СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОРОБКОЙ ПЕРЕДАЧ ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ БЕЗ РАЗРЫВА ПОТОКА МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к автотракторостроению, и применяется в машинах, в которых переключение передач осуществляется без разрыва потока мощности.
В основе работы системы управления используются кинематические схемы коробок передач (КП) с шестернями постоянного зацепления (ШПЗ) и не менее трех мокрых, работающих в масле, фрикционных гидроподжимных муфт или тормозов в случае использования планетарных передач.
Среди зарубежных изобретений известны системы управления КП с ШПЗ (трансмиссии типа Powershift) с мокрыми фрикционными гидроподжимными муфтами, где управление давлением в каждой муфте достигается за счет применения отдельного пропорционального электрогидравлического клапана, т.е. количество пропорциональных клапанов соответствует количеству муфт в КП.
В частности такая система управления описана в патенте US 5212998, кл. B60K 41/06, опубл. 25.05.1993 г., которая и выбрана в качестве прототипа. В этой системе управление давлениями в муфтах осуществляется на основе сигналов, поступающих от контроллера трансмиссии по заложенному алгоритму к соответствующим пропорциональным клапанам. Однако недостатком такой системы управления является то, что при наличии в КП большого количества муфт (может достигать десяти), возникает необходимость применения аналогичного количества пропорциональных клапанов. В свою очередь пропорциональные клапаны характеризуются невысокой надежностью и относительной дороговизной.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности работы системы управления КП и уменьшение стоимости ее изготовления за счет сокращения количества пропорциональных клапанов и использования надежных и дешевых релейных клапанов.
Для достижения указанного результата предлагается система управления коробкой передач с фрикционными гидроподжимными муфтами для переключения передач без разрыва потока мощности, содержащая контроллер, бак, фильтр, насос, редукционный клапан, два пропорциональных электрогидравлических клапана, первую и вторую напорную и сливную магистрали, релейные клапаны, количество которых соответствует количеству фрикционных муфт в коробке передач и каждый из которых установлен перед соответствующей фрикционной муфтой и подключен к напорной и сливной магистралям, при этом четные релейные клапаны подключены к первой напорной магистрали, а нечетные - ко второй напорной магистрали, и два датчика давления, установленные на напорных магистралях, информационные выходы которых подключены к контроллеру, при этом пропорциональные клапаны установлены на напорных магистралях после редукционного клапана и соединяют соответствующие напорные магистрали либо с выходом редукционного клапана, либо со сливной магистралью, а все управляющие входы пропорциональных и релейных клапанов подключены к контроллеру.
Применение релейных клапанов обусловлено их сравнительной дешевизной, надежностью работы, простотой конструкции и управления.
Количество релейных клапанов определяется количеством фрикционных муфт в КП. Все муфты оснащены центробежными шариковыми клапанами опорожнения. Релейные клапаны выступают в качестве дискретных переключателей между напорной и сливной магистралями. Редукционный клапан, настроенный на заданное рабочее давление, необходим для обеспечения этого давления в напорных магистралях, как при подаче давления в одну муфту, так и при подаче давления одновременно в две муфты (включаемую и выключаемую). Применение двух пропорциональных клапанов обусловлено необходимостью управления давлениями в напорных магистралях как во включаемой, так и в выключаемой муфтах. При переключениях на четные муфты в качестве магистрали включаемой муфты будет выступать первая напорная магистраль, на нечетные - вторая напорная магистраль.
КП также должна быть оснащена датчиками оборотов входного и выходного валов КП, наличие которых, а также датчиков давлений, представляет возможным определить нагрузку, с которой работает машина. Это в свою очередь позволит обеспечить плавное переключение.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена предлагаемая схема системы управления КП.
На фиг. 2 изображена существующая система управления КП, взятая за прототип, в которой количество пропорциональных клапанов соответствует количеству фрикционных муфт.
На фиг. 3 приведен пример изменения давлений во фрикционных муфтах (включаемой и выключаемой) при переключении передач в предложенной системе: а) с низшей передачи на высшую (переключение вверх), б) с высшей передачи на низшую (переключение вниз).
Заявленная система (см. фиг. 1) содержит бак 1, фильтр 2, насос 3, редукционный клапан 4, первую напорную магистраль 5, сливную магистраль 6, два пропорциональных электрогидравлических клапана 7, вторую напорную магистраль 8, два датчика давлений 9 и релейные клапаны 10, каждый из которых установлен перед соответствующей муфтой (Φ1, Ф2, Ф3, Ф4). На каждой напорной магистрали 5 и 8 после редукционного клапана 4 установлены пропорциональный клапан 7 и датчик давления 9. Пропорциональные клапаны 7 подсоединяют соответствующие напорные магистрали 5 и 8 либо к выходу редукционного клапана 4 (при включении муфты) либо к баку 1 через сливную магистраль 6 (при выключении муфты). Управляющие входы релейных 10 и пропорциональных 7 клапанов и информационные входы датчиков давлений 9 подключены к контроллеру 11.
Функция генерирования электрического дискретного сигнала на релейные клапаны муфт и управляющего электрического сигнала на пропорциональные клапаны в соответствии с заложенными или сгенерированными законами изменения давлений во включаемой и выключаемой муфтах, а также функция хранения законов изменения давлений отводится контроллеру 11.
Рассмотрим принцип работы заявленной системы на примере переключения вверх с муфты Ф1 низшей передачи на муфту Ф2 высшей передачи, выключаемой муфтой будет Ф1, а включаемой - Ф2. Напорная магистраль 5 будет магистралью выключаемой муфтой, а напорная магистраль 8 - магистралью включаемой муфты. Изначально релейный клапан включенной муфты Ф1 и пропорциональный клапан напорной магистрали 5 находятся в состоянии «открыт» т.е. в бустер Ф1 подается полное давление и муфта замкнута. При этом релейные клапаны всех незамкнутых муфт и пропорциональный клапан напорной магистрали 8 находятся в состоянии «закрыт», т.е. все подаваемое к пропорциональному клапану напорной магистрали 6 масло идет на слив в бак 1, а релейные клапаны соединяют бустеры незамкнутых муфт со сливной магистралью 6. Как только в контроллер подается сигнал на переключение передач, он посылает соответствующие электрические сигналы на пропорциональные клапаны напорных магистралей 5,8 и сигнал на открытие релейного клапана 10 включаемой муфты Ф2. Выключение муфты Ф1 осуществляется за счет подачи элетрических сигналов контроллером на пропорциональный клапан напорной магистрали 5 и релейный клапан 10 муфты Φ1, переводя их в состояние «закрыт» и соединяя таким образом бустер муфты Ф1 со сливной магистралью 6. Управление давлениями в выключаемой и включаемой муфтах осуществляется контроллером с помощью датчиков давления и пропорциональных клапанов, обеспечивая процесс переключения передач без разрыва потока мощности машины. График изменений давлений зависит от того, на какую передачу происходит переключение - с низшей на высшую или с высшей на низшую.
Данная система управления будет работать по аналогичному принципу и на переключениях с высшей передачи на низшую.
Далее будет приведен способ организации переключения передач для заявленной системы управления КП. Любая транспортная или тяговая машина должна работать с определенным диапазоном нагрузок, который определяется максимальным моментом, развиваемым ее двигателем. Для этого диапазона нагрузок характерно наличие минимальных, средних и максимальных значений нагрузок. Именно об этих значениях нагрузок будет идти речь ниже.
Условно процесс переключения с низшей передачи на высшую по предлагаемому способу можно разделить на четыре этапа (см. фиг. 3а).
Этап t0 - это подготовительный этап, отвечающий за перемещение поршня включаемой муфты и выбор зазоров между ее фрикционными дисками, при этом на включаемую муфту подается постоянное по величине давление, соответствующее усилию отжатия пружин поршня от дисков включаемой муфты. А на выключаемую муфту также продолжает подаваться полное давление. В конце данного этапа производится сброс давления в выключаемой муфте (участок f-g) и подача давления во включаемую муфту (участок a-b) до значений (точки g и b), соответствующих средней нагрузке из диапазона нагрузок, с которыми должна работать машина. Соответствие значений точек g и b средней нагрузке обусловлено тем, что в случае работы машины с максимальной нагрузкой из диапазона нагрузок моменты от включаемой и выключаемой муфт, приведенные к выходному валу КП, в сумме должны обеспечивать момент от данной максимальной нагрузки, гарантируя таким образом движение машины без замедления.
На этапе t1 происходит постепенное уменьшение давления в выключаемой муфте и постепенное увеличение во включаемой с заранее занесенными в память контроллера интенсивностями от точек b и g. Интенсивность изменения давлений во включаемой муфте должна быть незначительно больше интенсивности в выключаемой, а также быть максимальной и достаточной для наиболее точного определения начала буксования выключаемой муфты по датчикам оборотов входного и выходного валов КП. Практически на всем протяжении этапа t1 буксует только включаемая муфта, а выключаемая - замкнута. Давления в муфтах определяют моменты, реализуемые ими, поэтому, как только по данным с датчиков оборотов будет зафиксировано буксование выключаемой муфты, по датчикам давлений определяются давления в обеих муфтах (точки с и h). По этим давлениям контроллер трансмиссии определяет момент от нагрузки, как разность моментов от включаемой и выключаемой муфт, приведенных к выходному валу КП. После чего контроллером рассчитывается соответствующее данному моменту от нагрузки давление во включаемой муфте и происходит переход к этапу t2.
В начале этапа t2 производится сброс давлений в выключаемой муфте до нулевого значения (точка j), а во включаемой - до соответствующего рассчитанному контроллером моменту от нагрузки (точка d) с последующим постепенным увеличением пока она не перестанет буксовать (точка e). Фактическое передаточное отношение, рассчитанное по данным с датчиков оборотов о частотах вращения входного и выходного валов КП, будет выступать на данном этапе, как параметр обратной связи, по которому определяется ошибка между его текущим значением и значением включаемой передачи. По величине данной ошибки на текущем шаге переключения контроллер вырабатывает корректирующий сигнал, определяющий изменение давления во включаемой муфте на следующем шаге. Величина корректирующего сигнала определяется величиной допустимого ускорения машины (машинно-тракторного агрегата).
Как только фиксируется отсутствие буксования дисков во включаемой муфте по показаниям датчиков оборотов входного и выходного валов КП, начинается этап t3. Этап t3 - этап подачи полного давления во включаемую муфту, обеспечивающего запас передаваемого муфтой момента по отношению к моменту от нагрузки.
Процесс переключения с высшей передачи на низшую также можно разделить на четыре этапа (фиг. 3б).
На этапе t0 на включаемую муфту подается постоянное по величине давление, соответствующее усилию отжатая пружин поршня от дисков включаемой муфты. При этом на выключаемую муфту также продолжает подаваться полное давление. В конце данного этапа производится сброс давления в выключаемой муфте (участок f-g) до значения (точка g), соответствующего максимальной нагрузке из диапазона нагрузок, с которыми работает машина. На этапе t1 происходит постепенное уменьшение давления в выключаемой муфте (участок g-h), а давление во включаемой муфте остается неизменным. Интенсивность изменения давления в выключаемой муфте должна быть максимальной и при этом достаточной для наиболее точного определения начала буксования выключаемой муфты по датчикам оборотов. Как только по данным с датчиков оборотов будет зафиксировано буксование (точка h), происходит переход к этапу t2. На этом этапе давление в выключаемой муфте продолжает падать, но с меньшей интенсивностью (участок h-j), а давление во включаемой муфте также остается неизменным. По аналогии с рассмотренным переключением с низшей передачи на высшую здесь фактическое передаточное отношение также будет выступать в качестве параметра обратной связи. Алгоритм работы контроллера на данном этапе аналогичен этапу t2 при переключении с низшей передачи на высшую. Как только фиксируется отсутствие буксования дисков во включаемой муфте (точка j) по данным с датчиков оборотов, начинается этап t3. На данном этапе давление в выключаемой муфте сбрасывается до нуля (точка k), а во включаемую - подается полное.
Также для организации переключения передач на тяговых машинах без данных о нагрузке с контроллера двигателя возможно разбить весь диапазон нагрузок, с которыми будут осуществляться работы, на три поддиапазона (легкий, средний, тяжелый). Это позволит уменьшить износ фрикционных муфт, поскольку сброс/подача давлений на этапе t1 переключения будет производиться до меньших значений по сравнению со значениями давлений для всего диапазона нагрузок, а это приведет к сокращению времени буксования включаемой и выключаемой муфт за счет более быстрого определения буксования выключаемой муфты. Такое разделение целесообразно проводить в процентах от максимального момента двигателя (например 0-40% - легкий поддиапазон; 40-70% - средний поддиапазон; 70-100% - тяжелый поддиапазон). Переключение между поддиапазонами в зависимости от нагрузки должен выполнять водитель переключателем, выведенным на панель управления и посылающим сигнал в контроллер о переключении на необходимый поддиапазон. Способ организация переключения для каждого из поддиапазонов будет аналогичен описанному выше с отличием лишь в том, что теперь каждому поддиапазону нагрузок будут соответствовать свои максимальные и средние значения нагрузок.