автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Автоматизация переключения передач в трансмиссии транспортных и тяговых машин

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор.

Глава 2. Выбор характеристик и расчет законов переключения передач трактора.

2.1. Анализ экономичности установившегося движения машины на смежных передачах.

2.2. Выбор, расчет и аппаратная реализация статистических характеристик и законов переключения передач.

2.3. Расчет и аппаратурная реализация динамических законов переключения передач.

2.3.1. Расчет динамических законов переключения передач в общем виде.

2.3.2. Расчет динамических законов переключения передач с учетом буксования фрикциона.

2.3.3. Пример расчета и аппаратурной реализации динамических законов в САПП.

2.4. Выводы.

Глава 3. Исследования системы автоматического переключения передач на имитационных моделях.

3.1. Математическая модель машины.

3.2. Математическая модель систем автоматического переключения передач и блокировки гидротрансформатора.

3.3. Математическая модель системы «водитель-дорога».

3.4. Выбор и расчет параметров дороги для вычислительного эксперимента.

3.4.1. Моделирование среднего коэффициента сопротивления прямолинейному движению и пересеченности.

3.4.2. Моделирование заданной скорости движения машины.

3.4.3. Моделирование извилистости.

3.5.4. Выбор дорожных условий для исследования систем.

3.5. Вычислительные эксперименты на имитационных моделях.

3.6. Выводы.

Глава 4. Исследования экспериментального образца системы автоматического переключения передач.

4.1. Опытная система автоматического переключения передач.

4.2. Экспериментальные исследования САПП по совокупности дорожных условий.

4.3. Выводы.

На современном этапе развития машиностроительного производства проблема конкурентоспособности товаров, т.е. их способность выдерживать сравнение с аналогичными товарами других производителей и при этом продаваться по ценай не ниже среднерыночных, приобретает все большее значение /1/. Особенно это справедливо для такой отрасли машиностроения, как отечественное тракторостроение. Экономические условия работы отрасли, как известно, кардинально изменились за последнее десятилетие. Плановое хозяйство, отсутствие конкуренции на внутреннем рынке привели к тому, что в новых экономических условиях отечественные трактора стали не конкурентоспособны своим зарубежным аналогам. Как известно /1/, тракторы являются основным мобильным энергетическим средством в сельскохозяйственном производстве, лесозаготовительной, строительной и других отраслях промышленности. По статистическим данным в мире эксплуатируется свыше 20 млн. тракторов /1/, большая часть из них сосредоточена в сельскохозяйственном производстве, которое оказывает существенное влияние на развитие экономики большинства стран мира, так как непосредственно связано с наиболее важной сферой человеческой деятельности — производством продуктов питания.

Из анализа тенденций развития конструкций зарубежных тракторов /2/ можно выделить определяющие тенденции развития универсально-пропашных тракторов (УПТ). Во-первых, рост удельной мощности и повышение энергонасыщенности в каждом тяговом классе. Это связано с переходом к совмещению операций, распространению индустриальных технологий и промышленных способов ведения производства, расширяющих возможности применения скоростной и широкозахватной техники. Во-вторых, стремление улучшить условия работы тракториста, облегчение его труда путем внедрения электронных элементов контроля, управления и регулирования, использование бортовых компьютерных систем. Благодаря быстрому развитию микроэлектроники и удешевлению производства электронных систем они становятся стандартным оборудованием /2/.

Однако с повышением рабочих скоростей существенно увеличивается напряженность работы водителя как оператора, управляющего сложным комплексом систем и механизмов мобильного агрегата. Для эффективного использования машинно-тракторного агрегата (МТА) водитель должен управлять загрузкой двигателя, направлением движения МТА, работой агрегатируемой сельскохозяйственной машины с целью обеспечения высоких агротехнических качеств работы, повышением тяговой мощности за счет уменьшения буксования ведущих колес, следить за работой систем и механизмов трактора и сельскохозяйственной машины и обеспечивать безопасность движения.

Таким образом видно, что чем выше рабочая скорость и сложнее технологическая операция, тем больший поток информации перерабатывает водитель и тем чаще приходится пользоваться органами управления. Это приводит к быстрой утомляемости водителя. Он все больше запаздывает с принятием решения и осуществлением управления и по истечении определенного времени может отказаться от некоторых трудоемких операций управления, например переключения передач, вследствие чего эффективность работы МТА существенно снижается. А чем выше энергонасыщенность МТА и выше тяговый класс трактора, тем более значительны потери от недоиспользования потенциальных возможностей агрегата.

Следовательно, с повышением удельной мощности и рабочих скоростей все большее значение приобретает оптимальное управление МТА.

Задачу оптимального управления таким сложным комплексом, каковым является МТА, можно решить лишь на основе его автоматизации. Наибольший эффект может дать только комплексная автоматизация процессов регулирования и управления системами и механизмами МТА и последующее полное автоматическое управление, включая и автоматическое вождение трактора.

Однако комплексное решение задачи оптимального управления одновременно всеми процессами тракторного агрегата представляет серьезные трудности. Целесообразно решать ее поэтапно, начиная с наиболее существенных процессов с точки зрения их эффективности и трудоемкости. Выделим для этого самые существенные из них.

Очевидно, что эффективность работы тракторного агрегата в значительной мере определяется рациональным использованием мощности двигателя. Немаловажное значение при этом имеет тип трансмиссии и совершенство ее системы управления. Анализ тенденций развития трансмиссий показывает, что на абсолютном большинстве современных и перспективных тракторов применяются механические ступенчатые коробки передач. По-видимому, такое положение сохранится еще длительное время, пока не будут существенно улучшены характеристики бесступенчатых трансмиссий. Таким образом, исходя из сложившихся в тракторостроении традиционных конструктивных решений и учитывая перспективы их развития, первым шагом решения поставленной задачи является оптимальное управление режимами работы двигателя путем автоматического переключения передач ступенчатой трансмиссии и изменения скоростного режима двигателя.

Для оценки работоспособности систем автоматического переключения передач (САПП) существуют объективные показатели. При автоматическом переключении передач показатели производительности МТА должны быть не хуже, чем при переключении передач опытным водителем, в процессе переключения передач не должны наблюдаться рывки машины, а количество переключений не должно влиять на снижение ресурса работы механизма передач МП /3, 4, 5, 6, 7/. Существующие экспериментальные системы /8,9, 10, 11, 12, 13, .14/ не обеспечивают совокупности перечисленных требований. В известной мере /15, 16/, это связано с недостатками развития теории и методов исследования систем автоматического переключения передач.

До настоящего времени при проектировании систем автоматического переключения передач используются графоаналитические методы определения законов переключения /5, 6/ и неформальная логика для совокупности условий переключения передач. Поэтому принятие решений в процессе проектирования системы в основном зависит от опыта и интуиции разработчика, что не способствует их объективной оценке.

Таким образом, разработка современных методов расчета, логического синтеза и исследования систем автоматического переключения передач для перспективных и существующих трансмиссий транспортных машин является актуальной задачей.

В связи с изложенным, целью диссертационной работы является изыскание путей повышения качества и совершенствования методов анализа и синтеза систем автоматического переключения передач для транспортных машин с дизельным двигателем и механической или гидромеханической трансмиссией. Научная новизна работы заключается в следующем.

Разработана аналитическая методика выбора и расчета характеристик и законов для автоматического переключения передач.

Предложены среднеинтегральные статистические и динамические условия переключения передач.

Разработана математическая модель системы автоматического переключения передач в виде совокупности структурных формул и методика исследования систем на имитационных моделях.

Доказана целесообразность использования в системах автоматического переключения передач среднеинтегральных динамических переключений передач на переходных режимах движения с максимальной настройкой регулятора дизеля.

Установлено, что при реализации предложенного решения задачи на опытном образце гусеничного трактора ОАО «Волгоградский тракторный завод» (ВТ-130) с механической трансмиссией и дизельной силовой установкой, показатели производительности при автоматическом переключении передач возросли на 8,38%, показатели экономичности улучшились на 16,4%, а число переключения передач возросло на 32,3%, что является допустимым, так как улучшает показатели существующих САПП и близко к показателям при управлении опытным водителем.

С практической точки зрения предлагаемая методика позволяет; во-первых, определить совокупность параметров системы для аппаратурной реализации условий переключения передач и блокировки переключений для исключения нерациональных переключений, во-вторых, разработать функциональную схему блокировки управления, в-третьих, методом моделирования уточнить параметры системы автоматического переключения передач и оценить качество и работоспособность системы на стадии проектирования. Это способствует сокращению времени и средств при разработке и испытаниях систем автоматического переключения передач.

Данная работа состоит из 4 глав содержит 23 рисунка и 3 приложения.

В первой главе анализируется современное состояние вопроса, рассматриваются перспективы применения систем автоматического переключения передач и определяется цель и задача работы на основании всесторонних испытаний экспериментального образца системы автоматического переключения передач для тракторов ВТ-130 и ВТ-130К (колесный) имеющих одинаковые моторно-трансмиссионные установки, изготовленной в рамках настоящей работы по совокупности известных требований и технических решений. Отмечается, что для повышения качества систем автоматического переключения передач необходимо совершенствовать: во-первых, способы выбора и расчета характеристики законов переключения передач, во-вторых, способы аппаратной реализации условий переключения, в-третьих, способы исключения цикличности, сокращения числа нерациональных переключений, в-четвертых, способы проверки технических решений.

Во второй главе рассматриваются выбор и расчет характеристик переключения передач, а также способы аппаратной реализации косвенных условий переключения передач для обеспечения необходимой точности выполнения непосредственных условий переключения. Характеристики и законы переключения передач определяются из условий экономичности на установившемся режиме движения и условия оптимальности на переходных режимах. В третьей главе описана разработка математической модели систем автоматического переключения передач, в целом системы управления прямолинейным движением машины и исследованию систем автоматического переключения передач на имитационных моделях. Целью исследований является оценка эффективности технических решений для обеспечения совокупности требований к системе, из которых рассматриваются наиболее важные. Во-первых, при автоматическом переключении передач не должна возникать цикличность и должны оптимально использоваться тягово-скоростные возможности и динамические свойства на переходных режимах. Во-вторых — должно быть минимальным число нерациональных переключений передач. Первое требова * ние проверяется на переходных режимах движения с максимальной настройкой регулятора дизеля. Второе — путем сравнения показателей подвижности и плотностей переключения передач при имитации движения машины по совокупности дорожных условий на участке трассы при автоматическом переключении передач и при имитации переключений передач опытным водителем. По результатам вычислительных экспериментов установлены необходимое качество и работоспособность предлагаемой системы автоматического переключения передач (САПП) для механической и гидромеханической трансмиссий. Исследования проводились на примере трактора ВТ-130 и ВТ-130К.

Четвертая глава посвящена экспериментальные исследованиям САПП в составе трактора ВТ-130. Для этого разработана изготовлена и установлена на машину экспериментальная САПП. Кроме автоматического переключения передач разработанная при участии автора аппаратура управления обеспечивает полуавтоматическое переключение передач, при котором водитель сам выбирает передачу, а цикл переключения осуществляется автоматически. Работоспособность САПП оценивается при сравнении показателей производительности для МТА состоящего из трактора ВТ-130 и плуга ПЛН-135-5 при упомянутых режимах. При этом установлено, что разработанная САПП работоспособна и обеспечивает увеличение производительности МТА и уменьшение удельного расхода топлива при незначительном повышении плотности переключения передач.

4.3. Выводы

Разработана и испытана экспериментальная система автоматического переключения передач для трактора ВТ-130.

САПП на тракторе ВТ-130 подтвердила функциональную работоспособность.

Прирост производительности у трактора работающего в режиме автоматического переключения передач относительно работы в режиме ручного управления составил 8,38%.

Удельный расход топлива у трактора работающего в режиме автоматического переключения передач сократился относительно расхода при работе в режиме ручного управления и составил 16,4%.

Плотность переключения передач при работе в режиме автоматического управления трансмиссией возросла на 32,3%, что является допустимым, так как улучшает показатели существующих САПП.

Заключение

По результатам выполненной работы можно сделать следующие основные выводы.

1. Разработана методика выбора и расчета характеристик и законов переключения передач из условий1 экономичности на установившемся режиме движения и оптимального использования тягово-скоростных возможностей машины на переходных режимах.

2. Разработаны математическая модель САПП в виде совокупности структурных формул и методика исследования системы на имитационных моделях.

3. Предложены среднеинтегральные статическое и динамические условия переключения передач, которые сформулированы в удобном виде для реализации в аппаратуре САПП и установлена целесообразность использования динамических условий на переходных режимах движения машины с максимальной настройкой регулятора дизеля.

4. Разработана экспериментальная система автоматического переключения передач для ВТ-130.

5.В результате вычислительных и натурных экспериментов установлена работоспособность разработанной САПП путем сравнения показателей подвижности и плотности переключения передач при автоматическом выборе и переключении передач и управлении опытным водителем.

6. По совокупности результатов работы разработано техническое задание на промышленный образец САПП для трансмиссии трактора ВТ-130.

118

7. Экспериментально установлена возможность модернизации ВТ-130 за счет установки системы автоматического переключения передач без изменения штатных узлов МТУ.

8. Доказано, что использование САПП для гусеничного трактора без гидротрансформатора может повысить производительность и снизить расход топлива при увеличении, в допустимых пределах, плотности переключения передач.

1. Нечаев С.Ю., Дехтерева В.К., Лобанов В.В., Конкурентоспособность и технический уровень тракторов на капиталистическом рынке.— М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1987.— 44 с.— (Сер.4. Экономика и управление, Вып. 11).

2. Артемова Т.Д., Дехтерева В.К., Тенденции развития конструкций универсально-пропашных тракторов: Обзорная информация.— М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1988.— 52 с. — (Сер.1. Тракторы и двигатели, Вып. 1).

3. Забавников H.A. Основы теории транспортных гусеничных машин.—М.: Машиностроение, 1975.— 448 е., ил.

4. Расчет и конструирование гусеничных машин/Носов H.A., Га-лышев В.Д., Волков Ю.П., Харченко А.П. — Л.: Машиностроение, 1972.— 560 е., ил.

5. Петров В. А. Автоматические системы транспортных машин.— М.: Машиностроение.— 1974. — 336 е., ил.

6. Ксеневич И. П., Тарасик В. П. Системы автоматического управления ступенчатыми трансмиссиями тракторов.—М.: Машиностроение, 1979. —267 е., ил.

7. Смирнов Г. А. Теория колесных машин.— М.: Машиностроение, 1981,— 271 е., ил.

8. A.c. 423685 (СССР) /Б. С. Науменко, В. М. Емельянов. Устройство для автоматического управления процессом переключения передач в трансмиссии транспортной машины.—Заявл. 12.05.74, № 1439764/27.

9. A.c. 686911 (СССР)/ А. А. Дмитриев, В. Ф. Зубков, В. П. Ко-лочкин, Н. Н. Петрухин, В. С. Старовойтов. Устройство дляуправления ступенчатой коробкой передач транспортного средства.—Заявл. 8.06.77, № 2494269.

10. А.с. 637291 (СССР) /А. А. Дмитриев, В. Ф. Зубков, А. А. Кожушко, Н. Н. Петрухин. Устройство для переключения ступенчатой коробки передач.—Заявл. 28.04.76, № 2354532.

11. П.Шейнкер И. Е., Шимко А. А., Красковский Л. Г., и др. Гамма автоматических гидромеханических передач для автомобилей большой грузоподъемности.— Автомобильная промышленность, 1980.—№3.—С.7-9.

12. Нарбут А. Н. Гидромеханические передачи фирмы Детройт Дизель Аллисон.— Автомобильная промышленность, 1979.— №6.—С.31-36.

13. Моисеев Н. Ю. Система оптимального управлением дизелем и ступенчатой трансмиссией транспортных машин. Автореферат дисс. канд. техн. наук.— Челябинск: ЧПИ, 1983.— 17 с.

14. Плужников Б. М. Исследование законов переключения передач автоматической гидромеханической трансмиссии легкового автомобиля на режиме разгона.— Автореферат дисс. канд. техн. наук.— М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1982.— 16 с.

15. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания.— М.: Машиностроение, 1968 г. — 535 е., ил.

16. Работа дизеля в нестационарных условиях/Брук М.А., Викс-ман A.C., Левин Г.Х.— Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1981 г.—208 е., ил.

17. Айзерман М. А. Автоматика переключения передач.— М.: Машгиз, 1947.— 139 е., ил.

18. Петров В. А. Основы теории автоматического управления трансмиссией автомобиля.— М.: изд-во АН СССР, 1957.— 162 е., ил.

19. Петров В. А. Автоматическое управление бесступенчатых передач самоходных машин.— М.: Машиностроение, 1968.— 384 е., ил.

20. Дзядык М. Н., Есеновский-Лашков Ю. К., Мазалов Н. Д., Пыткин А. Ю,, Споков Е. М. Гидромеханическая передача автобуса.— М.: Транспорт, 1968.— 112 с.

21. Гром-Мазничевский Л. И. Система автоматического управления бесступенчатой трансмиссией трактора.— В кн.: Машиностроение, Киев, 1961, № 2, с. 98—104.

22. Гром-Мазничевский Л. И. Экспериментальный трактор с автоматический гидрообъемной трансмиссией. — В кн.: Машиностроение, Киев, 1963, № 2, с. 79-83.

23. Колесов В. А. Гидросистемы трансмиссий гусеничных машин.— М.: ЦНИИинформации, 1978.—192 с.

24. Нишчик Н. М., Нишчик Е. В., Кацнельсон Д. Е. Влияние блокировки гидротрансформатора на технико-экономические показатели автомобиля большой грузоподъемности.— Автомобильная промышленность, 1981.— № 5.— С. 20-22.

25. Зубков В. Ф. К расчету характеристик переключения в автоматической коробке передач//Динамика колесных и гусеничных машин,— Волгоград: ВПИ, 1980.— С. 70-74.

26. Портнов Л. А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия.— М.: Машиностроение, 1963.— 639 е., ил.

27. Дьяченко Н. X. и др. Быстроходные поршневые двигатели внутреннего сгорания.— М.: Машгиз, 1962.— 130 е., ил.

28. Кисельников В. Б., Плоткин А. Г. Системы автоматизации силового дизельного привода.— Л.: Машиностроение, 1973.— 238 е., ил.

29. Дмитриев А. А., Чобиток В. А., Тельминов А. В. Теория и расчет нелинейных систем подрессоривания гусеничных машин.— М.: Машиностроение, 1976.— 208 е., ил.

30. Дуванов С. Г., Шекшня В. Л. Корректирующие устройства с конечной памятью в системах автоматического регулирования.— М.: Энергия, 1973.— 104 е., ил.

31. Ланге Ф. Г. Статические аспекты построения измерительных систем: Пер. с нем.— М.: Радио и связь, 1981.— 168 е., ил.

32. Кринецкий И.И. Регулирование двигателей внутреннего сгорания.— М.: Машиностроение, 1965.— 264 е., ил.

33. Майборода О.В., Невский Н.В. Оптимизация процесса управления скоростью движения — один из способов снижения расхода топлива автомобилей.— Автомобильная промышленность, 1984.— № 3.— С. 12-14.

34. Нарбут А. Н. Гидротрансформаторы.— М.: Машиностроение, 1966,— 215 е., ил.

35. Тарасик В. П. Уравнение движения трактора с бесступенчатой трансмиссией.—В кн.: Повышение эффективности использования техники в сельском хозяйстве, вып. 9. БСХА, 1976, с. 15—19.

36. Труханов В.М., Зубков В.Ф., Никулов Д.Г. Испытания и настройка микропроцессорных блоков, управляющих работой трансмиссии.—Инженерный журнал. Справочник.— 1998.— №2(11).

37. РТМВЗ-1401-80. 1407-80. Расчет вероятностных режимов трансмиссии.

38. Симеон А.Э., Каминский В.Н., Моргулис Ю.Б., и др. Турбо-наддув высокооборотных дизелей.— М.: Машиностроение, 1976,— 288 е., ил.

39. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: Справочное пособие. /Байков Б. П., Бордуков В. Г., Иванов П. В., Дейг Р. С.— Л.: Машиностроение, 1975.— 200 е., ил.

40. Проектирование бесконтактных управляющих логических устройств промышленной автоматики. /Грейнер Г. Р., Илья-щенко В. П., Май В. П., Первушин Н. Н., Токмакова Л. И.— М.: Энергия, 1977,— 384 е., ил.

41. Проект технического задания на разработку комплекта аппаратуры для автоматической блокировки гидротрансформатора: Отчет по НИР.— Волгоград: ВолгПИ, 1984.— 14 е., ил.

42. Беккер М. Г. Введение в теорию систем местность-машина.— М.: Машиностроение, 1973.— 520 е., ил.

43. Александров Е. Е. Синтез и разработка автоматизированных систем управления технологическими процессами для самоходных гусеничных машин с бесступенчатыми трансмиссиями. Автореферат дисс. доктора техн. наук.— Харьков: ХПИ, 1986.— 43 с.

44. Ловцов Ю. И., Белов А. П. Моделирование внешних возмущений, действующих на гусеничную машину при ее неустановившемся движении.— М.: МВТУ, 1980.— С.68-84.— (Труды МВТУ № 339, вып. 3).

45. Исследование корреляции некоторых параметров дорожных условий /Вафин Р. К., Брекалов В. Г., Смирнов С. И., Сысоев А. В.— М.: МВТУ, 1984,— С.15-21,— (Труды МВТУ № 441).

46. Горинштейн А. Н. Практика решения инженерных задач на ЭВМ,— М.: Радио и связь, 1984,— 88 с.

47. Данилина Н. И., Дубровская Н. С., Кваша О. П. и др. Численные методы.— М.: Высшая школа, 1976.— 368 с.

48. Штернберг JI. Ф. Разработка и отладка программ.— М.: Радио и связь, 1984.— 88 с.

49. Язык «Си» для профессионалов: По материалам книги Г. Шмилдта.—М.: И.В.К.-СОВТ, 1992.— 320 с.

50. Неформальное введение в С++ и TURBO VISION.— С.Петербург: Петрополь, 1992.— 384 с.53.0т Си к Си++ /Е. И. Козелл, JI. М. Романовская, Т. В. Русс и др.— М.: Финансы и статистика, 1993.— 272 е., ил.

51. Антонов A.C. Комплексные силовые передачи: Теория силового потока и расчет передающих систем.—Л,: Машиностроение. Ленингр. отд-ние,1981.— 496 е., ил.

52. Зубков В.Ф., Никулов Д.Г. О выборе кинематической схемы бесступенчатой многодиапазонной коробки передач с автоматическим переключением передач/ ВолгГТУ.— Волгоград. 1998,— 7 е.—Деп. в ВИНИТИ, 17.09.97 №2874

53. Система автоматического переключения передач (САПП) тракторов ВТ-130 и ВТ-130К: Отчет по ОКР №32/494-95.— Волгоград: ВолгГТУ, 1997.— 52 с.