АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БЛОКИРОВКОЙ ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА МНОГОЦЕЛЕВОЙ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при автоматизации гидромеханических трансмиссий многоцелевых транспортных машин.
В конструкциях многоцелевых гусеничных и колесных транспортных машин, эксплуатируемых в особо трудных условиях, широко используются гидромеханические трансмиссии (ГМТ). В то же время эффективность машин, оснащенных ГМТ, и надежность функционирования ограничивается долговечностью фрикционов блокировки гидротрансформатора комплексного (ГТК) из-за их высокой нагруженности. Анализ параметра потока отказов ГМТ показывает, что частота разрушений фрикционных элементов блокировки гидротрансформатора находится на втором месте после роликовых обгонных муфт его реактора. Это объясняется тем, что в характерных условиях эксплуатации многоцелевых транспортных машин число блокировок ГТК в 1.7…2.1 раза превышает число переключений передач при значении динамического момента до 2.7…3.5 раз выше расчетного. Высокая цикличность включения фрикциона блокировки связана не только с числом переключений передач, но и автоматических выключений-включений фрикциона при интенсивном изменении сопротивления дороги, реализации различных режимов движения машины, таких как разгон машины и переключение передач, поворот гусеничной машины и стабилизация ее траектории движения, экстремальные условия движения, фатальная ситуация и других. Кроме того, в процессе эксплуатации существенно изменяются температурный режим и техническое состояние элементов.
Снижение цикличности блокировок автоматизированной системой приводит к существенному повышению вероятности тепловой перегрузки ГМТ и расхода топлива.
j
т
j
т
∂
Известны технические решения управления блокировкой гидротрансформатора [Mercedes-Benz Global Training: Учебное пособие. Учебный центр ЗАО Мерседес-Бенц Автомобили, 1999 г. стр.44], в которых при разгоне машины на всех передачах, кроме низшей, программа управления блокировкой определяется по двухпараметрическому закону - статической характеристике зависимости положения педали подачи топлива α от скорости движения V, или частоты вращения турбины n α=α(V или n) (график 1 на фиг.2), подобно закону переключения передач обеспечивающим максимум значения удельной силы тяги f. В зоне B гидротрансформатор заблокирован. При увеличении сопротивления движению (на фиг.2 не показано), для предохранения двигателя от перегрузок и обеспечения плавности переключения передач, исключения циркуляции мощности во время переходного процесса в трехстепенных конструкциях ГМТ при управлении с перекрытием по давлению «clutch-to-clutch» принудительно осуществляется разблокировка ГТК на время переключения (график 2 фиг.2). В зоне A ГТК разблокирован. Для исключения цикличности блокировки вводится зона нечувствительности (зона C фиг.2). Металлографический анализ изношенных дисков показывает, что часто встречаются следы подгорания и перегрева, что подтверждается цветом побежалости дисков и их короблением. Следовательно, функционирование дисков сопровождалось перегревом, обусловленным не только уровнем динамического момента, но и высоким значением работы буксования.
0
Н
Т
Ф
Ф
Анализ уравнений, определяющих работу буксования и момент на фрикционе, показывает, что оба параметра зависят от начальной разности угловых скоростей насосного и турбинного колес Δω=ω-ω и интенсивности, т.е. длительности, нарастания момента фрикциона М(t), определяемого временной функцией давления. Медленный темп нарастания момента М при определенной асинхронности насосного и турбинного колес обеспечивает плавный процесс блокировки, но ведет к росту работы буксования фрикциона.
Н
Т
Ф
Из приведенного следует, что плавность блокировки и, соответственно, уровень динамических нагрузок в трансмиссии определяется характеристиками процесса блокировки: в первую очередь, асинхронностью, разностью частот вращения насосного ω и турбинного ω колес, соответственно ведущих и ведомых элементов фрикциона, а также интенсивностью нарастания момента трения М, т.е. длительностью блокировки. Таким образом, для минимизации работы буксования фрикциона и ограничения динамической нагруженности необходимо решать задачу оптимального управления.
Большинство известных программ определяют лишь условия необходимости блокировки-разблокировки гидротрансформатора. При этом практически не уделяется внимания вопросам ограничения динамической и тепловой нагруженности фрикционных элементов, не ставится решение задачи управления длительностью включения блокировки. Кроме того, программа управления блокировкой ГТК обычно синтезируется для определенных условий движения и номинального значения параметров конструкции системы. Однако в процессе эксплуатации многоцелевых транспортных машин существенно изменяются режимы движения, указанные выше, и параметры конструкции, определяющие техническое состояние системы гидроуправления. Это приводит к высокой динамической нагруженности ГМТ, увеличению работы буксования, износу дисков трения фрикционных элементов. В связи с этим, при изменении режимов движения машины и технического состояния системы управления блокировкой необходима коррекция управляющих воздействий, направленная на снижение влияния этих изменений на качественные показатели процесса блокировки трансформатора.
Особенностью условий эксплуатации многоцелевых транспортных машин является интенсивное изменение сопротивления и режимов движения, а также изменения технического состояния элементов системы. Реализация высокой подвижности и эффективности машин обеспечивается при надежности функционирования системы автоматического управления. Вследствие указанных особенностей рассматриваемых машин повышение долговечности элементов необходимо осуществить на основе качественно нового подхода к созданию системы блокировки ГТК, базирующегося на мониторинге и идентификации требуемых режимов движения и технического состояния элементов.
Наиболее близким по технической сути является изобретение по заявке на патент США [Segawa, S. Lock-up clutch control / Segawa S. [et al.] // US Patent application publication №US 2006/0089776 A1 от 27 апреля 2006 г.]
пт
т
шт
Эта система автоматического управления блокировкой гидротрансформатора гидромеханических трансмиссий многоцелевых гусеничных и колесных машин, оснащенных автоматизированной системой контроля и управления движением, содержит двигатель с электронным управлением E-gas, управляемый первым микропроцессором. Автоматизированная гидромеханическая трансмиссия с фрикционом управления блокировкой гидротрансформатора включает золотниковую коробку с пропорционально регулируемым электромагнитным клапаном (соленоидом), управляемым вторым микропроцессором. Датчики скорости движения и ускорения машины, частоты вращения вала двигателя, уровня, давления и температуры масла в гидросистеме соединены, как и избиратель программ движения, с входом обоих микропроцессоров. Сенсоры положения и перемещения органов управления движением машины: педалей подачи топлива, тормоза и штурвала (α, α, α) также соединены с входом обоих микропроцессоров.
Однако известная система управления блокировкой гидротрансформатора не обеспечивает минимум работы буксования и допустимое значение динамического момента, что ограничивает долговечность и надежность элементов фрикциона блокировки.
б
Для повышения долговечности элементов фрикциона блокировки предлагается автоматизированная система управления блокировкой гидротрансформатора, обеспечивающая минимум работы буксования L при ограничении динамического момента и выполнении других функциональных ограничений.
пт
т
шт
Для этого в систему по заявке на патент США [Segawa, S. Lock-up clutch control / Segawa S. [et aL] // US Patent application publication №US 2006/0089776 A1 от 27 апреля 2006 г.] дополнительно вводятся блок мониторинга и идентификации требуемых режимов движения (БМИТРД) со входом которого соединены датчики управляющих воздействий педалей подачи топлива, тормоза и штурвала (α, α, α) и избиратель программы управления. Выход БМИТРД соединен с электронно-взаимосвязанными микропроцессорами I и II информационно-измерительной и управляющей системы двигателя Д и трансмиссии Т.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемой системы.
пт
шт
т
пт
шт
т
Предлагаемая система содержит двигатель 1, управляемый микропроцессором 2 информационно-измерительной управляющей системы (ИИУСД) двигателем (E-gas), автоматизированную гидромеханическую трансмиссию 3 с фрикционом управления блокировкой гидротрансформатора, клапанную коробку 4 с пропорционально регулируемыми электромагнитными клапанами (соленоидами) 5, управляемые микропроцессором 6 ИИУС трансмиссии. Кроме того, система включает датчики скорости 7 и ускорения 8, определяющие параметры движения машины, а также датчики, определяющие параметры функционирования гидротрансформатора, т.е. частоты вращения двигателя и насосного колеса 9, турбины 10 гидротрансформатора, датчики, определяющие состояние гидравлической системы управления (давления 11, температуры 12 и уровня масла 13), соединенные со входом обоих микропроцессоров 2 и 6, а также сенсоров положения и перемещения органов управления движением машины (α 14, α 15, α 16), избиратель программ движения 17 (разгон, торможение, поворот машины и стабилизация траектории, пуск двигателя буксиром, исключение резонансного режима в дотрансформаторной зоне трансмиссии, фрикционных элементах, фатальный режим и другие). В систему дополнительно введен блок мониторинга и идентификации требуемых режимов движения МИТРД 18, со входом которого соединены сенсоры положения и перемещения органов управления движением машины (α 14, α 15, α 16), и избиратель программ движения 17, а выход блока 18 соединен со входами микропроцессоров 2 и 6.
пт
Т
пт
шт
т
М
М
М
Н
Т
ГТ
Предлагаемая система работает следующим образом. В память микропроцессора 2 вводятся исходные данные - параметры и характеристика машины, стандартная программа управлением блокировкой гидротрансформатора в виде зависимости положения педали подачи топлива от угловой скорости турбины α(ω), диапазоны оборотов двигателя на которых вероятны резонансные режимы в дотрансформаторной зоне трансмиссии и во фрикционных элементах. При работающем двигателе, в начале процесса трогания машины с места, в соответствии с сигналом избирателя требуемых режимов (например, выбора автоматического режима управления блокировкой) начинается циклическое функционирование системы во времени t с шагом Δt. В процессе работы системы происходит опрос датчиков управляющих воздействий водителя (14(α), 15(α), 16(α)), датчиков, определяющих кинематические параметры движущейся машины (поступательных скорости 7 (V) и ускорения 8 ), а также датчиков функционирования системы гидроуправления давления 11 (P), температуры 12 (Т) и уровня масла 13 (У). Затем осуществляется определение значения угловых скоростей насосного ω и турбинного ω колес гидротрансформатора, а также передаточного отношения гидротрансформатора i. Кроме того, рассчитываются производные - ускорение педали подачи топлива , ускорение педали торможения  и относительная угловая скорость насосного и турбинного колес (Δω).
Информация, получаемая прямым измерением - от датчиков избирателя программ управления, частоты вращения коленчатого вала двигателя и насосного колеса, скорости и ускорения движения машины, частоты вращения турбины, давления, температуры и уровня масла в системе гидроуправления, поступает в микропроцессор 6 ИИУС трансмиссии. В результате обработки полученных данных в блоке мониторинга и идентификации требуемых режимов движения (18) определяется требуемый режим движения транспортного средства (разгон, торможение, поворот машины и стабилизация траектории, пуск двигателя буксиром, исключение резонансного режима в дотрансформаторной зоне трансмиссии, фрикционных элементах, фатальный режим и другие). В дальнейшем система работает в зависимости от требуемого режима движения.
ГТ
1
При разгоне транспортного средства осуществляется анализ передаточного отношения гидротрансформатора i. В том случае, когда передаточное отношение гидротрансформатора соответствует значению режима гидромуфты, гидротрансформатор необходимо заблокировать, поскольку топливная экономичность машины с разблокированным гидротрансформатором в силу его свойств всегда ниже, чем с заблокированным. При отсутствии ограничений ИИУС двигателя (2) микропроцессор формирует команду на управление соленоидом (5) клапана управления фрикционом блокировки гидротрансформатора, который обеспечивает заполнение бустера серводвигателя. Длительность заполнения бустеров t, в течение которого нарастание давления запаздывает, зависит от производительности гидронасоса, объема бустеров, сопротивления магистрали, от параметров технического состояния и функционирования.
2
Ф
с
Н
Т
На втором этапе t, когда давление достигает значения, соответствующего равенству моментов фрикциона и сопротивления М=М происходит синхронизация угловых скоростей насосного и турбинного колес гидротрансформатора, соответственно, ведущих и ведомых элементов фрикциона блокировки. Регулирование нарастания давления осуществляется из условия минимальной работы буксования и ограничения динамического момента. Длительность регулирования давления определяется по сигналу обратной связи - относительной скорости Δω=ω-ω. При Δω→0, по окончании синхронизации происходит блокировка ГТК и осуществляется повышение давления до рабочего уровня. Вследствие ограничения деформации пакета дисков, длительность этого этапа не превышает сотых долей секунды.
т
Т
Р
В случае идентификации режима торможения транспортного средства или снижения скорости (α>0, ) торможение осуществляется последовательно гидрозамедлителем и остановочным тормозом. При угловой скорости вращения турбины, соответствующей режиму разблокировки ω→ω (см. график 1 на фиг.2), происходит разблокировка гидротрансформатора.
шт
При идентификации режима движения машины в повороте и необходимости стабилизации траектории в трудных условиях (α>0, ), когда снижена частота вращения вала двигателя, в конструкциях машин, в которых гидропривод системы управления поворотом осуществляется от двигателя, для исключения входа машины в спираль предусмотрено принудительное включение передачи на номер ниже без разблокировки гидротрансформатора. Это стабилизирует траекторию движения машины путем предотвращения неуправляемого входа машины в спираль.
Для пуска двигателя транспортной машины буксиром команда с избирателя программ 17 передается через блок МИТРД 18 к микропроцессору ИИУС трансмиссии 6, который осуществляет управление клапаном включения блокировки гидротрансформатора (клапан 5) и фрикционами включения низшей передачи.
дв
1
2
При прогнозировании резонансного режима работы дотрансформаторной зоны, идентифицируемой блоком МИТРД 18 (частота вращения вала двигателя n попадает в диапазон (n…n) в котором высока вероятность резонансных режимов; гидротрансформатор разблокирован, т.е. сигнал на электромагнитном клапане блокировки фрикциона гидротрансформатора отсутствует; передача в трансмиссии выключена) микропроцессор (6) ИИУС трансмиссии подает команду на электромагнитный клапан 5 для блокировки гидротрансформатора.
дв
рез
ГТ
При прогнозировании резонансного режима во фрикционных элементах гидромеханической трансмиссии (частота вращения вала двигателя n превышает или равна резонансной частоте n, движение осуществляется на одной из передач, на которой возможен резонанс, а гидротрансформатор работает на режиме, близком к режиму гидромуфты (i=0,95…1,0)) осуществляется блокировка гидротрансформатора.
При прогнозировании фатальной ситуации (недостаточный уровень или давление масла, флуктуация давления масла в системе гидроуправления, недовключение фрикциона блокировки) осуществляется экстренное включение блокировки и отключение системы смазки и охлаждения трансмиссии. При движении на низших передачах с большим сопротивлением и неровных дорогах для ограничения динамических нагрузок блокировка гидротрансформатора нецелесообразна. На спусках разблокировка гидротрансформатора запрещается.
М
Д
ож
ССД
ож
В случае выхода значений температуры за пределы диапазонов, на которые разделена область эксплуатационных значений (рекомендуемый, допустимый, предельный и аварийный), режим движения (V, ω), за счет изменения подачи топлива, переключения передач выбирают из условия защиты силового блока от критических режимов работы. В условиях, когда температура охлаждающей жидкости 120°C<t<30°C в течение 5 секунд и температура масла в системе смазки двигателя 110°C<t<40°C в течение 3 секунд, управление осуществляется в зависимости от значения параметров. Если оно приближается к зоне высших предельных значений (например, t→120°C), то информация вводится в базу данных, открываются жалюзи, увеличивается частота вращения вентилятора. Если через 5 секунд температура продолжает расти, то происходит переключение на низшую передачу, увеличивается частота вращения вала двигателя, а нагрузка на двигатель уменьшается. Если позволяет температура масла в гидромеханической трансмиссии, то можно разблокировать гидротрансформатор. Если значение температуры ниже предельной, то предусматривается запрет на включение передач, кроме I, II и ЗХ, разблокируется гидротрансформатор, закрываются жалюзи, выключается вентилятор, а при температуре воздуха ниже -20 дополнительно включается подогреватель.
Реализация оптимального управления позволяет снизить работу буксования фрикциона блокировки от 20% до 45%, при уменьшении коэффициента динамического момента в 1,5 раза. Мониторинг требуемых режимов позволяет существенно сократить цикличность блокировок трансформатора. Реализация предложенной системы позволяет снизить • общую динамическую нагруженность трансмиссии в процессе эксплуатации машин и повысить долговечность элементов конструкции.