автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Синтез алгоритма переключения передач в трансмиссии автобуса

I» EJ10 РУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УДК 629. 113- 585 РГ5 01

2 5 ДЕК 2«в1

КУСЯК Виктор Анатольевич

СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ В ТРАНСМИССИИ АВТОБУСА

05. 05. 03-Колесные и гусеничные машины

Ант ореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 2000

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии на кафедре "Автомобили".

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Руктешель О.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Богдан Н.В.; кандидат технических наук, ст. научн. сотрудник Белоус М.М.

Оппонирующая организация-ПО "БелАвтоМАЗ".

Зашита состоится "15" ноября 2000 г. в 14— часов на заседании докторскою совета по защите диссертаций Д 02.05.04 при Белорусской государственной политехнической академии по адресу: г. Минск, проспект Ф. Скорины, 65, Белорусская государственная политехническая академия, тел. (017) 232-81-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан "1Ь" октября 2000 г.

Ученый секретарь _____ ^ ,

Совета по защите диссертаций cS^EgS^-?—В.А. Бармин

©КусякВ.А., 2000

ОЫЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВОТЫ

Актуальность темы днссептаччн. Проблема повышения эффективности автотранспортных средств (АТС) является одной из важнейших задач народного хозяйства Республики Беларусь. Она становится особенно острой в связи с повышением интенсивности использования автомобильного парка машин. В настоящее время па долю автомобильного транспорта республики приходится около 57.. 60 % грузопассажирских перевозок, и в ближайшие 10-15 лет этот процент будет неуклонно повышаться.

Производительность АТС определяют масса перевозимого груза и средняя скорость движения. Эти важнейшие показатели постоянно увеличиваются, причем требования по снижению материалоемкости не допускают увеличения собственной массы автомобиля. Нагруженность трансмиссии, как следствие, возрастает, что снижает надежность машинного агрегата автомобиля в целом.

Обзор и анализ литературных источников показал, что основополагающим фактором в формировании нагруженности валопроводов и фрикционных элементов силовой передачи автомобиля является динамическая импульсная составляющая, возникающая при неустановившемся движении в процессе трогания, переключения передач, разгона и торможения.

При движении в городской черте суммарное число переходных процессов Достигает 17 единиц на 1 километр. Данные режимы имеют импульсно- динамический характер нарастания пиковых нагрузок с их последующим затуханием минимум через 3 периода колебаний. Учитывая специфику протекания вышеописанных процессов, а также их плотность на километр пробега, можно сделать вывод о доминирующей роли переходных режимов в формировании нагруженности АТС.

В целом изучение динамических нагрузок в трансмиссии и изыскание путей их уменьшения является важной и актуальной задачей, особенно для городских автобусов, для которых характерно движение при неустановившемся режиме. .

Сипи, работы с крупными научными программами. Диссертационная работа выполнялась в рамках Государственной научно-технической программы "Белавтотракторостроение": "Создать новые модели конкурентоспособных автомобилей, тракторов, дизельных двигателей, выпускаемых ведущими предприятиями машиностроительного комплекса, для нужд республики и экспорта на 1996-1997 г. и на период до 2000 года", этап ЛТ-01 01.16 "Разработать конструкцию, изготовить и провести испытание опытных образцов новой прогрессивной коробки с переключением передач бея разрыва потока мощности". Утверждена постановлением Совета Министров Республики Беларусь в 1996 году, номер государственной регистрации 1093 р.

Цели и залами исследовании Целью диссертационной работы является снижение нагруженности элементов трансмиссии и повышение плавности движения автобуса путем оптимизации параметров алгоритма преселекторного переключения передач

Для достижения поставленной пели необходимо решить следующие задачи

г

1 .Разработать методику и инструментарий для исследования нагруженно-сти трансмиссий АТС, оборудованных перспективной коробкой передач (КП), при переходных процессах.

2.Доказать адекватность разработанных моделей реальному процессу:

• составить программу и методику экспериментальных исследований, реализовать их на испытательном стенде н сопоставить результаты моделирования процесса переключения передач (ППП) на ЭВМ с экспериментальными данными.

3.Провести машинный эксперимент:

• обосновать выбор КГ1 для городского автобуса, сопоставив показатели нагру-женности трансмиссии при обычном и преселекторном переключении передач;

• разработать методику, алгоритм и программу синтеза параметров алгоритма переключения передач (АПП) на ЭВМ;

• оптимизировать параметры алгоритма преселекторного переключения передач.

4. Разработать регрессионные зависимости оценочных критериев качества ППП от параметров алгоритма преселекторного переключения передач.

Объект и предмет исслс/юпанив. Объектом исследования являлся силовой агрегат автобуса, оборудованного коробкой передач с двойной фрикционной муфтой (ДФМ) на входе. Как следует из поставленной цели и задач, предметом исследования была лагружешюсть трансмиссии городского автобуса, оборудованного принципиально новой КП.

Гипотеза. Предполагается, что благодаря возможности преселекторного переключения передач установка новой КП в трансмиссию автобуса МАЗ-104 сведет к минимуму время разрыва потока мощности при переключении ступеней. Причем последнее обстоятельство будет способствовать снижению нагруженно-сти валопроводов и фрикционных элементов трансмиссии, повышению плавности процесса переключения передач, улучшению тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и экологичности автобуса, что повысит, в конечном итоге, эффективность, производительность и долговечность АТС.

Методологии и методы проведенного исследования. Методологической основой работы являются исследования, базирующиеся на принципах дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования, оптимизации и многофакторного планирования эксперимента.

В результате проведенного аналитического исследования были получены имитационные модели переходных процессов, вызванных троганием автобуса с места, преселекторным и иепреселекторным процессами переключения передач. При разработке динамических и математических моделей таких процессов использовались процедуры приведения и упрощения, численный метод решения систем нелинейных дифференциальных уравнений (метод Руше-Кутта IV порядка), а также математический аппарат гибридных функций и переключателей.

При реализации синтеза параметров алгоритма переключения передач использовался квазшраднентныи метод стохастической аппроксимации с ускоренной сходимостью.

Обработка результатов исследования осуществлялась методом математиче-

ского планирования эксперимента, включающего элементы факторного планирования, регрессионный и дисперсионный анализы, а также процедуру крутого восхождения по поверхности обобщенного отклика. Научная новнзна работы:

• разработана методика исследования нагруженности трансмиссии АТС, оборудованных КП с ДФМ, при переходных процессах;

• решена многокритериальная задача синтеза параметров алгоритма преселек-торного переключения передач;

• даны рекомендации по уменьшению габаритов и массы перспективной КП за счет рационального выбора параметров двойной фрикционной муфты;

• получены регрессионные зависимости оценочных критериев ППП от параметров алгоритма прсселекторного переключения передач.

Практическая (экономическая значимость) полученных результатов. 1 Подтверждена целесообразность установки перспективной коробки передач в трансмиссию автотранспортных средств, что приведет к:

• повышению надежности трансмиссионных узлов;

• большей комфортабельности пассажиров и (или) лучшей сохранности груза;

• улучшению тягово-скоростных свойств;

• повышению топливной экономичности и экологичности;

• облегчению запуска двигателя при низких температурах.

2. Предложенная методика и инструментарий позволяют получать данные о качественных и количественных характеристиках динамических процессов в трансмиссии.

3. Получены оптимальные параметры АПП, которые могут быть использованы для программирования микропроцессорного блока при автоматизации управления трансмиссией данного типа.

4. Предложены рекомендации по уменьшению габаритов и массы перспективной коробки за счет рационального выбора параметров ДФМ.

Полученные результаты могут быть использованы конструкторскими службами автомобилестроительных предприятии, а также научно - исследовательскими организациями при проектировании трансмиссий с перспективной КП.

Отдельные элементы программного и математического обеспечения, разработанные в ходе данного исследования, используются в учебном процессе на кафедре "Автомобили" БГПА.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• методика исследования нагрузочного режима при переключении передач в трансмиссии автобуса с перспективной КП;

• математическая и компьютерная модели переходных процессов, вызванных переключением передач в КП с двойной фрикционной муфтой;

• критерии эффективности, оценивающие качество исследуемых процессов;

• результаты многокритериальной оптимизации, полученные в процессе синтеза

параметров алгоритма переключения передач;

• регрессионные зависимости нагрузочных показателей трансмиссии и интегрального критерия эффективности от параметров алгоритма преселекторного переключения передач;

• рекомендации по улучшению качества переходных процессов и выбору параметров двойкой фрикционной муфты.

Лнчный вклад сд^уцату-Ц? Автором диссертации самостоятельно разработаны теоретические основы и методика проведения машинного эксперимента, имитационные модели исследуемых процессов, математическое и программное обеспечение синтеза параметров АИП и, на основе обобщения полученных результатов, даны рекомендации по их практическому использованию.

Апрофрннр результатов /|нсс?птанни Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 18, 19 и 20-м Международных научных симпозиумах студентов и молодых научных работников (Польша, г. Зелена Гура, 1996 г., 1997г., 1998г.), на 52-й и 53-й Международных НТК профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов (Республика Беларусь, г. Минск, БГПА, 1998 г., 1999 г.), на 15-й Международной НТК по двигателям внутреннего сгорания и моторным транспортным средствам "МОТАиТО'98" (Болгария, г. Варна, 1998 г.), на международной математической конференции "Еругвнские чтения-УГ (Республику Беларусь, г. Гомель, ГГУ им. Ф. Скорины, 1999 г.), на II Республиканской НТК "Автомобиль, дорога, безопасность" (Республика Беларусь, г. Минск, 1999 г.).

ОпуСиткрранщкть результатов Материалы диссертационной работы представлены в 9 научных публикациях, в том числе 3 статьях, 4 тезисах докладов, сделанных на конференциях, и 2 депонированных рукописях.

Объем опубликованных материалов по теме диссертации составляет 37 страниц печатного текста:

Структупя и о Яму диерертяипи. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, 4-х глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации включает 174 страницы, в том числе основной текст - 91 страницу; 38 иллюстраций и 22 таблицы - 44 страницы; список использованных источников (165 наименований) - 12 страниц, а также 6 приложений - 27 страниц, где текстввая часть занимает 23 страницы (5 распечаток с ЭВМ), а 4 таблицы - 4 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По введении и обшей характеристике ряйоты обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

П первой главу "Обзор методов улучшения качества переходных процессов при трогании АТС с места и переключении передач" анализируется информация о характере динамических процессов, протекающих в машинном агрегате автомобиля при неустановившихся режимах движения, рассматриваются аспекты нагру-

женности элементов трансмиссии при переходных процессах, включающие не только вопросы выбора оценочных измерителей их качества, но и возможные методы улучшения этих показателей при трогани« автомобиля с места и переключении передач.

Проведенный обзор позволил установить, что вопросам исследования нагруженное™ трансмиссий автомобилей посвящены работы отечественных и зарубежных авторов: Альгина В.Б., Армадерова Р.Г., Бухарина H.A., Высоцкого М.С., Гольда Б.В., Гришкевича А.И., Иванова В.А., Котикова Ю.Г., Лукина А.К., Лунева U.C., Молибошко Л.А., Островерхо'ва Н.Л., Рожанского A.A., Руктешеля О.С., Семенова В.М., Строкова В.А., Тарасика В.П., Цитовича И.С., Erhard К., Hnatko Е., Holzinger.O., Klein N., Mitschke M., Stall E. и др., результаты которых повлияли на методологическую основу диссертационной работы.

Нагруженность силовой передачи автомобиля определяется временем и темпом включения сцепления, конструкцией его привода, величиной и законом нарастания момента трения, коэффициентом сцепления ведущих колес с опорной поверхностью дорожного покрытия, начальным значением угловой скорости коленчатого вала двигателя, темпом перемещения педали подачи топлив.!, коэффициентом сопротивления движению, моментами инерции, податливостями, коэффициентами демпфирования узлов и деталей трансмиссии и частотой собственных колебаний каждой из подсистем в отдельности.

Несмотря на достаточную освещенность вопросов, связанных с динамикой переходных процессов, остаются неизученными особенности нагруженности трансмиссий, оборудованных коробкой передач с двойной фрикционной муфтой.

Анализ методов улучшения качества переходных процессов при троганнн АТС с места и переключении передач показал, что нет должной комплексности в оценке нагружениостн валопроводов, фрикционных элементов' трансмиссии и плавности хода автомобиля ца неустановившихся режимах движения. Недостаточно изучен вопрос выбора оптимального времени раарьгаа потока .мощности, определяющего динамику движений АТС и влияющего на основные нагрузочные и эксплуатационные иоказат-еянавтомобиля.

На основе проведенного анализа работ была сформулирована цель и определены задачи исследован»».

Во втопоД глДве "Разработка имитационной модели процесса преселектор-ного переключения передач в трамемиссии городского автобуса" предложена методика исследования пагружецноети АТС, оборудованных коробкой передач с двойной фрикционной муфтой, йазрабагзна математическая модель процессов преселекторного и непреселекторпото пере-клит-кния передач в модернизированной трансмиссии автобуса, имитирующая работу дизельного двигателя, всере-жимного регулятора; ДФМ. моторного тормоза и синхронизаторов КП. а также позволяющая управлять ими с различным темпом и в различной последовательности, осуществлять переключение как с низшей на высшую передачу, так и н обратном порядке.

Важнейшим этапом, предшествующим моделированию динамических про-

цессов а реальной системе на ЭВМ, является схематизация этой системы. Последняя заключается в выборе идеализированной физической модели, адекватно отображающей поведение системы при анализе конкретного вида явлений. Таким образом, динамические нагрузки в силовом агрегате автомобиля исследуются путем замены действительной распределенной системы упрощенной, представленной в виде дискретной модели.

Оригинальным объектом в исследуемом силовом агрегате автобуса является коробка передач, кинематическая схема которой изображена на рис. 1.

тМ1 М2

Рис.1. Кинематическая схема коробки передач с двойной фрикционной муфтой

Установка двойной фрикционной муфты на входе дает возможность осуществлять преселеюшриое переключение путем активизации одною из фрикционов Ф; или Фг, что значительно упрощает управление коробкой, сводит к минимуму время разрыва потока мощности и упрощает автоматизацию процесса переключения.

Приведенная схема расчетной динамической системы автобуса для анализа процесса переключения передач изображена на рис. 2.

Ф;

1"1.2

-э-

М д . !>!ш

Ф/

Рис. 2. Схема расчетной динамической системы автобуса МАЗ-104 Схема включает: 1„ е„ г, - соответственно приведенные моменты инерции, податливости и коэффициенты демпфирования узлов и детален автобуса; Ф|, Фг -фрикционы двойной муфты сцепления; С), С2 - синхронизаторы включения соответственно низшей и высшей передач; Сз - сцепление в контакте шин ведущих колес с

поверхностью дорожного покрытия; Мд, Ммт, Му, МФ, М, - моменты внешних сил; U¡, и,н - передаточные числа соответственно низшей и высшей передачи в КП.

Математическая модель представлена дифференциальными уравнениями Лагранжа Н-го рода, где в качестве обобщенных координат приняты угловые-ско-рости (co¡) инерционных масс и крутящие моменты (M¡) в упругих звеньях.

.Особенностью расчетной схемы (рис. 2) является наличие 5 сцеплений -Фь Фг, С,, С2, Cj- расчленяющих динамическую систему. Включение - выключение любого из них в процессе переключения передач приводит к перестройке структуры и изменению параметров модели, с последующим согласованием их кинематических и силовых факторов. Следовательно, динамическая система силового агрегата автомобиля представляет собой логико-динамическую систему с переменной структурой, включающей 32 различных состояния.

Традиционное описание каждого из структурных состояний соответствующей системой дифференциальных уравнений является нецелесообразным, т. к. требует разработки излишне громоздкой подпрограммы вычислений правых частей дифференциальных уравнений. Поэтому, на этапе разработки математической модели процесса переключения передач, был использован аппарат гибридных функций и переключателей, ограничивающий область действия некоторой функции или уравнения.

Движение масс расчетной динамической системы автобуса описывается при этом одной системой логнко-днфференциальных уравнений:

1)t£>i =(Мд-(М112+Мг1>2)-Ммт)/11; Мд =Г](со|,Ю2,ад);

2)M1)2=(co1-co2)/eii2; Мф| = f2[(ra2-<n3),t]; Мф1 = f2[(ro2-co3),t]; Мг12 =(а>! -co2)-r)2;

3)w2 =(М, 2 +Мт12 -(M3j4 + Mr3j4)-Li -PpLg-Мф! -s¡gn(co2 -ío3)-L2 х xLq -((М4д6 +Мг4д6)/ип+] 6)-Ь3 -Р2 - Lio -Мф2 -sign(co2 -to5)x х L4 ■L10)/(I2 +1, -L9 +(I5 +I4 -U^6/U2+16).L3 .L10);

4)m3 =((M|i2 + Mr, 2)-L, -Р. +Мф, -sign(oj2 -co3)-L2 -(M34 + Mr34))-LQ + +(i3 + «2-i-i);

5)M3j4 = (<o3 -cü4)-L9 /e3>4; Mr3>4 = (co3 -w4)-L9 -r3 4; (I)

6)<b4 =((M3,4+Mr3i4)-L9-(M45>6+Mr456)/Un,6)/(I4+l5-U^I6/U26);

7)ój5 =((M12 +Mr, 2)-L3 -P2 +Мф2мрп(1о2 -w5)-L4 -(М4Д6 + Mr4¿<6 ) + -Un + |.6)-L1o/(l5+l2-L3+l4-U26/u2+|i6) + <b4/U„.e-Un<1,s-L9;

8)M4,5,6 =(°>4/Un,6-L9 + <os /lin+1.6 'Lio-ш6)/е456; Mr4,i,6 =("4 /Un,6 'L9 +(ü5 /Un + I.S -1-ю -W6)-r4 5 6:

9)<u6 = (M4 5fi + Mr45 6-((M7 8 +Mr78)/Un 7)-Ls-Mci -signícuji -co7 ■Vn -I)x x Lh - ((M78 + Mi7S)/U„ , i,7 >-L7 -Mc2 -sign(u)6 - u)7 - Un,| 7J-L8)v ' ^(l6 + l7/U^7.L5+l7;Un2,|7.L7):

10)«7 =((М4Д6 + Мг4лб)'ип,7 Ч +мс1 •«¡8П(Ш6-СО7 -ип>7)-Ь6 +

+ (^4,5,6 +МЧЗ,б)-ип+1,7 ^7 + Мс2 -8Щп((0й -ш7 •ип+117)-ип+17 -Ь8 -

-(М7,8 +Мг7>8))/(17.+а6 .'и*, +16/и2+)7 .Ь7); И)М78 =/<о7 -ш8)/е78; Мг78 = (ш7 -о)8)г78;

12)¿8 '»(М^в + Мг78-(М89 + Мг89)-Р3 -Мф-8щп(с)8 -ш9)Р4 -

13)М8;9 = (ш8-со» -Рз)/с89; Мг89 =(со8-со9-Рз)-г8_9;

14)ш9 =((М8>9 +Мг8 9)-Рз +М(р ^¡^(а^ -ю9)Р4 -М, -51^ш9)/19;

I _Априш2=Шз. , _ (1 приа>2 I

1 |0присо2 /шз' 2 ""[Опришг =соз' 3 ~\0

лри(й2 =а>5. при«2 * 0)5'

при 0)2 ;

Ь4~\0приЮ2=й)5'

■ _|1 пришб *<в7-ип>7. • 6 |0 ирисов =ш7-ип 7'

_ Г1 прию6 =ш7-ип_7 "(Оприюб *а>1 -иП17'

' I

Ь8 = ^10 =

1 присоб 5*ю7 -ип+17. 0 приСОб =Ш7 -ип+] 7'

ь9 =

1 присо6 =со7-ип+17.

0 пришв * со7 -Чп+и'

1 приМф) >-0,05-Мфах ОприМф, 0,05 ■ М™ах'

1 при Мф2 >- 0,03- М^3* 0приМф2 ¿0,05-М^а*'

Р! = 0,5[1+8|£п(Мф1 -|о)3 13 + М34 + Мг3>4|)];

р2 =о,5[1+81еп(мф2 ■

Рз=0,5[1 + явп(Мф-Р4 =0,5[1-мйп(М<р-

й5 'О5 +14 ' 2 ' +(М4,5,6 +Мг4,5,б)/ип+1,6

М 8 д + Мг8 9 М89 +Мг89

п+1,6

где МфШ*.х- максимальный момент трения, развиваемый фрикционами двойной муфты сцепления; Ь„ Р,- соответственно функция предикат и переключатели.

При исследовании процесса переключения передач в АТС с дизельным двигателем, система уравнений (1) должна быть дополнена уравнениями, описывающими работу всережимиого регулятора, предварительную затяжку его пружины, связь координат перемещения муфты регулятора и рейки топливного насоса, и уравнением, определяющим эффективный крутящий момент двигателя. После приведения перечисленных уравнений к виду, удобному для программирования на ЭВМ, последние записываются следующим образом:

=[А(2р)-<о,2 -и^ -ср 1р -Е(ад)-цр -Ур -Рр -«¡впУр]/тр;

Е(ад) = Е0+Ьа -ад;

Мд = МЯ(«,К1-гр /2™*)-(М?д -ЬТД .о),).

Для количественной оценки качества переходных процессов предлагается использовать следующие оценочные показатели: время разрыва потока мощности при переключении tpnu, удельные максимальные мощность N™x и работу Ley,

буксования включаемого фрикциона, коэффициент динамических нагрузок Кди„ и максимальный размах колебаний производной продольного ускорения автомобиля по времени V„ (джерк). Выбранные частные критерии оценивают влияние организации процесса переключения передач на основные эксплуатационные и нагрузочные показатели автобуса.

В целом разработанный комплекс программ имитационного моделирования позволяет оценивать эффективность использования коробок передач как с преселекторным, так и с обычным управлением при различной вариации пара-' метров и заданной фиксированной структуре алгоритма переключения передач.

В третьей главе "Проверка адекватности модели процесса переключения передач в перспективной КП" производится оценка адекватности модели, приводятся результаты моделирования ППП с различным типом управления, а также предложены рекомендации по уменьшению габаритов и массы КП за счет рационального выбора параметров ДФМ. .

Проверка адекватности модели проводилась путем сопоставления результатов моделирования с записью реального процесса переключения передач автобуса ЛАЗ- 42021 с дизельным двигателем КамАЗ-7402 и пятиступенчатой механической КП КамАЗ-141.

При разработке имитационной модели процесса переключения передач использовались результаты, полученные при экспериментальном исследовании ППП в КП КамАЗ -141 на специально разработанном для этой цели испытательном стенде.

Основные оценочные параметры сопоставляемых процессов - эксперимента и моделирования - имеют различия, не превышающие в экстремальных точках. 17%, что говорит о приемлемой точности математического моделирования. Т. к. имитационные модели ППП в трансмиссии автобусов ЛАЗ-42021 и MA3-I04 разрабатывались по одной и той же методике при неизменном математическом инсгру-ментарии, можно утверждать, что с приемлемой точностью модель преселектор-ного переключения передач в КП с ДФМ также адекватна реальному объекту.

Перспективная КП с ДФМ разработана на базе коробки передач MA3-306. С целью выявления преимуществ КП с ДФМ но сравнению с выпускаемой моделью производилось моделирование процесса переключения передач в соответствии с алгоритмом переключения, воспроизводимым водителем средней квалификации. Результаты моделирования на ЭВМ процессов преселекторного и непреселекторного переключения с 3-й на 4-ю передачу приведены на рис. 3. а значения частных оценочных критериев при переключении на смежные высшую и низшую передачи сведены в га бл. 1

Рис.3. Результаты моделирования процесса переключения на высшую передачу (— пресслекторное,— непреселекторное управление) Обозначения на рис. 3: ш,- угловые скорости ведущих и ведомых частей сцепления (двойной фрикционной муфты при преселекторном управлении); М„ -крутящий момент на полуосях автобуса; Мтр- предельный момент трения сцепления (двойной фрикционной муфты при преселекторном управлении); ал, а„т - положение органов управления соответственно двигателем и моторным тормозом.

Под предельным моментом трения сцепления понимается максимальный крутящий момент, который потенциально может быть реализован сцеплением в данный момент времени.

Таблица 1

Показатели качества ППП_

№ Критерии эффективности С 3 на 4 передачу С 4 на 3 передачу

в КП с ДФМ в базовой КП в КП с ДФМ в базовой КП

1 Вт/см2 1,889 3,057 0,538 1,014

2 Дж/см2 0,196 0,364 0,013 0,034

3 К .ТИН 1,116 1,474 0,452 0,524

4 V,, м/с1 8,345 8,719 10,324 14,811

5 1рпм- С 0,653 1,046 0,461 1,514

Улучшение практически всех оценочных показателей при преселекторном управлении КП объясняется исключением из полной временной фазы процесса переключения передач времени, необходимого на синхронизацию угловых скоростей включаемых элементов. Время разрыва потока мощности за счет этого значительно уменьшается, что приводит к изменению условий протекания процесса буксования ведомых и ведущих частей ДФМ.

В работе произведен выбор необходимого и достаточного числа пар трения ДФМ с учетом критериальных ограничений по нагруженности и работоспособности. Корректировка числа фрикционных пар проводилась на базе анализа динамики процесса трогания в 3-х различных ситуациях:

- управление производится водителем средней квалификации (ситуация № 1);

- процесс плавного трогания с места (ситуация № 2);

- процесс резкого трогания с места (ситуация № 3).

Для моделирования процесса трогания автобуса с места расчетная схема

Параметры представленной динамической системы сведены в табл. 2

Таблица 2

Параметры динамической системы автобуса

Моменты инерции, кг м2 Податливости, (рад/Нм)10'5 Коэффициенты демпфирования, Нмс/рад

Ь ь 1, >4 Ь е,,2 еЭЛ5 Г1.2 г3.4,5

1,21 0,40 0,27 0,49 102,1 1,2 38 7,6 73,9

Модель позволяет имитировать работу дцзельного двигателя, всережимно-го регулятора, ДФМ и управлять ими с различным темпом и в различной последовательности.

Отдельные результаты моделирования вышеуказанных процессов на ЭВМ приведены на рис. 5.

Рис.5. Результаты моделирования процесса трогания автобуса с места: ситуация №1

Обозначения на рис. 5: Ш|, о)2, о)з -угловые скорости соответственно ведущих дисков ДФМ, ведомых дисков 1-го

фрикциона и махо-■

вика, эквивалентного . поступательно движущейся массе автобуса.

Значения критериев эффективности соответствующих процессам трогания при 4-х и 3-х парах поверхностей трения в ДФМ, а также параметры алгоритма процесса трогания сведены в табл.З.

Таблица 3

Оценочные измерители переходного процесса

я> 3 н Число пап трения 2а Парамет ритма т| )ы алго-рогания Оценочные измерители Допустимые значения показателен нагруженности

11, с Ь, с Вт/см2 ^бую Дж/см2 Ч, МПа lN.pl Вт/см2 М. Дж/см2 [ч]. МПа

1 4 2 4 7,52 1,84 2,1 45 20 3,5-4

3 10.03 2,45 2;7

2 4 4 5 15,28 7,32 2,1 45 20 3,5-4

3 20,37 9,76 V

3 4 0,10 0,17 28,29 2,64 2, 1 45 20 3,5-4

3 37,64 3,52 2,7

1| - время нарастания момента трения до максимального эиачения. с, и - время перемещения педалн "газа" до максимального положения, с

Как видно из результатов проведенных исследований (табл. 3), при снятии одной фрикционной пары работа и мощность буксования, я также удельная нагрузка на поверхностях трения ДФМ не выходят за допускаемые пределы дли всех рас-

смотренных выше ситуаций. Кроме того, уменьшаются габариты и масса двойной фрикционной муфты, что снижает металлоемкость конструкции Й1 "в целом.

В четвертой главе "Синтез алгоритмов преселекторного переключения передач" рассматриваются постановка задачи оптимизации и этапы ее подготовки к решению, предлагается методика и приводятся результаты решения задачи синтеза параметров алгоритма преселекторного переключения передач, многофакторного планирования эксперимента, регрессионного и дисперсионного анализов.

Нагруженность фрикционных элементов и валов агрегатов трансмиссии, а также комфортабельность пассажиров автобуса определяются законами и алгоритмами переключения на смежные передачи.

Выбор алгоритмов переключения передач (АПП) в общем случае предусматривает как синтез структуры, так и синтез параметров алгоритмов.

Закон переключения и структура алгоритмов переключения предполагаются заданными.

К параметрам алгоритма переключения относим значение времени изменения нажимных усилий на фрикционных элементах КП, элементах управления двигателем и моторным тормозом, а также интервалами смещения во времени начала управления отдельными узлами силового агрегата автобуса.

Для выбора этих параметров предлагается использовать методы параметрической оптимизации, предусматривающие:

1) выбор управляемых параметров и критериев эффективности;

2) разработку имитационной модели исследуемого процесса;

3) определение начального приближения и области поиска;

4) выбор стратегии решения многокритериальной задачи и метода оптимизации.

В качестве управляемых параметров были приняты:

1,, 1з, 15 - время увеличения соответственно нажимного усилия на дисках фрикционов ДФМ, перемещения педали управления двигателем и моторным тормозом до своего максимума;

Ц, ^ - соответственно время уменьшения указанных параметров до своего минимума;

Для количественной оценки эффективности выбора варианта параметров АПП предлагается использовать в качестре частных критериев удельные мощность трения Ыгр и работу Ьву» буксования фрикционов КП; коэффициент динамических нагрузок Кдан; максимальный размах колебаний производной продольного ускорения автобуса V., и время разрыва потока мощности 1р1Ш при переключении.

Базой для решения задач синтеза параметров АПП служит имитационная модель, позволяющая определять значения частных критериев эффективности и проводить анализ альтернативных вариантов совокупности параметров алгоритма переключения передач.

За начальное приближение принимались параметры АПП, воспроизводимые водителем средней квалификации (см. табл. 3).

В силу того, что параметры АПП оказывают влияние на нагруженность узлов силового агрегата, динамику и плавность движения автобуса, задача параметрической оптимизации алгоритма переключения япдчется многокритериальной:

На основе проведенного анализа существующих методов оптимизации с учетом выбранных критериев оптимальности, специфики решаемой задачи, а также учитывая направленность экстрсмизации каждой целевой функции, в основу решения задачи синтеза АПГ1 была положена стратегия взвешенной аддитивной компенсации противоречий. При этом недостаток методики, обусловленный конфликтностью критериев, можно нейтрализовать путем рационального выбора весовых коэффициентов.

Обосновав выбор стратегии решения многокритериальной задачи, производим свертывание векторного критерия эффективности. В этом случае задача нахождения единственной компромиссной альтернативы, при заданном векторе предпочтений р, а также известных критериальных и параметрических ограничениях, сводится к виду

Мш|ф(Х)= EPi ■ [ф; (х) - ф* (х)]/[фГпах (х) - ф* (х)]| Vx е X, (3)

где Ф(Х)- интегральный критерий эффективности; фрах(х)- наибольшие значения минимизируемых целевых функций; р,- i-й элемент вектора весовых коэффициентов; и - множество целевых функций.

2р,=1; Р, >0. (4)

1—1

Таким образом, формализация задачи синтеза параметров АПП предусматривает введение вектора предпочтений экспериментатора на множестве значений частных критериев, разработку количественной шкалы важности элементов данного вектора и обобщение частных критериев в интегральный показатель качества с использованием нормирующих и масштабирующих преобразований.

Учитывая специфику исследуемого процесса, представляется целесообразным не отдавать предпочтения ни одному из частных критериев, а включить их в интегральный критерий эффективности на равных правах:

р, =р2 =р3 =р4 =р5 =1/5 = 0,2 , (5)

что полностью удовлетворяет условиям (4).

В качестве оптимальных значений i- й целевой функции принимаем нулевые. Тогда обобщенный критерий эффективности (3) принимает вид

Ф^ог/^/ . +ьуд/ +КАЯ"/ +va/ 1 (6)

' . Атах /хттах /т max /i/max /утах v '

^ / рпм / 1Nyfl / УД / Дин / va

и подлежит в процессе поиска оптимума минимизации.

Данная задача решалась квазиградиентным методом стохастической аппроксимации с ускоренной сходимостью.

Значения критериев эффективности, полученные в результате моделирования на ЭВМ процесса переключения на смежные передачи до и после оптимизации. сведены в табл. 4, а управляемые параметры, при которых они получены в табл. 5.

Таблица 4

Значения критериев эф( активности

№ Критерии эффективности Переключение с 3 на 4 передачу Переключение с 4 на 3 передачу

до оптимизации после оптимизации до оптимизации после оптимизации

1 Nm.x, Вт/см* 1,889 0,004 0,538 0,024

2 Lуд", Дж/см2 0,196 0,001 0,013 0,006

3 ^лин 1,116 1,048 0,452 0,444

4 Va,g/c 8,345 5,034 10,324 10,79

5 tptlM 0,653 0,549 0,461 0,444

6 0,697 0,339 0.641 0,425

Таблица 5 Результаты синтеза АПП

№ Управляемые параметры Переключение с 3 на 4 передачу Переключение с 4 на 3 передачу

до оптимизации после оптимизации до оптимизации после оптимизации

1 <1. с 0,60 0,545 0,60 0,800

2 12, С 0,30 0,400 0,30 0,231

3 4 с 0,50 0,935 0,30 0,333

и С 0,30 0,15 0,297 0,150 0,30 0,375

5 б' 15. С - -

и, с 0,15 0,149 - -

Полученные в холе оптимизации значения управляемых параметров могут бьпь использованы для программирования микропроцессорного блока управления системы автоматического переключения передач.

Достоверность результатов сннтета параметров ЛПП была подтверждена реализацией процедуры крутого восхождения но поверхности обобщенного отклика. Направление поиска и пределы изменения управляемых параметров, полученных при решении экстремальной задачи методом стохастической аппроксимации, полностью совпали с рекомендациями, вытекающими из многофакторного регрессионного анализа, подтверждая тем самым, адекватность разработанных имитационных и олшмнзационных моделей.

На базе многофакторного плакирования эксперимент разработаны регрессионные зависимости оценочных критериев 11ПП от параметров алгоритма пре-селекторного переключения передач:

1) время разрыва потока мощности при переключении передач (1рпи)

У=0,64 + 0,17Х,+0,07Х2; (7)

2) работа буксования фрикционов ДФМ

У=0,69 + 0,39Х|-0,26Х2- (8)

3) мощность буксования фрикционов ДФМ (Ыб(«)

У= 4,09 * 0,85 X |-2,21ХГ0,47Х|Х2; (9)

4) коэффициент динамичности (Клип)

У= 1,78-0,07Хг:. (Ю)

5) максимальный размах колебаний производной продольного ускорения автобуса (V,)

У = 3,13-0,98Х,-0,31 Х2+0,! 8Х3+0,3 1X, Х2-0,18Х, X(11)

6) интегральный критерий эффективности Ф(Х)

У= 0,47-0,ОЗХ,-0,07Х2. (12)

Использование полученных уравнений регрессии позволяет значительно сократить затраты труда, средств и машинного времени на анализ процесса переключения передач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы подтверждена целесообразность использования коробки передач с ДФМ в трансмиссии автотранспортных средств, исследована нагруженность модернизированной трансмиссии городского автобуса МАЗ-104, синтезированы алгоритмы нреселекторного переключения передач, даны рекомендации по выбору конструктивных параметров двойной фрикционной муфты. Основные научные результаты, полученные в ходе проведения теоретических и экспериментальных исследований, позволяют сделать следующие выводы:

1.Разработанная методика и инструментарий дают возможность исследовать нагруженность трансмиссий АТС, оборудованных коробкой передач с ДФМ [1,3, 4, 5, 8].

2. Результаты исследования показали, что установка КП с двойной фрикционной муфтой в трансмиссию автобуса способствует повышению качества процесса переключения передач: удельные максимальная мощность и работа буксования фрикционов муфты уменьшаются в среднем соответственно на 42,6% и 54%, время разрыва потока мощности сокращается на 53,5%, плавность процесса переключения повышается на 17%, коэффициент динамичности снижается на 9,5% [6].

3. Использование оптимальных параметров, полученных в результате синтеза АПП, позволяет снизить интегральный критерий эффективности на 51,3%; сократить время разрыва потока мощности при переключении передач до 0,549 с; уменьшить коэффициент динамичности до 1,048 и скорость изменения продольного ускорения автобуса - до 5,040 д/с, исключая при этом процесс буксования ведомой и ведущей частей ДФМ [9]. Полученные в результате оптимизации параметры целесообразно использовать для программирования микропроцессорного блока управления при автоматизации процесса .переключения передач. .

4. Выбор необходимого и достаточного числа пар трения ДФМ, установленной в КП автобуса МАЗ-104, показал, что их количество может быть уменьшено до трех, без нарушения критериальных ограничений ло нагруженности и работоспособности [2].

5. Разработанные на базе математического аппарата планирования эксперимента регрессионные зависимости частных оценочных критериев и обобщенного отклика от параметров алгоритма нреселекторного переключения передач позволяют значительно сократить машинное время при решений задач синтеза параметров АПП [7].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кусяк В.А. Математическая модель анализа переходных процессов в трансмиссии автобуса. // 19-th International scientific symposium of students and young research workers. - Vol. IV: Mechanical engineering, Tom IV: Mechanika / Politechnika Zielonogorska. - Zielona Gora, 1997, - P. 242-246.

2. Кусяк В. А. Определение необходимого числа пар трения двойной фрикционной муфты перспективной коробки передач / Бел. гос. политехи, акад. -Минск, 1999. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 07.05.99, Ш453-В99 // Библиографический указа-тель:Депонированиые научные работы - 1999,- № 8,- 08.1453-В99.261,- С. 9.

3. Кусяк В.А. Применение гибридных функций и переключателей при разработке математических моделей // Еругинские чтения -VI: Тез докл. межд. мате-мат. конф., Гомель, 20-21 мая 1999г. / Гомел. гос. ун-т,- Гомель, 1999. - С. 35-36.

4. Кусяк В.А. Коробка передач с преселекторным управлением для городского автобуса // Автомобиль, дорога, безопасность: Тез. докл. И Республ. науч,-технич. конф., Минск, 20-21 окт. 1999г. / 1 Межд. специализированная выставка TRS'99. - Минск, 1999. - С. 123-124.

5. Руктешель О.С., Кусяк В.А. Модель силового агрегата автомобиля с двойной муфтой в коробке передач для анализа процесса переключения на ЭВМ // Технические вузы - Республике: Тез. докл. 52-й науч.-техн. конф., Минск, 16-19 янв., 1998 г. / Бел. гос. политехи, акад. - Минск, 1998. - С. 8.

6. Руктешель О.С., Кусяк В.А. Обоснование выбора коробки передач для городского автобуса //Тез. докл. 53-й науч.-техн. конф., Минск, 18-21 янв. 1999г. / Бел. гос. политехи, акад.- Минск, 1-999.- С. 48.

7. Руктешель О С., Кусяк В.А. Синтез параметров алгоритмов переключения передач в трансмиссии автобуса / Бел. гос. политехи, акад.- Минск, 1999. -8с.-Деп. в ВИНИТИ 07.05.99, № 1452-В99 // РЖ: Автомобильный и городской транс-порт.-2000.-№ 7,- 86ДЕП,- С. 8.

8. Rnkteshel О., Kusyak V. The analysis of switching - over process in bus transmission with a progressive gear-box. // 20-th Internationa) scientific symposium of students and young research workers. - Vol. IV: Mechanics, Tom IV: Mechanika / Politechnika Zielonogorska. - Zielona fiora, 1998. - P. 216-219.

9. Rukteshel O.S., Kusyak V.A. Optimization of the parameters of the algorithms of gear changes in the bus transmission // Motauto'98: Fifth International Scientific -technical Conference on Internal Combustion Engine and Motor Vehicles.- Vol. III. -Sofia-Vitosha: Bulgaria, 1998. - P. 18-24.

1К

РЭЗЮМЕ

КУСЯК Вштар Анатольев1ч

С1НТЭЗ АЛГАРЫТМУ ПЕРАКЛЮЧЭННЯ ПЕРАДАЧ У ТРАНСМ1С11 ГАРАДСКОГА АУТОБУСА

Ключавыя словьг. каробка псрадач (КГ1), двайная фрыкцыйная муфта (ДФМ), прэселектарнае управление, пераходны працэс, ¡м1тацыйнае мадэляванне, дынам|ка, анал1з, алгарытм пераключэння перадач (АПП), сшгэз, аптым1зацыя.

Аб'ектам даследаваиня з'яуляецца с!лавы агрэгат аутобуса, абсталяваны ка-робкай перадач с двайной фрыкцыйнай муфтай на уваходзе, прадметам даследаваиня - нагружанасць трансм1сп гарадскога аутобуса.

Мэтай дысаргацыйнай работы з'яуляецца зжжэнне нагружанасщ трансмгсн 1 павышэнне плаунасш руху аутобуса шляхам аптымпацьп параметрау алгарытму прэселектарнага пераключэння перадач.

Метадалапчнай асновай работы з'яуляюцца даследавашй, яыя грунтуюцца на прынцыпах дыферэнцыяльнага I жтэгральнага зл1чэння, ¡м>тацыйнага мадэля-вання, аптым1зацьй 1 мнагафактарнага пла.наванмя эксперымента.

У рабоце прапанаваны методика 4 жструментарый даследаваиня нагружа-насц! трансм1сж мабшьных машын, абсталяваных каробкай перадач з ДФМ, пры пераходных працэсах. На аснове анал1зу вышкау машыннага эксперымента пац-верджана мэтазтоднасць устанаулення КП з ДФМ у С1лавы агрэгат аутобуса. Да-казана адэкватнасць распрацаваных мадэляу рэальным умовам эксплуатацьп. На базе анал1зу дынамш працэсу крапання аутобуса з месца вызначана неабходная колькасць пар трэння у ДФМ. Вырашана мнагакрытэрыяльная задача сштэзу параметрау алгарытму прэселектарнага пераключэння перадач. Разам з ап-тым1зацыйным1 расирацаваны рэгрэс1уныя мадэл1, ямя дазваляюць з мпймальныш затратам) машыннага часу ацашць уплыу варЧраваных параметрау на значэнш частковых ) абагульненага водгукау.

Атрыманыя у ходзе аптьинзацьн значэнш к1руемых параметрау могуць быць выкарыстаны для праграмавання мжрапрацэсарнага блока юравання сютэмы аутаматычнага пераключэння перадач, а распрацаваныя методыка даследаваиня I яе жструментарый - канструктарскпл службам! прадпрыемствау I на-вукова-даследчым! аргашзацыям! пры праектавашй трансм1сж дадзенага тыну.

РЕЗЮМЕ

КУСЯК Виктор Анатольевич

СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ В ТРАНСМИССИИ ГОРОДСКОГО АВТОБУСА

Ключевые слова: коробка передач (КП), двойная фрикционная муфта (ДФМ), преселекторное управление, переходной процесс, имитационное моделирование, динамика, анализ, алгоритм переключения передач(АПП), синтез, оптимизация.

Объектом исследования является силовой агрегат автобуса, оборудованный коробкой передач с двойной фрикционной муфгой на входе, предметом исследования - нагруженносгь трансмиссии городскою автобуса.

Целью диссертационной работы является снижение нагруженностн трансмиссии и повышение плавности движения автобуса путем оптимизации параметров алгоритма преселекторною переключения передач.

Методологической основой работы являются исследования, базирующиеся на принципах дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования, оптимизации и многофакторного планирования эксперимента.

В работе предложена методика и инструментарий исследования нагруженностн трансмиссий мобильных машин, оборудованных коробкой передач с ДФМ, при переходных процессах. На основе анализа результатов машинного эксперимента подтверждена целесообразность установки КГ1 с ДФМ в силовой агрегат автобуса. Доказана адекватность разработанных моделей реальным условиям эксплуатации. Па базе анализа динамики процесса трогания автобуса с места определено необходимое число пар трения в ДФМ. Решена многокритериальная задача синтеза параметров алгоритма преселекторною переключения передач. Наряду с оптимизационными разработаны peíрессионные модели, позволяющие с минимальными затратами машинного времени оценить влияние варьируемых параметров на значения частных и обобщенною откликов.

Полученные в ходе оптимизации значения управляемых параметров могут быть использованы для программирования микропроцессорного блока управления системы автомагического переключения передач, а разработанные методика исследования и ее инструментарий- конструкторскими службами предприятий и научно- исследовательскими организациями при проектировании трансмиссий данного типа.

SUMMARY KUSYAK Victor

SYNTHESIS OF A GEAR-SHIFTING ALGORITHM IN THE URBAN BUS TRANSMISSION .

Keywords: gear box , double friction coupling (DFC), preselected control, transient process, simulation modeling, dynamics, analysis, gear-shifting algorithm , synthesis, optimization.

Research object is the bus power unit is equipped by a gear box with a double friction coupling on the entrance, and its subject - loading of the urban bus transmission.

The aim of dissertation is to decrease transmission loading and increase bus motion smoothness by parameters optimization of preselected gear-shifting algorithm.

The methodological fundamentals of activity are the researches basing on principles differential and an integral calculus, simulation modeling, optimization and muhifactor glide of experiment.

The research technique and toolkit of transmission loading of mobile machines equipped with DFC gear box at transients are offered in activity. On the basis of the computer results analysis the expediency of the DFC gear box installation in the bus power unit is affirmed. The adequacy of designed models to the substantial operation conditions is demonstrated. On the basis of the bus starting dynamics analysis the indispensable number of DFC friction pairs is determined. The multicriteria problem of parameters synthesis of preselected gear-shifting algorithm is resolved. The regression models are designed alongside with optimization models, that gives an opportunity with minimum costs of a machining time to estimate influence of varied parameters on values private and generalized responses.

Controlled parameters values, which have been obtained during optimization, can be utilised for programming of control microprocessor box of automatic gear-shifting system, and the elaborated research technique and its toolkit - by firms designer services and scientific- exploratory organizations at designing surch a transmissions.