автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Методы управления переключением передач без разрыва потока мощности на тракторах

На правах рукописи

Алендеев Евгений Михайлович

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПЕРЕДАЧ БЕЗ РАЗРЫВА ПОТОКА МОЩНОСТИ НА ТРАКТОРАХ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ü АБГ /015

Москва-2015

005561663

Работа выполнена в Открытом акционерном общестпе «Научно-исследовательском институте стали»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Городецкий Константин Исаакович

Официальные оппоненты: Гладов Геннадий Иванович - доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Винников Денис Николаевич -кандидат технических наук, начальник отдела военных гусеничных машин НИИЦ АТ ФГБУ «3-й ЦНИИ» МО РФ

Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО «Московский автомо-

бильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Защита состоится 24 сентября 201Я г в 16?! на заседании диссертационного совета Д 212.140.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)/ Университет машиностроения» по адресу: 107023. г. Москва, ул. Б. Семеновская. 38. ауд. Б-303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)/ Университет машиностроения» и на сайте www.mami.ru.

Автореферат разослан « 15 »августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.С. Щетинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время, несмотря на серийное производство бесступенчатых трансмиссий, в мировом тракторостроении сохраняется практическая необходимость применения механических ступенчатых коробок передач (КП) с шестернями постоянного зацепления (ШПЗ) с использованием двух и более мокрых гидроподжимных фрикционных муфт (ФМ). Как правило, в них переключение передач происходит без разрыва потока мощности за счет соответствующего управления давлениями в бустерах выключаемой и включаемой ФМ. К таким коробкам передач относятся широко применяемые за рубежом КП типа Powershift и упрощенные преселек-торные (в том числе роботизированные). В зависимости от кинематики в КП типа Powershift переключения передач могут производиться без разрыва потока мощности как внутри диапазонов, так и между диапазонами. Как правило, особенность управления такими КП требует наличия двухпарного переключения (Full Powershift), т.е. одновременного переключения как диапазонов, так и скоростей. В то же время работу системы управления КП можно выстроить так, чтобы двухпарное переключение последовательно проходило в две стадии: сначала проводилось однопарное переключение между диапазонами, а затем - однопарное переключение между передачами. Такой алгоритм управления позволяет относительно просто обеспечить работу двух фрикционных муфт: выключаемой и включаемой (однопарное переключение).

Тяговые машины по сравнению с транспортными работают с широким диапазоном нагрузок и агрегатированные с орудиями не допускают переключений передач с разрывом потока мощности, т.е. исключают движение по инерции, как у автомобилей. Поэтому требуются специальные меры, способные увеличить, например, время процесса переключения передач. Суть вопроса сводится к применению систем управления, корректирующих давление в бустерах ФМ на основе данных о частотах вращения валов КП. Причем в качестве параметров переключения, на которые необходимо ориентироваться при коррекции давлений, выбираются плавность переключения и работа буксования ФМ.

Целью работы является разработка рекомендаций по управлению процессом переключения (выбор интенсивностей изменения давлений в ФМ, время буксования ФМ, предельное значение давления ФМ и т.д.), позволяющих получить переключение передач с требуемой плавностью и допустимой работой буксования ФМ, обеспечивающими надежность и долговечность КП, а также требуемые условия труда.

Объект исследований — система управления КП, включающая электронно-логическое устройство, электрогидравлические механизмы управления давлениями в ФМ, ФМ, датчики, органы управления элементами трансмиссии, и позволяющая организовать переключение передач без разрыва потока мощности.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились на разработанной в программной среде Ма^аЬ БтиНпк математической модели для сельскохозяйственного трактора посредством компьютерного моделирования процессов переключения с низшей передачи на высшую (вверх) и с высшей передачи на низшую (вниз). Для оценки адекватности математической модели были проведены экспериментальные исследования на тракторе ЧН-6 «Агромаш-Руслан» в ходе его полевых испытаний.

Научная новизна работы:

- разработана и реализована в программной среде МаНаЬ БтшНпк математическая модель переключения передач машинно-тракторного агрегата (МТА), особенностью которой является разделение процесса переключения на этапы в зависимости от состояния муфт (буксует или замкнута), а также учет реальной характеристики двигателя и буксования движителя трактора;

- предложен метод управления давлением в бустере фрикционной муфты в зависимости от частот вращения валов во время переключения передач, позволяющий регулировать ускорение движения трактора;

- разработан метод переключения передач с подключением дополнительных фрикционных муфт и метод организации процесса переключения с определением момента сопротивления на основе использования данных с датчиков коробки передач;

- предложены метод бесступенчатого регулирования скорости трактора, алгоритм электронного управления коробкой передач и условия их реализации.

Практическая значимость. Разработанная математическая модель позволяет оценивать основные параметры процесса переключения, включая работу буксования обеих ФМ и плавность переключения передач МТА, отслеживаемую по предельным значениям ускорения МТА и интенсивности изменения ускорения по времени. Представленные рекомендации по управлению процессом переключения создают предпосылки для его автоматизации, т.е. для создания роботизированных КП на тракторах.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- математическая модель переключения передач машинно-тракторного агрегата (МТА), особенностью которой является разделение процесса пере-

ключения на этапы в зависимости от состояния муфт (буксует или замкнута), а также учет реальной характеристики двигателя и буксования движителя трактора;

- метод управления давлением в бустере фрикционной муфты в зависимости от частот вращения валов во время переключения передач, позволяющий регулировать ускорение движения трактора;

- метод переключения передач с подключением дополнительных фрикционных муфт, метод организации процесса переключения с определением момента сопротивления на основе использования данных датчиков коробки передач;

- метод бесступенчатого регулирования скорости трактора, алгоритм электронного управления коробкой передач и условия их реализации.

Реализация результатов работы. На основе разработанной математической модели и рекомендаций по управлению процессом переключения передач был доработан алгоритм системы управления и проведена отладка переключений передач на тракторе ЧН-6 «Агромаш-Руслан» с КП с ШПЗ типа Ро\уег81нй в ходе его полевых испытаний.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях научно-технического совета по специальности «Колесные и гусеничные машины» ОАО «НИИ стали» (2012-2015 гг.), на Всероссийской научно-технической конференции «Будущее машиностроения» (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 г.) и на научно-практической конференции «Тракторостроение: вчера, сегодня, завтра» (г. Чебоксары, ОАО «Промтрактор», 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, среди которых 1 патент на полезную модель, и 5 работ, опубликованных в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Основное содержание работы изложено на 143 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и сформулирована ее основная цель.

В первой главе проведен анализ применяемых гидравлических схем систем управления КП с переключением передач без разрыва потока мощности; выделены основные параметры, определяющие процесс переключения

передач; проведен обзор вариантов организации переключения передач с классификацией его этапов. Установлено, что наиболее гибкой системой управления КП является система с применением электрогидравлических пропорциональных клапанов, когда давление в каждой муфте регулируется посредством подачи управляющих сигналов на соответствующий пропорциональный клапан.

За последние годы большое число работ посвящено исследованию од-нопарных переключений в КП транспортных машин и легковых автомобилей, в частности работы О.И. Гируцкого, C.B. Абдулова, Ф.Ф. Курочкина, A.A. Надь, И.А. Фисенко, A.C. Хомичева, Ю.И. Чередниченко и других авторов. Но ввиду специфики работы тяговых машин выводы, сделанные для транспортных машин, не вполне справедливы для тракторов и требуют значительной доработки. Работы В.И. Анохина, В.А. Вернигора, И.П. Ксеневи-ча, К.Я. Львовского, A.C. Солонского, В.П. Тарасика, H.A. Щельцына, посвященные исследованию процессов переключений передач на тракторах, были проведены еще в период 1970-1990 годов. В последующие годы количество работ по данному вопросу значительно сократилось. Последними работами по однопарным переключениям передач на тракторах являются работы В.М. Шарипова, М.И. Дмитриева, Д.Г. Никулова. Несмотря на это, вопрос о выборе и расчете характеристик законов изменения давлений в ФМ остается открытым.

Анализ литературных источников показал, что вопрос управления процессом переключения в современных тракторных трансмиссиях с мокрыми гидроподжимными фрикционными муфтами, давления в которых регулируются электронным логическим устройством (контроллером трансмиссии) посредством электрогидравлических пропорциональных клапанов, недостаточно изучен. В частности на сегодняшний день отсутствуют четко сформулированные рекомендации по выбору характера изменения давлений в ФМ и метода организации переключений. Существующие математические модели переключения передач не применимы для тяговых машин или не вполне корректны. Также установлено, что процесс организации переключений вниз недостаточно изучен.

Вышеизложенное позволило сформулировать основные задачи данной работы.

Во второй главе установлено, что в ходе однопарных переключений передач как вверх, так и вниз возможны три варианта взаимного состояния муфт: выключаемая ФМ замкнута, включаемая — буксует; обе ФМ буксуют; включаемая ФМ замкнута, выключаемая - буксует. В связи с этим процесс переключения может протекать в три этапа. С учетом данного разделения на

Мя ВС

этапы, а также скоростной характеристики двигателя, влияния мощности буксования ФМ на скорости первичного и вторичного валов КП разработана и реализована в программной среде Ма11аЬ БтиНпк математическая модель переключения передач. При этом условием, определяющим знак момента, передаваемого муфтой на вторичный вал, является: если частота вращения ведущих дисков ФМ больше частоты вращения ведомых, то муфта передает момент на вторичный вал; в противном случае - отбирает.

При совместной работе двух муфт на переключениях передач вверх включаемая муфта разгоняет МТА, а выключаемая — подтормаживает; на переключениях вниз они меняются ролями: включаемая муфта низшей передачи подтормаживает машину, а выключаемая высшей - препятствует снижению скорости, стремясь разогнать МТА.

В качестве расчётной выбрана двухмассовая динамическая модель переключения передач (рис. 1). Для определения взаимного состояния ФМ вводятся индикаторы замыкания включаемой Хоп и выключаемой муфт (индикатор равен 2 - «муфта замкнута», т.е. относительная скорость скольжения ее дисков равна нулю; индикатор равен 1 - «муфта буксует», т.е. относительная скорость скольжения ее дисков не равна нулю).

Относительные ско-

72 ¥

Рис. 1. Двухмассовая динамическая модель МТА с простейшим вариантом КП с тремя расположенными на первичном валу фрикционными муфтами:

Млк — момент от двигателя; со„с — угловая скорость вала двигателя; 7ДВС — момент инерции двигателя, приведенный к первичному валу; Фк-1, Фк> Фкн — ФМ включения передачи К-1, К, К+1 соответственно; Мс

— момент сопротивления, приведенный к вторичному валу КП; а)„вс - угловая скорость вторичного вала; Лых.

— момент инерции тракторного агрегата, приведенный к вторичному валу; 77, Т2 — датчики оборотов первичного и вторичного валов

рости скольжения дисков включаемой и выключаемой муфт соответственно рассчитываются как

ыдвс Ь — ывтор.й ^on _

= '

ЛсооГГ =■

й)„

шоп

: Ь ~ ^втор.Ь ^off

тй

оГГ

где (одвс ь, а)ВТор Ь - угловые скорости вращения первичного и вторичного валов КП на Ь -том этапе переключения; тс10п, 1пй0ц - индексы включения-выключения муфт, расположенных на вторичном валу КП (для муфт на пер-

винном валу индекс равен 1; для муфт на вторичном валу — равен передаточному числу от первичного до вторичного вала КГТ).

Запишем уравнения моментов для каждого из этапов в отдельности. Этап 1. Выключаемая муфта замкнута; в бустер включаемой подается давление, в результате чего она буксует и изменяет скорость вращения ко-ленвала двигателя (Х„// = 2, Хоп=\). При этом A(00ff = 0, Лшоп Ф 0. Запишем уравнение моментов для первичного вала:

_ Мс_ Моп \Лшоп\ da)двс 1

двс I ~ /1 -'СУМ- Ht '

off две 1 at

где Мдас - крутящий момент двигателя, Н-м; Мс - момент сопротивления, приведенный к вторичному валу КП; М°" - момент от мощности буксо-

&>двс 1

вания включаемой муфты передач, приведенный к первичному валу, Н-м; /сум.- суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, кг-м2; шотс 1 — угловая скорость первичного вала на этапе 1, рад/с.

В свою очередь зная, что iu„0D = "д'с 1, момент от мощности буксова-

1 off

ния включаемой ФМ будет:

М |l__\°Л-

Моп \Диоп\ _ °П I toff

"Чавс 1

Суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, определяется как

. _ . /вых.

./сум. Уперв. "г" " 2 ' loff

где Уперв.» /вых. - момент инерции первичного вала и момент инерции, приведенный к вторичному валу со стороны нагрузки, соответственно (выбираются исходя из расчетов моментов инерции вращающихся узлов и деталей трактора), кг-м2.

Момент инерции /перв. первичного вала включает приведенные к нему моменты инерции вала и маховика двигателя.

Суммарный момент инерции, приведенный к вторичному валу со стороны нагрузки, определяется как

I — I -4- ( 4- т""уг / ГзвЛ 2 Увы*. - Увтор. + + (1 _ ^ .

где /втор. — момент инерции вторичного вала, кг-м2; ттгплуг - масса орудия, кг; 5 - коэффициент буксования движителя (выбирается в соответствии с кривой буксования в зависимости от момента со стороны двигателя, приведенного к ведущей звездочке/колесу, в пересчете на тяговое усилие).

Момент инерции /втор. вторичного вала включает приведенные к нему моменты инерции вращающихся узлов и деталей ведущего моста (мостов) и приведенный момент инерции ходовой системы.

Этап 2. В бустеры обеих муфт подаются давления, и обе муфты буксуют {Ха(г=\, Хпп=\). При этом 0, Лшоп Ф 0. Запишем уравнения моментов для данного этапа:

где з1дп(йи>0[^, Б1дп(Лсооп) - операторы, учитывающие знак относительных скоростей скольжения для определения знака моментов ФМ в ходе переключения передач.

Этап 3. Включаемая муфта замкнута; в бустер выключаемой муфты подается давление, в результате чего она буксует и изменяет скорость вращения коленвала двигателя (Л"0#=1, Хоп=2). При этом ЛшоГГ 0, Лсооп = 0. Уравнение моментов для данного этапа примет вид:

Мс Moff IДшоГГ\ dü>№c3

Двс ; ,. — Jперв. jf. >

Ion r at

1оп

где —-—---момент от мощности буксования выключаемой муфты передач, приведенный к первичному валу, Н м.

Момент от мощности буксования выключаемой ФМ будет определяться как

Moff \ЛшоГГ\ M0ff

L0ff Inn

^двсз indoff

Переход между тремя вышеупомянутыми вариантами состояния муфт (этапами 1, 2 и 3) происходит в соответствии с табл. 1.

Учет изменения скорости коленвала двигателя в соответствии с его внешней скоростной характеристикой осуществляется за счет использования в Matlab Simulink блока Look-Up Table, в который характеристика задается в табличной форме. С помощью этого же блока задаются законы изменения давлений в бустерах ФМ в зависимости от времени, а также зависимость изменения буксования движителя от крюковой нагрузки.

Для проверки достоверности математической модели процесса одно-парного переключения КП было проведено сопоставление значений времени буксования и работы буксования включаемой ФМ на текущем переключе-

нии, полученных в ходе моделирования и полевых испытаний трактора ЧН-6 «Агромаш-Руслан», на основе мощностей буксования ФМ (рис. 2, 3). Расхождение результатов моделирования с данными экспериментальных исследований по работе буксования и времени буксования включаемой ФМ при переключениях передач не превышает 12%. Данная погрешность является приемлемой и позволяет заключить, что результаты теоретических исследований, проводимых на модели, можно считать достоверными. 1. Условия перехода между этапами переключения передач

Переход Условие перехода

Переключение передач вверх Переключение передач вниз

На этап 1 Если Montan M0ffi0ff •w ,!, ^ Мси Acüoff - Q indon lnd0ff c °IJ или Mon ion , "offioff ^ M, , . + . ' > Mc и Acúoff - 0, índon índoff c °rr иначе переход на этап 2 Если itm > мс и Acúoff — 0, off Mdon с иначе переход на этап 2

На этап 2 Если Mon ion Moff 1оГГ _ ,, * „ „ •„w . ' ' > Mc и A(o0n > 0 indort mdoff c on или "on ion , M0ffi0ff , + , ' < Mc и A(i>Bff > 0, lndon 'ndoff '' иначе переход на этап 3 Если Moffioff M0„i0n , ^ < Мс и Асо„„ < 0 Indoff indon с °п ИЛИ Mon ¡on , Moffioff _ , . „ Шоп 1 Шо„ <М<"АЫ™>0' иначе переход на этап 3

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов переключения передач. Исследования проводились на КП сельскохозяйственного трактора с треугольным гусеничным обводом ЧН-6 «Агромаш-Руслан» в ходе его полевых испытаний. Целью исследований ставилось эмпирически подтвердить адекватность созданной математической модели и, как следствие, правильность сформулированных критериев для выбора законов переключений, а также подтвердить возможность организации однопарных переключений с минимальным перекрытием, определяемым только скоростью срабатывания электрогидравлических пропорциональных клапанов при наличии для включаемой ФМ подготовительного этапа. Подготовительный этап характеризуется постоянной подачей во включаемую ФМ небольшого давления, достаточного для преодоления ее поршнем усилия отжатая со стороны пружин и заполнения предпоршневой полости маслом, при полном давлении в выключаемой муфте, обеспечивающем запас по отношению к моменту сопротивления.

18000

м

16000 14000 12000 10000 8000 6000

букс. ОП1

Вт

4000 2000 0

,»1° А букс, о», Вт

1.6 1.4 1.2 1

0.8 0.6 0.4 0.2 '.С о

...

О

1.5

2.5

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3

а) б)

Рис. 2. Характер изменения мощности буксования включаемой ФМ от времени при переключении передач 11-12 трактора ЧН-6 «Агромаш-Руслан» с орудием Ркр=33 кН,

полученный по результатам:

а - проведения полевых испытаний, б - моделирования

14000 12000 10000 8000 6000

, Вт

4000 2000 0

16000

N.

г,с

1Ю00 12000 шио кга да» «00 ¿000 о

букс, ого

Вт

г, с

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3

а) б)

Рис. 3. Характер изменения мощности буксования включаемой ФМ от времени при переключении передач 14-13 трактора ЧН-6 «Агромаш-Руслан» без нагрузки (трактор «пустой»), полученный по результатам:

а - проведения полевых испытаний, б - моделирования

В ходе испытаний посредством подсоединения к контроллеру трансмиссии трактора специально разработанного регистрирующего устройства (регистратор) каждые 25 мс производились записи следующих параметров: частота вращения первичного вала КП, частота вращения вторичного вала в пересчете на скорость трактора, давления в фрикционных муфтах, давление в муфте стояночного тормоза, рабочее давление в гидросистеме. После проведения ряда переключений передач к регистратору подсоединялся ноутбук, на

.г-Л*?.-

который скачивались таблицы с перечисленными выше параметрами. Затем с помощью программы Microsoft Excel полученные данные обрабатывались и сравнивались с результатами моделирования. Полевые испытания трактора ЧН-6 «Агромаш-Руслан показали, что отсутствие преднамеренного перекрытия передач, когда выключаемая и включаемая ФМ одновременно передают моменты на вторичный вал КП, при наличии подготовительного этапа для включаемой ФМ не приводит к ухудшению работы муфт.

В четвертой главе проводились исследования на разработанной в программной среде Matlab Simulink математической модели при пахоте и транспортной работе трактора с различной крюковой нагрузкой. Предложены метод организации переключений передач без обратной связи с датчиками КП, метод организации с подключением ФМ, метод организации с определением момента сопротивления по данным с датчиков КП. Установлено, что оценку плавности переключения следует производить по максимальному размаху колебаний первой производной продольного ускорения МТА, который не должен превышать 33,3 м/с3, при этом предельное ускорение МТА по модулю не должно превышать 1,5 м/с2. Здесь также оценены предпосылки создания роботизированных КП для тракторов.

В качестве объекта исследований была выбрана КП трактора ЧН-б «Агромаш-Руслан», оснащенного двигателем QSM11-C330 фирмы «Cummins» с характеристикой, обеспечивающей в интервале частот вращения коленвала илвс= 1400-2100 об/мин полку постоянной мощности. Данная механическая КП с ШПЗ позволяет осуществлять переключения передач без разрыва потока мощности и обеспечивает 16 передач переднего хода и 4 передачи заднего в четырех диапазонах: технологическом, двух рабочих и транспортном. В данной КП, состоящей из двух частей: основной (между первичным и промежуточным валами) и диапазонной (между промежуточным и вторичным валами), присутствуют как однопарные переключения, так и двухпарные.

Организация двухпарных переключений передач является более сложной задачей по сравнению с организацией однопарных, поскольку возникает необходимость управлять давлениями одновременно в четырех ФМ. Поэтому предложено решить задачу одновременного управления давлениями в четырех ФМ, относительно просто обеспечив работу включаемой и выключаемой ФМ однопарными переключениями. Переключения между передачами можно производить по двум вариантам: либо переключаться только через передачу, либо последовательно осуществлять одно переключение вверх и одно переключение вниз. Наиболее рациональным является первый вариант, особенно при работе трактора без нагрузки. В случае работы трактора с нагруз-

кой на крюке выбор варианта переключения следует производить исходя из скорости вращения коленвала двигателя, стремясь обеспечить топливную экономичность его работы.

Особенностью системы управления переключениями передач на тракторе ЧН-6 «Агромаш-Руслан» является то, что для каждого переключения заранее задаются законы изменения давлений в бустерах ФМ. Весь диапазон нагрузок трактора был разделен на три поддиапазона: -легкий (поддиапазон Ь) — прицеп массой 0-8 т;

-средний (поддиапазон М) -прицеп массой 8-20 т или плуг Р,ф.тах=30 кН; -тяжелый (поддиапазон Н) - плуг Ркр =30-60 кН.

Целью данного способа является обеспечение безразрывности переключения между конкретными передачами МТА для любой нагрузки из выбранного поддиапазона одними законами изменения давлений во включаемой и выключаемой ФМ. Для переключений вверх после завершения подготовительного этапа выработаны следующие рекомендации:

• Изменение давления во включаемой ФМ целесообразно проводить в две стадии: с интенсивностью, равной интенсивности изменения давления в выключаемой муфте, и с большей интенсивностью (после полного размыкания выключаемой муфты).

• Интенсивность изменения давлений во включаемой ФМ на второй стадии должна быть равна интенсивности изменения суммарного момента при нагрузках, меньших максимальной из поддиапазона.

• Начальное давление во включаемой ФМ должно соответствовать среднему из поддиапазона моменту сопротивления, приведенному к ее валу, а в выключаемой - разности максимального из поддиапазона и среднего из поддиапазона моментов сопротивления, приведенной к ее валу. Конечное значение давления в выключаемой ФМ должно соответствовать нулевому моменту, во включаемой на первой стадии — максимальному из поддиапазона моменту сопротивления, приведенному к валу ФМ. Конечное давление во включаемой ФМ на второй стадии будет определяться интенсивностью и временем его изменения.

Для переключений передач вниз без обратной связи с датчиками КП предложены следующие рекомендации:

• После завершения подготовительного этапа интенсивность и время изменения давлений в обеих ФМ должны быть одинаковыми.

• Начальное давление в выключаемой ФМ должно соответствовать максимальному из поддиапазона моменту сопротивления, приведенному к ее валу; конечное — будет определяться выбранной интенсивностью I! временем изменения давления в ее бустере.

• Начальное давление вр включаемой муфте должно соответствовать нулевому моменту с последующим увеличением до значения, определяемого интенсивностью и временем его изменения.

Проведен анализ рабочего процесса разгона и однопарного переключения передач без разрыва потока мощности с подключением муфт. На рис. 4 представлены результаты моделирования переключения передач 13-14 трактора ЧН-6 «Агромаш-Руслан» с прицепом массой т„р =10 т с подключением ФМ.

Рис. 4. Результаты моделирования переключения передач 13-14 на тракторе ЧН-6 «Агромаш-Руслан» с прицепом массой тпр.=10 т с подключением ФМ:

ИдВс - частота вращения вала двигателя, (х102) об/мин; Рф Роп - давления в бустере выключаемой и. включаемой ФМ, (хМ"1) МПа; V- скорость МТА, км/ч; а - ускорение МТА, м/с2; Моп, Мвы1^ - моменты от включаемой и выключаемой ФМ, выходной момент (без учета циркулирующего) со стороны двигателя, приведенные к промежуточному валу, Нм; Л'букс. оп, Лабухе, подкл. - мощности буксования включаемой и подключаемой ФМ, Вт

Результаты моделирования показали, что при однопарных переключениях между муфтами основной или диапазонной частей КП подключение муфт (муфт высшей передачи - для переключений вверх, муфт низшей передачи - для переключений вниз с прицепом) той же части КП, что и включае-

мая, даст возможность уменьшить ее работу буксования, но при этом суммарная работа буксования муфт может быть больше, чем при работе одной включаемой ФМ. Также установлено, что рабочий процесс разгона и переключения передач должен контролироваться угловыми скоростями первичного и вторичного валов.

Предложен метод организации процесса переключения передач с определением момента сопротивления по датчикам коробки передач (рис. 5). После завершения подготовительного этапа переключения начинается следующий этап: одновременно с постепенным уменьшением давления в выключаемой муфте увеличивается давление во включаемой. Причем начальное значение давления во включаемой муфте выше давления в выключаемой, а сумма моментов по начальным давлениям в обеих ФМ должна соответствовать максимальной крюковой нагрузке из всего диапазона. На основе скоростей валов КП и известных давлений в муфтах можно определить момент сопротивления. Как только фиксируется срыв в буксование выключаемой ФМ давление в ней сбрасывается до нуля. В это же время давление во включаемой муфте сбрасывается до соответствующего расчетному моменту сопротивления и затем постепенно увеличивается с интенсивностью, обеспечивающей комфортное ускорение МТА. После чего во включаемую ФМ подается полное давление.

Для переключений передач вниз нет необходимости определения момента сопротивления и, следовательно, использования данных с датчиков давлений, достаточно данных с датчиков оборотов первичного и вторичного валов. После завершения подготовительного этапа первый этап протекает с задаваемой постоянной для данного переключения интенсивностью изменения давления в выключаемой ФМ. Начальное давление в выключаемой муфте должно соответствовать максимальной нагрузке из всего диапазона, конечное - минимальной. Как только по данным с датчиков оборотов фиксируется буксование выключаемой муфты, давление в ее бустере сбрасывается до нуля, а в бустер включаемой ФМ подается полное давление (рис. 6).

Для выбора рациональных значений интенсивности int (МПа/с) изменения давления в бустере включаемой ФМ в зависимости от нагрузки на крюке на этапе управления скоростью переключения передач ^проведено исследование данного процесса. Параметры процесса переключения передач, исследуемые при различных крюковых нагрузках трактора и различной интенсивности int изменения давления во включаемой муфте:

- время буксования включаемой ФМ t6yKC,, с;

- работа буксования включаемой ФМ Абукс., Дж;

- предельное ускорение МТА, м/с2:

ашах - на переключениях передач вверх; ат1п — на переключениях передач вниз; • момент Мд„н., при котором происходит замыкание включаемой муфты, Нм.

-—^—

: ч 1 ;

чг а< аб и 1\ а и и и <д

Моменты от ФМ, приведенные к *«,_, вторичному валу, Н м

2500 2000 1500 1000 500

Мощность буксования ФМ, Вт

Рис. 5. Результаты моделирования переключения передач 5-6 на тракторе ЧН-6 «Агромаш-Руслан» с орудием Ркр.-30 кН в соответствии с предлагаемым методом

При исследовании процесса переключения передач вверх с различными орудиями было установлено (рис. 7):

- Работа буксования включаемой ФМ с увеличением интенсивности изменения давления в ее бустере уменьшается. Также работа буксования включаемой ФМ при одной интенсивности увеличивается с увеличением Р^..

- Время буксования включаемой ФМ при одной интенсивности изменения давления в ее бустере может уменьшаться с увеличением нагрузки Ркр., что определяется характеристикой двигателя.

- Основным фактором, определяющим величину максимального ускорения, является интенсивность Ш изменения давления во включаемой ФМ.

- Зависимости динамического момента от нагрузки на крюке и интенсивности роста давлений можно принять линейными, то есть

динамическая нагрузка на элементы трансмиссии тем больше, чем больше

«Агромаш-Руслан» с орудием i\cP.=60 кН в соответствии с предлагаемым методом

При исследовании процесса переключения передач вниз с различными прицепами было установлено (рис. 8):

- Работа буксования включаемой ФМ и минимальное ускорение МТА уменьшаются с увеличением значения начального давления в ее бустере.

- Работа буксования Л букс, включаемой ФМ минимальна при максимальной интенсивности изменения давления в ее бустере int и увеличивается с уменьшением int по вогнутой кривой. Также Абукс. может уменьшаться с увеличением массы прицепа при одной интенсивности int, что определяется характеристикой двигателя.

- При выбранной интенсивности int ускорение amin увеличивается с увеличением массы прицепа. Ускорение ami„ уменьшается с увеличением интенсивности при выбранной массе прицепа.

- Время г6ухс. при одной интенсивности int незначительно увеличивается с увеличением тпр..

- Динамический момент Мдш1=/(тпр) для заданной интенсивности практически не изменяется, а Мтн=/(Ш) при работе с различными прицепами изменяется по одной кривой.

/%кс.=/<А,., im)

Мзт =/(РЩ,., int)

int, МПа/с 0,5 Ты /V'kH

irit, MlWc

г;

Лбуке. %=f(Pxр., int), атахгг=/(Ркр., int)

l / '40

т(, МПа/с

д)

Рис. 7. Зависимости: а - t5y^=ffPKp_, int); б - Мтя=/(Р^., int); е-^букС.=ЛРкр., int); г - amax=f(PKр., int); д - А6у^.%=/(Ркр., int) и amax%=f(Pкр., int)

t6yKc.=f(mn„, int)

int, M Па/с

а)

<*min=f 0"„p., int)

Лвук<=/(m„pint)

т„р., т

'««р., т

6

int. МПа/с 6)

4

5

int, MI Ia/c

г;

int, МПа/с

Аъукс. %-f (m„р., int), ami„ %=f (mnp., int)

d)

Рис. 8. Зависимости: а - tSyKS!=f(mn?., int); б - Mmit=f(m„^, int); в - A6yrc=f(mnv., int)\z-amm=f(mav., int); д - A6yKC.%=f(mn?., int) и ami„%=f(m^., int)

Наиболее рациональные значения интенсивности int в зависимости от нагрузки на крюке будут лежать на линии пересечения построенных в относительных единицах поверхностей работы буксования включаемой ФМ Лбуксл-о^Лф., wtf) и максимального ускорения МТА tw %~/(Ркр., int) при переключениях вверх с орудиями; работы буксования включаемой ФМ ЛбУкс.%=/(тщ,., int) и минимального ускорения МТА ami„ %=/(игпр., int) - при переключениях вниз с прицепами.

Установлено, что использование системой управления КП данных с датчиков оборотов валов позволяет увеличить точность управления переключением передач, а также, что использование кусочно-бесступенчатого регулирования скорости трактора является реальной основой создания наиболее эффективного способа применения мокрых фрикционных муфт.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

¡.Изменение давлений в бустерах мокрых фрикционных муфт представляет собой первый уровень непосредственного управления переключением передач, качество которого зависит от стабильности показателей трения под влиянием температуры, деформации, залипания, а также прочих вредных свойств взаимодействия фрикционных дисков. Улучшить качество переключения возможно путем применения электронного управления, обеспечивающего коррекцию давления первого уровня на основе данных о частотах вращения валов КП.

2. Переключение передач вверх или вниз, выполняемое за счет управления давлениями в гидроподжимных фрикционных муфтах, может сопровождаться кратковременными негативными проявлениями циркуляции мощности и возникновением динамических нагрузок на элементы трансмиссии в зависимости от относительной скорости скольжения фрикционных дисков муфт; необходимым и достаточным условием для этого является превышение скорости дисков, соединенных с вторичным валом, над скоростью соединенных с первичным. Данный переходный процесс одинаков для одно-парного и двухпарного переключений передач и может приводить к кратковременным остановкам трактора.

3. Разработана и реализована в программной среде Matlab Simulink математическая модель однопарного переключения передач как вверх, так и вниз, с учетом реальной характеристики двигателя, в которой процесс переключения разделен на три этапа в зависимости от состояния фрикционных муфт. Отклонение результатов моделирования основных параметров процесса переключения от результатов эксперимента не превышает 12%. Матема-

тическая модель показала целесообразность рассмотрения однопарных переключений с подключением дополнительных фрикционных муфт.

4. Циркуляция мощности представляет собой негативное явление, имеющее весьма кратковременный характер, и не всегда учитывается в оценке процесса переключения передач: Для гарантированного устранения циркуляции мощности при переключении передач необходимо сбрасывать до нуля давление в выключаемой муфте.

5. На основании результатов моделирования основных параметров процесса переключения передач установлено, что рациональные значения интенсивности int изменения давления в бустере включаемой фрикционной муфты в зависимости от нагрузки на крюке Р,ф. будут лежать на линии пересечения построенных в относительных единицах поверхностей работы буксования включаемой фрикционной муфты ЛбУкс.%=ЛЛф., int) и максимального ускорения МТА атахо/=//Р1ф, int) при переключениях вверх, работы буксования включаемой фрикционной муфты A6yKC.y=f(mnp., int) и минимального ускорения МТА amin%= f(mnp_, int) - при переключениях вниз с прицепами массой отпр.

6. Полевые испытания трактора ЧН-6 «Агромаш-Руслан» показали, что отсутствие преднамеренного перекрытия передач при наличии подготовительного этапа для включаемой ФМ не приводит к ухудшению работы муфт. В случае наличия подготовительного этапа для включаемой муфты при подаче команды на мгновенный сброс давления до нуля в выключаемой муфте и команды на мгновенное увеличение давления до заданного начального во включаемую муфту время перекрытия достаточно для «передачи» момента от выключаемой муфты к включаемой и составляет 0,1-0,2 с.

7. Исходя из результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований, выработаны рекомендации по определению параметров управления процессом однопарного переключения передач, на основе которых возможно организовать переключение с рациональными плавностью и работой буксования фрикционных муфт.

8. Необходимым и достаточным условием реализации бесступенчатого регулирования скорости трактора является равенство скоростного диапазона корректорной ветви ВСХ двигателя и коэффициента геометрического ряда скоростей движения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рабочий процесс разгона тракторного агрегата и переключения передач с подвключением фрикционных муфт/ К.И. Городецкий, Е.М. Алендеев,

A.A. Тимофиевский и др. // Известен МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. - М.: МГТУ «МАМИ», № 2(16), 2013. — т. 1. — С. 3338 (входит в перечень ВАК).

2. Алендеев Е.М. Однопарные переключения ступеней в коробках передач тракторов // Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. - М.: МГТУ «МАМИ», №2 (20), 2014. - т.1 . - С. 87-92 (входит в перечень ВАК).

3. Скорости сельскохозяйственных тракторов/ К.И. Городецкий, В.М. Шарипов, Е.М. Алендеев и др. // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. - №3. -С. 13-17 (входит в перечень ВАК).

4. Городецкий К.И., Алендеев Е.М. Скольжение дисков выключенных муфт в коробках передач тракторов // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. -№ 9. - С. 22-26 (входит в перечень ВАК).

5. Система управления коробкой передач с переключением передач без разрыва потока мощности. Патент на полезную модель №149427/ Е.М. Алендеев, Д.Г. Купрюнин, К.И. Городецкий. Опубликовано 10.01.2015. Бюл. №1.

6. Моделирование переключения передач тракторов/ К.И. Городецкий, А.Ю. Мельников, С.К. Муратова, Е.М. Алендеев// Тракторы и сельхозмашины. - 2015. - № 4. - С. 26-30 (входит в перечень ВАК).

Евгений Михайлович Алендеев

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Методы управления переключением передач без разрыва потока мощности на тракторах»

Подписано в печать Заказ Объем 1,0 п.л. Тираж 100

Бумага типографская Формат 60x90/1 б

ОАО «Научно-исследовательский институт стали», 127411, Москва, ул. Дубнинская, д. 81А