Digital on-board clutch tester

Full Text

Введение Механическая трансмиссия имеет широкое применение на тягово- транспортных машинах (ТТМ) из-за простоты и надежности. Наиболее частой неисправностью сцепления является его пробуксовка, обусловленная износом поверхностей трения ведущих и ведомых деталей, потерей упругих свойств нажимных пружин и др. С целью увеличения ресурса работы и исключения его пробуксовки сцепление рассчитывают с запасом по передаваемому крутящему моменту в 1,2-2,5 раза больше [1] наибольшего крутящего момента , создаваемого двигателем внутреннего сгорания (ДВС) (1) где - коэффициент запаса сцепления, равный 1,2-2,5. Пробуксовка сцепления приводит к снижению таких показателей эффективности работы ТТМ, как производительность, топливная экономичность, проходимость [2, 3, 4]. Поэтому важным вопросом снижения затрат в эксплуатации является своевременное прекращение работы ТТМ при указанной неисправности, которая определяется диагностированием. Наиболее простым методом оценки технического состояния сцепления является силовой с применением стробоскопа и нагрузочного стенда. Однако он является трудоемким, требует громоздкого и дорогостоящего оборудования [5]. Бортовых средств диагностирования сцепления, позволяющих вести постоянный контроль за его техническим состоянием, в настоящее время нет. Поэтому разработка простых и дешевых бортовых диагностических средств для диагностирования сцепления является важным. Цель исследований Разработка эффективного цифрового устройства бортового диагностирования сцепления ТТМ, применение которого обеспечит высокую точность его буксования, что позволит своевременно предупредить эксплуатацию сцепления в неисправном состоянии и повысит эффективность работы машины. Материалы и методы Метод создания бортового цифрового диагностического устройства заключается в том, что измерение параметров (количество импульсов) осуществляется в цифровом 16-тиразрядном коде, обеспечивающим высокую точность. При этом измеряют частоту импульсов от зубьев маховика при помощи датчика частоты вращения в 16-тиразрядном цифровом коде и частоту импульсов от зубьев шестерни первичного вала коробки передач в 16-тиразрядном цифровом коде. Затем переводят полученные цифровые коды в десятичную систему счисления и определяют разность полученных импульсов с учетом корректировки количества импульсов от маховика, разделив это количество импульсов на отношение количества зубьев маховика к количеству зубьев шестерни первичного вала коробки передач. Сравнивают разность импульсов с нормативным значением и на основании этого делают заключение о техническом состоянии сцепления. При исправном состоянии эта разность должна быть равна нулю или меньше допустимой. Результаты и обсуждение Разработанное устройство содержит (рис. 1) первый датчик 1 частоты вращения маховика, установленный на картере 2 сцепления, жестко прикрепленного к блоку ДВС 3, и выполненный в виде маховика 4, первой катушки 5 индуктивности с магнитным сердечником 6, установленных вблизи зубьев маховика 4 на расстоянии 1-3 мм. Второй датчик 7 частоты вращения первичного вала 8 коробки передач (КП) 9 установлен на ее крышке на расстоянии 1-3 мм от зубьев шестерни 10 первичного вала 8 и выполнен в виде второй катушки 11 индуктивности с магнитным сердечником 12. В качестве формирователей сигналов, получаемых на выходах датчиков, применены первая дифференцирующая цепь 13 (рис. 2) с первым отсекающим диодом 14, входом подсоединенная к первой катушке 5 индуктивности первого датчика1 частоты вращения, вторая дифференцирующая цепь 15 со вторым отсекающим диодом 16, входом подсоединенная ко второй катушке 11 индуктивности второго датчика 7 частоты вращения, третью дифференцирующую цепь 17 с третьим отсекающим диодом 18, автоколебательный мультивибратор 19. Рис. 1. Схема установки датчиков частоты вращения маховика и первичного вала коробки передач на картере сцепления и крышке коробки передач Fig. 1. Installation diagram of the flywheel and input shaft speed sensors on the clutch housing and gearbox cover Все параметры элементов устройства рассчитываются. В качестве примера рассчитаем приборы дифференцирующей цепи 17 мультивибратора 19 при условии, что мультивибратор формирует на выходе прямоугольные импульсы напряжения длительностью, равной одной секунде. Тогда принимаем, что постоянная времени дифференцирующей цепи должна быть равной для обеспечения надежной работы системы 20 % длительности прямоугольного импульса на выходе автоколебательного мультивибратора с постоянной времени Т = 0,2·1= 0,2 с. Принимаем, что резистор 101 выбран с сопротивлением R 101 =104 Ом. Тогда постоянная времени дифференцирующей цепи 17 вычисляется по формуле: (2) Отсюда находим второй параметр дифференцирующей цепи 17, а именно емкость конденсатора (3) Регистраторами и формирователями сигналов в устройстве служат: первый шестнадцатиразрядный суммирующий электронный счетчик 20 с выходами 21-36, соединенными с светоизлучающими диодами 37-52; второй шестнадцатиразрядный суммирующий электронный счетчик 53 с выходами 54-69, соединенными с светоизлучающими диодами 70- 85; первый логический элемент И 86 с входами 87 и 88, первым входом 87 соединенный с первой дифференцирующей цепью 13; второй логический элемент И 90 с входами 91 и 92. При этом выход первого логического элемента И 86 посредством первого резистора 89 соединен с счетным входом первого счетчика 20, а второй логический элемент И 90 первым входом соединен со второй дифференцирующей цепью 15. Выход второго логического элемента И 90 посредством второго резистора 93 соединен со счетным входом второго счетчика 53. Рис. 2. Электрическая схема устройства для бортового диагностирования сцепления Fig. 2. Electrical diagram of the device for on-board clutch diagnostics Регистраторами и формирователями сигналов в устройстве служат: первый шестнадцатиразрядный суммирующий электронный счетчик 20 с выходами 21-36, соединенными с светоизлучающими диодами 37-52; второй шестнадцатиразрядный суммирующий электронный счетчик 53 с выходами 54-69, соединенными с светоизлучающими диодами 70-85; первый логический элемент И 86 с входами 87 и 88, первым входом 87 соединенный с первой дифференцирующей цепью 13; второй логический элемент И 90 с входами 91 и 92. При этом выход первого логического элемента И 86 посредством первого резистора 89 соединен с счетным входом первого счетчика 20, а второй логический элемент И 90 первым входом соединен со второй дифференцирующей цепью 15. Выход второго логического элемента И 90 посредством второго резистора 93 соединен со счетным входом второго счетчика 53. Вход третьей дифференцирующей цепи 17 и вторые входы 88, 92 соответственно первого и второго логических элементов И 86, 90 параллельно соединены с выходом автоколебательного мультивибратора 19, а входы установки нуля первого и второго счетчиков 20, 53 параллельно соединены с выходом третьей дифференцирующей цепи 17. Первая дифференцирующая цепь 13 имеет два резистора 94, 95 и конденсатор 96; вторая - два резистора 97, 98 и конденсатор 99. Третья дифференцирующая цепь 17 имеет конденсатор 100 и резистор 101. Автоколебательный мультивибратор 19 имеет первый логический элемент И-НЕ 102, второй логический элемент И-НЕ 103, первый конденсатор 104, второй конденсатор 105, первый диод 106, второй диод 107, первый резистор 108, второй резистор 109. Автоколебательный мультивибратор выполняется симметричным, а его сопротивление резисторов и емкости конденсаторов выбраны таким образом, что обеспечивается формирование на его выходе прямоугольных импульсов напряжения и пауз длительностью 1 с. Наличие первого и второго шестнадцатиразрядных суммирующих электронных счетчиков, каждый из которых имеет 16 выходов, 32 светоизлучающих диода, каждый из которых соединен с одним из выходов первого 20 и второго 53 счетчиков, позволяет при включении устройства получать на их выходе цифровые коды за одну секунду, отображающие соответственно частоты вращения маховика 4 ДВС 3 и первичного вала 8 КП 9 (рис. 1), Перевод кода в десятичное исчисление и определение разности чисел импульсов на выходе первого 20 и второго 53 счетчиков является мерой буксования сцепления. Наличие первого логического элемента И 86 с двумя входами, первым входом 87 соединенного с первой дифференцирующей цепью 13, соединение выхода первого логического элемента И 86 посредством первого резистора 89 со счетным входом первого счетчика 20, наличие второго логического элемента И 90 с двумя входами, первым входом соединенного с второй дифференцирующей цепью 15, соединение выхода второго логического элемента И 90 посредством второго резистора 93 со счетным входом второго счетчика 53, соединение входа третьей дифференцирующей цепи 17 и вторых входов 88, 92 первого 86 и второго 90 логических элементов И параллельно с выходом автоколебательного мультивибратора 19, соединение входов установки нуля первого 20 и второго 53 счетчиков параллельно с выходом третьей дифференцирующей цепи 17 позволяет обнулять счетчики 20, 53 и получать на выходах логических элементов И 86, 90 последователь-ность импульсов, длительность которых равна длительности прямоугольного импульса, формируемого на выходе автоколебательного мультивибратора 19, а число импульсов на выходах первого и второго логических элементов И пропорционально частоте вращения и количеству зубьев соответственно маховика 4 ДВС 3 и первичного вала 8 с шестерней 10 КП 9. Частота вращения и количество зубьев маховика 4 и шестерни 10 позволяют применить в устройстве 16-тиразрядный счетчик, так как, например, при частоте вращения вала 6000 мин-1 за 1 секунду формируется на выходе первой дифференцирующей цепи с отсекающим диодом не более 10000 положительных импульсов, а 16-тиразрядный счетчик может формировать цифровой код до 60 тысяч импульсов в секунду, подаваемых на его вход. Работу датчика частоты вращения поясняет рис. 3. При вращении маховика 4 ДВС 3 и первичного вала 8 КП 9 (рис. 1) на выходе катушек 5 и 12 индуктивности с магнитными сердечниками 5 и 6 за один оборот формируются разнополярные импульсы. Эти импульсы (рис. 3, а) дифференцируются первой и второй дифференцирующими цепями 13, 15 (рис. 3, б), выпрямляются первым и вторым диодами 14, 16 (рис. 3, в) и подаются на первые входы 87, 91 логических элементов 86, 90 (рис. 2). Рис. 3. Импульсы напряжения в цепях датчика частоты вращения Fig. 3. Voltage pulses in the speed sensor circuits На вторые входы 86, 92 логических элементов 86, 90 и одновременно на вход третьей дифференцирующей цепи 17 подаются импульсы от автоколебательного мультивибратора 19 длительностью 1 с (рис. 4, б). При наличии напряжения на вторых входах логических элементов 86, 90 длительностью 1 с на их выходах формируются периодические последовательности коротких импульсов (рис. 4, в), которые подаются на счетные входы S счетчиков 20 и 53, преобразуются счетчиками в 16-ти разрядные цифровые коды на выходах 21-36 первого счетчика 20 и выходах 54-69 второго счетчика 53. С помощью светоизлучающих диодов 54-69 и 70-85 высвечиваются полученные цифровые коды, отображающие количество импульсов напряжения за одну секунду от датчиков 1, 7 частоты вращения соответственно маховика 4 ДВС 3 и шестерни 10 первичного вала 8 КП 9 (рис. 1). Полученные цифровые коды водителем (оператором) переводят в десятичную систему счисления и определяют количество импульсов. Учитывая, что количество зубьев маховика 4 и шестерни 10 может быть разным, необходимо скорректировать количество импульсов от датчика частоты вращения маховика, разделив это количество импульсов на отношение количества зубьев маховика (Z М ) к количеству зубьев шестерни (Z Ш ). Далее определяют разность количества импульсов от шестерни 10 и скорректированного количества импульсов от маховика 4, которую сравнивают с допустимым количеством импульсов и на основании сравнения делают заключение о техническом состоянии сцепления. Рис. 4. Импульсы напряжения на входе (а, б) и выходе (в) при работе логического элемента Fig. 4. Voltage pulses at the input (a, b) and output (c) during the operation of the logic element Приведем пример перевода кода на счетчике в импульсы. Пусть высветился посредством светодиодов код на первом шестнадцатиразрядном счетчике 20, равный 0000000001100100. Для перевода его в десятичную систему счисления, как известно, пользуются суммой 215+214+ 213+ 212+ 211+ 210+ 29+28 + 27 + 26 + 25 + 24 + 23 + 22 + 21 + 2° = 0 +0 +0 +0+ 0+ 0 +0 +0 + 0 + 64 + 32 + 0 + 0 + 4 + 0 + 0 = 100. Это означает, что для получения этого кода первым счетчиком подсчитано 100 импульсов, поступающих от первого датчика 1 частоты вращения маховика. Если при этом на выходе второго счетчика 53 частоты вращения первичного вала КП образовался код, соответствующий десятичному числу, например, в 90 импульсов, то буксование оценивается в 10 импульсов. Если допустимое значение буксования равно 5 импульсам, то в данном примере сцепление требует технического воздействия, т. е. регулировки или ремонта. Затем снова определяют буксование. Если оно снизилось до значения, меньше допустимого (например стало равным 3 импульсам), то техническое воздействие не требуется. Применение предлагаемого устройства обеспечивает экономический эффект за счет увеличения колесной мощности, улучшения топливной экономичности и проходимости, снижения вероятности отказа сцепления и связанных затрат с их устранением. Выводы Разработанное цифровое устройство дает следующий положительный эффект: 1) оперативно при необходимости позволяет оценить буксование сцепления; 2) недорого при внедрении и обеспечивает повышение таких эксплуатационных свойств ТТМ, как колесная мощность, топливная экономичность и проходимость; 3) сокращает эксплуатационные расходы за счет снижения вероятности отказов сцепления и затрат на их устранение.

About the authors

V. V Gerashchenko

Belarusian-Russian University

Ph.D. in Engineering Mogilev, Belarus

V. P Lobakh

Belarusian-Russian University

Email: lobakhvp@mail.ru
Ph.D. in Engineering Mogilev, Belarus

N. A Kovalenko

Belarusian-Russian University

Ph.D. in Engineering Mogilev, Belarus

V. D Rogozhin

Belarusian-Russian University

Ph.D. in Engineering Mogilev, Belarus

References

Supplementary files