МЕХАНИЗМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ФРИКЦИОННЫМ СЦЕПЛЕНИЕМ

Настоящее решение относится к изделиям машиностроения, точнее, к механизмам для управления трансмиссиями транспортных средств, в том числе с автоматическим или командным управлением.
Среди известных механизмов управления фрикционным сцеплением следует отметить электропневматический усилитель сцепления для автоматизированной механической трансмиссии фирмы «Knorr - Bremse» (http:/C:\\www.etsp.ru\\documents\\eca_anyag.pdf, http://http://www.knorr-_1/transmission_management_transmission_management_1.jsp). Данный механизм имеет в своей конструкции пневматическую часть, состоящую из пневмоцилиндра и пневмопоршня, и электрическую часть, состоящую из электромагнитных клапанов, отвечающих за подачу и сброс воздуха, и интегрированного в корпус датчика перемещения штока, позволяющего отслеживать его положение. Шток, связанный с пневмопоршнем, взаимодействует с вилкой выключения фрикционного сцепления и через нее с другими деталями механизма выключения фрикционного сцепления.
Работа механизма управления фрикционным сцеплением осуществляется системой управления трансмиссией фирмы «Knorr Bremse» в автоматическом или командном режимах. На основании сигнала от датчика перемещения штока, поступающего в систему управления трансмиссией, в соответствии с определенными алгоритмами осуществляется подача напряжения на электромагнитные клапаны, обеспечивающими поступление воздуха и тем самым увеличение давления в пневмоцилиндре или сбрасывание давление воздуха из пневмоцилиндра в атмосферу. В результате, пневмопоршень перемешается пропорционально изменению давления в пневмоцилиндре. Вместе с ним перемешается шток и другие детали механизма выключения фрикционного сцепления, осуществляя тем самым включение или выключение фрикционного сцепления.
К недостаткам данного механизма следует отнести сложность конструкции и неремонтопригодность. В случае выхода из строя какого-либо компонента электрической части, например, одного из электромагнитных клапанов или датчика перемещения штока, замене подлежит весь механизм. Кроме этого, в механизме используются электромагнитные клапаны с большими пропускными отверстиями для воздуха, что приводит к увеличения габаритных размеров клапанов и удорожанию конструкции.
Известен пневмогидравлический механизм управления фрикционным сцеплением, (ПГУ) (http://http://www.wabco-auto.com/products/category-type/driveline- control /clutch-control).
Этот механизм управления фрикционным сцеплением с одной стороны имеет привод, состоящий из педали сцепления, на которую воздействует водитель, главного цилиндра, в который передается усилие от водителя и в котором формируется гидравлическое давление, пропорциональное усилию на педали сцепления, и тем самым управляющие воздействие, передающиеся по трубкам и шлангам в гидравлическую полость следящего устройства данного механизма управления фрикционным сцеплением. С другой стороны механизм имеет пневматическую полость, в которую под давлением подводится воздух из пневмосистемы транспортного средства, и в которой находиться пневмопоршень со штоком, взаимодействующим с вилкой выключения фрикционного сцепления и через нее с другими деталями механизма выключения фрикционного сцепления.
При нажатии водителем на педаль сцепления давление жидкости из главного цилиндра передается по трубкам и шлангам в гидравлическую полость следящего устройства механизма управления фрикционным сцеплением. Следящее устройство механизма управления фрикционным сцеплением обеспечивает пропорциональность между давлением в гидравлической полости и давлением в пневматической полости, которое воздействует на пневмопоршень. На штоке пневмопоршня образуется усилие, пропорциональное усилию водителя на педали сцепления, передающиеся на вилку выключения фрикционного сцепления и через нее на другие детали механизма выключения фрикционного сцепления, тем самым происходит выключение или включение фрикционного сцепления.
Недостатком данного механизма управления фрикционным сцеплением является одновременное использование механического, гидравлического и пневматического приводов, существенно усложняющих конструкцию механизма. Наличие педали сцепления и главного цилиндра в приводе не позволяет использовать данный механизм в механических трансмиссиях с автоматическим или командным управлением. Кроме этого, надежность гидропривода снижается при низких температурах из-за повышения вязкости рабочей жидкости или ее замерзания.
За прототип выбран механизм автоматического управления фрикционным сцеплением [1, рисунок 3; 2, рисунок 2]. Механизм автоматического управления фрикционным сцеплением состоит из ускорительного механизма (поз. 2) с электромагнитным клапаном (поз. 3), обеспечивающим кратковременное управляющее пневматическое воздействие на пневмопоршень со штоком, открывающим нагнетальный клапан для подачи давления воздуха из ресивера в силовую камеру (поз. 1), разделенную диафрагмой на две полости: связанную с ускорительным механизмом (поз. 2) и атмосферную, где расположены шток силовой камеры и возвратная пружина.
Работа механизма осуществляется следующим образом. При подаче напряжения на электромагнитный клапан (поз. 3), воздух из ресивера под давлением поступает через пневматическую магистраль в полость за пневмопоршень ускорительного механизма (поз. 2), что является управляющим воздействием на систему. Под действием давления пневмопоршень с полым штоком перемещается и полым штоком открывается нагнетальный клапан, через который поток воздуха под давление из ресивера переходит в полость силовой камеры (поз. 1), связанную с ускорительным механизмом (поз. 2), и воздействует на диафрагму, вызывая смещение штока силовой камеры и далее вилки фрикционного сцепления и других деталей механизма выключения фрикционного сцепления. В итоге, шток силовой камеры, вилка фрикционного сцепления и другие детали механизма выключения фрикционного сцепления займут свое крайнее положение, соответствующие полному выключению фрикционного сцепления. Для того, чтобы фрикционное сцепление включить, необходимо снять напряжение с электромагнитного клапана (поз. 3). Давление в полости за пневмопоршнем ускорительного механизма (поз. 2) снизится до атмосферного. Пневмопоршень с полым штоком под действием возвратной пружины возвращаются в свое первоначальное положение. При этом закрывается нагнетательный клапан. Между ним и полым штоком пневмопоршня образуется зазор, через который сжатый воздух из силовой камеры (поз. 1), поступает в полый шток пневмопоршня, и затем попадает в полость ускорительного механизма связанную атмосферой. Давление в силовой полости уменьшается до значения атмосферного и под действием возвратной пружины шток силовой камеры, вилка фрикционного сцепления и другие детали механизма выключения фрикционного сцепления вернутся в свое первоначальное крайнее положение, соответствующее полностью включенному фрикционному сцеплению.
Недостатком указанного технического решения является то, в конструкции используется один электромагнитный клапан (поз. 3), формирующий кратковременное управляющее пневматическое воздействие на пневмопоршень с полым штоком в ускоряющем механизме (поз. 2). В результате, пневмопоршень с полым штоком открывают или закрывают нагнетательный клапан, обеспечивая увеличенное давление в полости силовой камеры (поз. 1), воздействующее на диафрагму, или атмосферное. При этом шток силовой камеры, вилка фрикционного сцепления и другие детали механизма выключения фрикционного сцепления могут занимать исключительно крайние положения, соответствующие либо полностью выключенному, либо полностью включенному фрикционному сцеплению. Остановиться в каком-либо промежуточном положении эти детали с данным механизмом не смогут. Это обстоятельство не позволяет добиться плавного включения сцепления, необходимого для трогания транспортного средства с места, поэтому затрудняет использование этого механизма в качестве механизма управления фрикционным сцеплением в автоматическом или командном режимах управления трансмиссией транспортных средств.
Решается задача создания механизма автоматического управления фрикционным сцеплением, позволяющего осуществить процесс плавного включения сцепления в автоматическом и командном режимах и повышении надежности работы фрикционного сцепления и увеличении ресурса его деталей в процессе эксплуатации.
Технический результат заключается в снижении динамических нагрузок на детали трансмиссии при трогании транспортного средства с места или при переключении передач, возникающих во время включения фрикционного сцепления, а также в обеспечении компенсации снижения момента трения фрикционного сцепления при износе рабочих поверхностей фрикционных дисков сцепления.
Технический результат достигается тем, что в механизме автоматического управления фрикционным сцеплением состоящем из ускорительного механизма с электромагнитным клапаном, обеспечивающим кратковременное управляющее пневматическое воздействие на пневмопоршень со штоком, открывающим нагнетательный клапан для подачи давления воздуха из ресивера в силовую камеру, имеющую две полости: связанную с ускорительным механизмом и атмосферную, в которой расположены шток вилки выключения сцепления и пружина, на корпусе ускорительного механизма расположены не менее двух электромагнитных клапанов, обеспечивающих сброс давления из полости силовой камеры, связанной с ускорительным механизмом в атмосферу; в силовой камере установлен пневмопоршень со штоком, соединенным с одной стороны со штоком вилки выключения сцепления, а с другой стороны с датчиком перемещения, расположенным соосно штоку и обеспечивающим контроль его положения, закрепленным на корпусе силовой камеры, где также установлен датчик давления воздуха в полости, связанной с ускорительным механизмом.
Результат достигается за счет использования механизма автоматического управления фрикционным сцеплением, состоящего из ускорительного механизма с электромагнитным клапаном, обеспечивающим кратковременное управляющее пневматическое воздействие на пневмопоршень со штоком, открывающим нагнетательный клапан для подачи давления воздуха из ресивера в силовую камеру, имеющую две полости: связанную с ускорительным механизмом и атмосферную, в которой расположены шток вилки выключения сцепления и пружина, отличающийся тем, что на корпусе ускорительного механизма расположены не менее двух электромагнитных клапанов, обеспечивающих сброс давления из полости силовой камеры, связанной с ускорительным механизмом в атмосферу; в силовой камере установлен пневмопоршень со штоком, соединенным с одной стороны со штоком вилки выключения сцепления, а с другой стороны с датчиком перемещения, расположенным соосно штоку и обеспечивающим контроль его положения, закрепленным на корпусе силовой камеры, где также установлен датчик давления воздуха в полости, связанной с ускорительным механизмом.
На фиг. 1 представлена схема механизма автоматического управления фрикционным сцеплением.
На фиг. 2 представлена схема механизма автоматического управления фрикционным сцеплением совместно с фрикционным сцеплением транспортного средства и ресивером.
Механизм автоматического управления фрикционным сцеплением имеет ускорительный механизм, состоящий из: корпуса 1; пневмопоршня 2 с полым штоком 3; нагнетательного клапана 4; возвратных пружин 5 и 6; электропневматического клапана 7, формирующего кратковременное управляющее пневматическое воздействие на пневмопоршень 2 с полым штоком 3 для открытия нагнетательного клапана 4 и обеспечения быстрой подачи сжатого воздуха из ресивера 8 через пневматическую магистраль 9 в полость 10 силовой камеры 11.
При отсутствии давления в полости 12 (исходное положение) между полым штоком 3 пневмопоршня 2 и нагнетательным клапаном 4 имеет зазор 13. Благодаря этому зазору 13 осуществляется сообщение полости 10 силовой камеры 11 и канала 14 с полостью штока 3 пневмопоршня 2 и полостью 15 ускорительного механизма, с которой соединены не менее двух электромагнитных клапанов 16. При подаче напряжения на эти клапаны, они открываются и связывают полость 10 силовой камеры с атмосферой. Поэтому, в исходном положении на электромагнитные клапаны 16 подается напряжение, а полость 10 силовой камеры соединена с атмосферой.
На корпусе силовой камеры 11 размещены датчик давления 17 и датчик перемещения 18 штока фрикционного сцепления. При этом датчик перемещения 18 установлен соосно со штоком 19 силовой камеры 11. Силовая камера 11 состоит из: корпуса, закрепленного на картере фрикционного сцепления 20, который соединен с корпусом коробки передач (на рисунке не показан). Силовая камера 11 разделена пневмопоршнем 21 на две полости: силовую 10, куда поступает давление от ускорительного механизма, и атмосферную 22, где расположены шток 23 вилки выключения сцепления 26, соединенный через шарнир 2 4 со штоком 19 пневмопоршня 21, и пружина 25 и всегда связанную с атмосферой.
2
Механизм автоматического управления фрикционным сцеплением работает следующим образом. При подаче напряжения на электромагнитный клапан 7 воздух из ресивера 8 поступает через пневматическую магистраль 9 в полость 12 за пневмопоршень 2 ускорительного механизма. Это приводит перемещению пневмопоршня 2 с полым штоком 3, уменьшению зазора 13 до нуля, открытию нагнетательный клапана 4 на величину Δ2 (на рисунке не показано). В зазор Δ из рессивера 8 и пневматической магистрали 9 поступает сжатый воздух, который попадает в полость 10 силовой камеры 11 и воздействует на пневмопоршень 21, что приводит к смещению штока 19, штока 23 вилки выключения сцепления 26, датчика перемещения 18, вилки фрикционного сцепления 26 и других деталей механизма выключения фрикционного сцепления. В результате, появляется зазор между фрикционными дисками 27 и 28, происходит выключение фрикционного сцепления. Контроль давления в полости 10 силовой камеры 11 может осуществляться при помощи датчика давления 17.
2
Для того, чтобы фрикционное сцепление включить, необходимо одновременно снять напряжение с электромагнитного клапана 7 и подать напряжение на электромагнитные клапаны 16. При этом с атмосферой соединяться полости ускорительного механизма 12 и 15. За счет действия возвратной пружины 6 пневмопоршень 2 с полым штоком 3 возвращаются в свое исходное положение, за счет пружины 5 назад перемещается нагнетательный клапан 4, уменьшая зазор Δ. до нуля при посадке на корпус 1. Далее образуется зазор 13 между нагнетательным клапаном 4 и полым штоком 3 пневмопоршня 2. Сжатый воздух из полости 10 силовой камеры 11 через канал 14 и образовавшийся зазор 13 поступает в полость штока 3 пневмопоршня 2, полость 15 ускорительного механизма и к открытым электромагнитным клапанам 16, после чего попадает в атмосферу. При этом давление в полости 10 силовой камеры 11 снижается до значения атмосферного. Далее, под действием пружины 25 шток 23 вилки выключения сцепления 26 с пневмопоршнем 21 и штоком 19 возвращается в первоначальное положение, а под действием пружины фрикционного сцепления 29 вернутся в свое первоначальное положение вилка 26 фрикционного сцепления и другие детали механизма выключения фрикционного сцепления. Зазор между фрикционными дисками 27 и 28 уменьшиться до нуля, после чего диски 2 7 и 28 будут прижаты друг к другу с определенным усилием. При этом фрикционное сцепление полностью включиться.
Для реализации плавного трогания транспортного средства с места теоретическое положение штока 23 вилки выключения сцепления 26 (фиг. 1), определяемое системой автоматического или командного управления трансмиссией на основе заложенных в нее алгоритмов управления, сравнивается с его действительным положением, которое фиксируется датчиком перемещения 18. В случаи несовпадения их значений регулируется давление в силовой полости 10 за счет кратковременной подачи напряжения на электромагнитные клапаны 7 и 16. При этом происходит соединение силовой полости 10 либо с ресивером 8, либо с атмосферой. В случае, если напряжение на электромагнитные клапаны 7 и 16 не подается, то в полости 10 сохраняется достигнутая величина давления. При этом шток 19, шток 23, вилка 26 фрикционного сцепления и связанные с ними детали механизма выключения фрикционного сцепления займут вполне определенные промежуточные положения, пропорциональные давлению воздуха в полости 10 силовой камеры 11. При этом зазор между фрикционными дисками 27 и 28 будет тоже пропорционален давлению воздуха в полости 10 силовой камеры 11.
При длительной эксплуатации фрикционного сцепления транспортного средства происходит износ рабочих поверхностей (фрикционных накладок диска, на рисунке на показано) фрикционного диска 27. Вследствие этого, прижимное усилие между фрикционными дисками 2 7 и 28 от пружины фрикционного сцепления 29 будет уменьшаться. Поэтому, уменьшаться будет момент трения в фрикционном сцеплении, и со временем, при определенном износе рабочих поверхностей фрикционного диска 2 7, возможна пробуксовка фрикционных дисков 2 7 и 28, дополнительно увеличивающая их износ и способствующая преждевременному выходу этих деталей из строя. Для компенсации уменьшения усилия, а, значит, и момента трения фрикционного сцепления, между фрикционными дисками 27 и 28 в следствии износа рабочих поверхностей фрикционного диска 2 7 в атмосферной полости 22 силовой камеры 11 установлена пружина 25. Пружина 25 воздействует на пневмопоршень 21 и создает усилие на штоке 23, на вилке фрикционного сцепления 26 и других деталях механизма выключения фрикционного сцепления, в том числе на пружине фрикционного сцепления 29, вследствие чего на фрикционных дисках 27 и 28 появится дополнительное прижимное усилие, повышающие момент трения фрикционного сцепления.
Экспериментальные образцы заявленного механизма автоматического управления фрикционным сцеплением изготовлены, прошли стендовые испытания в НГТУ и показали высокую эффективность работы и снижение динамических нагрузок на детали трансмиссии при трогании транспортного средства с места или при переключении передач, возникающих во время включения фрикционного сцепления.
1. Блохин А.Н. Моделирование процесса управления сцеплением многоступенчатой трансмиссии с пневмоприводом. // Актуальные вопросы машиноведения. Сборник научных трудов. Выпуск 3. Минск: ОИМ НАН Беларуси, 2014, с. 139-143, ISSN 2306-3084.
2. Блохин А.Н., Недялков А.П. Разработка и оценка работоспособности электропневматического механизма управления сцеплением транспортного средства // Механика и процессы управления. Том 2. - Материалы XXXXIV Всероссийского симпозиума, посвященного 90-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. М.: РАН, 2014., с. 51-61.