VARIANTS OF TWO-COUPLE GEAR SHIFTING ORGANIZATION ON TRACTORS

Full Text

Введение В настоящее время в мировом тракторостроении сохраняется практическая необходимость применения механических ступенчатых коробок передач (КП) с использованием двух и более мокрых гидроподжимных фрикционных муфт (ФМ). Как правило, в них переключения передач происходят без разрыва потока мощности за счет соответствующего управления давлениями в бустерах ФМ посредством пропорциональных электрогидравлических клапанов. К таким КП относятся широко применяемые за рубежом КП типа Powershift и упрощенные преселекторные. Причем, несмотря на тенденцию применения преселекторных КП на сельскохозяйственных тракторах, сектор рынка, занимаемый трансмиссиями типа Powershift, остается достаточно велик. В таких трансмиссиях КП состоят из двух частей (рис. 1): основной (между первичным и промежуточным валами) и диапазонной (между промежуточным и вторичным валами). Помимо этого для того, чтобы включить какую-либо передачу, необходимо замкнуть сразу две муфты: ФМ основной части и ФМ диапазонной. В связи с этим в таких трансмиссиях возможны переключения внутри одного диапазона или внутри одной передачи основной части КП (однопарные переключения) и переключения, в которых задействуются сразу четыре ФМ (двухпарные переключения). При этом двухпарное переключение передач представляет собой более сложный и недостаточно изученный процесс одновременно протекающих двух однопарных переключений. Цель исследования Цель исследования - сравнительный анализ различных вариантов организации двухпар-ных переключений передач и выбор наиболее рациональных из них. Материалы и методы исследования Для исследования особенностей процесса двухпарного переключения в программной среде Matlab Simulink была разработана его математическая модель для простейшего варианта КП типа Powershift (рис. 1). При этом построение модели осуществлялось с использованием интерфейсных блоков библиотеки физического моделирования Simscape (рис. 2), что в значительной степени позволяет ускорить процесс разработки моделей. При моделировании было принято, что податливость валов КП пренебрежимо мала и поэтому в модели не учитывается. Учет влияния центробежного давления P на передаваемый муфтой момент осуществлен в соответствии с [1]: где у - удельный вес масла, Н/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; SII - площадь поршня, м2; R ^вн - наружный и внутренний диаметры поршня соответственно, м; R° - внутренний радиус подвода жидкости в поршневую полость ФМ, м. 2 гн3 ^ = /тр k S Передаваемый муфтой момент трения рассчитывался с помощью стандартного блока Disk Friction Clutch в соответствии с выражением: .(P -P + P ) 3 гн2 где /тр - коэффициент трения скольжения дисков; k - число пар трения; S - площадь поверхности трения, м2; r , r - наружный и внутренний радиусы дисков соответственно, м; Рупр - давление в бустере ФМ, Па; Рп - давление отжатия пружин в ФМ, Па; Рц - центробежное давление со стороны масла на поршень ФМ, Па. Поскольку коэффициент трения не обладает стабильностью и зависит от большого числа сложнопрогнозируемых факторов (температуры, степени изношенности, покоробленно-сти фрикционных дисков, температуры масла и др.) [2-7], в данной математической модели была учтена только зависимость коэффициента трения / = / (Лю) от относительной скорости скольжения Лю фрикционных дисков. В качестве входных были приняты данные для материала HS°9 фирмы Hoerbiger, полученные по результатам экспериментальных исследований, представленных в работе В.М. Шарипова, М.И. Дмитриева, К.И. Городецкого [2]. В общем, если в ходе однопарных переключений передач возможны три варианта взаимных состояний фрикционных муфт (выключаемая ФМ замкнута, включаемая буксует; обе ФМ буксуют; включаемая ФМ замкнута, выключаемая буксует), то в ходе двухпарных таких взаимных состояний будет уже девять. Ниже, для примера, приведена система уравне- ний моментов для этапа переключения передач, когда одновременно буксуют все четыре ФМ. Несмотря на то что данный этап в ходе переключения передач на реальной машине весьма маловероятен, теоретически он возможен. мдвс ~ мк-1 sign(Аюк-1) " мкsign(Л<% ) = = т dюдвс ■ перв. dt ' d га < М -Мс = J -пром^ пром. пром. пром. ^ ' MAsign(Aa> А ) + МБ sign(Aa> Б ) - Мс = d га _ j втор. = ВЫХ-^Г~; Мпром. = Мк-1 1К-1 sign(дгаК-1) + Мк 1К sign(дгак) ; Мпром =-- sign(AraA) + -± sign(Ao^). В соответствии с вышеизложенным, такая КП (рис. 1) в ходе двухпарного переключения между передачами 2 и 3 (i2 < i < i^) может находиться в трех условных промежуточных состояниях: когда передаточное число основной части КП соответствует включаемому, передаточное число диапазонной - нет; когда передаточное число диапазонной части КП соответствует включаемому, передаточное число основной -нет; когда передаточные числа обеих частей КП не соответствуют включаемым. На сегодняшний день подавляющее большинство современных дизельных двигателей оснащаются электронными системами управления. На основе информации с датчиков двигателя такая система управления косвенно определяет действующую на него нагрузку и передает ее значение системе управления КП, что позволяет в ходе переключения рассчитать ориентировочные значения требуемых начальных давлений в бустерах управляемых ФМ. Также наличие возможности обмена данными между системами управления КП и двигателем позволяет управлять частотой вращения коленчатого вала двигателя в ходе переключения с целью ускорения синхронизации дисков ФМ. При таких условиях представляется возможным организовывать этап изменения скорости МТА в ходе однопарного переключения передач под нагрузкой только за счет буксования одной ФМ: включаемой, путем постепенного повышения давления в ее бустере, - для переключений с низшей передачи на высшую (вверх); выключаемой, путем постепенного снижения давления в ее бустере, - для переключений с высшей передачи на низшую (вниз) [8]. При этом на основе данных с датчиков оборотов система управления КП способна определять момент, когда происходит синхронизация дисков управляемой ФМ. Таким образом, для переключений вверх управление давлением целесообразно выстраивать так, чтобы при отсутствии скольжения дисков включаемой ФМ давление в ее бустере увеличивалось до максимального; для переключений вниз - давление в бустере выключаемой ФМ сбрасывалось до нуля с одновременным увеличением давления в бустере включаемой ФМ до максимального. В связи с этим аналогичный подход целесообразно использовать и при управлении двухпарными переключениями, только буксовать в этом случае будут уже две ФМ: одна ФМ передач и одна ФМ диапазонов. Моделирование двухпарных переключений проводилось исходя из того, что система управления КП имеет связь с системой управления двигателем. Основные параметры, заведенные в модель, представлены в таблице 1. Для имитации работы двигателя была заложена характеристика с полкой постоянной мощности 230 кВт, номинальным крутящим моментом 1000 Нм и коэффициентом запаса по моменту 1,5. Основными параметрами, определяющими процесс переключения передач, являются износ ФМ и плавность переключения. На износ ФМ, наряду с работой буксования Аб и временем буксования t6, значительное влияние оказывают характер изменения мощности буксования, о котором можно судить по ее максимальному значению N , и максимальная температура б max* 1 г 9max на поверхностях трения [4-7]. Значения данных параметров, полученные при моделировании, фиксировались в таблице 2. Определение 9max осуществлялось в соответствии с методикой, приведенной в работе В.М. Шарипова и др. [7]: где 9V - объемная температура насыщения ведущих дисков, °С; 9* - средняя температура поверхности трения, °С; 9В - температура вспышки на микроконтакте, °С. Оценку плавности переключения целесообразно проводить по ускорению МТА |a| < 1,5 м/с2 и его первой производной, размах которой не должен превышать 3,4g с1 [8, 9]. Если для гусе- Таблица 1 ничного трактора принять отношение передаточного числа заднего моста к радиусу звездочки 1ЗМ/ГЗВ = 36,5 м1, тогда предельные значения критериев плавности могут быть выражены через угловое ускорение вторичного вала КП и размах его первой производной, которые соответственно будут равны 55 рад/с2 и 1220 рад/с3. На основе указанных значений выбирались интенсивности изменения давлений в бустерах ФМ. Следует отметить, что работу системы управления КП можно выстроить так, чтобы исключить двухпарные переключения между 2-й и 3-й передачами, как таковые (рис. 1). Для этого необходимо провести два однопарных переключения в следующей последовательности: для переключений вверх - 2-4-3 или 2-1-3; для переключений вниз - 3-4-2 или 3-1-2. Такой алгоритм управления позволит относительно просто обеспечить раздельную работу двух ФМ. Однако это может привести к повышенному износу ФМ основной части КП из-за их длительного буксования (табл. 2, пункт 1), а также вызвать некоторый дискомфорт у водителя из-за последовательного увеличения и уменьшения скорости МТА. Указанный недостаток возможно устранить за счет задействования управления двигателем (табл. 2, пункт 2). В частности, процесс переключения вверх может быть реализован следующим образом (рис. 3, а): сначала осуществляется однопарное переключение со 2-й передачи на 4-ю с одновременной подачей команды на резкое понижение частоты вращения коленчатого вала двигателя до величины, близкой к / q2 (где n двс1 двс1 частота вращения коленчатого вала двигателя до начала переключения передач), и повышением давления во включаемой ФМ с интенсивностью, удовлетворяющей параметрам плавности; затем, после синхронизации дисков ФК, - переключение вниз с 4-й передачи на 3-ю при буксующей ФБ с одновременной подачей команды на резкое увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя до величины, близкой к n с1, в ходе которого происходит синхронизация дисков ФА. При этом при переключении 4-3 для обеспечения ускорения МТА момент, реализуемый выключаемой ФМ диапазонов, должен быть больше момента сопротивления, приведенного к ее валу. двс1 Переключение передач с 3-й на 2-ю можно организовать по аналогии с описанным переключением вверх; для этого сначала необходимо осуществить переключение с 3-ей передачи на 4-ю с одновременной подачей команды на резкое уменьшение частоты вращения коленчатого вала двигателя до величины, близкой к пдвс1 / q , в ходе которого происходит синхронизация дисков ФБ; затем осуществить переключение с 4-й передачи на 2-ю с одновременным резким увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя до величины n (рис. 3, б). При этом при переключении 3-4 для обеспечения замедления МТА момент вы- ключаемой ФМ передач должен быть меньше приведенного к первичному валу момента сопротивления. Описанный выше способ в сочетании с использованием двигателя с полкой постоянной мощности, характеризующегося постоянным расходом топлива на корректорной ветви, может быть упрощен. То есть получение требуемой скорости МТА может быть достигнуто осуществлением только первой стадии переключения (первого однопарного переключения) с последующим изменением частоты вращения коленвала двигателя до величины, соответствующей требуемой скорости МТА (табл. 2, пункт 3). В целом при переключении со 2-й передачи на 4-ю наступает момент, когда происходит синхронизация дисков ФА, т.е. включается 3-я передача. Теоретически, если поймать этот момент времени, можно организовать переключение при минимальном буксовании ФМ диапазонов. Однако на практике это трудно реализуемо. Аналогичный вывод можно сделать и о переключении вниз. Одновременное буксование высшей ФМ передач и высшей ФМ диапазонов в ходе двух-парного переключения позволяет ускорить синхронизацию дисков включаемых ФМ (табл. 2, пункт 4). При этом на характер изменения скорости МТА будет влиять момент, обеспечиваемый выключаемой буксующей ФМ, что дает возможность достаточно быстро провести синхронизацию дисков буксующей включаемой ФМ. Однако необходимо учитывать, что как на переключениях вверх, так и на переключениях вниз, необходимо сначала добиться синхронизации дисков включаемой ФМ диапазонов и только после этого синхронизировать включаемую ФМ передач. Такая последовательность замыкания ФМ позволит в ходе переключения сохранить ускоренное движение МТА на переключениях вверх и замедление на переключениях вниз, как до так и после замыкания ФМ диапазонов. При этом в ходе переключения на этапе изменения скорости МТА также должны выполняться условия: МБ>Мс - на переключениях вверх (рис. 4, а), МК<МС/13 - на переключениях вниз (рис. 4, б). Результаты моделирования показали (табл. 2), что наиболее оптимальным является способ переключения через передачу с управлением двигателем с полкой постоянной мощности. Также из полученных данных видно, что управление переключением за счет одновременного буксования ФМ передач и ФМ диапазонов характеризуется аналогичными значениями параметров, определяющих износ ФМ, что и при последовательном переключении с управлением двигателем. При движении трактора с прицепом или без нагрузки двухпарные переключения целесообразно полностью исключить, переключаясь либо через передачу, либо с разрывом потока мощности, поскольку значения инерционных сил будут достаточны, чтобы МТА какое-то время двигался без значительного замедления. Выводы 1. Однопарные переключения трактора с орудием через передачу без управления двигателем являются неблагоприятными, поскольку могут сопровождаться повышенным износом ФМ, особенно интенсивным на переключениях вверх. 2. Одновременное буксование высшей ФМ передач и высшей ФМ диапазонов в ходе двух-парного переключения позволяет ускорить синхронизацию дисков включаемых ФМ. 3. Для адаптивного управления двухпарным переключением, осуществляемого за счет одновременного буксования двух ФМ, необходимо наличие датчиков оборотов на всех трех валах КП, а также наличие возможности обмена данными между системами управления КП и двигателем. При этом адаптивное управление, наряду с повышением точности методов определения момента сопротивления, передаваемых муфтами моментов, относительных скоростей скольжения дисков ФМ, также требует повышения степени соответствия между реальными значениями давлений в бустерах ФМ и расчетными, подаваемыми в виде электрических сигналов на их пропорциональные клапаны. 4. При организации переключений передач с управлением двигателем необходимо учитывать, что при подаче команды на резкое понижение частоты вращения коленвала двигателя его замедление не происходит мгновенно. Скорость данного процесса при неизменных моменте силы и моменте инерции, приведенных к двигателю со стороны нагрузки, ограниченна и определяется тормозным моментом и моментом инерции двигателя.

About the authors

E. M Alendeev

Central research and development automobile and engine institute NAMI

Email: evg9702@gmail.com
PhD in Engineering

V. A Kryuchkov

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: smash@list.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files