Выбор методов электронного управления процессом переключения передач

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. денций развития эффективных пакетов шумоизоляции кузова легкового автомобиля. //Известия Самарского научного центра РАН. Специальный выпуск «Безопасность. Технологии. Управление», 2007, Том 2, с. 191...203.

4. Краснов А.В. Методики экспериментального определения акустических характеристик деталей кузова легкового автомобиля и звукоизолирующих материалов. //Журнал Автомобильных Инженеров, 2007, №4, с. 34-39.

5. Фесина М.И., Краснов А.В., Паньков Л.А. Перфорированные плосколистовые виброшу-модемпфирующие покрытия для панелей кузова легкового автомобиля. //Сборник докладов научного семинара, посвященного 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э.Баумана. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006, с. 341-349.

6. Фесина М.И., Краснов А.В., Подкорытов И.В. О расчетно-экспериментальных исследованиях перфорированного вибродемпфирующего ламината, смонтированного на изгибно-колеблющейся стальной панели. //Известия Самарского научного центра РАН. Специальный выпуск «Безопасность. Технологии. Управление», 2007, Том 2, с. 164-170.

7. Стандарт EN ISO 6721 «Kunststoffe. Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften», Brüssel, Februar 1996.

Выбор методов электронного управления процессом переключения передач

д.т.н., проф. Шипилевский Г.Б., Горбачёв А.С.

МГТУ «МАМИ», ОАО «НАТИ»

В своё время развитие конструкций тракторных трансмиссий привело к появлению и широкому применению коробок передач с многодисковыми гидроподжимными муфтами, позволяющими осуществлять переключение без разрыва потока мощности, что существенно облегчало работу операторов и применение средств автоматизации. Для работы трактора (и, соответственно, трансмиссии) характерен широкий диапазон нагрузок как статических (сопротивление движению и тяговое усилие орудия), так и динамических (большая масса буксируемых прицепов и момент инерции рабочих органов сельхозмашин, приводимых от вала отбора мощности).

На начальной стадии использования гидроподжимных муфт процесс их переключения осуществлялся с использованием устройств (гидроаккумуляторов и перекидных клапанов), позволяющих, в результате определённой наладки, избежать как чрезмерно резкого включения муфт, так и разрыва потока мощности, и организовать согласование процессов заполнения включаемой и опорожнения выключаемой муфт. Но установленная постоянная наладка не могла обеспечить оптимальное протекание процесса переключения муфт во всём диапазоне нагрузок.

Кроме того, совершенствование тракторных трансмиссий привело к появлению коробок передач с использованием гидроподжимных муфт не только в узле передач, но и в узле диапазонов. В этом случае поток мощности проходит через две последовательно установленные гидроподжимные муфты, что, при некоторых переключениях, требует одновременного переключения двух пар муфт. При таком переключении одна из пар значительно уменьшает, а другая значительно увеличивает передаточное число своего узла. В этом случае относительная угловая скорость дисков во включаемых муфтах значительно выше, чем при обычном переключении, что вызывает большие потери энергии на буксование и осложняет динамику переходного процесса.

На сегодняшний день многие зарубежные производители сельскохозяйственных тракторов применяют механические трансмиссии с многодисковыми гидроподжимными муфтами и тормозами, управление которыми осуществляется средствами электрогидравлического управления, позволяющими добиваться безразрывности потока мощности, подводимой от двигателя к колесам трактора под нагрузкой. Практически все ведущие зарубежные производители сельхозтракторов применяют с этой целью пропорциональные редукционные клапа-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. ны, управляемые электрическим сигналом, для управления фрикционами и тормозами трансмиссий. Широкое внедрение таких пропорциональных редукционных клапанов в мобильной технике объясняется, прежде всего, компактностью и простотой установки. Управление электрическим сигналом и возможность пропорционального регулирования позволяют использовать для управления трансмиссией электронику, что в свою очередь позволяет автоматизировать процессы управления. Совершенствование электроники позволило организовать на борту трактора системы, способные изменять давлении в муфте в выбранном темпе или с учетом реакции динамики трактора на процесс заполнения и опорожнения муфт. Однако информация о методах управления такими средствами, позволяющими осуществлять процесс переключения передач под нагрузкой, зарубежными производителями не распространяется.

В отечественном тракторостроении работа в этом направлении ведется в ОАО «НАТИ». Она направлена на отыскание рациональных законов управления такими средствами с учётом разнообразия действующих нагрузок. Для этого предлагается рассмотреть основные случаи установки многодисковых фрикционных муфт и тормозов в трансмиссии тракторов, а также критерии выбора методов электронного управления переключением передач.

Рассмотрим три основных случая установки фрикционных муфт (тормозов) в трансмиссии трактора. Имеется в виду, что переключение осуществляется как по инициативе водителя, так и по команде автомата и проявляется в изменении давления рабочей жидкости на поршни, сжимающие диски фрикционных муфт (или тормозов коронных шестерён планетарных рядов). При этом одна муфта выключается (давление снижается от максимума до нуля), а другая включается (давление нарастает от нуля до максимума). Математическое описание этого процесса в общих чертах для случая переключения между передачами 1 и 2 будет состоять из следующей системы уравнений:

Трансмиссия с фрикционными муфтами на первичном валу.

Эквивалентная схема такой трансмиссии представлена на рис. 1.

, -Г М1 М2 т т

Рис. 1. Эквивалентная схема трансмиссии с фрикционными муфтами на первичном

валу.

Запишем уравнения моментов для ведущего вала 1 и ведомого вала 2:

+ кр + К2 Р2

Мде = Jдв

ж

^п(™дв - ™вм • ь)к1р1 • ¿1 + !*Щп(Ыдв - ывм • ц)к2р2 • ¡2 - Мс =

ж

где: Мдв - крутящий момент, передаваемый двигателем в момент времени t,

Jдв и Jвм - соответственно момент инерции двигателя, входного вала и связанных с ним узлов и деталей, приведенных к входному валу, и момент инерции агрегата, ходовой системы, выходного вала и связанных с ним узлов и деталей, приведенный к выход-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. ному валу,

Юдв и ювм - частоты вращения вала двигателя и ведомого вала, Р1 и Р2 - силы сжатия фрикционных дисков муфты 1-ой и 2-ой передачи, К1 и К2 - коэффициенты управления,

¡1 и ¡2 - передаточные числа 1-ой и 2-ой передачи соответственно, Мс - момент сопротивления движению, приведенный к выходному валу.

Трансмиссия с фрикционными муфтами на вторичном валу.

Уравнения моментов, с учетом усилия сжатия фрикционных дисков, ведущего и ведомого валов эквивалентной схемы трансмиссии (рис. 2) примут вид:

М т ¿дв + КР ^ К2 Р2 Мдв = тдв-— +-+ '

Ж

¡1

¡2

^ёп(юдв - ювм  ¡1)К1Р1 + ^¡ёп(юдв - ювм  ¡2)К2Р2 - Мс = Т в

Ж

Рис. 2. Эквивалентная схема трансмиссии с фрикционными муфтами на вторичном

валу.

Трансмиссия с планетарными рядами и тормозами коронных шестерен.

Уравнения моментов ведущего и ведомого валов трансмиссии с планетарными рядами (рис. 3) примут вид:

М Г Ж™дв , К1Р1 , К2 Р2 Мдв = тдв-+-+ •

¡2

^ёК^дв - ювм  ¡1)К1Р1 • ¡1 + - ювм  ¡2 )К2 Р2  ¡2 - Мс = т

вм

вм

Рис. 3. Эквивалентная схема трансмиссии с планетарными рядами и тормозами

коронных шестерен.

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

Здесь во всех системах уравнений коэффициенты К1 и К2 находятся в пределах между 0 и 1 и изменяются в результате управления процессом. Виды этого управления можно в общем виде описать выражениями:

Ki,2 = Fl 2

В них через x1...xi обозначены параметры условий, через y1...yi - параметры процесса как информация для обратной связи и через t - текущее время. Заметим, что при «жёстких» законах управления единственным аргументом остаётся время t. Отметим также, что одна часть параметров условий представляет постоянные для каждого процесса (момент инерции маховика двигателя и других приведённых к нему частей, характеристика двигателя, передаточные числа трансмиссии), а часть - переменные в виде момента сопротивления Mc и массы, приведенной к выходному валу трансмиссии.

Для того, чтобы переключение происходило без разрыва потока мощности во время движения с тяговой нагрузкой, необходимо выполнение определённого условия. Его выражение может быть получено из следующих известных соображений. Во время движения с нагрузкой диски включённой муфты сжаты с усилием, которое с запасом обеспечивает передачу этой муфтой необходимого крутящего момента без пробуксовки. Можно сказать, что муфта обладает пропускной способностью по крутящему моменту, которая превосходит действующую нагрузку. Здесь под пропускной способностью подразумевается максимальное значение крутящего момента, который муфта может передать без пробуксовки. Оно определяется произведением усилия сжатия, коэффициента трения покоя, среднего эффективного радиуса дисков и числа пар трения.

При этом единственным способом не допустить разрыва потока мощности является переключение с перекрытием, т.е. с такими законами изменения давлений, при которых некоторое время частично включены и пробуксовывают обе муфты. Это означает, что каждая муфта сжата усилием, недостаточным для передачи всей действующей нагрузки, т.е. в переходном процессе пропускные способности муфт снижены. Однако сумма этих пропускных способностей, ни в какой момент времени не должна быть меньше, чем этого требует действующая нагрузка. Это условие должно действовать почти всегда (о возможном исключении будет сказано ниже). Если оно не выполняется, происходит нарушение тягового баланса и снижение скорости трактора.

Второе условие, которое необходимо соблюдать в процессе переключения, можно сформулировать в виде требования о монотонности изменения передаточного отношения трансмиссии. Другими словами, переход от значения i1 к значению i2 должен происходить так, чтобы выполнялось условие:

sign

Оно означает, что рост или снижение передаточного отношения происходят без провалов или рывков.

Процесс переключения передач может быть рассмотрен на основе зависимостей мощности, подводимой к колесам трактора при различных значениях передаточного отношения (на различных передачах) от нагрузки колес крутящим моментом. Характеристика, изображающая такие зависимости, напоминает тяговые характеристики трактора и по аналогии называется крутильной. На ней (рис. 4) можно выделить три случая возможного переключения передач: «опережающее», «оптимальное» и «запаздывающее» переключение [1]. При переключении передач возможен один из трех случаев переключения. При «опережающем» переключении передач произойдет падение мощности, что в свою очередь приведет к уменьшению скорости трактора. При «оптимальном» переключении передач изменения не произойдут ни в скорости, ни в мощности (на рис. 4 точка пересечения крутильных характеристик М0). Данный вид переключения идеален, и он может быть обеспечен благодаря применению автоматики при вполне определенных значениях нагрузки. Третий случай, который может произойти при переключении передач - «запаздывающее» переключение. Этот случай

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. характеризуется увеличением скорости трактора.

Рис. 4. Крутильная характеристика моторно-трансмиссионной установки с 4-мя ступенями (римскими цифрами обозначены номера ступеней).

Из двух «неидеальных» случаев переключения наиболее вероятными следует считать «запаздывающие» переключения, так как потребность в них может быть установлена водителем по достаточно заметным изменениям режима работы двигателя (хотя бы через существенные отклонения частоты вращения вала двигателя от номинальной). Маловероятным следует считать «опережающее» переключение, предполагающее способность водителя прогнозировать характер изменения нагрузки. Данный случай переключения во многом зависит от опыта водителя. «Опережающее» переключение - это тот случай, когда может не соблюдаться тяговый баланс трактора, т.е. действующая нагрузка превышает пропускную способность муфт и при этом виде переключения возможен разрыв потока мощности. Однако ни один случай из рассмотрения выбрасывать не следует. Поскольку при отсутствии автоматики и соответствующей информации у водителя «оптимальное» переключение при нагрузке М0 маловероятно, то наиболее вероятно «запаздывающее» переключение. При одних и тех же значениях нагрузки увеличение мощности, подводимой к колесам трактора, может реализоваться только увеличением скорости МТА. Из этого следует, что «запаздывающее» переключение будет сопровождаться ускорением трактора. Это неблагоприятно отразится на процессе переключения, вызывая рост динамических нагрузок и работы буксования фрикционных элементов, а также на плавности хода и дискомфорте водителя. Поэтому здесь должны накладываться условия ограничения ускорения трактора в виде dw^/dt < [dw^/dt^^ (а, возможно, и производной этого ускорения).

Выполнение «оптимального» переключения передач может осуществляться только при наличии полной информации и учете всех аргументов коэффициентов K1j2 по выражению (4). Стоит ещё раз отметить, что параметры условий - x\...%i остаются постоянными для каждого процесса переключения, а вот параметры процесса - y1...yj (момент сопротивления Мс и массы, приведенные к выходному валу трансмиссии) являются переменными величинами. Так, масса, приведенная к выходному валу трансмиссии, зависит от состава агрегата и передаточного числа передачи, и измерить её нельзя. Момент сопротивления Мс без применения соответствующих средств измерить также не удастся.

Представляют интерес соображения, основанные на использовании прямых или косвенных методов измерения крутящего момента нагрузки на двигатель. Предположив, что за время переходного процесса переключения суммарная внешняя нагрузка остаётся постоянной, в результате переключения с одной передачи на другую нагрузка на двигатель изменится вполне определённым образом. При этом можно считать, что оптимальное управление процессом должно выглядеть как монотонное изменение нагрузки на двигатель, и может быть применён критерий, аналогичный (5):

sign

Здесь Мсум представляет собой суммарную нагрузку на двигатель, равную сумме второго и третьего членов правых частей первых уравнений систем (1), (2) и (3). Невыполнение

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. этого условия появлением в ходе процесса выпуклости «вверх» может свидетельствовать о наличии самоблокировки муфт с избыточным буксованием, а вогнутости «вниз» - о наличии разрыва потока мощности.

Выводы

В простейшем случае, исключив из аргументов выражения (4) все параметры, кроме времени t, получим «жёсткие» законы управления переключением передач. В условиях большого разброса и отсутствия информации о величинах параметров коэффициентов К1;2, определяющих условия процесса, а именно нагрузки и приведённой массы, по-видимому, получить требуемый результат не удастся [3].

Учитывая сложности определения аргументов в виде коэффициентов по выражению (4), а также предложенную формулировку условий приемлемого хода переходного процесса, решить данную задачу аналитическим путём будет довольно сложно. Для отыскания необходимых законов управления переключением передач без разрыва потока мощности наиболее удобным представляется составление и использование компьютерной модели.

Литература

1. Ганькин Ю.А., Шипилевский Г.Б. Теория автоматических систем трактора. - СПб, 1995.

2. Шипилевский Г.Б. Возможности электронного и электрогидравлического управления переключением передач на тракторе. "Тракторы и сельскохозяйственные машины", 2004, №12.

3. Щельцын Н.А. Исследование механизма переключения передач без разрыва потока мощности для энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов общего назначения: Дис. канд. техн. наук. - М.: 1977.

Оптимизация законов управления трансмиссией полноприводных автомобилей с индивидуальным приводом ведущих колес

д.т.н., проф. Бахмутов С.В., Гусаков Д.Н.

МГТУ «МАМИ»

В современном автомобилестроении при повышении мощности двигателей ставятся задачи эффективной реализации возросших потенциальных возможностей автомобиля. Это, в частности, ведет к выбору полноприводных схем трансмиссий. Очевидно, что при таких схемах появляется возможность дополнительного изменения показателей проходимости, управляемости и устойчивости, топливной экономичности автомобиля за счет оптимального распределения сил тяги.

Для грузовых автомобилей повышенной проходимости, выполняющих транспортные работы в тяжелых условиях эксплуатации, несущая способность может быть увеличена повышением числа осей. При этом желательно сохранение полного привода, что требует применения регулируемых трансмиссий с правильно подобранными управляющими алгоритмами. Традиционно, для автомобилей повышенной проходимости первичной задачей считается улучшение тяговых возможностей, при этом допускается некоторое ухудшение ряда характеристик, например, поворачиваемости транспортного средства при применении блокированного привода, повышенного негативного воздействия на грунт и т.д.

В ходе предварительных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что кроме проходимости, наиболее существенно закон распределения мощности между ведущими колесами влияет на показатели управляемости, устойчивости и топливной экономичности автомобиля. Данное направление исследований в современной автомобильной науке представляет значительный интерес, поскольку открывает дополнительный ресурс для улучшения потребительских качеств автомобиля.

С целью оценки возможностей улучшения характеристик автомобиля за счет перераспределения мощности между ведущими колесами, целесообразно исследовать полноприводный автомобиль с «гибким интеллектуальным приводом». На сегодняшний день известно