Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования
1.1 Направления совершенствования процесса переключения в автомобильных механических ступенчатых коробках передач
1.2 Переключение передач изменением межосевого расстояния в зубчатых зацеплениях
1.3 Нагруженность трансмиссии автомобиля, оснащенного механической ступенчатой коробкой передач
1.4.Формулирование цели и постановка задач исследования з 1
ГЛАВА 2. Кинематические и силовые зависимости, условия и режимы переключения, математическая модель коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием
2.1 Кинематическая схема и принцип действия объекта исследования
2.2 Кинематические и силовые зависимости в механизме 35
2.3 Механическая модель и динамическая схема трансмиссии автомобиля УАЗ, оснащенного ЭКП
2.4 Составление математической модели для описания динамических процессов в трансмиссии автомобиля УАЗ, оснащенного ЭКП.
2.5 Условия для протекания процесса переключения передач 44
2.6 Определение времени первого этапа процесса переключения передач 2.7 Переключение на пониженную передачу 55
2.8 Переключение на повышенную передачу 63
2.9 Нагруженность трансмиссии автомобиля УАЗ 31512, оснащен- ного ЭКП на различных этапах процесса переключения передач
2.10 Влияние расположения согласующего редуктора на процесс переключения передач
2.11 Ручное переключение передач в ЭКП с выключением сцепления
2.12 Силовое переключение передач в ЭКП без выключения сцепления
ГЛАВА 3. Цели, задачи и методика экспериментального исследования
3.1 Цели и задачи экспериментального исследования 79
3.2 Объект исследования 80
3.3 Методика экспериментального исследования 84
3.4 Описание устройства и принципа действия системы переключения при расстопоренном водиле
3.5 Измерительно-регистрирующий комплекс
3.5.1 Компоненты измерительно-регистрирующего комплекса 90
3.5.2 Тарировка измерительной аппаратуры 9 5
3.6 Оценка погрешностей измерений 99
ГЛАВА 4. Результаты экспериментального исследования :
4.1 Оценка воспроизводимости результатов опытов 101
4.2 Проверка адекватности математической модели 102
4.3 Анализ экспериментальных данных и выводы по результатам экспериментального исследования
Заключение 111
Основные выводы по результатам работы 121
Список использованных источников
- Нагруженность трансмиссии автомобиля, оснащенного механической ступенчатой коробкой передач
- Механическая модель и динамическая схема трансмиссии автомобиля УАЗ, оснащенного ЭКП
- Описание устройства и принципа действия системы переключения при расстопоренном водиле
- Анализ экспериментальных данных и выводы по результатам экспериментального исследования
Введение к работе
Совершенствование механических ступенчатых коробок передач и систем управления ими позволяет достичь повышения средней скорости и безопасности движения, снижения утомляемости водителя, сокращения времени переключения передач. Переключение с минимальным разрывом или без разрыва силовой цепи позволяет улучшить динамику разгона и положительно сказывается на проходимости. Как правило, этому способствует система автоматизированного или автоматического управления трансмиссией и доля таких автомобилей постоянно увеличивается..
Автоматизация механических ступенчатых КП является актуальной задачей, в последние годы благодаря развитию электронных систем управления открываются новые возможности по созданию автоматических и автоматизированных трансмиссий. Отдельные авторы отмечают [14], что доля легковых автомобилей, оснащенных автоматическими механическими КП к 2010 г., достигнет 18 %, а доля автомобилей с автоматическими гидромеханическими КП снизится из-за их значительно более худших экономических показателей.
Другое направление совершенствования процесса переключения передач связано с созданием конструкций КП без разрыва или с минимальным разрывом потока мощности. Как правило, одной из целей автоматизации процесса переключения передач является сокращение времени разрыва потока мощности.
Конструкция коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием (далее экспериментальная коробка передач - ЭКП) представляется достаточно перспективной для применения ее в трансмиссии автомобиля прежде всего повышенной проходимости. Переключение передач в ЭКП происходит без синхронизаторов за малый промежуток времени, трансмиссия обладает высоким КПД, имеется возможность использовать для управления переключением (переключение на повышенную п—*п+1 либо пониженную п—*п-1 пере- дачу) величину и направление крутящего момента двигателя.
Переключение передач в ЭКП возможно без выключения сцепления -при расстопоренном водиле за счет внутренних силовых факторов. При создании системы переключения (в том числе автоматизированного) может отсутствовать ряд исполнительных элементов, необходимых для осуществления данного процесса в ступенчатой вальной коробке передач. При заданном сопротивлении движению требуется изменение величины или направления крутящего момента двигателя (от этого зависит время и сама возможность переключения). Тем самым, должен быть обоснованный выбор силовых и кинематических параметров движения, характеризующих режим переключения (крутящий момент двигателя, скорость перед переключением). Выбор режимов переключения должен обеспечивать снижение динамической на-груженности трансмиссии. Недостаточная исследованность работы трансмиссии с ЭКП на режиме переключения не позволяет реализовать преимущества, обусловленные предлагаемой кинематической схемой, что и предопределило выбор темы настоящего исследования.
Цель работы
Обоснование режимов переключения в коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием в условиях применения данной коробки передач в трансмиссии автомобиля повышенной проходимости.
Объект исследования
Моторно-трансмиссионная установка легкового автомобиля (УАЗ 31512) с установленной ЭКП.
Предмет исследования
Способ и режимы переключения передач в ЭКП с помощью внутренних силовых факторов, вызванных условиями движения автомобиля и режимом работы двигателя.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели исследования сформулированы и решены следующие задачи:
Г) Разработка математической модели моторно-трансмиссионной установки автомобиля с ЭКП для исследования параметров, характеризующих режим переключения. Рассмотрение возможных путей реализации исследуемого способа переключения передач: переключение при расстопоренном водиле, ручное переключение, силовое (принудительное) переключение;
Разработка и изготовление действующего макета ЭКП, установка его на автомобиль УАЗ 31512, разработка системы переключения передач. Проведение испытаний (переключение как с низшей на высшую (п—»п+1) так и с высшей на низшую (п—m-I) передачи) при различных кинематических и силовых параметрах движения, характеризующих режим переключения. Испытание автомобиля УАЗ 31512 с серийной коробкой передач на предмет оценки дополнительной динамической нагруженности на режимах переключения.
Экспериментальная проверка адекватности математической модели, описывающей процесс переключения в ЭКП.
Методологической основой диссертации являются исследования, базирующиеся на основных положениях теории автомобиля, теории механизмов и машин, дифференциальном и интегральном исчислении, математическом моделировании, электрическом измерении неэлектрических величин.
Научная новизна работы
1) Разработана математическая модель моторно-трансмиссионной установки автомобиля с коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений, адекватно описывающая работу трансмиссии на режиме переключения передач и позволяющая производить обоснование и выбор режимов переключения.
2) Установлены силовые, кинематические параметры и условия режимов переключения, характеризующие связь между крутящим моментом двигателя и моментом от сил сопротивления, действующих на автомобиль, для осуществления процесса переключения в необходимом направлении: n—m+1 илип—*п-1.
Практическая ценность
Разработанные кинематические и силовые зависимости, методика задания и расчета параметров, условия для переключения, варианты конструктивного исполнения, рекомендации по организации переключения могут использоваться при; проектировании и совершенствовании коробок передач, использующих данный; способ переключения, проектировании систем управления и применяться при рассмотрении новых областей применения коробок передач подобного принципа действия.
Апробация работы и внедрение результатов
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета в период 2000 - 2004 гг. и Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» г. Курган, 2003 г. Представлены на 23-м семинаре по науке и технологиям «Механика и процессы управления» г. Миасс, 2003 г. Автомобиль УАЗ 31512 с установленным действующим макетом ЭКП демонстрировался на выставке, посвященной 60-летию ЮУрГУ, 2003 г. Диссертационная работа была заслушана на техническом совещании в Управлении главного конструктора ОАО Ульяновский автомобильный завод, 2004 г.
Результаты выполненной работы используются при проектировании раздаточной коробки подобного типа для автомобиля Урал 4320 на ОАО «Автомобильный завод «Урал», проектировании и изготовлении опытной партии автоматизированных пятиступенчатых коробок передач для автомобиля УАЗ 31512 на ОАО «Уральский машиностроительный завод».
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, приложения и содержит 120 страниц машинописного текста, включающего 35 иллюстраций, 6 таблиц, список литературы из 56 наименований.
На защиту выносятся
Кинематические и силовые зависимости в ЭКП, математическая модель для исследования процесса переключения в ЭКП, условия для протекания переключения под действием внутренних силовых факторов в необходимом направлении, результаты исследований.
Аннотация диссертационной работы
Первая глава диссертации посвящена обоснованию выбора темы, обзору научных исследований и решений, применяемых при создании перспективных трансмиссий. На основе анализа сущности научной проблемы и работ по выбранной теме, формулируются цель и задачи исследования.
Во второй главе диссертации рассматривается предложенный способ переключения передач на примере трансмиссии автомобиля УАЗ 31512, включающей в себя коробку передач с изменяемым межосевым расстоянием. Дается количественная характеристика условий, продолжительности и силовых факторов процесса переключения передач как на пониженную так и на повышенную передачи, проанализированы различные пути реализации рассматриваемого способа переключения. Для переключения передач с рассто- поренным водилом сформулированы условия, необходимые для эффективного протекания процесса переключения передач. Представлены силовые и кинематические зависимости между элементами ЭКП. Разработана динамическая схема и математическая модель трансмиссии автомобиля, содержащей ЭКП для моделирования процесса переключения передач, установлена продолжительность и динамическая нагруженность процесса переключения. Сформулированы выводы о работоспособности исследуемой конструкции и рекомендации по осуществлению процесса переключения передач. Рассмотрено переключение передач при различном сопротивлении движению автомобиля, различном конструктивном исполнении ЭКП и различном режиме работы полноприводной трансмиссии.
В третьей главе диссертации сформулированы задачи экспериментального исследования, описан объект исследования и реализация системы переключения на автомобиле УАЗ 31512, трансмиссия которого оснащена ЭКП. Приведено описание измерительного комплекса, тарировочные данные измерительной аппаратуры, методика проведения испытаний и обработки полученных экспериментальных данных.
Четвертая глава содержит анализ полученных экспериментальных данных, подтверждается адекватность разработанной математической модели, описывающей процесс переключения передач.
Нагруженность трансмиссии автомобиля, оснащенного механической ступенчатой коробкой передач
Переключение без разрыва потока мощности протекает без разъединения ведущих и ведомых участков трансмиссии. Безразрывность переключения не исключает кратковременного прекращения подвода мощности от двигателя к ведущим колесам. Возможено даже изменение потока мощности на обратное (от колес к двигателю) при переключении на пониженную передачу, что обуславливается более низкой угловой скоростью коленчатого вала двигателя по сравнению с угловой скоростью фиктивной маховой массы автомобиля при приведении ее к коленчатому валу.
Безразрывное переключение или переключение с минимальным разрывом силовой цепи позволяют исключить падение скорости автомобиля ниже определенной величины, равной скорости на низшей из переключаемых передач. Сохранение кинетической энергии автомобиля при переключении передач положительно сказывается на проходимости [3, 43]. Так, преодоление труднопроходимого участка возможно и при превышении сил сопротивления движению над. силами, движущими автомобиль (движение происходит со снижением скорости). В КП с переключением при помощи фрикционных муфт безразрывность переключения достигается за счет перекрытия передач, когда сначала включается (частично или полностью) включаемая передача, а затем выключается выключаемая. Данный процесс сопровождается нежелательным явлением циркуляции мощности..
Однако известны и недостатки переключения при помощи фрикционных муфт. Фрикцион - узел, отличающийся низкой надежностью. Механизм сложен по конструкции, содержит масляный насос, ведомые и ведущие диски, поршни, уплотнения вращающихся валов, трубопроводы, теплообменники и т.д. Отсюда вытекает высокая стоимость конструкции. Постоянно работает масляный насос, что обусловливает низкий КПД конструкции. Практикой доказано, что срок службы масляного насоса не соответствует сроку службы автомобиля до капитального ремонта [47]. В выключенном фрикционе имеются потери от трения ведущих и ведомых дисков. Отдельные авторы, отмечают, что применение переключения при помощи фрикционных муфт целесообразно только при создании автоматических трансмиссий,
Повышения эксплуатационных качеств ступенчатых механических трансмиссий можно добиться выбором числа передач и оптимальной разбивкой диапазона трансмиссии передаточными отношениями в зависимости от назначения машины. Данные вопросы подробно изложены в теории автомобиля и трактора [13,33, 36,46 56]. В литературе освещается и проблематика, связанная с разгоном автомобиля на участке [50]. Определяется оптимальная скорость на каждом элементе этого участка по критериям (тягово-скоростные свойства, топливная экономичность), а также оптимальный способ разгона до этой скорости. Оптимальность, как правило, понимается в трех вариантах: наибыстрейший разгон, наилучшая экономичность (минимизация; расхода топлива), а также комбинация этих двух параметров. Обосновывается оптимальная скорость, при которой необходимо переключать каждую из передач в зависимости от выбранных критериев [50]. До недавнего времени для автоматического управления трансмиссией использовались, как правило, два параметра [32, 42]: скорость автомобиля и положение органа топливоподачи, в определенной мере характеризующее нагрузку двигателя и желаемый режим движения. Принципы выбора характеристик и законов в том числе и автоматического переключения передач также известны [40]. С развитием микропроцессорной техники и технологий стали возможны так называемые интеллектуальные (адаптивные) системы комплексного управления двигателем и трансмиссией [45], использующие большое число входных переменных. Исходя из того, что вопросы выбора числа передач и передаточных отношений, алгоритмы переключений для достижения оптимальных эксплуатационных качеств в достаточной степени рассмотрены в литературе, задачи подробно останавливаться на них в данном исследовании не ставилось. Так как рассматриваемая в настоящем исследовании конструкция ЭКП является механической и ступенчатой, то рекомендации по выбору числа передач, передаточных отношений ступеней, оптимальной скорости переключения к ней можно отнести в полной мере. Поэтому представляется важной именно pea 22 лизация способа переключения за счет изменения межосевого расстояния в переключаемых модулях и возможность автоматизации данной конструкции в соответствии с последними тенденциями в автомобилестроении.
Режим переключения - один из режимов работы трансмиссии наряду с движением на передаче, троганием с места [4, 9, 38, 41, 52, 53]. При анализе работы трансмиссии, оснащенной; ЭКП на; режиме переключения передач были задействованы широко известные труды следующих авторов: Гришке-вич А.И., Цитович И.С., Альгин В.Б., Павловский В.Я., Поддубко С.Н., Ост-роверхов Н.Л., Русецкий И.К., Бойко Л.И., Руктешель О.С., Тарасик В.П., Каноник И.В., Вавуло В.А. и др.
Существуют рекомендации по выбору скорости автомобиля (задание кинематического параметра, характеризующего режим переключения) перед переключением как n—»п+1 так и п— п-1. Ориентировочные значения расчетные угловой скорости Юд коленчатого вала двигателя перед переключением передач [41] составляют (0,4 - 0,5)CUN для переключения n—т-1 и (0,6 — 0,7)шм для переключения п— п+1, где шц — угловая скорость коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной мощности. Для двигателя УМЗ 4178.10 автомобиля УАЗ 31512 CUN=420 рад/с.
Данный обзор позволяет сделать вывод о том, что автоматизация механических ступенчатых КП является актуальной задачей, и при снижении себестоимости (себестоимость электронных компонентов, несмотря на их усложнение, как правило снижается) имеет перспективы применения в серийном производстве. Отдельные авторы отмечают [14], что доля легковых автомобилей, оснащенных автоматическими механическими КП к 2010 г. достигнет 18 %, а доля автомобилей с автоматическими гидромеханическими КП снизится из-за их значительно более худших экономических показателей. Другое направление совершенствования процесса переключения: передач связано с созданием конструкций КП без разрыва или с минимальным разрывом потока мощности.
Механическая модель и динамическая схема трансмиссии автомобиля УАЗ, оснащенного ЭКП
На рис. 16 представлены зависимости времени переключения (сумма времени первого и второго этапов процесса переключения передач) от комбинации Мд и Мс при переключении 1— 2. При переключении п—+п+1 (1— 2) и при Мд 0 и Мс 0 (правый верхний квадрант — наиболее распространенные случай движения) не требуется выполнения каких-либо условий (см. п. 2.5). В данном случае Мс способствует переключению и сокращению времени первого этапа и всего процесса переключения передач. Также распространенным является переключение при Мд 0 и Ме 0 (левый верхний квадрант -например, при движении под уклон, когда внешние силы разгоняют автомобиль). Здесь необходимо выполнение условия МдЛд Мс/1а (т.е. чтобы двигатель разгонялся быстрее автомобиля), которое в области Б данного квадранта не выполняется — переключение невозможно. В левом нижнем квадранте и комбинации Мд 0 и Мс 0 переключение n—»n+I также невозможно, т.к. водило стремится повернуться по часовой стрелке в сторону включения п-1 передачи. В зоне В правого нижнего квадранта не выполняется условие МдЛд Мс/1а, когда двигатель должен .тормозиться медленнее автомобиля и переключение становится невозможным. Переключение возможно только при комбинациях Ыж и Мс, расположенных выше линии А, при приближении к которой время переключения стремится к бесконечности.
При помощи математической модели установлено, что время разгона автомобиля УАЗ 31512 до 100 км/ч с переключением передач (1—»2—»3—»4) снизится на 0,9 - 1.5 с (0,3 - 0,5 с на каждом переключении) по сравнению со ступенчатой механической синхронизированной КП и спортивным режимом переключения. Эта разница в общем времени разгона будет тем заметнее, чем более мощным двигателем оснащен автомобиль.
Для моделирования работы двигателя в тяговом режиме (Мд 0) использовалась внешняя скоростная характеристика двигателя [41], переходный процесс выхода на которую (закон нарастания крутящего момента f) может быть представлен [41 ] как f = 11U, где t - текущее время, te - время нарастания крутящего момента. При t te величина f вычисляется по выражению f = t / te, при t 1« принимается f=l. Согласно [6, 15] время нарастания крутящего момента 1 (период инерционности) для карбюраторного двигателя составляет 0,15...0,4с.
Сокращение времени первого этапа процесса переключения передач (и времени всего процесса переключения передач) имеет значение для тех случаев переключения (как n— n-l так и n—т+1), когда требуется выполнение условий Мд/1д Мс/1а либо Мд/1д М Ла, так как за большее время первого этапа процесса переключения передач выше вероятность изменения внешних условий (сопротивления движению), в результате чего начавшийся процесс переключения передач может быть не завершен.
Можно сделать вывод, что рассматриваемая конструкция ЭКП может применяться на транспортных машинах с высокой удельной мощностью, оснащенных двигателями с высокой скоростью реакции на изменение положения органов топливоподачи (с высокой приемистостью). С использованием представленной математической модели, которая, как показали испытания, с высокой доверительной вероятностью хорошо описывает изучаемый процесса переключения передач в ЭКП, можно проводить расчет динамической на-груженности трансмиссии.
Рассмотрим переключение 2—»1 в рассматриваемой конструкции ЭКП при М 0, где требуется выполнение условия МдЛд Мс/1а. Угловое ускорение водила в первом приближении не прибегая к решению системы дифференциальных уравнений можно оценить, зная t (формула (23) см. п. 2.6) и угловой путь водила на 1-ом этапе процесса переключения передач, задавшись некоторым значением Мс и средним за этап значением Мд. Далее, путем ум ножения данного ускорения на действительный (неприведенный) момент инерции водила (0,07кгм ) получаем момент, действующий на водило на первом этапе. Данная оценка справедлива, хотя при выводе указанной формулы (23) момент инерции водила не был учтен. Это допущение можно сделать т. к. момент инерции водила много меньше Ід и 1а на водило не действуют внешние силы (оно расстопорено) и в данном механизме со степенью свободы W=2, положение водила полностью определяется положением двух других звеньев. Например, при переключении 2—»1 и пониженной ступени в РК при (од=215 рад/с, Мс=20 Н м и среднем значении Мд=35 Н-м ускорение водила составляет 10 рад/с , действующий на водило момент всего 0,7 Н-м, а согласно формул (3) момент на промежуточном валу ЭКП составит всего 0,17 Н-м (кд=0,0005). При меньшем времени t}yT протекания первого этапа процесса переключения передач (большем ускорении водила), а также при рассмотрении переключения 1—»2 (Мл 0, Мс 0), где ускорение водила еще больше вследствие большего крутящего момента в тяговом режиме двигателя чем в тормозном, а также благоприятного направления Мс, величины крутящих моментов, загружающих трансмиссию имеют тот же порядок, т. е. близки к нулю. Поэтому можно сделать вывод, что на первом этапе процесса переключения передач нагруженность трансмиссии пренебрежимо мала [23]. На выходной вал ЭКП действует крутящий момент, обусловленный лишь инерционными свойствами водила (чем больше момент инерции водила, тем больше крутящий момент, действующий на выходном валу и при стремлении момента инерции водила к бесконечности эквивалентно стопорению водила, на выходном валу ЭКП будет действовать крутящий момент двигателя, приведенный к выходному валу (нет разрыва потока мощности). При переключениях как п— п-1 так и п—яі+l, при различных комбинациях Мд и Мс и конструктивно заданном моменте инерции водила (0,07кг-м ) крутящий момент на выходном валу ЭКП достигает величины не более 0,2% от максимального крутящего момента двигателя, приведенного к этому валу. Поэтому можно сделать вывод о том, что на первом этапе процесса переключения пе редач происходит разрыв потока мощности. Второй этап процесса переключения передач
В начале второго этапа водило уже имеет некоторую угловую скорость, сообщенную ему на первом этапе процесса переключения передач. Данный этап начинается в момент входа в зацепление с выходным валом ЭКП паразитной шестерни включаемой передачи. Окружные скорости входящих в зацепление шестерен неодинаковы, что и обуславливает незначительную (см. далее) динамическую нагруженность. В данный момент ЭКП по-прежнему имеет степень свободы W=2. На 1-ом этапе процесса переключения передач движение всех трех звеньев ЭКП (промежуточный, выходной валы, водило) происходило согласно уравнению (6) кинематической связи при параметрах а и b для выключаемой передачи. В момент входа в зацепление шестерен включаемой передачи (начало 2-го этапа процесса переключения передач) уравнение кинематической связи (6) имеет параметры а и b для включаемой передачи. Однако угловые скорости звеньев определяются концом 1 -го этапа. Тем самым, происходит изменение угловых скоростей звеньев под действием сил в зацеплениях шестерен для удовлетворения уравнению (6) с параметрами а и b для включаемой передачи. Момент инерции двигателя, приведенного к промежуточному валу, а также момент инерции автомобиля, приведенный к выходному валу ЭКП много больше момента инерции водила. Поэтому происходит значительное изменение угловой скорости именно водила (разгон водила). Из-за малости момента инерции водила, нагруженность трансмиссии невелика (при стремлении величины момента инерции водила к нулю также стремится к нулю), и сравнима со случаем, рассмотренным выше, при ударе в ступенчатой КП с переключением при помощи кулачковых (зубчатых) муфт (синхронизаторы отсутствуют) входного вала КП, имеющего й)д и маховой массы автомобиля, имеющей ш8 при выключенном сцеплении (см. п. 1.3).
Описание устройства и принципа действия системы переключения при расстопоренном водиле
ЭКП при расстопоренном водиле имеет степень свободы W=2 (число входных и выходных звеньев равно трем: входной и выходной валы, водило). В этом случае положение (движение) двух любых звеньев определяет положение (движение) третьего звена. При освобожденном водиле и заданном Мс поворот водила по или против часовой стрелки определяется величиной и направлением Мд (переключение при освобожденном водиле). Однако возможен силовой (принудительный) перевод водила в необходимом направлении при его расстопорении и приложению к нему внешнего крутящего МО мента MBi при заданных Мд и Mtt (без выключения сцепления). Реализация данного способа переключения моделируется путем добавления в третье уравнение математической модели (см. п. 2.4) величины Мв.
Рассмотрим переключение 2Н— \Н при Мс 0. Для протекания первого этапа процесса переключения передач при освобожденном водиле необходим, перевод двигателя в тормозной режим (рис. 8,е) и выполнение условия (14). Так, при Мд= -40 и Мс=40 время первого этапа процесса переключения передач составляет 0,3 с. Причем под действием Мс скорость автомобиля падает из-за имеющего место разрыва потока мощности на первом и втором этапах процесса переключения передач. Если переключение производится принудительно (например, к водилу по часовой стрелке приложен крутящий момент. М„=40Н-м -действительное значение момента 40x2,13x4,1= 349 Н-м), то время первого этапа процесса переключения передач составляет 0,12 с, на выходном валу ЭКП крутящий момент (приведенный к коленчатому валу двигателя) имеет величину 40 Н-м и падения скорости автомобиля на первом этапе процесса переключения передач не происходит (при большем значении Мв, приложенном в том же направлении возможен даже разгон автомобиля). Двигатель при этом дополнительно тормозит момент 40 Н-м Силовое переключение п— п-1 возможно и при Мд 0, Мс 0, т.е. при условиях, когда в случае освобожденного водила переключение в указанном направлении невозможно. Однако здесь величина Мв должна быть существенно выше (приходится двигатель, работающий в тяговом режиме принудительно затормаживать). При силовом переключении значение- Мв должно быть сравнимо с Мд и Мс для возможности изменения ускорения двигателя и маховой массы автомобиля. Приведенные значения Мд и Мс могут достигать нескольких десятков и даже сотен Н-м тогда как Мв от действия руки водителя единицы Н-м (1,6 Н-м при 2Н— 1Н). Тем самым, ограничением силового переключения без выключения сцепления являются эргономические требования. Применение же силового гидро- или электропривода невозможно потому, что на первом и втором этапах процесса переключения передач, когда паразитные шестерни выключаемой и включаемой передач находятся в зацеплении с выходным валом не на расчетном межосевом расстоянии, указанные шестерни нагружены значительным крутящим моментом, что может вызвать износ и поломку зубьев. Силовое переключение по энергетическим затратам и действующим усилиям нерационалено и не дает каких-либо преимуществ в сравнении с переключением при расстопоренном водиле или ручным переключением. Цели экспериментального исследования заключались в следующем: подтвердить возможность переключения исследуемым способом при рассто-поренном водиле с передаточными отношениями, шагом между ступенями, моментами инерции агрегатов, применяемыми двигателями, характерными для легковых автомобилей, оценить адекватность разработанной математической модели, проверить правильность разработанных теоретических положений. Исходя из этого необходимо было решить следующие задачи: 1) проектирование и изготовление макетного образца ЭКП для установки его на автомобиль УАЗ 31512 с передаточными отношениями, близкими к серийной КП; 2) установка макетного образца ЭКП на автомобиль; 3) разработка системы переключения, позволяющей переключаться как п—т— 1 так и п—»п+1 при расстопоренном водиле за счет управления направлением и величиной Мд, изготовление компонентов системы и монтаж их на автомобиль; 4) составление программы проведения испытаний, методик отдельных экспериментов, подбор компонентов измерительного комплекса из условия проведения ходовых испытаний, настройка и тарировка измерительного комплекса; 5) проведение ходовых испытаний с переключением передач на различных нагрузочных и скоростных режимах; 6) проведение испытаний автомобиля УАЗ 31512, оснащенного серийной коробкой передач на предмет оценки динамической нагруженности на режимах переключения передач.
Анализ экспериментальных данных и выводы по результатам экспериментального исследования
На рис. 32 представлена осциллограмма процесса переключения передач при переключении 1— 2 (переключение производилось в автоматизированном режиме см. п. 3.4). Линия 1 - сигнал с датчика частоты вращения колес, который имеет две пары полюсов. Следовательно, за один оборот колеса происходит два периода Т колебаний напряжения на соответствующем шлейфе осциллографа. Линия 2 — сигнал с отметчика времени (электронных часов) один раз в секунду. Откуда установлена скорость протяжки ленты 60 мм/сек. Линия 3 - крутящий момент на полуоси. Масштабный коэффициент 23,6 Н-м/мм на одной полуоси, соответственно 47,2 Н-м/мм для двух полуосей. Линия 5 - нулевая линия для крутящего момента на полуоси (проведена согласно данных тарировки при обработке осциллограммы). Линия 7 — сигнал времени переключения (времени разрыва потока мощности).
Перед переключением автомобиль имел скорость 4,3 м/с (15,6 км/ч), что соответствует частоте вращения коленчатого вала двигателя 2050 об/мин (215 рад/с). Автомобиль двигался равномерно, без нагрузки на крюке, момент сопротивления движению на одной полуоси составляет 5мм 23,6 Н м/мм=118Н-м (сила сопротивления движению 600Н) - сопротивление перекатыванию, сопротивление воздуха. При включении хотя бы одного реле (потребляемый ток 30 А), снижалось напряжение на клеммах аккумулятора. Так как подача сигнала о разрыве потока мощности и питание электромагнитных реле производились от одного аккумулятора, то это снижение напряжения вызывало снижение тока через шлейф осциллографа и некоторое отклонение луча. Тем самым, сигнал на переключение был подан в точке А. После срабатывания реле ЭРЗ двигатель был переведен в тормозной режим (кривая крутящего момента пересекается с нулевой линией) путем прикрытия дроссельной заслонки двигателя на величину около 20 % от первоначальной - в рассматриваемом случае нет необходимости выводить двигатель на внешнюю тормозную характеристику. В момент перекладки рычага в пазу фиксирующего механизма рычаг был выведен из паза (при помощи ЭР1) и включено ЭР2 для перевода двигателя в тяговый режим. В точке Б начинается первый этап процесса переключения передач - водило поворачивается в сторону включения второй передачи и размыкается концевой выключатель, в результате чего обесточивается шлейф осциллографа. Точка В линии 7 означает то, что рычаг переключил двухпозиционныи переключатель в районе паза второй передачи фиксирующего механизма. Отрезок БВ и характеризует время переключения (время разрыва потока мощности), его длина в данном случае 9 мм и соответственно время переключения равно 9 мм / 60 мм/сек = 0,15 сек.
Рассмотрим кривую крутящего момента на полуоси соответствующую времени разрыва потока мощности (кривая ГД). Примерно 0,12 с крутящий момент незначительно выше нуля, что соответствует первому этапу процесса переключения передач. Динамическая нагруженность фактически равна нулю. На втором этапе процесса переключения передач динамический момент на полуоси составляет 47,2 Н-м (точка Д). Максимальный крутящий момент двигателя, приведенный к полуоси при включенной второй передаче составляет 160 2,77 4,63/2=1026 Н-м. Тем самым, коэффициент динамичности кд=47,2/1026=0,046 (см. п. 1.3). Продолжительность второго этапа процесса переключения передач составляет 0,03 с, что подтверждает теоретические положения. После точки Д наступает третий этап процесса переключения передач, характеризующийся максимальной динамической на-груженностъю (точка Е) 661 Н-м. Коэффициент динамичности кд=661/1026=0,64. Данные расчеты подтверждают уровень нагруженности трансмиссии на всех этапах процесса переключения передач, установленный в п. 2.9.
В данном случае (рис. 32) была использована система переключения и перевод двигателя сначала в тормозной режим, затем в тяговый. Поэтому время, прошедшее от подачи сигнала на переключение (точка А) до фиксации водила в пазу включаемой передачи (точка Д), составило 0,95 с. При применении системы с выводом водила при помощи гидропривода (см. п. 3.4) точки А и Б расположились бы вблизи друг от друга.
На рис. 33 представлены значения динамической нагруженности, характеризуемой коэффициентом динамичности кд на этапах процесса переключения передач (переключение 1 — 2, соа0=215 рад/с, сила сопротивления движению 600 Н) в зависимости от времени переключения t„. Кривые 1, 2, 3 соответствуют первому, второму, третьему этапам процесса переключения передач и получены экспериментально. Кривая 4 - теоретическая, получена с помощью математической модели для третьего этапа процесса переключения передач. Случай, представленный на рис. 32 характеризуется крайними ле выми точками кривых 1,. 2, 3. Динамическая нагруженность возрастает при уменьшении tn так как на первом этапе процесса переключения передач из-за работы двигателя в тяговом режиме происходит увеличение Шд (чем больше Мд, тем больше и юд). Соответственно, больше разница между Од и угловой скоростью маховой массы автомобиля сов что и определяет динамическую нагруженность. Исследования динамической нагружен-ности процесса переключения передач в серийной КП показали (переключение 1— 2), что кд колеблется практически от нуля при небольшой скорости включения сцепления и снижении Юд перед включением сцепления в ij/i; раз, до величин порядка 0,7 - 0,8 при "броске" сцепления совместно с переводом двигателя в тяговый режим. Установлено, что при осевом габарите ЭКП как у серийной четырехступенчатой КП (228 мм), может быть реализовано до 6-7-ми передач (т.е. практически шаг q между передаточными отношениями ступеней может быть сокращен в корень из q раз), подобное же уплотнение ряда передаточных отношений позволит значительно снизить динамическую нагруженность на всех этапах процесса переключения передач и улучшить качество переходных процессов.
Похожие диссертации на Обоснование режимов переключения в автомобильной коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений
