его трогании с места и маневрировании «вперед-назад», а также при движении с переключением всех ступеней нижнего ряда передач «вверх-вниз» без разрыва потока мощности посредством включения-выключения фрикционов основного механизма переключения передач по программе алгоритма, реализуемого электронным блоком управления; после завершения разгона на высшей ступени нижнего ряда передаточных чисел выключают фрикцион высшей ступени основного механизма переключения передач и фрикцион нижнего диапазона и одновременно включают фрикцион низшей ступени основного механизма переключения передач и фрикцион верхнего диапазона; фрикцион верхнего диапазона остается постоянно включенным при последующем движении транспортного средства с переключением всех ступеней верхнего ряда «вверх-вниз» без разрыва потока мощности посредством включения-выключения фрикционов основного механизма переключения передач, при перемещении селектора управления переключением передач в нейтральное положение при движении транспортного средства на передачах верхнего ряда передаточных чисел электронный блок управления по сигналу селектора выдает управляющий сигнал на выключение фрикциона основного механизма переключения передач, переводя коробку передач в нейтральное состояние, а фрикцион верхнего диапазона остается включенным, пока скорость транспортного средства находится выше предельного значения, заранее установленного для верхнего ряда передаточных чисел, после снижения скорости транспортного средства ниже установленного предельного значения электронный блок управления выдает сигнал на выключение фрикциона верхнего диапазона и включение фрикциона нижнего диапазона, обеспечивая этим готовность основного механизма переключения передач к включению соответствующего фрикциона для движения транспортного средства на передачах нижнего диапазона по сигналу селектора управления переключением передач, установленного водителем в положение «автомат» или в положение одной из передач командного режима, при разгоне транспортного средства на крутом спуске при нейтральном положении селектора управления переключением передач после превышения заранее установленного предельного значения скорости для нижнего диапазона передач электронный блок управления выдает сигнал на выключение фрикциона нижнего диапазона и включение фрикциона верхнего диапазона.
Недостаток этого способа заключается в том, что не рассматриваются конкретные режимы автоматического переключения передач и блокирования гидротрансформатора.
Задачей настоящего изобретения является снижение динамической нагруженности трансмиссии и повышение долговечности фрикционных механизмов автоматической коробки передач путем рационального управления включением и выключением фрикционных механизмов коробки передач и гидротрансформатора и за счет этого достижение высоких технико-экономических показателей транспортного средства, повышение надежности коробки передач и улучшение комфортности работы оператора.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления автоматической коробкой передач, содержащем операции измерения и обработки сигналов, характеризующих режимы работы двигателя, гидротрансформатора и фиксирующих положение селектора управления переключением передач и управления стояночным тормозом, а также операции выработки электронным блоком управления управляющих сигналов и их реализации посредством электрогидравлических клапанов, осуществляющих в автоматическом или в командном режиме включение - выключение фрикционных механизмов коробки передач, гидротрансформатора, коробки передач, состоящей из последовательно расположенных фрикционных механизмов, где каждую ступень ряда передаточных чисел получают одновременным замыканием двух фрикционных механизмов, из системы гидроуправления, состоящей из источника питания рабочей жидкости, аппаратов регулирования и поддержания давления источника питания, устройства фильтрации и охлаждения рабочей жидкости для подачи рабочей жидкости в гидроцилиндры фрикционных механизмов при их включении по программе алгоритма, реализуемого электронным блоком управления после пуска двигателя и выключения стояночного тормоза, включается первая передача или, в командном режиме, при помощи селектора управления, выбирается машинистом любая другая передача, выбранная передача остается постоянно включенным на «нейтрали» коробки передач, в начале движения с места включением фрикционных механизмов переднего или заднего ходов и маневрировании «вперед-назад», до переключения передач в командном или автоматическом режиме без разрыва потока мощности, посредством включения-выключения фрикционных механизмов переключения передач, без выключения фрикционных механизмов переднего или заднего ходов; движение всегда начинается при выключенном фрикционном механизме блокировки гидротрансформатора; после завершения разгона фрикционный механизм блокировки гидротрансформатора включается в случае низкой нагрузки и увеличения скорости вращения турбинного вала гидротрансформатора, при условии равенства или близкой к условию равенства скоростей вращения турбинного вала на одной и той же передаче, при выключенном и включенном фрикционном механизме блокировки гидротрансформатора, по сигналу датчика скорости на турбинном валу, с учетом положения педали деселератора или рукоятки управления двигателя; в случае высокой нагрузки фрикционный механизм гидротрансформатора выключается при уменьшении скорости ниже предельного, заранее установленного, по условиям устойчивой работы двигателя, предельного значения скорости вала двигателя, с учетом положения педали деселератора или рукоятки управления двигателя; автоматическое переключение передач производится при условии равенства, или близких к условиям равенства, скоростей турбинного вала гидротрансформатора на смежных передачах, при включенном и выключенном фрикционном механизме блокировки гидротрансформатора состоянии, по сигналу датчика скорости на турбинном валу гидротрансформатора, с изменением скорости вращения вала двигателя и с учетом положения педали деселератора или рукоятки управления двигателя; по сигналу датчиков постоянно контролируется давление в бустерах фрикционных механизмов, формируется код отказа и выводится на дисплей; по мере износа фрикционных дисков определяется время заполнения бустера и корректируется программа управления.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная схема предложенной системы переключения автоматической коробки; на фиг. 2 - принципиальная гидравлическая схема системы управления; на фиг. 3 - комбинации включенных фрикционных механизмов передач; на фиг. 4 - тяговая характеристика промышленного трактора или погрузчика; на фиг. 5 - график (блокирования) изменения скорости вращения вала турбины в зависимости от положения педали деселератора или рукоятки управления двигателя (РУД), при которой производится блокирование гидротрансформатора (ГТР); на фиг. 6 - график изменения скорости вращения вала турбины ГТР в зависимости от положения педали деселератора или РУД, при которой производится разблокирование ГТР; на фиг. 7 - график (переключения) изменения скорости вращения вала турбины ГТР в зависимости от положения педали деселератора или РУД, при которой производится переключения передач, например, переключении с 1 на 2 передачу; на фиг. 8 - график (переключения) изменения скорости вращения вала турбины ГТР в зависимости от положения педали деселератора или РУД при которой производится переключения передач, например, с 2 на 1 передачу; на фиг. 9 - графики изменения параметров системы управления при переключении передач «вверх»; на фиг. 10 - графики изменения параметров системы управления при переключении передач «вниз»; на фиг. 11 - графики для определения времени заполнения бустера.
В состав системы автоматического управления трансмиссии входят следующие элементы (фиг. 1): двигатель 1, гидротрансформатор 2, фрикцион блокировки ГТР 3, трехступенчатая коробка передач 4 с фрикционными механизмами (ФМ) 1, 2, 3 передач, механизм быстрого реверса 5 с ФМ переднего (ПХ) и заднего (ЗХ) ходов, согласующий редуктор 6, главная передача 7, бортовые фрикционы (БФ)(правый, левый) 8, остановочные тормоза (ОТ) (правый, левый) 9, бортовые редукторы (правый, левый) 10, ведущие звездочки (правый, левый) 11, источник питания рабочей жидкости (гидронасос) 12, регулятор давления 13, пропорциональный клапан 14, датчики органов управления 15 (датчик деселератора или РУД, кнопка приведения КПП в нейтральное положение, кнопка повышения номера передачи, кнопка понижения номера передачи, кнопка выбора переднего хода, кнопка выбора заднего хода, переключатель выбора режима ручного (командного) и автоматического переключения передач, переключатель выбора режима «с блокированием ГТР» и «без блокирования ГТР», переключатель стояночного тормоза), датчики скорости (датчики скорости вала ДВС 16, вала турбины ГТР 17, вала привода правого 18 и левого 19 бортового редуктора), электронный блок управления (ЭБУ) 20, дисплей 21. Все, перечисленный выше ФМ (всего 10 шт.), включая фрикцион блокировки ГТР 3, остановочных тормозов 9, снабжены исполнительными гидроцилиндрами, в гидравлической линии управления каждого ФМ установлен пропорциональный клапан 14 (всего 10 шт.) и датчик давления 22 (всего 10 шт.). Кроме того на фиг. 1 стрелками показаны электрические линии от датчиков 23, электрические линии управления клапанами 24, гидравлические линии к клапанам 25.
Остановочные тормоза 9 постоянно замкнутого типа, включаются усилием тарельчатых пружин, клапаны при включении тормоза выключены (обесточены). Остальные ФМ - включаются давлением рабочей жидкости, при этом на клапаны подается напряжение. Кроме того, ОТ служат в качестве стояночного тормоза, при этом оба тормоза включаются одновременно.
Гидравлическая система управления трансмиссии (фиг. 2) включает: насос 12; фильтр 26; перепускной клапан 27; напорный клапан 13, поддерживающий давление в линии А; обратный клапан 28 в линии В; напорный клапан 29, поддерживающий давление в линии С; обратный клапан 30 в линии D; гидротрансформатор 31 (на фиг. 1 поз. 2); предохранительный клапан системы подпитки ГТР 32; переливной клапан системы подпитки ГТР 33; теплообменник 34; обводной клапан теплообменника 35; система смазки трансмиссии 36; датчик аварийного давления 37; датчик температуры 38. К линии А подключены два клапана БФ, к линии В - два клапана ОТ, к линии С - клапаны 1, 2, 3 передач и клапан ФМ блокирования ГТР, к линии D - клапаны ПХ и ЗХ. Далее рабочая жидкость направляется на подпитку ГТР 31, в теплообменник 34 и смазку трансмиссии 36. В линиях А и В обеспечивается приоритетное, перед другими линиями, питание клапанов БФ и ОТ.
Движение трактора обеспечивается одновременным включением ФМ передач (фиг. ) и направления движения (ПХ и ЗХ). Один из ФМ передач включен постоянно, номер передачи выбирается машинистом, а движение начинается включением ФМ направления движения. При переключении передач ФМ ПХ или ЗХ направления движения остаются включенными, переключения передач производятся только ФМ передач.
На фиг. 4 приведена тяговая характеристика трактора с точками блокирования ГТР и переключения передач. Кривые 1, 2 и 3 - кривые зависимости сил на крюке Ркр от теоретической скорости Vт трактора на 1, 2, 3 передачах без блокировки ГТР, а кривые 1б, 2б и 3б - с блокированием ГТР. В точке А скорость трактора равна нулю. Теоретическая скорость Vт пропорциональна скорости вращения вала турбины ГТР, которая фиксируется датчиком скорости 17 (фиг. 1) на турбинном валу ГТР. Блокирование ГТР производится по скорости турбинного вала ГТР в точках Б (1 передача), Д (2 передача) и И (3 передача) пересечения кривых 1, 2, 3 передач без блокирования ГТР и с кривыми 1б, 2б, 3б с блокированием ГТР. Разблокирование ГТР производится по скорости вала двигателя с учетом устойчивой его работы без заглохания. Система управления предусматривает режимы работы «с блокированием ГТР» и «без блокирования ГТР». Переключение передач в режиме «без блокирования» производится в точках В и Е пересечения кривых 1 и 2, 2 и 3 передач по скорости турбинного вала ГТР в указанных точках. Переключение передач в режиме «с блокированием ГТР» производится с 1 передачи на 2 и обратно в точке Г, со 2 передачи на 3 и обратно в точке Ж пересечения кривых 1б и 2, 2б и 3. Причем, переключение с 1 передачи на 2, со 2 передачи на 3 производится с разблокированием ГТР, со 2 на 1 и с 3 на 2 с блокированием ГТР. При уменьшении подачи топлива существуют режимы (на фиг. 4 не показаны), когда переключение производится без разблокирования на обеих передачах. При построении кривых, в перечисленных выше точках, зависимости скорости турбинного вала ГТР от подачи топлива (положения педали деселератора или РУД) получаются кривые блокирования ГТР и переключения передач. На фиг.5 приведен график изменения скорости вращения вала турбины ГТР в точках Б, Д, И (фиг. 4) в зависимости от положения деселератора или РУД, если скорость выше, то производится блокирования ГТР. На фиг. 6 - график (разблокирования) изменения скорости вращения вала турбинного ГТР в зависимости от положения педали деселератора или РУД, если скорость ниже, то производится разблокирование ГТР. На фиг. 7 - график (переключения «вверх») изменения скорости вращения вала турбины ГТР в зависимости от положения педали деселератора или РУД, если скорость выше, то производится переключения передач, например, переключении с 1 на 2 передачу. На фиг. 8 - график (переключения «вниз») изменения скорости вращения вала турбины ГТР в зависимости от положения педали деселератора или РУД, если скорость ниже, то производится переключения передач, например, с 2 на 1 передачу. Кроме того, переключение с 1 передачи на 2, со 2 на 3 производится с выключением блокировки ГТР, а со 2 на 1, с 3 на 2 - с одновременным блокированием. С уменьшением подачи топлива эти условия меняются.
Система управления работает следующим образом.
Пуск двигателя производится при всех выключенных клапанах, включенном переключателе СТ и при нажатой кнопке Н («нейтраль». При этом тормоза замкнуты усилием тарельчатых пружин, а остальные ФМ выключены. Такое состояние, с целью снижения нагрузки на электромагниты, сохраняется до выключения СТ. После перевода переключателя в положение «СТ выключен» клапаны БФ и сами БФ включаются, включаются клапаны ОТ, а сами ОТ выключаются, включается клапан 1 передачи (подается напряжение к пяти клапанам). Для начала движения необходимо выбрать направление движения, включить кнопку ПХ или ЗХ. До начала движения, до включения клапанов ПХ или ЗХ (КПП в состоянии нейтрального положения), можно выбрать любую передачу в командном режиме, нажав соответствующую кнопку передач.
Движение всегда начинается при выключенном клапане блокировки ГТР. Далее, при снижении нагрузки, соответственно, при увеличении скорости вращения турбинного вала ГТР выше, чем указано на графике фиг. 5, в зависимости от положения педали деселератора или РУД ГТР автоматически блокируется. При увеличении нагрузки и снижении скорости вращения турбинного вала ниже, чем указано на графике фиг. 6, в зависимости от положения педали деселератора или РУД, ГТР автоматически разблокируется.
Переключение передач на ходу производится путем выключения-включения соответсвующих ФМ передач при включенных ФМ ПХ или ЗХ.
Безразрывное переключение передач «вверх» (точки Г и Ж на фиг. 4), в режиме «с блокированием ГТР» производится при снижении нагрузки и увеличении скорости вращения вала турбины выше указанного на графике фиг. 7 с учетом положения педали деселератора или РУД в соответствии с фиг. 9 с одновременным разблокированием ГТР, снижением скорости вращения вала двигателя и с учетом коэффициента загрузки двигателя.
Безразрывное переключение передач «вниз» (точки Г и Ж на фиг. 4), в режиме «с блокированием ГТР» производится при увеличении нагрузки и снижении скорости вращения вала турбины и двигателя ниже указанного на графике фиг. 8 с учетом положения педали деселератора или РУД в соответствии с фиг. 10 с одновременным блокированием ГТР и увеличением скорости вращения вала двигателя.
Безразрывное переключение передач «вверх» (точки В и Е на фиг. 4), в режиме «без блокирования», производится при снижении нагрузки и увеличении скорости вращения вала турбины выше указанного на графике фиг. 7 с учетом положения педали деселератора или РУД в соответствии с фиг. 9 без блокирования ГТР. С учетом коэффициента загрузки двигателя.
Безразрывное переключение передач «вниз» (точка Г и Ж на фиг. 4), в режиме «без блокирования ГТР» производится при увеличении нагрузки и снижении скорости вращения вала турбины и двигателя ниже указанного на графике фиг. 8 значения с учетом положения педали деселератора или РУД в соответствии с фиг. 10 без блокирования ГТР.
0
1
Переключение передач «вверх» фиг. 9 производится путем задания множества точек изменения тока и давления, которые подбираются экспериментально. Плавность переключения обеспечивается также снижением скорости вращения вала ДВС. Ускоренное заполнение полости бустера ФМ производится путем задания импульса тока на клапан в течение времени t-t.
0
1
Переключение передач «вниз» фиг. 10 производится путем задания множества точек изменения тока и давления, которые подбираются экспериментально. Плавность переключения обеспечивается также снижением и последующим увеличением скорости вращения вала ДВС. Ускоренное заполнение полости бустера ФМ производится путем задания импульса тока на клапан в течение времени t-t.
После сборки узла, когда впервые встречаются ФМ трансмиссии и ЭБУ, производится, с использованием датчиков давления, автоматическая калибровка клапанов, то есть определение соответствия тока давлению управления и сохранение в памяти ЭБУ.
0
1
3
0
1
Время заполнения бустера t-t по мере износа дисков увеличивается. Для корректирования времени заполнения предусматривается специальная программа, которая запускается при необходимости и которая определяет действительное время заполнения бустера путем дискретного включения клапана и определения времени t увеличения давления до заранее установленного в ходе экспериментов значения (см. фиг. 11). По полученным данным корректируется рабочая программа, то есть время t-t.
В ходе выполнения операций поворота или торможения автоматическое переключение передач не производится.
Для обеспечения качества переключения передач параметры управления (фиг. 9 и 10) настраиваются (подбираются) в ручном режиме.
Таким образом, предлагаемый способ управления автоматической коробкой передач решает задачи изобретения: обеспечивает переключение передач в автоматическом и безразрывном режиме с оптимальными параметрами, что сокращает время цикла работы трактора и повышает производительность; параметры переключение передач калибруются, настраиваются, программа управления корректируется с учетом износа фрикционных дисков, переключение производится при условии равенства скоростей на смежных передачах с учетом положения педали деселератора и РУД, что обеспечивает переключение передач в оптимальном режиме с минимальными динамическими нагрузками и износом фрикционных дисков с улучшением комфортности работы оператора; контроль давления во ФМ предотвращает работу трансмиссии с пониженным давлением рабочей жидкости и, соответственно, аварийный износ дисков, повышает надежность трансмиссии; автоматическое блокирование ГТР увеличивает тяговое КПД трансмиссии и снижает расход топлива.