автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Обоснование режимов переключения в автомобильной коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений

На правах рукописи

Прасолов Николай Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В АВТОМОБИЛЬНОЙ КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ С ИЗМЕНЯЕМЫМ МЕЖОСЕВЫМ РАССТОЯНИЕМ ЗУБЧАТЫХ ЗАЦЕПЛЕНИЙ

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 2004

Диссертация выполнена на кафедре «Автомобили» Южно-Уральского государственного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Драгунов Г.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Пожбелко В.И.

кандидат технических наук, доцент Андреев В.Е.

Ведущее предприятие - ОАО Ульяновский автомобильный завод.

Защита состоится «13» октября 2004 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, зал диссертационного совета (10 этаж гл. корп.).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Отзыв в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять по адресу: 454080, г Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «Ц» сентября 2004 ]

Ученый секретарь

диссертационного совета, ^^ ^ В.М. Бунов

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование механических ступенчатых коробок передач и систем управления ими позволяет достичь повышения средней скорости и безопасности движения, снижения утомляемости водителя, сокращения времени переключения передач. Переключение с минимальным разрывом или без разрыва силовой цепи позволяет улучшить динамику разгона и положительно сказывается на проходимости. Как правило, этому способствует система автоматизированного или автоматического управления трансмиссией и доля таких автомобилей постоянно увеличивается.

Конструкция коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием (далее экспериментальная коробка передач - ЭКП) представляется достаточно перспективной для применения ее в трансмиссии автомобиля прежде всего повышенной проходимости. Переключение передач в ЭКП происходит без синхронизаторов за малый промежуток времени, трансмиссия обладает высоким КПД, имеется возможность использовать для управления переключением (переключение на повышенную п—>п+1 либо пониженную п—>п-1 передачу) величину и направление крутящего момента двигателя.

Переключение передач в ЭКП возможно без выключения сцепления - при расстопоренном водиле за счет внутренних силовых факторов. При создании системы переключения (в том числе автоматизированного) может отсутствовать ряд исполнительных элементов, необходимых дли осуществления данного процесса в ступенчатой вальной коробке передач. При заданном сопротивлении движению требуется изменение величины или направления крутящего момента двигателя (от этого зависит время и сама возможность переключения). Тем самым, должен быть обоснованный выбор силовых и кинематических параметров движения, характеризующих режим переключения (крутящий момент двигателя, скорость перед переключением). Выбор режимов переключения должен обеспечивать снижение динамической нагруженности трансмиссии. Недостаточная исследованность работы трансмиссии с ЭКП на режиме переключения не позволяет реализовать преимущества, обусловленные предлагаемой кинематической схемой, что и предопределило выбор темы настоящего исследования.

Целью работы является обоснование режимов переключения в коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием в условиях применения данной коробки передач в трансмиссии автомобиля повышенной проходимости.

Объектом исследования является моторно-трансмиссионная установка легкового автомобиля (УАЗ 31512) с установленной ЭКП.

Предмет исследования - способ и режимы переключения передач в ЭКП с помощью внутренних силовых факторов, вызванных условиями движения автомобиля и режимом работы двигателя.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследования сформулированы и решены следующие задачи:

1) Разработка математической модели моторно-трансмиссионной установки автомобиля с ЭКП для исследования параметров, характеризующих режим переключения. Рассмотрение возможных путей реализации исследуемого способа пе-

реключения передач: переключение при расстопоренном водиле, ручное переключение, силовое (принудительное) переключение;

2) Разработка и изготовление действующего макета ЭКП, установка его на автомобиль УАЗ 31512, разработка системы переключения передач. Проведение испытаний (переключение как с низшей на высшую (п—>п+1) так и с высшей на низшую (п—»п-1) передачи) при различных кинематических и силовых параметрах движения, характеризующих режим переключения. Испытание автомобиля УАЗ 31512 с серийной коробкой передач на предмет оценки дополнительной динамической нагруженности на режимах переключения.

3) Экспериментальная проверка адекватности математической модели, описывающей процесс переключения в ЭКП.

Методологической основой работы являются исследования, базирующиеся на основных положениях теории автомобиля, теории механизмов и машин, дифференциальном и интегральном исчислении, математическом моделировании, электрическом измерении неэлектрических величин.

Научная новизна работы.

1) Разработана математическая модель моторно-трансмиссионной установки автомобиля с коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений, адекватно описывающая работу трансмиссии на режиме переключения передач и позволяющая производить обоснование и выбор режимов переключения.

2) Установлены силовые, кинематические параметры и условия режимов переключения, характеризующие 'ейязь между крутящим моментом двигателя и моментом от сил сопротивления, действующих на автомобиль, для осуществления процесса переключения в необходимом направлении: п—>п+1 или п—>п-1.

Практическая ценность работы. Разработанные кинематические и силовые зависимости, методика задания и расчета параметров, условия для переключения, варианты конструктивного исполнения, рекомендации по организации переключения могут использоваться при проектировании и совершенствовании коробок передач, использующих данный способ переключения, проектировании систем управления и применяться при рассмотрении новых областей применения коробок передач подобного принципа действия.

Апробация работы и внедрение результатов. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета в период 2000 - 2004 гг. и Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» г. Курган, 2003 г. Представлены на 23-м семинаре по науке и технологиям «Механика и процессы управления» г. Миасс, 2003 г. Автомобиль УАЗ 31512 с установленным действующим макетом ЭКП демонстрировался на выставке, посвященной 60-летию ЮУрГУ, 2003 г. Диссертационная работа была заслушана на техническом совещании в Управлении главного конструктора ОАО Ульяновский автомобильный завод, 2004 г.

Результаты выполненной работы используются при проектировании раздаточной коробки подобного типа для автомобиля Урал 4320 на ОАО «Автомо-

бильный завод «Урал», проектировании и изготовлении опытной партии автоматизированных пятиступенчатых коробок передач для автомобиля УАЗ 31512 на ОАО «Уральский машиностроительный завод».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, и содержит 120 страниц машинописного текста, включающего 35 иллюстраций, 6 таблиц, список литературы из 56 наименований.

На защиту выносятся: кинематические и силовые зависимости в ЭКП, математическая модель для исследования процесса переключения в ЭКП, условия для протекания переключения под действием внутренних силовых факторов в необходимом направлении, результаты исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, дается общая характеристика и кратко рассматривается содержание работы.

В первой главе рассмотрены направления совершенствования процесса переключения в автомобильных механических ступенчатых коробках передач. Одним из направлений является автоматизация процесса переключения. Другое направление связано с созданием конструкций коробок передач без разрыва или с минимальным разрывом потока мощности, что имеет значение прежде всего для автомобилей спортивного назначения и повышенной проходимости. Как правило, целью автоматизации является сокращение времени разрыва потока мощности. Рассмотрены достоинства и недостатки конструкций коробок передач, применяемых в трансмиссиях автомобилей. В нашей стране работам по созданию автоматизированных механических ступенчатых трансмиссий для транспортных машин уделяется большое внимание. Широко известны разработки, выполненные в НАМИ по следующим направлениям: автоматизация управления сцеплением легковых, грузовых автомобилей и автобусов, автоматизированные механические ступенчатые трансмиссии, электронные системы автоматизированного и автоматического управления агрегатами трансмиссии. Подобной тематикой занимаются в НЦ ПММ HAH республики Беларусь, Белорусской государственной политехнической академии, на ОАО «ИжАвто» - преселекторное переключение в трансмиссии легкового автомобиля и т.д.

Режим переключения - один из режимов работы трансмиссии наряду с движением на передаче, троганием с места. При анализе работы трансмиссии, оснащенной ЭКП на режиме переключения передач были задействованы широко известные труды следующих авторов: Гришкевич А.И., Цитович И.С., Альгин В.Б., Павловский В.Я., Поддубко С.Н., Островерхов H.JI., Русецкий И.К., Бойко Л.И., Руктешель О.С., Тарасик В.П., Каноник И.В., Вавуло В.А. и др.

В диссертационной работе Гонтарева Е.П. «Обоснование кинематической схемы, параметров и режимов переключения коробки передач мотоблока с изменяемым межцентровым расстоянием» предложены зависимости, определяющие основные параметры для расчета кинематической схемы: передаточные отноше-

ния, углы развода осей паразитных шестерен, исследована возможность работы ЭКП без заклинивания вследствие контакта вершинами включаемой пары зубчатых колес, исследовалась возможность работы конструкции с перекрытием передач, под которым понимается угол поворота водила, когда могут пересекаться окружности вершин зубьев паразитных шестерен и шестерен выходного вала двух смежных передач. Однако не являлись предметом исследования вопросы реализации данного способа переключения передач в автомобильных трансмиссиях при различных силовых и кинематических параметрах движения, характеризующих режим переключения, алгоритм переключения носил качественный характер

Во второй главе рассматривается процесс переключения в ЭКП с учетом установки ее в трансмиссию автомобиля УАЗ 31512. Принципиальная схема исследуемой конструкции ЭКП представлена на рис. 1.

ЭКП состоит из входного вала 1, промежуточного вала 2 с шестернями 4, 5, 6 соответственно 1-ой, 2-ой и 3-ей передач, выходного вала 7, с шестернями 8, 9, 10 соответственно 1-ой, 2-ой и 3-ей передач. На водиле 3, имеющем возможность поворачиваться вокруг оси промежуточного вала, на подшипниках установлены паразитные шестерни 12, 13, 14, находящиеся в зацеплении с соответствующими шестернями промежуточного вала. Показана включенной 2-ая передача. Переключение на 1-ю, либо 3-ю передачи осуществляется путем вывода рычага 15 из паза фиксирующего механизма 16 и поворота водила с дальнейшей фиксацией его рычага в пазу включаемой передачи. В результате этого паразшная шестерня 2-ой передачи 13 выйдет из зацепления с выходным валом, а паразитная шестерня 12 1-ой (при повороте водила по часовой стрелке если смотреть со стороны выходного вала) либо 14 3-ей (при повороте против часовой стрелки) войдет в зацепление. Включение передачи заднего хода осуществляется при повороте водила по часовой стрелке, когда шестерни 17 и 8 находятся в зацеплении. Прямая передача

Рис. 1. Экспериментальная коробка передач (ЭКП).

реализуется при блокировании между собой входного и выходного валов. Шестерни 18,19,20 предназначены для обеспечения соосности входного и выходного валов.

Связь между крутящими моментами на промежуточном валу Мь выходном валу М3, водиле М5 из рассмотрения равновесия паразитной шестерни при включенной некоторой передаче выглядит следующим образом:

М3=М, а, M5=M,-(l+b), (1)

где а - отношение чисел зубьев шестерен выходного и промежуточного валов;

b - отношение числа зубьев воображаемого эпицикла как в планетарном механизме с плоским одновенцовым сателлитом, если представить, что он проходит через точку контакта паразитной шестерни и шестерни выходного вала к числу зубьев шестерни промежуточного вала.

С учетом того, что окружная скорость в точке контакта паразитной шестерни с шестерней выходного вала и воображаемым эпициклом одинакова, используя основное уравнение кинематики планетарного механизма связь между угловыми скоростями промежуточного С0|, выходного к>з валов и водила ct>s: (l + b)-a>5 =(0) +асо3. (2)

Выражением (2) можно пользоваться для установления связи между звеньями механизма до тех пор, пока паразитная шестерня и шестерня выходного вала находятся в зацеплении.

Динамическая схема трансмиссии автомобиля представлена на рис. 2.

Рис. 2. Динамическая схема трансмиссии: 1д-момент инерции двигателя; 12-момент инерции первичного вала и шестерен привода; 13-момент инерции водила; Ц-момент инерции главной передачи и дифференциала; Гг-момент инерции колес; 1а-момент инерции автомобиля; С|2-жесткость первичного вала; Сг-жесткость промежуточного вала; С3-жесткость водила; С4-жесткость карданной передачи; С4—жесткость двух полуосей; С5б-жесткость двух шин; Мд-крутящий момент двигателя; Мс-момент от внешних сил, действующих на автомобиль.

Анализ процесса переключения показал, что он может быть представлен состоящим из трех этапов: 1-й этап начинается в момент расстопорения водила и заканчивается в момент выхода паразитной шестерни выключаемой передачи из зацепления с выходным валом; 2-й этап начинается в момент входа в зацепление с

выходным валом паразитной шестерни включаемой передачи и заканчивается в момент стопорения водила - начинается 3-й этап. Для изготовленного действующего макета ЭКП при переключении 1—>2 1-й и 2-й этапы процесса переключения соответствуют углу поворота водила 0,35 и 0,31 рад. Система уравнений математической модели для 1-го и 2-го этапов процесса переключения с параметрами динамической схемы, приведенными к коленчатому валу двигателя (обозначения параметров см. рис. 2, <р, - угловое перемещение соответствующей маховой массы I,:

На 3-м этапе в третье уравнение, описывающее поведение водила, добавляется величина Сзфз, характеризующая реактивное звено.

При составлении математической модели были приняты допущения:

- в процессе переключения передаточное отношение не зависит от межосевого расстояния зубчатых зацеплений;

- ступенчатый переход с одного передаточного отношения на другое;

- диссипативные силы не учитываются;

- не учитывается перекрытие передач (в выполненном действующем макете ЭКП угол перекрытия силовых модулей составляет 2 град);

- в процессе переключения не происходит пробуксовки муфты сцепления и ведущих колес с опорной поверхностью.

Рассматривается переключение передач без выключения сцепления (переключение при расстопоренном водиле), в ЭКП включена п-я передача. При работе двигателя в тяговом режиме считаем Мд>0, в тормозном - Мд<0. Момент от внешних сил Мс в общем случае может способствовать как торможению машины (Мс>0) так и разгону (Мс<0). В результате анализа было установлено, что возможны шесть комбинаций по величине и направлению крутящего момента двигателя Мд и момента от внешних сил Мс (рис. 3) - дан вид со стороны выходного вала ЭКП на шестерни, находящиеся в зацеплении Положение шестерен соответствует моменту расстопорения водила - началу 1-го этапа процесса переключения - рычаг водила 15 (см. рис. 1) выведен из паза фиксирующего механизма.

В случае, если двигатель работает в тяговом режиме, а момент от внешних сил разгоняет автомобиль (рис. 3,а) и выполняется условие:

ЬФл+СпСфд-срзЬмд^0;

С4+а С2

15ф5-С45(ф4"Ф5) + С5б(ф5-фа) = 0; 1аф.,-С5б(ф<-ф,)+Мс = 0-

(3)

М£>М£

(4)

1д I.

то водило начнет поворачиваться в сторону включения повышенной передачи под действием сил Р в зацеплениях. Угловая скорость промежуточного вала (окружная скорость У„ в точке контакта шестерни промежуточного вала и паразитной шестерни) растет быстрее угловой скорости выходного вала (окружной скорости Ув в точке контакта шестерни выходного вала и паразитной шестерни), это и определяет направление У„ - окружной скорости оси паразитной шестерни, принадлежащей водилу. При зафиксированном водиле рычаг прижат к левой стенке фиксирующего механизма.

При тех же самых направлениях Мд и М,. (рис. 3,6), но при выполнении условия:

Мд< Мс

(5)

1д 1а

силы в зацеплении паразитной шестерни с шестернями на промежуточном и выходном валах поворачивают водило по часовой стрелке в сторону включения пониженной передачи. При зафиксированном водиле рычаг прижат к правой стенке фиксирующего механизма.

В комбинации Мд>0, Мс>0 (рис. 3,в) при любом соотношении МДЯД и Мс/1а водило стремится повернуться в сторону включения п+1 передачи и т.д.

Рис. 3. Варианты комбинаций Мя и Мс: а) Мд>0, Мс<0, МдЛд>МД,; б) Мд>0, М.<0, МД/1Я<МА; в) Мд>0, М>0; г) Мд<0, Мс<0; д) Мд<0, Мс>0, МД/1Д<МЛ; е) Мд<0, М,>0, МД/1Д>МА.

Из рассмотренных шести возможных комбинаций Мя и Мс по величине и направлению в трех (рис. 3,а,в,д) 1-й этап процесса переключения протекает в направлении п—>п+1, в оставшихся трех (рис. 3,б,г,е) - в направлении п—»п-1. Необходимо заметить, что переключение (1-й этап) п—»п+1 при любом Мс (М<>0, М(.<0) можно реализовать путем перевода двигателя в тяговый режим (Мд>0) Переключение (1-й этап) п—»п—1 при любом Мс (М,>0, Мс<0) реализуется путем перевода двигателя в тормозной режим (Мд<0). Тем самым, для исследуемой конструкции ЭКП (см. рис.1) для переключения п—»п+1 важны тяговые возможности двигателя, а для переключения п—»п-1 - тормозные. ЭКП при расстопоренном водиле имеет степень свободы \У=2 (на 1-м и 2-м этапах процесса переключения), что показано с использованием формулы Чебышева для плоских механизмов -число входных и выходных звеньев равно трем (входной и выходной валы, водило). При положение (движение) третьего звена - водила определяется положением (движением) двух других звеньев (входного и выходного валов). Движение выходного вала определяется величиной и направлением Мс, и не является управляемым параметром. Управляемым может быть только Мд, который и определяет движение промежуточного вала, связанного с входным (поэтому при переключении не производится выключение сцепления). Комбинация Мс и необходимого по величине и направлению Мд обеспечивают перевод водила ЭКП (переключение) в нужном направлении (п—»п+1 либо п—»п-1). Данная особенность исследуемой схемы была использована при организации системы переключения изготовленного действующего макета ЭКП, установленного на автомобиль УАЗ 31512, направление дальнейших исследований предполагает создание автоматизированной или полностью автоматической трансмиссии на базе ЭКП.

На 2-м этапе процесса переключения соотношение окружных скоростей зубьев входящих в зацепление шестерен способствует протеканию данного этапа Так, при переходе на более высокую ступень (п—»п+1), окружная скорость У„+| вершин зубьев паразитной шестерни п+1 передачи выше скорости вершин зубьев шестерни выходного вала Увыхпн (рис. 4)Г"Тем самым паразитная шестерня, а следовательно, и водило, затягиваются в положение включения п+1 передачи.

Рис 4. Окружные скорости вершин зубьев входящих в зацепление шестерен

п+1 ^ . ф п-1

V,

V,

При переходе же на более низкую ступень (п—>п-1), скорость V,,. | вершин зубьев паразитной шестерни п-1 передачи ниже скорости вершин зубьев шестерни выходного вала Увыхп_|. Тем самым, происходит затягивание паразитной шестерни и водила и в этом случае. Происходит как бы «отбрасывание» водила в сторону включаемой передачи.

Для переключения п—»п-1 при Мс>0 необходим перевод двигателя в тормозной режим (Мд<0) и выполнение условия Мд/1д>М«/1а. Наиболее эффективное торможение двигателем осуществляется путем перевода его на режим принудительного холостого хода, когда дроссельная заслонка полностью закрыта. Зависимость тормозного момента двигателя Мд (двигатель УМЗ 4178.10) от угловой скорости коленчатого вала сод (в интервале от 84 до 420 рад/с), аппроксимированная линейной зависимостью, выглядит следующим образом:

Мд = 20 + 0,094 (соа- 84). (6)

При сод ниже 84 рад/с тормозной момент двигателя падает до нуля и дальнейшее торможение возможно только при отключении зажигания, что неприемлемо.

Вследствие характеристики тормозного момента двигателя (6), начавшийся процесс переключения (1-й этап) может быть не завершен (водило, повернувшись на некоторый угол <р<Фьт (0,31 рад для 2—>1) в сторону включения п-1-ой передачи, начинает двигаться в сторону первоначально включенной п-ой передачи) если не выполняется условие Мд/1д>Мс/1а по следующим причинам: 1. Из-за снижения тормозного момента двигателя вследствие падения сод. Наблюдается при высоких о)д (высоких скоростях движения автомобиля на п-ой передаче); 2. Из-за падения <йд ниже 80-84 рад/с (Мд—>0). Наблюдается при низких скоростях движения автомобиля, 3. За время процесса переключения произошло увеличение Мс из-за выезда на участок с большим коэффициентом сопротивления движению 1|/.

На рис. 5 представлены зависимости времени переключения ^ от силы сопротивления движению Р,. при различных сод перед переключением 2—»1 при прямой ступени в раздаточной коробке (РК). Угловым скоростям коленчатого вала 110, 130, 215, 320 и 420 рад/с соответствуют скорости автомобиля перед переключением 3,35,3,96, 6,54, 9,74, 12,78 м/с. Само по себе время переключения означает еще и то, что переключение осуществляется. При угловых скоростях 215, 320 и 420 рад/с и высоких значениях Р,. (при высоких Р,. велико а следовательно, и снижение сод) переключения не происходит из-за снижения Мд, а при 110 и 130 рад/с - из-за падения шд ниже 80-84 рад/с. Поэтому затягивания процесса переключения по времени свыше 0,8 с не происходит. Переключение 2 —»1 с включенной пониженной ступенью в РК возможно при существенно меньших Рс, кроме того, повышается минимальное значение сод перед переключением до 130 рад/с Необходимо заметить, что именно возможность быстрого переключения "вниз" (без существенной потери скорости автомобиля) позволяет повысить проходимость автомобиля и среднюю скорость его движения в сложных дорожных условиях (больших М<>0). Переключение п—>п-1 на каждую следующую ступень требует все более и более высоких тормозных качеств двигателя при одной и той же силе сопротивления движению Рс, особенно при включенной пониженной ступени в РК.

1„,с 0,8

0,7 0,6

/

0,5

/

0,4 0,3

0,2 0,1

215 (экспериментальная)

О 1

01 23456789 10 И

Рс, кН

Рис. 5. Зависимость ^ от Рс при переключении 2—»1 и прямой ступени в РК

При моделировании процесса переключения (рис. 6) продолжительность 1-го и 2-го этапов устанавливалась по приведенной величине угла поворота водила Фз. <0д, Юз, со,, - приведенные к коленчатому валу угловые скорости соответственно двигателя, водила, маховой массы автомобиля. В данном случае рассматривается переключение 2—»1 при скорости перед переключением, соответствующей угловой скорости коленчатого вала 215 рад/с. Сопротивление движению 0,6 кН. Момент времени 1=0 соответствует началу 1-го этапа - водило расстопорено, двигатель переведен в тормозной режим. Выполняется условие (4) - двигатель затормаживается быстрее маховой массы автомобиля. С началом 2-го этапа (1=0,21 с) происходит ступенчатое изменение структуры механизма. Здесь три группы масс (связанные с двигателем, связанные с автомобилем, водило) должны удовлетворять уравнению (2) кинематики с параметрами а и Ь для включаемой передачи. Параметры динамической схемы приводятся к коленчатому валу двигателя через передаточное отношение включаемой передачи. Моменты инерции двигателя, и маховой массы автомобиля много больше момента инерции водила. Поэтому происходит значительное изменение угловой скорости именно водила (разгон водила). Из-за малости момента инерции водила, нагруженность трансмиссии невелика (при стремлении величины момента инерции водила к нулю также стремится к нулю). На рис. 6 представлены теоретическая и экспериментальная зависимости крутящего момента на полуоси М45. Нагруженность трансмиссии принято оценивать коэффициентом динамичности кд, под которым понимается отношение максимального момента на упругом звене трансмиссии к моменту, создаваемому на этом звене двигателем при работе на режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту. Если принять, что разгон водила (13=0,07 кг м2) происходит

равномерно из состояния покоя за время 2-го этапа 0,03 с, то можно оценить среднюю величину момента от сил инерции на водиле, которая составляет 55 Нм, что соответствует, например, моменту на промежуточном валу 12 Н м (кд=0,035). На 1-м этапе кд< 0,002. Нагруженность на 3-м этапе сравнима с нагруженностью трансмиссии, оснащенной серийной коробкой передач при высоком темпе включения сцепления и может быть снижена при сближении передаточных отношений между переключаемыми ступенями.

о)д, 350

Рис. 6. Моделирование переключения 2-»1.

Моделирование процесса переключения показало, что разница величин динамической нагруженности отдельных звеньев, обусловленная упруго-инерционными свойствами трансмиссии не превышает 30 %.

Теоретически и экспериментально установлено, что для осуществления переключения (1-го и 2-го этапов) достаточно завершения 1-го этапа При параметрах динамической схемы трансмиссии, (прежде всего соотношение моментов инерции двигателя, маховой массы автомобиля и водила), шаге между передаточными отношениями, характерными для легкового автомобиля на 2-м этапе процесса переключения происходит безусловное движение водила в положение включения передачи. Это утверждение справедливо при любых силовых (Мд, Мс) и кинематических (скорость перед переключением) параметрах движения, характеризующих режим переключения, реально возможных в процессе эксплуатации автомобиля. Так, переключение (рис. 6) не завершается если с началом 2-го этапа начинает действовать М0 соответствующий силе сопротивления движению свыше 49 кН.

В третьей главе сформулированы задачи экспериментального исследования, описан объект исследования и реализация системы переключения на автомобиле УАЗ 31512, трансмиссия которого оснащена ЭКП. Был изготовлен и установлен на автомобиль УАЗ 31512 макетный образец ЭКП со следующими передаточными отаошениями: ¡1=4,124, ¡2=2,773, ¡3= 1,641,14=1,0, ¡1Х=4,124.

Система переключения (рис. 7) при расстопоренном водиле включала электромагнитные реле ЭР1, ЭР2, ЭРЗ соответственно для выведения рычага из паза фиксирующего механизма, открытия дроссельных заслонок и перевода двигателя в тяговый режим, закрытая заслонок - перевода двигателя в тормозной режим При замыкании тумблера 1 (рис. 7,а) питание подается на ЭР1 и ЭРЗ для осуществления перекладки рычага в пазу и вывода его из паза. При этом рычаг (водило) под действием внутренних силовых факторов начинает двигаться в сторону включения 1-ой передачи. Рычаг переключает двухпозиционный переключатель 2, в результате чего обесточиваются ЭР1 и ЭРЗ, рычаг под действием пружины затягивается в паз 1 -ой передачи и включает тумблер 3 - питание подается на ЭР2 для перевода двигателя в тяговый режим. При помощи концевого выключателя 4 и переключателя 2 на шлейф 5 осциллографа подается сигнал о времени переключения.

Рис. 7. Схема коммутации системы переключения при первоначальном движении Мд>0, Мс>0: а) - 2-> 1, б) - 1 ->2 .

Для переключения 1—»2 (рис. 7,6) замыкается тумблер 1, срабатывают ЭР1 и ЭРЗ, при выходе рычага из паза фиксирующего механизма обесточивается ЭРЗ и срабатывает ЭР2 - водило начинает двигаться в сторону включения 2-ой передачи и тд. Тем самым, как для переключения п—>п+1 так и п—»п-1 было достаточно подать лишь управляющий сигнал - это простейшая система автоматизированного переключения.

В четвертой главе содержится анализ полученных экспериментальных данных, при помощи критерия Фишера подтверждается адекватность разработанной математической модели, описывающей процесс переключения в ЭКП. Расхождение теоретических и экспериментальных данных при определении времени переключения и нагруженное™ трансмиссии составляет не более 15 %.

Проводилось исследование процесса переключения в серийной коробке передач, 1-я и 2-я ступени которой несинхронизированы и включаются при помощи подвижной шестерни. В данном случае при переключении передач возникает динамическая нагруженность, обусловленная соединением двух частей системы, движущихся с разными угловыми скоростями при приведении к одному валу. На рис. 8 представлены значения крутящих моментов, нагружающих элементы трансмиссии (полуось и карданный вал) при переключении 2—»1 для серийной коробки передач в зависимости от скорости движения, соответствующей угловой скорости коленчатого вала перед переключением. Теоретические значения получены при помощи математической модели, составленной для трансмиссии с серийной коробкой передач. Представлены также крутящие моменты на полуоси и карданном валу для трансмиссии, оснащенной ЭКП на 2-м этапе процесса переключения (вход в зацепление с выходным валом шестерни включаемой передачи).

Видно, что нагруженность трансмиссии крутящими моментами в случае с ЭКП ниже в 3-4 раза, соответственно во столько же раз меньше силы (рис. 9) на зубьях шестерен, входящих в зацепление. С учетом того, что в конструкции ЭКП использованы валы и шестерни серийной КП, а вход шестерен осуществляется по всей ширине зуба (что снижает контактные напряжения) можно утверждать, что на втором этапе процесса переключения нет условий поломки зубьев вследствие повышенной динамической нагруженности. При помощи математического моделирования установлено, что на втором этапе процесса переключения динамическая нагруженность не превышает кд=0,09 для переключений 1—»2, 2—>1, 2—»3 и 3—>2 при любых возможных в эксплуатации силовых и кинематических параметрах движения, характеризующих режим переключения. Сокращение времени процесса переключения имеет значение для тех случаев переключения, когда требуется выполнение предложенных условий (4) и (5), так как за большее время процесса переключения передач выше вероятность изменения внешних условий (сопротивления движению), в результате чего начавшийся процесс переключения может быть не завершен.

Анализ экспериментальной кривой крутящего момента на полуоси показывает, что несмотря на перекрытие передач, в момент контакта с шестерней выходного вала паразитной шестерни включаемой передачи одновременно происходит исчезновение кинематической пары, образованной шестернями выключаемой передачи. То есть в зацеплении с выходным валом находится только одна из пара-

зитных шестерен. В противном случае трансмиссия имела бы только одну степень свободы (подвижное водило) и здесь различие в начале 2-го этапа приведенных угловых скоростей двигателя и маховой массы автомобиля вызвало бы скачок динамической нагруженности в точке Б (см. рис. 6), сравнимый с нагруженностью на 3-м этапе процесса переключения, чего не наблюдается.

М45, М24,ми, кд

Нм Нм

600 0,4

250 -

450 - 200 0,3

150

300 0,2

100

150 0,1

50

серийная КП

ЭКП

О 100 200 300 400

Год, рад/с

Рис. 8. Динамическая нагруженность при переключении 2—>1, вызванная входом в зацепление шестерен включаемой передачи. Серийная КП, крутящие моменты: —-- ■ —— - на карданном валу М2<ь ——— - на полуоси М45; — —

— - на полуоси М45 (экспериментальный); ЭКП, крутящие моменты: —— ■ ——

- на карданном валу Ми; ——— - на полуоси М45; — — — - на полуоси М« (экспериментальный).

а)

Рис. 9. Вход в зацепление шестерен включаемой передачи: а) - серийная коробка передач; б) - ЭКП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Разработана математическая модель, описывающая работу трансмиссии, оснащенной коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений на режиме переключения передач и позволяющая производить обоснование и выбор режимов переключения. Математическая модель позволяет прогнозировать время переключения, динамическую нагруженность трансмиссии.

2) Установлено 6 возможных комбинаций силовых параметров, характеризующих режимы переключения, обусловленных режимом работы двигателя и движением автомобиля. Установлены условия (Мл/1д>Мс/1а и Мд/1д<М1/1а), выполнение которых обязательно для осуществления самой возможности переключения в нужном направлении (п—>п+1, п—>п-1).

3) Предлагаемый способ переключения за счет изменения межосевого расстояния и путь его реализации при расстопоренном водиле может быть эффективно использован в трансмиссии легкового автомобиля повышенной проходимости Время переключения в разработанном варианте ЭКП составляет 0,1...0,8 с в зависимости от режима работы двигателя и сопротивления движению автомобиля.

4) На этапах выхода из зацепления и входа в зацепление с шестернями выходного вала паразитных шестерен соответственно выключаемой и включаемой передач, когда они находятся на межосевом расстоянии больше расчетного, нагруженность этих шестерен и трансмиссии в целом минимальна, а наибольшая нагруженность указанных шестерен возникает на этапе стопорения водила, когда они расположены на расчетном межосевом расстоянии, и их нагрузочная способность максимальна.

Теоретически и экспериментально установлено, что динамическая нагруженность в исследуемой конструкции коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений, вызванная входом в зацепление шестерен включаемой передачи ниже чем в серийной коробке передач на несинхронизированных ступенях в 3^-4 раза при любых возможных в эксплуатации силовых и кинематических параметрах движения, характеризующих режим переключения. Соответственно, во столько же раз меньше силы на зубьях шестерен, входящих в зацепление, что и обеспечивает работоспособность конструкции при использовании валов и шестерен серийной коробки передач. С учетом того, что в конструкции ЭКП вход шестерен осуществляется по всей ширине зуба (что снижает контактные напряжения) можно утверждать, что на втором этапе процесса переключения нет условий поломки зубьев вследствие повышенной динамической нагруженности.

5) Во время экспериментальных исследований в общей сложности было произведено свыше 100 переключений на стенде и свыше 300 переключений в дорожных условиях (при расстопоренном водиле без выключения сцепления) при различных силовых и кинематических параметрах движения. Производились переключения 1—»2, 2—>1 при прямой и пониженной ступени в раздаточной коробке. Дефектация деталей после разборки ЭКП не выявила заметного износа и поломок зубьев шестерен, а также других элементов ЭКП и трансмиссии автомобиля УАЗ 31512.

6) При ручном переключении с выключением сцепления время переключения не превышает 0,5...0,8 с при соблюдении допустимого усилия на рукоятке рычага переключения передач (60 Н).

7) В случае силового (принудительного) перевода водила при помощи внешнего источника на некотором режиме, характеризуемом Мд и Мс (сцепление включено) на первом и втором этапах процесса переключения передач трансмиссия нагружена крутящими моментами, сравнимыми с Мд и Мс, что вызовет повышенную нагруженность шестерен, находящихся не на расчетном межосевом расстоянии. Силовое переключение по энергетическим затратам и действующим усилиям нерационально и не дает каких-либо преимуществ в сравнении с переключением при расстопоренном водиле или ручным переключением.

8) Результаты проведенного исследования позволили перейти к следующему этапу создания принципиально новой коробки передач и используются при проектировании и изготовлении опытной партии автоматизированных пятиступенчатых коробок передач для автомобиля УАЗ 31512 на кафедре «Автомобили» ЮУрГУ и ОАО Уральский машиностроительный завод.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах

1. Драгунов Г.Д., Косовский П.И., Прасолов Н.С. Динамика процесса переключения ступенчатой коробки передач // Вестник Южно-Уральского государственного университета.-Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003 - с. 79 - 82.

2. Драгунов Г.Д., Прасолов Н.С. Динамические процессы в трансмиссии автомобиля УАЗ со ступенчатой коробкой передач // В сб : Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин - Курган: Изд-во Института Машиноведения УрО РАН, 2003 - с.44-47

3. Драгунов Г.Д., Прасолов Н.С. Автоматизированная механическая ступенчатая коробка передач для транспортных машин // В сб.: Механика и процессы управления - Екатеринбург: УрО РАН, 2003- с.232-239.

4. Драгунов Г.Д., Прасолов Н.С., Серов A.A. Кинематические и силовые зависимости, математическая модель коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием // В сб.: Механика и процессы управления- Екатеринбург: УрО РАН, 2003- с.240-251.

5. Драгунов Г.Д., Прасолов Н.С. Динамическая нагруженность трансмиссии автомобиля, оснащенной коробкой передач с изменяемым межосевым рассоянием // В сб.' Механика и процессы управления - Екатеринбург: УрО РАН, 2003 с.225-231.

Прасолов Николай Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В АВТОМОБИЛЬНОЙ КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ С ИЗМЕНЯЕМЫМ МЕЖОСЕВЫМ РАССТОЯНИЕМ ЗУБЧАТЫХ ЗАЦЕПЛЕНИЙ

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 09.09 2004. Формат бумаги 60x84 '/ц. Печать трафаретная Уел печ л. 0,93 Уч.-изд л 0,98. Тираж 100.

Издательский центр НТЦ-НИИОГР ИД №00365 от 29.10 99. 454080, Челябинск, пр Ленина, 83. Тел. (351-2) 653-652

РНБ Русский фонд

2006-4 19118

27 4

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Направления совершенствования процесса переключения в ав- 11 томобильных механических ступенчатых коробках передач

1.2 Переключение передач изменением межосевого расстояния в 23 зубчатых зацеплениях

1.3 Нагруженность трансмиссии автомобиля, оснащенного меха- 25 нической ступенчатой коробкой передач

1.4 Формулирование цели и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И СИЛОВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ,

УСЛОВИЯ И РЕЖИМЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ С ИЗМЕНЯЕМЫМ МЕЖОСЕВЫМ РАССТОЯНИЕМ

2.1 Кинематическая схема и принцип действия объекта исследова

2.2 Кинематические и силовые зависимости в механизме

2.3 Механическая модель и динамическая схема трансмиссии ав- 37 томобиля УАЗ, оснащенного ЭКП

2.4 Составление математической модели для описания динамиче- 40 ских процессов в трансмиссии автомобиля УАЗ, оснащенного ЭКП.

2.5 Условия для протекания процесса переключения передач

2.6 Определение времени первого этапа процесса переключения 51 передач

2.7 Переключение на пониженную передачу

2.8 Переключение на повышенную передачу

2.9 Нагруженность трансмиссии автомобиля УАЗ 31512, оснащен- 65 ного ЭКП на различных этапах процесса переключения передач

2.10 Влияние расположения согласующего редуктора на процесс 72 переключения передач

2.11 Ручное переключение передач в ЭКП с выключением сцепле

2.12 Силовое переключение передач в ЭКП без выключения сцепления

ГЛАВА 3. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Цели и задачи экспериментального исследования

3.2 Объект исследования

3.3 Методика экспериментального исследования

3.4 Описание устройства и принципа действия системы переклю- 86 чения при расстопоренном водиле

3.5 Измерительно-регистрирующий комплекс

3.5.1 Компоненты измерительно-регистрирующего комплекса

3.5.2 Тарировка измерительной аппаратуры

3.6 Оценка погрешностей измерений

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Оценка воспроизводимости результатов опытов

4.2 Проверка адекватности математической модели

4.3 Анализ экспериментальных данных и выводы по результатам 104 экспериментального исследования

Актуальность работы

Совершенствование механических ступенчатых коробок передач и систем управления ими позволяет достичь повышения средней скорости и безопасности движения, снижения утомляемости водителя, сокращения времени переключения передач. Переключение с минимальным разрывом или без разрыва силовой цепи позволяет улучшить динамику разгона и положительно сказывается на проходимости. Как правило, этому способствует система автоматизированного или автоматического управления трансмиссией и доля таких автомобилей постоянно увеличивается.

Автоматизация механических ступенчатых КП является актуальной задачей, в последние годы благодаря развитию электронных систем управления открываются новые возможности по созданию автоматических и автоматизированных трансмиссий. Отдельные авторы отмечают [14], что доля легковых автомобилей, оснащенных автоматическими механическими КП к 2010 г. достигнет 18 %, а доля автомобилей с автоматическими гидромеханическими КП снизится из-за их значительно более худших экономических показателей.

Другое направление совершенствования процесса переключения передач связано с созданием конструкций КП без разрыва или с минимальным разрывом потока мощности. Как правило, одной из целей автоматизации процесса переключения передач является сокращение времени разрыва потока мощности.

Конструкция коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием (далее экспериментальная коробка передач - ЭКП) представляется достаточно перспективной для применения ее в трансмиссии автомобиля прежде всего повышенной проходимости. Переключение передач в ЭКП происходит без синхронизаторов за малый промежуток времени, трансмиссия обладает высоким КПД, имеется возможность использовать для управления переключением (переключение на повышенную п—*п+1 либо пониженную п—>п-1 передачу) величину и направление крутящего момента двигателя.

Переключение передач в ЭКП возможно без выключения сцепления -при расстопоренном водиле за счет внутренних силовых факторов. При создании системы переключения (в том числе автоматизированного) может отсутствовать ряд исполнительных элементов, необходимых для осуществления данного процесса в ступенчатой вальной коробке передач. При заданном сопротивлении движению требуется изменение величины или направления крутящего момента двигателя (от этого зависит время и сама возможность переключения). Тем самым, должен быть обоснованный выбор силовых и кинематических параметров движения, характеризующих режим переключения (крутящий момент двигателя, скорость перед переключением). Выбор режимов переключения должен обеспечивать снижение динамической на-груженности трансмиссии. Недостаточная исследованность работы трансмиссии с ЭКП на режиме переключения не позволяет реализовать преимущества, обусловленные предлагаемой кинематической схемой, что и предопределило выбор темы настоящего исследования.

Цель работы

Обоснование режимов переключения в коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием в условиях применения данной коробки передач в трансмиссии автомобиля повышенной проходимости.

Объект исследования

Моторно-трансмиссионная установка легкового автомобиля (УАЗ 31512) с установленной ЭКП.

Предмет исследования

Способ и режимы переключения передач в ЭКП с помощью внутренних силовых факторов, вызванных условиями движения автомобиля и режимом работы двигателя.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели исследования сформулированы и решены следующие задачи:

1) Разработка математической модели моторно-трансмиссионной установки автомобиля с ЭКП для исследования параметров, характеризующих режим переключения. Рассмотрение возможных путей реализации исследуемого способа переключения передач: переключение при расстопоренном водиле, ручное переключение, силовое (принудительное) переключение;

2) Разработка и изготовление действующего макета ЭКП, установка его на автомобиль УАЗ 31512, разработка системы переключения передач. Проведение испытаний (переключение как с низшей на высшую (п—*п+1) так и с высшей на низшую (п—>п-1) передачи) при различных кинематических и силовых параметрах движения, характеризующих режим переключения. Испытание автомобиля УАЗ 31512 с серийной коробкой передач на предмет оценки дополнительной динамической нагруженности на режимах переключения.

3) Экспериментальная проверка адекватности математической модели, описывающей процесс переключения в ЭКП.

Методологической основой диссертации являются исследования, базирующиеся на основных положениях теории автомобиля, теории механизмов и машин, дифференциальном и интегральном исчислении, математическом моделировании, электрическом измерении неэлектрических величин.

Научная новизна работы

1) Разработана математическая модель моторно-трансмиссионной установки автомобиля с коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений, адекватно описывающая работу трансмиссии на режиме переключения передач и позволяющая производить обоснование и выбор режимов переключения.

2) Установлены силовые, кинематические параметры и условия режимов переключения, характеризующие связь между крутящим моментом двигателя и моментом от сил сопротивления, действующих на автомобиль, для осуществления процесса переключения в необходимом направлении: п—>п+1 или п—>п— 1.

Практическая ценность

Разработанные кинематические и силовые зависимости, методика задания и расчета параметров, условия для переключения, варианты конструктивного исполнения, рекомендации по организации переключения могут использоваться при проектировании и совершенствовании коробок передач, использующих данный способ переключения, проектировании систем управления и применяться при рассмотрении новых областей применения коробок передач подобного принципа действия.

Апробация работы и внедрение результатов

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета в период 2000 — 2004 гг. и Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» г. Курган, 2003 г. Представлены на 23-м семинаре по науке и технологиям «Механика и процессы управления» г. Миасс, 2003 г. Автомобиль УАЗ 31512 с установленным действующим макетом ЭКП демонстрировался на выставке, посвященной 60-летию ЮУрГУ, 2003 г. Диссертационная работа была заслушана на техническом совещании в Управлении главного конструктора ОАО Ульяновский автомобильный завод, 2004 г.

Результаты выполненной работы используются при проектировании раздаточной коробки подобного типа для автомобиля Урал 4320 на ОАО «Автомобильный завод «Урал», проектировании и изготовлении опытной партии автоматизированных пятиступенчатых коробок передач для автомобиля УАЗ 31512 на ОАО «Уральский машиностроительный завод».

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, приложения и содержит 120 страниц машинописного текста, включающего 35 иллюстраций, 6 таблиц, список литературы из 56 наименований.

На защиту выносятся

Кинематические и силовые зависимости в ЭКП, математическая модель для исследования процесса переключения в ЭКП, условия для протекания переключения под действием внутренних силовых факторов в необходимом направлении, результаты исследований.

Аннотация диссертационной работы

Первая глава диссертации посвящена обоснованию выбора темы, обзору научных исследований и решений, применяемых при создании перспективных трансмиссий. На основе анализа сущности научной проблемы и работ по выбранной теме, формулируются цель и задачи исследования.

Во второй главе диссертации рассматривается предложенный способ переключения передач на примере трансмиссии автомобиля УАЗ 31512, включающей в себя коробку передач с изменяемым межосевым расстоянием. Дается количественная характеристика условий, продолжительности и силовых факторов процесса переключения передач как на пониженную так и на повышенную передачи, проанализированы различные пути реализации рассматриваемого способа переключения. Для переключения передач с расстопоренным водилом сформулированы условия, необходимые для эффективного протекания процесса переключения передач. Представлены силовые и кинематические зависимости между элементами ЭКП. Разработана динамическая схема и математическая модель трансмиссии автомобиля, содержащей ЭКП для моделирования процесса переключения передач, установлена продолжительность и динамическая нагруженность процесса переключения. Сформулированы выводы о работоспособности исследуемой конструкции и рекомендации по осуществлению процесса переключения передач. Рассмотрено переключение передач при различном сопротивлении движению автомобиля, различном конструктивном исполнении ЭКП и различном режиме работы полноприводной трансмиссии.

В третьей главе диссертации сформулированы задачи экспериментального исследования, описан объект исследования и реализация системы переключения на автомобиле УАЗ 31512, трансмиссия которого оснащена ЭКП. Приведено описание измерительного комплекса, тарировочные данные измерительной аппаратуры, методика проведения испытаний и обработки полученных экспериментальных данных.

Четвертая глава содержит анализ полученных экспериментальных данных, подтверждается адекватность разработанной математической модели, описывающей процесс переключения передач.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1) Разработана математическая модель, описывающая работу трансмиссии, оснащенной коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений на режиме переключения передач и позволяющая производить обоснование и выбор режимов переключения. Математическая модель позволяет прогнозировать время переключения, динамическую на-груженность трансмиссии.

2) Установлено 6 возможных комбинаций силовых параметров, характеризующих режимы переключения, обусловленных режимом работы двигателя и движением автомобиля. Установлены условия (Мд/1д>Мс/1а и Мд/1д<Мс/1а), выполнение которых обязательно для осуществления самой возможности переключения в нужном направлении (п—>п+1, п—1).

3) Предлагаемый способ переключения за счет изменения межосевого расстояния и путь его реализации при расстопоренном водиле может быть эффективно использован в трансмиссии легкового автомобиля повышенной проходимости. Время переключения в разработанном варианте ЭКП составляет 0,1.0,8 с в зависимости от режима работы двигателя и сопротивления движению автомобиля.

4) На этапах выхода из зацепления и входа в зацепление с шестернями выходного вала паразитных шестерен соответственно выключаемой и включаемой передач, когда они находятся на межосевом расстоянии больше расчетного, нагруженность этих шестерен и трансмиссии в целом минимальна, а наибольшая нагруженность указанных шестерен возникает на этапе стопоре-ния водила, когда они расположены на расчетном межосевом расстоянии, и их нагрузочная способность максимальна.

Теоретически и экспериментально установлено, что динамическая нагруженность в исследуемой конструкции коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений, вызванная входом в зацепление шестерен включаемой передачи ниже чем в серийной коробке передач на несинхронизированных ступенях в 3+4 раза при любых возможных в эксплуатации силовых и кинематических параметрах движения, характеризующих режим переключения. Соответственно, во столько же раз меньше силы на зубьях шестерен, входящих в зацепление, что и обеспечивает работоспособность конструкции при использовании валов и шестерен серийной коробки передач. С учетом того, что в конструкции ЭКП вход шестерен осуществляется по всей ширине зуба (что снижает контактные напряжения) можно утверждать, что на втором этапе процесса переключения нет условий поломки зубьев вследствие повышенной динамической нагруженно-сти.

5) Во время экспериментальных исследований в общей сложности было произведено свыше 100 переключений на стенде и свыше 300 переключений в дорожных условиях (при расстопоренном водиле без выключения сцепления) при различных силовых и кинематических параметрах движения. Производились переключения 1—»-2, 2—»-1 при прямой и пониженной ступени в раздаточной коробке. Дефектация деталей после разборки ЭКП не выявила заметного износа и поломок зубьев шестерен, а также других элементов ЭКП и трансмиссии автомобиля УАЗ 31512.

6) При ручном переключении с выключением сцепления время переключения не превышает 0,5.0,8 с при соблюдении допустимого усилия на рукоятке рычага переключения передач (60 Н).

7) В случае силового (принудительного) перевода водила при помощи внешнего источника на некотором режиме, характеризуемом Мд и Мс (сцепление включено) на первом и втором этапах процесса переключения передач трансмиссия нагружена крутящими моментами, сравнимыми с Мд и Мс, что вызовет повышенную нагруженность шестерен, находящихся не на расчетном межосевом расстоянии. Силовое переключение по энергетическим затратам и действующим усилиям нерационально и не дает каких-либо преимуществ в сравнении с переключением при расстопоренном водиле или ручным переключением.

8) Результаты проведенного исследования позволили перейти к следующему этапу создания принципиально новой коробки передач и используются при проектировании и изготовлении опытной партии автоматизированных пятиступенчатых коробок передач для автомобиля УАЗ 31512 на кафедре «Автомобили» ЮУрГУ и ОАО Уральский машиностроительный завод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленном диссертационном исследовании рассмотрена работа трансмиссии, оснащенной коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений на режимах переключения передач. Установлены кинематические и силовые зависимости, разработана математическая модель моторно-трансмиссионной установки. Проанализированы пути реализации исследуемого способа переключения передач (переключение при расстопоренном водиле, ручное переключение с выключением сцепления, силовое (принудительное) переключение без выключения сцепления) на скоростных, нагрузочных режимах, при параметрах динамической схемы трансмиссии, применяемых двигателях, характерных для легкового автомобиля. Для переключения при расстопоренном водиле за счет внутренних силовых факторов установлены комбинации силовых и кинематических параметров движения, характеризующих режим переключения, сформулированы условия, выполнение которых необходимо для переключения в необходимом направлении. Установлен уровень динамической нагруженности элементов трансмиссии. Предложены варианты конструктивного исполнения и даны рекомендации по осуществлению процесса переключения в коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений. Направление дальнейших исследований предполагает проведение испытаний в объеме, предусмотренном для опытных образцов согласно этапам конструирования и создания новой техники, а также создание автоматизированной или полностью автоматической трансмиссии на базе коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений.

1. Автомобили: Испытания: Учеб. пособие для вузов/ В.М. Беляев, М.С. Высоцкий, Л.Х. Гилелес и др.; Под ред. А.И. Гришкевича, М.С. Высоцкого. Мн.: Выш. шк., 1991 - 187 с.

2. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. М.: Издательство « За рулем», 1999. - 896 с.

3. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981.232 с.

4. Альгин В.Б., Павловский В.Я., Поддубко С.Н. Динамика трансмиссии автомобиля и трактора/Под ред. И.С.Цитовича.-Мн.: Наука и техника, 1986.-214 с.

5. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975.- 640 с.

6. Архангельский В.М., Злотин Г.Н. Работа карбюраторных двигателей на неустановившихся режимах. М.: Машиностроение, 1979 - 152 е., ил.

7. Бадр Э. О. X. Снижение динамической нагруженности механических трансмиссий автомобилей с автоматизированным переключением ступеней в коробках передач: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Минск: Белорус, гос. политехи, академия, 1994. - 18 с.

8. Барский И.Б. Конструирование и расчет тракторов. М.: Машиностроение, 1980.-335 с.

9. Бухарин H.A., Прозоров B.C., Щукин М.М. Автомобили. Конструкция, нагрузочные режимы, рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля. Л., «Машиностроение», 1973- 504 с.

10. Гапоян Д.Т., Гаронин Л.С. Моторные тормоза-замедлители автотранспортных средств.-М.: НИИНавтопром, 1979.-70 с.

11. Гинцбург J1.JI., Есеновский-Лашков Ю.К., Поляк Д.Г. Сервоприводы и автоматические агрегаты автомобилей. М., «Транспорт», 1968 192 с.

12. Гонтарев Е.П. Обоснование кинематической схемы, параметров и режимов переключения коробки передач мотоблока с изменяемым межцентровым расстоянием: Дис. . канд. техн. наук: 05. 05. 03 /Южно-Уральский гос. ун-т. — Челябинск., 2002.-135 с.

13. Гришкевич А.И. Автомобили: Теория: Учебник для вузов.- Мн.: Выш. шк., 1986.-208 с.

14. Громовой C.B. Оптимизация процесса разгона легкового автомобиля при создании автоматических механических ступенчатых трансмиссий: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ижевск., 2003. - 24 с.

15. Дмитриевский A.B., Каменев В.Ф. Карбюраторы автомобильных двигателей.-М.: Машиностроение, 1990.- 224 с.

16. Драгунов Т.Д., Косовский П.И., Гонтарев Е.П. Методика исследования и результаты испытаний коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием // В сб.: Конструирование и эксплуатация наземных транспортных машин.-Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2002 с. 3 - 5.

17. Драгунов Г.Д., Косовский П.И., Гонтарев Е.П. Динамическая схема и математическая модель коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием // В сб.: Конструирование и эксплуатация наземных транспортных машин.-Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2002 с. 6 - 8.

18. Драгунов Г.Д., Косовский П.И., Прасолов Н.С. Динамика процесса переключения ступенчатой коробки передач // Вестник Южно-Уральского государственного университета.-Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003 — с. 79 82.

19. Драгунов Г.Д., Прасолов Н.С. Автоматизированная механическая ступенчатая коробка передач для транспортных машин // В сб.: Механика и процессы управления Екатеринбург: УрО РАН, 2003 - с.232-239.

20. Драгунов Г.Д., Прасолов Н.С., Серов A.A. Кинематические и силовые зависимости, математическая модель коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием // В сб.: Механика и процессы управления — Екатеринбург: УрО РАН, 2003.- с.240-251.

21. Драгунов Г.Д., Прасолов Н.С. Динамическая нагруженность трансмиссии автомобиля, оснащенной коробкой передач с изменяемым межосевым рассоянием // В сб.: Механика и процессы управления Екатеринбург: УрО РАН, 2003.- с.225-231.

22. Есеновский-Дашков Ю.К., Поляк Д.Г. Новые системы полуавтоматического управления трансмиссиями // Автомобильная промышленность.-1998.-№11.-с. 37-40.

23. Есеновский-Дашков Ю.К., Автоматизация управления трансмиссией // Автомобильная промышленность.-1989.-№12.- с. 17-19.

24. Есеновский-Лашков Ю.К., Поляк Д.Г., Недялков А.П. Механические трансмиссии: поиски и решения // Автомобильная промышленность.— 1989.-№3.-с. 6-12.

25. Кирдяшев Ю.Н. Многопоточные передачи дифференциального ти-па.-Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1981. 223 е., ил.

26. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М., «Высшая школа», 1971.- 344 с.

27. Кусяк В.А. Синтез алгоритма переключения передач в трансмиссии автобуса: Автореф.дис. канд. техн. наук. Минск., 2000.-20 с.

28. Левитский Н.И. Колебания в механизмах М.: Наука, 1988 - 336 с.

29. Манжосов В.К. Крутильные колебания в трансмиссиях буровых машин.-Фрунзе: Илим, 1982.-166 с.

30. Нагайцев М.В., Харитонов С.А., Юдин Е.Г. Автоматические коробки передач современных легковых автомобилей. Учебное пособие.-М. "Легион-Автодата", 2000.-125 с. ил.

31. Наркевич Э.И. Предварительный выбор параметров коробки передач // Автомобильная промышленность.-1997.-№6- с. 25-27.

32. Нефедов А.Ф., Высочин Л.Н. Планирование эксперимента и моделирование при исследовании эксплуатационных свойств автомобилей. Львов, «Вища школа», Изд-во при Львов, ун-те, 1987, 158 с.

33. Определение моментов в валах при соединении частей системы, вращающихся с разными оборотами. Онищенко Г.Д., Резник Г.В., Мудрец Н.И. — «Динамика и прочность машин», вып. 27. Респ. межвед. науч.-техн. сборник. Харьков, «Вища школа», 1978, с. 118-121.

34. Оптимизация топливно-скоростных свойств автомобиля / Гащук П.Н. Львов: Вища шк. Изд-во при Львов, ун-те, 1976, 160 с.

35. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов/В.И. Крутов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др; Под ред. В.И. Крутова и В.В. Попова—М.: Высш. шк., 1989.-400 с.

36. Островерхов Н.Л. Динамическая нагруженность трансмиссий колесных машин.-Минск: «Наука и техника», 1977. 191 с.

37. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. — М.: «Наука», 1971.— 240 с.

38. Петров В.А. Автоматические системы транспортных машин. М., «Машиностроение», 1974, 336 с.

39. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник/Под общ. ред. А.И.Гришкевича. М.: Машиностроение, 1984. - 272 е., ил.

40. Расчет и конструирование гусеничных машин. Носов H.A., Галы-шев В.Д., Волков Ю.П., Харченко А.П. Л., Машиностроение, 1972 г., 560 стр.

41. Семендяев К.Н. Повышение проходимости полноприводного автомобиля выбором режимов управления раздаточной коробкой: Дис. . канд. техн. наук: 05. 05. 03 / Южно-Уральский гос. ун-т. Челябинск., 2003.-149 с.

42. ТарасикВ.П. Математическое моделирование технических систем-Минск: «Наука и техника», 1997. 625 с.

43. Тарасик В.П., Рынкевич С.А. Интеллектуальные системы управления ГМП// Автомобильная промышленность-2003 -№6 — с. 18-23.

44. Тверсков Б.М. Теория автомобиля: Учебное пособие — Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000г. -186 с.

45. Тверсков Б.М. На карьерных самосвалах и полноприводных тягачах // Автомобильная промышленность.-1997.-№5.- с. 16-18.

46. Трансмиссии тракторов. М., «Машиностроение», 1976, 280 с.

47. Трикоз A.A. Механические ступенчатые коробки передач Zahnradfabrik// Автостроение зарубежом-2002 -№4 с. 9-12.

48. Фаробин Я.Е., Андропов Ф.Е. На магистральном автопоезде. Выбор оптимального алгоритма // Автомобильная промышленность.-1997.-№5.- с. 13-16.

49. Филичкин Н.В. Планетарные коробки передач с переключением передач без разрыва потока мощности // В сб.: Конструирование и эксплуатация наземных транспортных машин.-Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2002.- с. 27 -31.

50. Цитович И.С., Альгин В.Б. Динамика автомобиля. Мн.: Наука и техника, 1981— 191с., ил.

51. Цитович И.С., Каноник И.В., Вавуло В.А. Трансмиссии автомобилей. Мн., «Наука и техника», 1979,256 с.

52. Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания.-М.: Машиностроение, 1989.-256 с.

53. Яситников В.Н., Говоров Н.В. Передаточные числа коробки передач и характеристики АТС // Автомобильная промышленность.-2003.-№3.-с. 14-18.