автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Выбор схем, элементов конструкции и систем управления трансмиссий транспортных и тяговых гусеничных машин



Открытое акционерное общество «Специальное конструкторское бюро машиностроения» (ОАО СКБМ)

Для служебного пользования Экз.№ // На правах рукописи УДК 629.114.585

Жебелев Константин Сергеевич

ВЫБОР СХЕМ, ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСМИССИЙ ТРАНСПОРТНЫХ И ТЯГОВЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.03 — «Колесные и гусеничные машины»

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган 2000

Работа выполнена в ОАО «Специальное конструкторское бюро машиностроения», г.Курган

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук профессор Благонравов A.A.

Официальные оппоненты:

Заслуженный машиностроитель РФ доктор технических наук профессор Позин Б.М.

Кандидат технических наук профессор Злотник М.И.

Ведущая организация - ОАО «Курганский машиностроительный завод»

Защита состоится 2 июня 2000 года в ^асов на заседании диссертационного совета Д064.18.01 в Курганском государственном университете по адресу: 640669, г.Курган, ул.Гоголя,25. Телефон для справок (35222)22652.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курганского государственного университета.

Диссертация разослана « 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.С.Гулезов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Подвижность транспортных и производительность тяговых гусеничных машин во многом определяется конструкцией трансмиссии.

Требования, предъявляемые к трансмиссии, обычно определяются на основе технического задания на проектирование машины по параметрам подвижности или по условиям установки на известные транспортные средства. К исходным требованиям относят:

- необходимая величина диапазона передаточных чисел (количество ступеней,, разбивка диапазона по ступеням);

- скоростные и силовые параметры на входных и выходных валах трансмиссии (величины удельных сил тяги, максимальная и минимальная скорость);

- удобство и легкость управления при прямолинейном движении и в повороте, наличие в случае необходимости бесступенчатого регулирования скорости прямолинейного движения и поворота машины, необходимость переключения передач без разрыва потока мощности к движителю или допустимость таких разрывов;

- соответствие компоновочным условиям машины по массе и габаритным размерам, взаимному расположению входного и выходного валов;

- соответствие применяемым технологиям производства, уровню унификации и др.

В современных условиях специализированных производств проектируется обычно семейство машин, близких по своим массогабаритным характеристикам. Для повышения эффективности в процессе производства осуществляется модернизация машин, которая обычно связана с повышением массы, интенсификацией рабочих процессов и расширением функционального назначения. В связи с этим к трансмиссиям предъявляется дополнительное требование - возможность создания модификаций конструкции с различными диапазонами, числом передач и передаточными числами,

с различными вариантами расположения входных и выходных валов и валов отбора мощности, т.е. приспособляемость к машинам различного типа.

Разработка конструкции и создание производства трансмиссий гусеничных машин требует значительных затрат времени, труда, материалов, и в связи с этим необходимо на начальных этапах принимать решения, близкие к оптимальным. Одним из наиболее ответственных этапов проектирование трансмиссий является выбор типа, синтез кинематических схем и системы управления.

Вопросам проектирования трансмиссий посвящено большое количество научных трудов специалистов, таких как Антонов A.C., Бурцев С.Е., Герасимов Г.В., Гришкевич А.И., Красненьков В.И., Кристи М.К., Крюков А.П., Нарбут Н.И., Петров В.А., Прокофьев В.Н., Цитович И.С. и др.. Тем не менее, выбор типа, схем и систем управления трансмиссий является актуальной проблемой, так как в процессе проектирования эти вопросы решаются эвристическим путем и зачастую принимаются технические решения на уровне изобретений.

Цель и основные задачи работы. Научное обоснование технических решений, принимаемых в ОАО СКБМ при разработке трансмиссий и элементов систем управления ими транспортных и тяговых гусеничных машин.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Обоснование выбора схем механических трансмиссий с использованием гидрообъемных передач (ГОП) для расширения диапазона.

2. Разработка схем и конструкций гидромеханических и гидрообъ-емномеханических трансмиссий с возможностью расширения диапазона и изменения компоновочных решений для применения в различных типах конструкций машин.

3. Определение особенностей построения систем управления трансмиссией.

4. Синтез системы предохранения двигателя от раскрутки (превышения частоты вращения коленчатого вала двигателя над допускаемой).

Методы исследования. При обосновании выбора схем трансмиссий использовались основные положения теории движения гусеничных машин, синтеза, конструирования и расчета трансмиссий транспортных и тяговых машин. Построение системы управления трансмиссией осуществляется с применением основ теории автоматического управления. Исследование динамики движения машины производится на основе методов аналитической механики, численных методов решения дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились на стенде и при ходовых испытаниях с использованием специальной измерительной и регистрирующей аппаратуры.

Научная новизна состоит в разработке схем и принципа управления механических трансмиссий (МТ) с использованием ГОП для расширения диапазона передаточных чисел. На основе принципа «наращивания» конструкции и создания модулей разработаны гидрообъемномеханические (ГОМТ) и гидромеханические (ГМТ) трансмиссии семейства машин. Разработана и реализована функциональная схема, алгоритм работы и конструкция системы предохранения двигателя от раскрутки при использовании новых принципов функционирования.

Практическая ценность работы. Предложенные методьцзыбора схем, элементов конструкции и системы управления позволяют осуществить разработку конструкций трансмиссий различных типов машин с достаточным уровнем унификации. Разработанная система предохранения двигателя от раскрутки обеспечивает надежную защиту двигателя в любых условиях эксплуатации, а также защиту тормозов от перегрева при движении на крутых спусках.

На защиту выносится: 1.Схемы механических трансмиссий с использованием ГОП для расширения диапазона.

2.Принцип управления механическими трансмиссиями, в конструкции которых используются ГОП для расширения диапазона.

3.Разработка схем и конструкций гидромеханических и гидрообъемноме-ханических трансмиссий с использованием модульного принципа и метода «наращивания».

4.Система предохранения двигателя от раскрутки.

Реализация работы. Предложенные в работе методы выбора схем, элементов конструкции и систем управления трансмиссией использовались при разработке конструкций семейства военных гусеничных машин на базе боевой машины пехоты БМП-3 (бронированная ремонто-эвакуационная машина БРЭМ-Л, дорожно-землеройная машина ДЗМ и др.); лесопромышленной машины МЛ-107 и машин на ее базе с различными типами трансмиссии и систем управления, в том числе и вариант для сельского хозяйства; гусеничной машины высокой проходимости ТМ-1 и ее модификаций различной грузоподъемности, включая и двухзвенный вариант.

Конструкция системы предохранения двигателя от раскрутки применяется на БМП-3 и машинах на ее базе, машине повышенной проходимости ТМ-1 и ее модификациях, лесопромышленной машине МЛ-107, в разработках новых гусеничных тяговых и транспортных машин.

Работа является составной частью ряда проектов, выполняемых ОАО СКБМ по государственным отраслевым научно-техническим программам по разработке и внедрению новейших образцов гражданской и бронетанковой техники.

Результаты являются частью работы «Комплекс работ по научному обоснованию, созданию и организации серийного производства новых высокоэффективных гидродинамических передач для трансмиссий ВГМ», которой присуждена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 1997год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и дбсуждались на научно-технической конференции во

ВНИИТрансмаш (г. Ленинград, 1984г.), на заседаниях производственно-технического Совета ОАО «Курганмашзавод» (1995-2000гг.), научно-технического Совета ОАО СКБМ и НПО НАТИ(1996-2000гг.).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась и была одобрена на научном семинаре кафедры гусеничных машин КГУ (Курган, 2000 г.) и на объединенном научном семинаре «Совершенствование технико-эксплуатационных показателей машин и механизмов» КГУ (Курган, 2000г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в т.ч. 4 авторских свидетельства на изобретение и патента.

1 .Выбор схем трансмиссий транспортных и тяговых гусеничных машин.

Трансмиссии отечественных и зарубежных гусеничных машин созданы по различным принципам и имеют конструкции, обусловленные разным подходом при выполнении требований высокой компактности, надежности, экономичности, удобства и легкости управления, как при прямолинейном движении, так и в процессе поворота.

Анализ развития гусеничных машин показывает, что трансмиссии зарубежных ГМ отличаются высокой степенью отработанности унифицированных узлов, позволяющих использовать трансмиссии без принципиальных переделок на различных типах машин, что является следствием блочного агрегатирования функциональных узлов трансмиссии. Учтены эксплуатационные требования по простоте и легкости обслуживания, малым затратам времени на ремонтные и эксплуатационные работы и др. Все эти подходы были применены при разработке конструкций трансмиссионных механизмов (механических, гидромеханических, гидрообъемномеха-нических) для гусеничных машин различного назначения в ОАО СКБМ, предназначенных для изготовления этих машин на ОАО «Курганмашзавод».

Механические трансмиссии.

В отечественном и зарубежном машиностроении при проектировании и производстве гусеничных машин получили развитие механические ступенчатые трансмиссии. Расширение диапазона, увеличение количества передач, сокращение отношения между передаточными числами на смежных передачах благоприятно сказывается на повышении эффективности, лучшей приспособляемости к дорожным условиям, облегчает переключение передач, приводит к повышению топливной экономичности, долговечности трансмиссионных механизмов. Механические ступенчатые коробки передач отличаются простотой конструкции, высокой технологичностью, высоким КПД, малой массой и габаритными размерами, простотой обслуживания и ремонта. Однако для выполнения современных требований к тягово-динамическим качествам гусеничных машин и обеспечения необходимого диапазона требуется наличие большего, чем в других типах трансмиссий, количества ступеней в коробке передач. Кроме того, затруднено выполнение требований по возможности получения «ползучих» скоростей, связанных с выполнением специальных технологических работ. Поэтому при разработке механических трансмиссий для перспективных гусеничных машин в ОАО СКБМ были использованы следующие технические решения:

• Наличие в коробке передач демультипликатора для удвоения числа передач и увеличения диапазона;

• Использование гидрообъемных передач при прямолинейном движении для получения «ползучих» скоростей.

На рис.1 показана кинематическая схема трансмиссии с 8-ступенчатой коробкой передач с диапазоном 10.839. Для получения бесступенчатого изменения скоростей в диапазоне 0...2,5 км/ч возможна установка дополнительного редуктора в приводе гидрообъемной передачи. На рис. 2 показана кинематическая схема трансмиссии с 6-ступенчатой коробкой передач, в которой гидрообъемные передачи используются в механизме поворота и для получения дополнительной полнопоточной гидрообъемной

передачи. Это позволяет значительно расширить диапазон трансмиссии и реализовать бесступенчатое изменение скоростей в диапазоне 0...7 км/ч.

Гидромеханические трансмиссии.

Широкое применение ГМТ в гусеничных машинах объясняется их основными преимуществами перед механическими трансмиссиями:

• автоматическое и практически непрерывное изменение силы тяги на гусеницах в зависимости от сопротивления движению;

• снижение крутильных колебаний в трансмиссии;

• уменьшение динамических нагрузок и резкое сокращение времени буксования фрикционов при переключении передач и при трогании с места;

• повышение надежности работы трансмиссии и моторнотрансмис-сионной установки (МТУ) в целом;

• легкость трогания с места и упрощение управления машиной.

Рис. 1 .Кинематическая схема трансмиссии с 8-ступенчатой коробкой

передач.

Основными недостатками использования гидротрансформатора является его узкий рабочий диапазон с высоким (0,85 — 0,90) КПД. В связи с

этим необходимо иметь коробку передач на 4 - 6 ступеней, а также развитую систему охлаждения из-за больших потерь мощности по сравнению с механическими трансмиссиями. Для уменьшения потерь на всех рассматриваемых ГМТ предусматривается автоматическая блокировка гидротрансформатора.

Прийод СешилятороО

Пехтичесхие передачи

Поштточна> ГОЛ

2-х поточная

гот-гол

2-х поточная

гомт-гоп

Вхл злемеит цпраСтетя

Моксшальтя скорость (йшг ения км/ч

8.7.76 11165 211251 КПЗ 415 70.005 8611 11012 19.98

Козффшиет разрыГю между передачами

1511 1516 П89 1511 ¡516

2

1

Ф5Фдм

Ф6 1IX

Фдп Тем Ьх

Ф4 13м

Ы Ьх

ф!>фдм

ФбФдм

&9Л

1511 1516

Рис.2. Кинематическая схема трансмиссии с 6-ступенчатой коробкой передач с использованием ГОП для расширения диапазона.

При разработке ГМТ вопросам унификации уделяется самое серьезное внимание. В ряде случаев унификация является решающим фактором при выборе схемы и конструкции трансмиссий. Одним из таких примеров явилось создание на базе трансмиссии БМП - 3 трансмиссии для комплекса гусеничных машин лесозаготовительного производства, (рис. 3). Гидромеханическая трансмиссия в настоящее время устанавливается на лесопро-

мышленной машине МЛ - 107 (начало серийного выпуска на ОАО «Кур-ганмашзавод» — 2000 год).

Рис.3. Кинематическая схема трансмиссии лесопромышленной машины с использованием коробки передач БМП-3.

ГМТ БМП-3 ввиду своих конструктивных особенностей имеет ограниченную возможность применения на различных типах машин. Поэтому с целью выполнения требований унификации, возможности создания семейства различных конструкций была разработана гидромеханическая передача с использованием основных узлов механизма передач и поворота БМП-3: гидротрансформатора ГТК - XV - 380, планетарных механизмов

коробки передач, фрикционных узлов, гидроцилиндров системы управления и др. На основе схемных и конструкторских решений был выбран базовый вариант четырехступенчатой гидромеханической передачи с прямой высшей передачей и передачей заднего хода, получаемой на одном из планетарных механизмов. Кинематическая схема гидромеханической передачи (Патент на изобретение №2137619 РФ. ) в составе трансмиссии гусеничной машины повышенной проходимости ТМ - 1 (установочная партия выпуска на ОАО «Курганмашзавод» - 2000 год) приведена на рис. 4.

С целью расширения диапазона и создания семейства унифицированного ряда гидромеханических передач обоснована разработка на базе ГМТ ТМ - 1 с сохранением основных конструктивных узлов базового варианта усложненной конструкции (принцип «наращивания» конструкции) шести- и восьмиступенчатой коробки передач. Кинематические схемы таких вариантов конструкции, иллюстрирующие реализацию принципа «наращивания», показаны на рис. 5 и 6.

проходимости ТМ-1.

(ДН>

Передача I II III IV V VI 3. X. I 3. X. II

Ф1Т Ф2Т Ф4Т Ф1ФЗ Ф2ФЗ Ф4ФЗ ТзхТ ТзхФЗ

1 5,937 4,165 2,923 2,031 1,425 1 8,01 2,74

д 1 1.425 | 1,425 | 1,439 | 1,425 ( 1,425 |

Рис.5.Кинематическая схема шестиступенчатой коробки передач на базе

ГМТТМ-1.

I II III IV V VI VII IV (вариант) 3. Х.1

Ф4Т1 Ф5Т1 ФЗТ1 Ф4Ф1 Ф5Ф1 ФЗФ1 Ф6Ф1 Ф6Т1 ТЗХФ1

1 8,535 6,029 4,165 2,92 2,063 1,425 1 2,92 5,615

Я | 1.416 | 1,448 | 1,425 | 1,416 | 1,448 | 1,425 |

Рис.6. Кинематическая схема восьмиступенчатой коробки передач на базе

ГМТТМ-1.

Такие трансмиссии предназначены для установки на различные типы машин, требующих расширенного кинематического диапазона: шасси лесопромышленной машины, в том числе и сельскохозяйственный вариант, модификации снегоболотохода ТМ — 1, дорожных машин, выпускаемых заводом им.Калющенко (г.Челябинск) и др. На базе трансмиссии ТМ - 1 разработана трансмиссия для двухзвенного варианта, отличающегося от базового наличием межгусеничного и межзвенного дифференциалов и отсутствием механизма поворота, роль которого выполняет сцепное устройство с гидроуправлением (рис.7).

Рис.7. Кинематическая схема ГМТ двухзвенной гусеничной машины повышенной проходимости.

Гидрообъемномеханические трансмиссии.

В настоящее время гидрообъемномеханические трансмиссии (ГОМТ) вступили в стадию практического использования (серийная БМП М-2 «Брэдли», США). Считается, что для гусеничных машин такие трансмиссии с улучшенным КПД весьма перспективны, особенно в тех случаях, когда требуется бесступенчатое изменение скоростей для выполнения технологических операций. В ОАО СКБМ разработка направлений совершенствования и развития трансмиссионных механизмов для модернизации современных и перспективных гусеничных и колесных машин производится в ходе выполнения научных исследований по теме «Трансмиттер».

За основу при создании унифицированного ряда трансмиссионных механизмов для гусеничных машин принимается структурная схема механизма передач и поворота с бортовыми коробками передач и базовыми механизмами, обеспечивающими синхронизированное переключение диапазонов.

В ОАО СКБМ была разработана ГОМТ для гусеничного шасси лесопромышленной машины (патент на изобретение №2096672 РФ), которая прошла стендовые испытания в НПО НАТИ и ходовые на опытной машине. Кинематическая схема трансмиссии показана на рис.8. В конструкции ГОМТ ЛПМ реализован принцип составления трансмиссии из модулей: центрального (входной редуктор, гидромашины, приводы к гидромашинам, блок гидронасосов смазки и управления, клапанные и золотниковые узлы системы управления) и бортового (базовый механизм, согласующие передачи диапазонов, фрикционные или зубчатые муфты переключения диапа-зонов).Для соединения центрального и бортовых модулей разработан единый стыковочный узел. С центральным модулем могут быть соединены различные бортовые модули. На рис.9 показаны кинематические схемы унифицированного ряда ГОМТ для гусеничных машин на базе ГОМТ шасси лесопромышленных машин.

ТПМ1 ТПМ2ТПМЗЙ_±_ I

11 гНгЬ-

Ж #т

То Т1л Т2л

М2

пм пм пм

Г? Ж г

ВР

н

и п

Т2пр Т1пр То

(дГ^"

Рис.8. Кинематическая схема гидрообъемномеханической трансмиссии лесопромышленной машины МЛ-107.

2.Элементы конструкции.

При разработке конструкций трансмиссий и систем управления в ОАО СКБМ большое внимание уделяется уровню унификации и возможности применения этих конструкций в семействе транспортных и тяговых гусеничных машин различного функционального назначения. Унификация в разрабатываемых трансмиссиях применялась с учетом существующих конструкторских и технологических решений. Такой подход к конструированию оказал влияние на качество проектов, сокращение сроков проектирования, испытаний, подготовки производства, доводки и освоения конструкции. К унифицированным элементам конструкции, примененным при разработке механических, гидромеханических и гидрообъемномеханических трансмиссий относятся: фрикционные узлы, силовые цилиндры, тормоза и муфты, уравновешивающие устройства, подшипники качения, устройства подвода масла к вращающимся гидроцилиндрам, сальниковые уплотнения

ТПМ1 тпмз

,. -т^ТПМ2-йг Ф4

и

¿•и

дЬггта

ФЗ

мз^

ад

М1

ТПМ1 |— I— М4

I—} 1-3 М2

ТПМ2 ■■

М4""

т!

Бортовой четырехдиапазонный модуль Бортовой четырехдиапазонный модуль

(с фрикционными элементами) ТПМ1 тпмз

3_

"""•ТТГ

ш

ГО-гРЯ

ФЗ

(с зубчатыми муфтами)

ТПМ1 тпмз -йтпмгй-

Щ ' ' "

I

ИУИГЬГ Й

44■ 4Т

Т1 Т2

Бортовой трехдиапазонный модуль Бортовой двухдиапазонный модуль

33 К"

^—£ I™

Н1 н Н2_ГН

Ъ-ф-О

пм Т м I

М1 М2

4- *

ВР

Цг

пне

I I I

©дне

Ценральный модуль (входной редуктор, гидромашины, приводы гидромашин)

Рис.9. Кинематические схемы унифицированного ряда ГОМТ для гусеничных машин на базе ГОМТ шасси лесопромышленной машины.

и т.д. Кроме того, большое значение для унификации имеет выбор марок материалов, химико-термической обработки, методы получения заготовок, точность и шероховатость поверхностей, применяемых в конструкции. При создании трансмиссии для комплекса гусеничных машин лесозаготовительного производства на базе трансмиссии БМП - 3 (рис. 3) был разработан согласующий редуктор с конической передачей, обеспечивающий нужное направление вращения входного вала трансмиссии и совмещение характеристик двигателей КАМАЗ-748.10 и ЯМЭ-238Д с гидротрансформатором ГТК-ХУ. Разработаны приводы гидронасосов технологического оборудования и вентилятора системы охлаждения. Кроме того, переднее расположение ведущих колес в отличие от заднего на БМП-3 потребовало в новых бортовых редукторах обеспечить перемену направления вращения. Но главный агрегат трансмиссии остался без изменений.

При использовании модульного принципа (рис.9) в конструкции ГОМТ возможно применение разворотов узлов трансмиссии относительно друг друга для изменения габаритных размеров и принятия вариантов компоновочных решений.

В ГОМТ лесопромышленной машины (рис.8) установка на реактивном звене трехзвенного планетарного переключающего механизма тормоза позволяет применить невращающие гидравлические силовые цилиндры, в которых отсутствуют центробежные силы масла, что обеспечивает постоянство коэффициента запаса тормозного момента. Кроме того, упрощается конструкция подвода масла к силовым цилиндрам.

3.Системы управления трансмиссией гусеничных машин

Эффективность транспортных и тяговых гусеничных машин, управляемость и устойчивость движения, другие эксплуатационные качества определяются не только конструкцией трансмиссии, но и системой управле ния.

Повышение скоростных качеств и многофункциональности машин, увеличение числа управляемых элементов приводят к сложным алгоритмам управления современными трансмиссиями. Для перспективных машин создаются информационно — измерительные и управляющие системы (ИИУС), включающие бортовой компьютер и датчики, позволяющие измерять основные параметры работы сборочных единиц машины. В связи с этим вполне логично автоматизировать процессы управления трансмиссией, выполнив систему управления в виде блока ИИУС. Бортовой компьютер в такой системе осуществляет обработку информации об управляющих воздействиях водителя, параметрах движения и состояния трансмиссии, а также выполняет функции обратной связи.

Основными процессами, определяющими управление трансмиссией, являются трогание машины с места, переключение передач, движение в повороте, торможение и предохранение двигателя от раскрутки в процессе переключения и торможения двигателем. Перечень автоматизируемых процессов определяется скоростными качествами и специальными требованиями к подвижности машин, на которых применяются разрабатываемые трансмиссии.

Для рассмотренных выше трансмиссий разработаны программы управления (алгоритмы и законы), функциональные схемы систем и элементы конструкции, реализованные в различной степени.

Характеристику систем управления можно разделить на общую часть, относящуюся ко всем трансмиссиям, и частную, учитывающую особенности конструкции и организацию процессов управления. Краткая характеристика общей части систем управления разработанными трансмиссиями приводится ниже.

Процесс трогания гусеничных машин с места автоматизируется для всех трансмиссий. При трогании на фрикционных элементах задача синтеза оптимального управления заключается в определении начальной угловой скорости вала двигателя, характера нарастания момента и регулирования

подачи топлива, обеспечивающих минимум работы буксования фрикционных элементов. Алгоритм управления должен обеспечить требуемую динамику движения - ускорение и длительность разгона, уровень комфортабельности (продольных и вертикальных ускорений), приемлемую динамичность нагрузки в трансмиссии, незаглохание двигателя и ограничение буксования гусениц.

Оптимальность процесса переключения передач определяется длительностью этого процесса. Разработанный алгоритм обеспечивает требуемое быстродействие, уровень продольных ускорений, ограничивает динамичность нагрузки и работу буксования фрикционных элементов, сохранение заданного водителем режима движения и др.

Для выполнения этих требований разработана адаптивная программа управления, которая наряду с общепринятым двухпараметрическим законом переключения, учитывает еще и ускорение машины. Это позволяет в зависимости от топографических условий движения машины и переменных тягово-динамических свойств реализовать экономическую и динамическую программы управления.

Гибкость алгоритмов переключения передач реализуется созданием полуавтоматического и ручного режимов управления, позволяющих в условиях движения с ограниченным потоком информации реализовать такие свойства водителя как предвидение и прогнозирование ситуации.

При адаптивном управлении переключением необходимо обеспечить допустимое рассогласование угловых скоростей включаемых элементов. Это величина зависит от ускорения машины, соотношения передаточных чисел трансмиссии на смежных передачах, быстродействия системы, а также от алгоритма переключения. Основные параметры характеризующие процесс переключения передач определяются на основе исследования имитационной модели, которая составлена в соответствии с общепринятой в динамике транспортных машин расчетной схемой механической системы «двигатель - трансмиссия - машина».

Автоматизация переключения передач уменьшает утомляемость водителя, снижает уровень требований к его квалификации, повышает скоростные качества транспортных машин, их топливную экономичность и ограничивает число нерациональных переключений.

Одним из требований, предъявляемых к системе автоматического переключения передач, является предохранение двигателя и трансмиссии от аварийных режимов и динамических перегрузок. Это достигается оптимальной организацией процесса переключения и созданием специальных устройств.

Управление поворотом большинства машин осуществляется гидрообъемными передачами. Обеспечение управляемости быстроходных гусеничных машин достигается автоматизированной системой управления движением. Система обеспечивает точность траектории движения, реализуя алгоритм оптимального управления. В режиме слежения обеспечивается высокое качество переходных процессов, а при действии стохастических воздействий внешней среды - минимум отклонений бокового угла и затрат мощности для компенсации отклонений.

Особенности систем управления механической, гидрообъемной и гидромеханической трансмиссиями приводятся ниже. Управление механической трансмиссией.

Расширенный состав технических требований на проектирование механической трансмиссии для перспективной гусеничной машины (рис.2) предопределил многофункциональность, сложность схемы, конструкции трансмиссии и системы управления. Наличие в трансмиссии полнопоточной и двухпоточных гидрообъемномеханических диапазонов обусловило возможность трогания машины разными способами. Также возможны различные варианты управления трансмиссией при переключении передач и движении в повороте. Это существенно усложняет алгоритм управления трансмиссией, т.к. число управляемых в определенной последовательности, в т.ч. и одновременно, элементов составляет 10; из них 7 фрикционных

элементов, два органа управления ГОП и один двигателем. Эффективность этой трансмиссии обеспечивается программой автоматического управления процессами трогания с места и разгона, переключения передач и поворота машины.

В соответствии с возможностями кинематической схемы и конструкции механизма передач и поворота (МПП) трогание машины с места возможно следующими способами:

- на 1-й механической передаче;

- на 1-й механической передаче с предварительной раскруткой ведомых дисков фрикциона 1-й передачи на двухпоточном диапазоне;

- на полнопоточном гидрообъемномеханическом диапазоне с переходом после разгона на 1-ю механическую передачу;

- на полнопоточном гидрообъемномеханическом диапазоне с переходом после разгона на 1-ю механическую передачу и снижением частоты вращения вала двигателя.

При трогании на 1-м двухпоточном гидрообъемномеханическом диапазоне при начальной скорости движения равной нулю, передаточное число трансмиссии равно бесконечности, что получается при круговом передаточном числе, равном единице. В этом случае циркулирующая мощность стремится к бесконечности. Для уменьшения циркулирующей мощности при игоп= 1 необходим такой подбор передаточных чисел, чтобы получить начальную скорость движения машины около V, = 1 ...2 км/ч.

При расчете наименьшие значения работ буксования и температур нагрева дисков трения фрикциона 1-ой передачи наблюдаются при трогании на полнопоточном гидрообъемномеханическом диапазоне с переходом после разгона на 1-ю механическую передачу и снижением частоты вращения вала двигателя. Удельная работа буксования в одинаковых условиях трогания при этом снижается по сравнению с другими вариантами в 1,5...2,5 раза, а температура на поверхности дисков трения с учетом охлаж-

дения маслом в 1,16...1,55 раза. Процесс разгона в этом случае происходит в три этапа:

I этап-разгон на полнопоточном пгдрообъемномеханическом диапазоне, игоп изменяется от 0 до 1;

II этап-перевод ГОП с игоп=1 до 0;

III этап-переход на 1-ю механическую передачу с помощью включения Ф4 (игоп=0).

На рис.10 показано изменение скорости машины V и передаточного отношения ГОП Uron в процессе трогания с места на полнопоточном гидро-объемномеханическом диапазоне с переходом после разгона на 1-ю механическую передачу и снижением частоты вращения вала двигателя. Такой вариант трогания с места имеет наиболее сложный алгоритм управления, но он имеет значительное преимущество по параметрам буксования фрикционных элементов.

Uronxio"1,_

V

/ 6,909

1 1 \ 1 \ 1

\ 1 \ 1 \ 1

11 II \|

О 0,6 1,2 1,8 2,4 2,65 3 t, с

Рис.10 Процесс трогания с места на полно'поточном гидрообъемно-механическом диапазоне

Трогание с места на I передаче и движение на первых трех нижних передачах (I, II, III) осуществляется при включенном тормозе Тда, а движение на трех высших (IV, V, VI) при включенном фрикционе демультипликатора Фда.

Интенсивность разгона на I передаче регулируется подачей топлива и происходит до достижения предельной скорости VI и частоты вращения вала двигателя Для включения II передачи выключается фрикцион Ф4 и уменьшается подача топлива до синхронизации включаемых элементов и включается фрикцион Ф5. Разгон на этой передаче и переключение на третью и разгон на ней происходят как описано выше, управление фрикционами осуществляется в соответствии с таблицей (рис.2).

Для переключения на высшие передачи (IV, V, VI) после достижения соответствующих условий, выключается тормоз Тда и включается фрикцион Фда, в остальном разгон и переключение осуществляется как на трех низших передачах.

При торможении быстродвижущейся машины на включенной передаче исключается заглохание двигателя. При уменьшении частоты вращения вала двигателя пд<900 об/мин автоматически включается нейтраль в трансмиссии. Номер передачи, которую необходимо включить для продолжения движения после торможения определяется по соотношению скорости движения и частоты вращения вала двигателя.

Бортовое расположение гидрообъемных передач, нелинейность их характеристик (зона нечувствительности и петлеобразность) приводят к отклонениям траектории при прямолинейном движении. При этом обе гидромашины каждого борта могут работать в режиме гидронасосов, при котором рабочая жидкость в виде утечек уходит в сливную магистраль. Для предотвращения таких режимов, начиная со второй передачи, оба борта блокируются фрикционом Ф8.

Управление поворотом машины осуществляется в зависимости от режима движения. Для поворота на месте и при движении на всех переда-

чах органы управления наклонными шайбами гидронасосов отклоняются от исходного положения в противоположные стороны. Угловая скорость поворота машины регулируется поворотом штурвала и педали подачи топлива от нуля до максимального значения. Чувствительность кривизны траектории движения к управляемому воздействию с увеличением номера передачи снижается

Управление гидрообъемномеханической трансмиссией.

Система обеспечивает бесступенчатое (в пределах одного диапазона) регулирование скорости поступательного движения и угловой скорости поворота. Для трогания с места фрикционные элементы включаются без пробуксовки. При одновременном увеличении угла наклона шайб гидронасосов начинается движение вперед. Интенсивность процесса трогания и разгона в пределах каждого диапазона может регулироваться одновременным изменением угла наклона шайб обеих ГОП в одну сторону, изменением положения педали подачи топлива, или двумя органами одновременно. В разработанной совместно с НПО НАТИ системе педаль подачи топлива связана через регулятор, имеющий обратную связь по частоте вращения вала двигателя с механизмом, изменяющим угол наклона шайб гидронасосов. Это обеспечивает каждому значению скорости движения в зависимости от управляющего воздействия и сопротивления движению, определенное передаточное отношение и оптимальные (по расходу топлива и динамике разгона) частоты вращения вала двигателя.

Переключение диапазонов в механической части трансмиссии происходит без пробуксовки фрикционных элементов (при отсутствии объемных потерь в гидропередачах).

Регулирование угловой скорости поворота гусеничной машины осуществляется изменением наклона шайб гидронасосов обеих ГОП в противоположные стороны. Это приводит к увеличению передаточных отношений трансмиссии для забегающего борта и соответствующему уменьшению для отстающего.

Исследование кинематики поворота показывает, что в пределах каждого диапазона трансмиссия обеспечивает требуемую управляемость, кроме режимов перехода с одного диапазона на другой. На этих режимах усложняются алгоритмы управления системой. Для сохранения направления движения и кривизны траектории необходим запас установочной мощности ГОП. Для переключения диапазонов в процессе поворота необходимо допускать буксование фрикционных элементов. • Управление гидромеханической трансмиссией.

Процесс трогания машины с гидромеханической трансмиссией осуществляется при предварительно включенной передаче и разблокированном гидротрансформаторе путем увеличения подачи топлива. Наиболее сложны процессы трогания тяговых машин агрегатируемых с технологическим оборудованием.

С целью повышения КПД трансмиссии и, как следствие, улучшения показателей топливной экономичности и уменьшения тепловыделений в систему охлаждения, осуществляется автоматическая блокировка и разблокировка гидротрансформатора.

Переключение гидромеханической трансмиссии осуществляется обычно фрикционами. Снижение нагруженности в процессе синхронизации угловых скоростей достигается разблокировкой гидротрансформатора, изменением частоты вращения вала двигателя (уменьшением при переключении вверх, увеличением при переключении вниз), а также уменьшением давления в бустерах во время переключения.

Регулирование угловой скорости поворота гусеничной машины осуществляется с помощью штурвала изменением угла наклона шайбы регулируемого гидронасоса и частоты вращения его вала изменением подачи топлива. Хорошая управляемость быстроходных гусеничных машин достигается при системе управления ГОП с обратной связью. В этом случае управление поворотом легче автоматизируется.

При. движении с большой скоростью или на затяжных спусках использовать остановочные тормоза не целесообразно ввиду их высокой теп-лонапряженности, а эффективность торможения двигателем может быть недостаточна. Это связано с тем, что реализуемое замедление на высших передачах не превышает 0,7...1,4 м/с2 и возможна раскрутка двигателя по оборотам (превышение над максимально допустимой величиной). Раскрутка двигателя возможна и при переключении передач сверху вниз без достаточной синхронизации включаемых элементов. Поэтому при создании автоматических систем управления движением машин необходима разработка системы предохранения двигателя от раскрутки, как составной части задачи автоматизации процессов управления.

Импульсная система предохранения двигателя от раскрутки.

В известных системах предохранения двигателя от раскрутки обычно измеряется скорость движения машины и либо блокируется механизм переключения передач с высшей на низшую в том случае, когда на данной скорости на низшей передаче частота вращения двигателя будет превышать допустимую, либо отключается двигатель от ведущих колес, когда при данной скорости и на данной передаче частота вращения двигателя превышает допустимое значение. В последнем случае может использоваться подключение остановочных тормозов для принудительного снижения скорости машины. Тормозные свойства двигателя для снижения скорости сверх допустимой на данной передаче в таких системах не используется, а при преодолении затяжных спусков возникает опасность выхода из строя остановочных тормозов, так как их теплонапряженность может оказаться выше допустимой.

Рассмотрим разработанную конструкцию системы предохранения двигателя от раскрутки (A.c. №264991), применяемую на всех гусеничных машинах с гидромеханическими трансмиссиями (БМП — 3 и машины на ее базе, ТМ-1, MJ1 - 107), выпускаемых на ОАО «Курганмашзавод». В предлагаемой системе предохранения двигателя от раскрутки измеряется не

скорость движения машины, а частота вращения турбины гидротрансформатора. При включенном блокировочном фрикционе гидротрансформатора эта частота однозначно соответствует частоте вращения коленчатого вала двигателя. Система работает следующим образом: если скорость машины на данной передаче будет больше расчетной и измеряемая частота достигнет некоторого верхнего значения <ав, установленного с учетом предельно допустимого значения частоты вращения коленчатого вала двигателя, то включается клапан слива в гидравлической системе управления коробкой передач, при этом выключается блокировка гидротрансформатора и фрикционный элемент в коробке передач, который был включен на данной передаче; при снижении измеряемой частоты до некоторого нижнего значения сон, что обеспечивается при отпущенной педали подачи топлива, выключается клапан слива, включается тот же фрикционный элемент в коробке передач и с некоторой задержкой (1,5-2,0 с) включается блокировка гидротрансформатора. Если за время этой задержки измеряемая- частота из-за раскрутки турбины гидротрансформатора от ведущих колес машины через включаемый фрикционный элемент снова достигнет значения сов, то клапан слива снова выключает фрикционный элемент коробки передач и снова включит его после снижения частоты до значения а>н. Такое импульсное включение и выключение фрикционного элемента коробки передач будет происходить до тех пор, пока скорость машины не снизиться до значения соответствующего расчетному значению на данной передаче. После этого включится блокировка гидротрансформатора.

Структурная и логическая схемы автоматической системы представлены на рисунках 11 и 12.

Такая импульсная система позволяет использовать для снижения скорости машины до расчетного значения на данной передаче тормозные свойства двигателя, работу буксования включаемых фрикционных элементов коробки передач и рассеивание энергии при режиме скольжения в гидротрансформаторе. Это происходит потому, что включаемый периодиче-

26

ски фрикцион передачи осуществляет как бы перекачку кинетической энергии от машины к инерционным массам, жестко связанным с турбиной гидротрансформатора, доводя их кинетическую энергию до значения, определяемого частотой а>в , а двигатель, работая в тормозном режиме, через гидротрансформатор гасит эту кинетическую энергию, снижая ее до значения, определяемого частотой 03н. При этом часть энергии расходуется на работу буксования фрикциона и на гидравлические потери в гидротрансформаторе.

Для количественного анализа процесса работы системы может быть использована расчетная схема, показанная на рис.13.

Здесь /, и &>, -приведенный момент инерции и угловая скорость деталей, связанных с коленчатым валом двигателя (до насосного колеса гидротрансформатора включительно);

/2 и со2-приведенный момент инерции и угловая скорость деталей, связанных с турбиной гидротрансформатора (до ведущих деталей фрикционного элемента Фп включительно);

/3 и приведенный момент инерции и угловая скорость деталей, связанных с ведомыми деталями фрикционного элемента Фп> включая и массу машины;

Фв-блокировочный фрикцион гидротрансформатора;

Фп—фрикционный элемент коробки передач, включаемый на данной передаче.

Движение трех составных частей механической системы описываются системой уравнениий:

- = -Мя + Мн + М,

I-

с1а>.

-М +М ■

Т ^ 1Г1 ФП '

ФП >

I —- = -М -М +м

, ФП .г/ ,

ФП

г

где Мд=Мд(о},) - тормозной момент двигателя;

Мн = Мн(а>1,а>2) - момент на насосном колесе гидротрансформатора при работе в тормозном режиме;

Мт = Мт(а>,,о)2) - момент на турбинном колесе гидротрансформатора при работе в тормозном режиме;

МФБ = МФБ (Г) - момент трения блокировочного фрикциона гидротрансформатора;

МФП = Мфп (/) - момент трения фрикциона передачи;

Ми = М^ О,) - момент от сил сопротивления в ходовой части;

МР - МР (аз) - момент от внешних сил сопротивления движению.

Моменты на насосном и турбинном колесах гидротрансформатора при работе в тормозном режиме:

М„ =М„-<о\ •£>';

Мт=у1т-со1-05,

где уЛн, у^ -параметры характеристики гидротрансформатора при работе в тормозном режиме;

О - активный диаметр гидротрансформатора.

Тормозной момент определяется на основе экспериментальной зависимости с учетом потерь в моторных установках и при отпущенной педали подачи топлива:

Мд = к, +к-2<у,

где тс, ,к2, к3 — коэффициенты аппроксимирующего полинома.

Момент сопротивления в ходовой части:

Мхч = а>а,>

где а, — коэффициент.

Законы изменения моментов Мфв и Мфп при заполнении и опорожнении гидросистемы управления определяются на основе эксперимен-

тальных и расчетных данных с учетом относительной скорости скольжения фрикционных дисков и давления в системе управления.

Рис.11. Структурная схема системы предохранения двигателя.

1 - датчик частоты вращения (импульсный счетчик ИС-445);

2 - электромагнит гидросистемы управления;

3 - электронный блок сравнения; 4-реле.

Рис.12. Логическая схема работы системы предохранения двигателя.

Уменьшение кинетической энергии машины за время X работы системы в результате рассеивания ее в двигателе, составных элементах трансмиссии и ходовой части:

ДГ = АФП + Ад +АП + АГ1,

где Афп = \{МФП {со, - со1 - работа трения в фрикционе включае-

0

мой передачи;

лл = Iм

лсо,сЛ - работа сил внутреннего сопротивления в двигателе;

Агг = \МТ

сог - Мн бу, - работа трения в гидротрансформаторе;

о

А„ = \М

<у3Л - работа сил сопротивления в ходовой части.

о

В качестве примера проведено расчетно-теоретическое исследование импульсной системы предохранения двигателя для БМП-3. Для двигателя с частотой вращения на режиме максимальной мощности =272 1/с определены рациональные параметры частот срабатывания системы:

<у„=306 1/с, £«„=274 1/с.

В таблице представлены расчетные относительные величины работ, составляющих энергию диссипации в узлах моторно-трансмиссионной установки и ходовой части для следующих режимов:

1 — переключение с IV на III передачу при частоте вращения двигателя в начале переключения <у„=272 1/с, коэффициент сопротивления передвижению машины/= 0.02;

2 — переключение с II передачи на I при «0=272, 1/с,/= 0.02; спуск с горы при угле наклона от =10°;

3 — переключение с IV на III передачу при частоте вращения двигателя в начале переключения &>0=272 1/с для системы предохранения двигателя с блокировкой на избирателе передач.

Как видно из таблицы при блокировке на избирателе передач рассеивание энергии происходит исключительно за счет потерь в ходовой части, а при импульсной системе защиты двигателя значительная доля энергии рассеивается также в двигателе и в трансмиссии, что повышает эффективность системы (без учета работы в остановочных тормозах).

Таблица

Составные части энергии диссипации

Относительная величина работы, %

Номер В моторно-трансмиссионной уста- В>

режима новке довой час

■Афп Л Агт А

1 8.71 21.62 6.43 63.

2 16.38 35.23 10.05 38.

3 0 3.41 0.55 96,

Проведенные испытания импульсной системы в составе БМП-3 I других гусеничных машин показали ее работоспособность во всех услови

х эксплуатации и возможность движения машины в горных условиях без скорения при спуске и применения остановочных тормозов на склонах до :8°. На рис.14 представлены результаты расчета и экспериментальные [анные испытаний при переключении с III передаче на I на снежной ука-анной дороге. Результаты экспериментальных и теоретических исследо-¡аний имеют хорошую сходимость, что подтверждает правильность разра-ютанных математических моделей и логической схемы функционирования системы.

420 400 380 360 340 320 300 280 260 240

220 200

Рис.14. Результаты расчета и экспериментальные данные испытаний системы предохранения двигателя -----эксперимент;- -расчет.

В настоящее время такая конструкция системы предохранения двигателя применяется на БМП-3 и машинах на ее базе, машине повышенной проходимости ТМ-1 и ее модификациях, лесопромышленной машине МЛ-107. Разработанная система может быть применена во всех типах трансмиссий и являться составной частью автоматизированной системы управления движением гусеничных машин.

Основные результаты и выводы.

1.При выборе схем трансмиссий современных и перспективных транспортных и тяговых гусеничных машин необходимо обеспечить резерв приспособляемости к машинам с различным функциональным назначением, диапазонами скоростей движения, вариантами совмещения с двигателем и расположением валов входного, выходного и отбора мощности. Этот резерв обеспечивается за счет современных подходов к конструированию при выборе схем механических, гидромеханических:, гидрообъем-номеханических трансмиссий, разрабатываемых в ОАО СКБМ.

2.Механические трансмиссии с демультипликатором обеспечивают необходимый кинематический диапазон. Для выполнения технологических операций реализуются «ползучие» скорости (расширяется диапазон) включением гидрообъемных передач при прямолинейном движении.

3.На базе узлов трансмиссии БМП-3 создана ГМТ с высокой степенью унификации (гидротрансформатор ГТК-ХУ, фрикционы, планетарные ряды, подшипники, элементы гидравлической системы смазки и управления и др.), конструкция которой позволяет производить совмещение характеристик гидротрансформатора с различными двигателями. Эта трансмиссия нашла применение на гусеничной машине высокой проходимое^ ТМ-1 и модификации лесной машины МЛ-107. Реализация принципа «наращивания» конструкции позволила на базе трансмиссии ТМ-1 разработать 6 и 8 ступенчатые модификации, которые могут применяться на вари

птах ТМ-1 различной грузоподъемности, в том числе для двухзвенного арианта, а также для сельскохозяйственного трактора на базе MJI-107.

4. Модульный принцип компоновки позволил создать семейство инфицированного ряда гидрообъемномеханических двух-, трех- и четы-ехдиапазонных трансмиссий для гусеничных машин. Унификация осуще-твляется по центральному модулю, включающему входной редуктор, идромашины, приводы к гидромашинам, блок гидронасосов смазки и правления, клапанные и золотниковые узлы системы управления.

5. Сложные алгоритмы управления трансмиссией перспективных тшин в процессе трогания с места, переключения передач, регулирования управления движения (поворота), торможения, а также предохранения ;вигателя от раскрутки при переключении передач и торможении двигате-!ем реализуются при адаптивной автоматизированной системе управле-[ия. Эта система выполняется в виде блока информационно-[змерителыюй и управляющей системы (ИИУС). Разработанные програм-1Ы оптимального управления, функциональные схемы систем и элементы юнструкции реализованы в различной степени при создании опытных об->азцов и выдаче технических заданий на разработку информационно-1змерительных управляющих систем.

9. Разработана система предохранения двигателя от раскрутки с ис-юльзованием диссипации энергии в моторно-трансмиссионной установке, проведенные экспериментальные исследования и опыт эксплуатации подтвердили ее работоспособность и эффективность во всех условиях экс-тлуатации. Гусеничная машина преодолевает затяжной спуск до 28° без зключения остановочных тормозов.

Эсновное содержание диссертации изложено в работах: 1. Благонравов A.A., Жебелев К.С., Никонов А.И. Импульсная система предохранения поршневого двигателя от раскрутки. //ВБТ, 1989, №4, с.17-21.

2. Потемкин Э.К., Никонов А.И., Жебелев К.С., Хребтань A.B. БМП-3 -боевая машина нового поколения.//ВБТ,1991,№5.,с.5-9.

3. Наумов В.Н., Жебелев К.С., Сухоруков А.К. Выбор схемы и параметров трансмиссий лесопромышленного трактора. Известия ВУЗОВ. Маши-ностроение.№4 — 6, 1995г., с.67-74.

4. Жебелев К.С., Зыков Е.А., Сухоруков А.К., Шелест JI.A. Гидромеханическая трансмиссия для базового шасси лесопромышленных машин нового поколения.//Вестник транспортного машиностроения. 1996,№3,с.41-45.

5. A.c. №264991. Автомат предохранения двигателя/Благонравов A.A., Жебелев К.С., Никонов А.И./1987г.

6. Патент №2096672 РФ. Гидромеханическая трансмиссия./Ворончихин Ф.Г., Жебелев К.С. и др./ Заявка №93035917 от 12.07.1993г.

7. Патент №2137619 РФ. Гидромеханическая коробка передач транспортного средства. /Зыков Е.А., Жебелев К.С. и др./ Заявка №95111579 от 5.07.1995г.

8. Гидромеханическая передача транспортного средства с двумя и более диапазонами./Жебелев К.С., Зыков Е.А., Кожевников B.C., и др/ Положительное решение по заявке 95-111819 от 5.07.95г.

Подписано в печать/К04.2000 Формат 60x84x16 Бумага тип №1 Плоская печать Усл.печ.л. 2 Усл.изд.л. 2

Заказ Тираж 100 Бесплатно

Курганский государственный университет, корпус Б,ризограф, г.Курган, ул.Пролетарская,62