автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Увеличение интенсивности разгона легкового автомобиля с гидромеханической передачей в начальной фазе

005531272

На правах рукописи

Денисов Денис Михайлович

Увеличение интенсивности разгона легкового автомобиля с гидромеханической передачей в начальной фазе

05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- ИЮЛ 2013

Москва-2013

005531272

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автомобили»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Нарбут Андрей Николаевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили» ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Гируцкий Ольгерт Иванович зам. председателя экспертного совета, заслуженный машиностроитель РФ, лауреат Государственной премии РФ, лауреат премии Правительства РФ, доктор технических наук, профессор ФГУП «Научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ)»

Серебряков Владимир Витальевич

кандидат технических наук, профессор, советник ректора МГТУ "МАМИ"

ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Защита состоится 20 июня 2013 г. в 12 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 при МАДИ по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: (499)155-93-24.

Автореферат разослан 20 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Максимов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в России количество автомобилей с ГМП растет с каждым годом. АвтоВАЗ совместно с Renault-Nissan обновляет свой автомобильный ряд новинками, такими как LADA 2190 - Проект «Семейство бюджетных автомобилей LADA 2190» (LADA Granta) с внедрением гидромеханических коробок передач (ГМП). Спрос на автомобили с ГМП не снижается, и, соответственно, не исчезает интерес к исследованию тяговых характеристик и способов увеличения интенсивности разгона.

Разработка методов расчета ГМП в начальной фазе поможет обеспечить наиболее оптимальный выбор параметров ГМП для увеличения интенсивности разгона и сохранения узлов, деталей коробки передач от разрушения.

Целью данной работы является установление возможности повышения интенсивности разгона в начальной фазе легкового автомобиля с ГМП на основе разработанной математической модели.

Объектом исследования является легковой автомобиль с ГМП удельной мощностью двигателя Nyfl=50-75 кВт/т.

Предметом исследования являются разгонные свойства в начальной фазе легкового автомобиля с ГМП.

Методы исследования. В работе использованы методы теоретической механики, теории автомобиля, математического моделирования, программирования, численные методы математического анализа, расчетно-экспериментальные методы.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в разработке метода расчета начальной фазы разгона легкового автомобиля с ГМП при включении" разгон броском";

- в разработке метода расчета включения блокирующего фрикциона при движении автомобиля с ГМП;

- в предложенных рекомендациях по изменению управлением ГМП.

Практическая ценность. Разработанный метод расчета увеличения интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП позволяет рассчитывать нагрузки и выбирать необходимый режим для процесса разгона.

Разработанный метод расчета включения блокирующего фрикциона гидротрансформатора (ГДТ) в ГМП позволяет облегчить понимание изменения рабочих процессов, происходящих в ГМП при переходе в механическую связь при блокировании ГДТ.

Разработаны рекомендации, направленные на увеличение интенсивности разгона легковых автомобилей с ГМП в начальной фазе, которые могут быть использованы при эксплуатации.

Реализация результатов работы. Разработанный метод расчета увеличения интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП в начальной фазе, процесса включения блокирующего фрикциона в ГДТ позволяет облегчить понимание рабочих процессов ГМП.

Разработанные рекомендации и другие результаты диссертационной работы могут быть использованы при выборе или при проектировании ГМП для легковых автомобилей. Они получили применение в ФГУП "НАМИ".

На защиту выносятся:

1. Разработанный метод расчета начальной фазы разгона легкового автомобиля с ГМП при включении "разгон броском" и "разгон с торможением";

2. Разработанный метод расчета процесса включения блокирующего фрикциона ГДТ при движении автомобиля с ГМП;

3. Исследование возможности изменения движения автомобиля с ГМП за счет характеристик ГДТ в различных условиях потока автотранспорта;

4. Результаты испытаний легкового автомобиля с ГМП;

5. Основные выводы и рекомендации, направленные на изменение разгонных свойств легковых автомобилей с ГМП.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на 68, 69, 70 научно-методических и научно- исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре печатные работы, в том числе 2 работы из списка журналов ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (122 наименования) и приложения.

Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность проблемы, методы его решения, формулируется цель исследования.

В первой главе приводится обзор конструкций легковых автомобилей с ГМП, рассматриваются работы, связанные с исследованиями их тягово-скоростных свойств.

Исследованиям тягово-скоростных свойств посвятили свои труды: Е. А. Чудаков, Г. В. Зимелев, А. Н. Островцев, И. Г. Альперович, Б. Н. Попов, А.Н.Нарбут, О.И.Гируцкий, Б. С. Фалькевич и другие.

К настоящему времени конструкции ГМП претерпели значительные изменения. За счет их совершенствования, применения двигателей увеличенной мощности, тягово-скоростные характеристики легкового автомобиля с ГМП постоянно улучшались. Однако исследований с изменением процесса управления автомобиля для увеличения интенсивности разгона практически не проводились. Кроме того, недос-

таточно сведений о влиянии процесса включения блокирующего фрикциона ГДТ на интенсивность разгона автомобиля.

Фактически существуют два мероприятия по увеличению интенсивности разгона легкового автомобиля:

- увеличение при помощи внедрения новых конструктивных решений в узлах трансмиссии;

- увеличение при помощи изменения процесса управления легкового автомобиля с ГМП.

Увеличение интенсивности разгона с изменением процесса управления изучено недостаточно.

В связи с этим были поставлены следующие задачи исследования:

1. Разработать метод расчета автомобиля для увеличения интенсивности разгона автомобиля в начальной фазе;

2. Разработать метод расчета процесса включения блокирующего фрикциона в ГДТ;

3. Исследовать влияние процесса включения блокировочного фрикциона ГДТ на увеличение скорости автомобиля;

4. Произвести экспериментальные исследования на увеличение интенсивности разгона легкового автомобиля и процесса включения блокирующего фрикциона в ГДТ.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям, связанных с увеличением интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП.

В расчетах рассмотрен легковой автомобиль, аналогичный Suzuki SX4 с бензиновым двигателем и удельной мощностью до 75 кВт/т. Крутящий момент двигателей был описан ввиде полинома второй степени. Также были приняты следующие значения параметров: Ко=2, wn=398 с1, Птр=0,Э2.

В расчетах автомобиля, пренебрегая упругостью звеньев и буксованием в механизмах включения передач, обычно используют математическое описание разгона с помощью формул, соответствующей двухмассовой динамической модели:

1 1 е 1' {1)

где Jy 3^ ~ приведенные моменты инерции ведущей и ведомой частей; ¿», = , ®2 = ~ угловые ускорения ведущей и ведомой частей; и I»2 - угловые скорости ведущей и ведомой частей; Ме - крутящий момент на коленчатом валу двигателя; м^ - крутящий момент на ведущем валу ГМП; М2 - крутящий момент на выходном валу ГМП; Мс - суммарный крутящий момент всех сопротивлений

движению, приведенный к выходному валу ГМП.

Систему уравнений (1) можно использовать при расчете разгона с буксующим сцеплением, тогда М1=М2=МСЦ, либо с гидротрансформатором (ГДТ), тогда М1 = Мн и М2 = Мт = кМн, где к = Мт/Мн- коэффициент трансформации; Мн и Мт- крутящие моменты соответственно на насосном и турбинном колесах ГДТ. При расчетах легкового автомобиля с ГМП берется непрозрачный ГДТ, характеристика показана на рис. 1.

0,1 0,2 0,3 0.4 0.5 0.6 0,7 0..8,в0,9 1

Рис. 1. Характеристика ГДТ

Исследовано увеличение интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП в начальной фазе методами «разгон броском» и «разгон с торможением».

«Разгон с торможением» - при включенной передаче, удерживая автомобиль на тормозах, выжать педаль подачи топлива и отпустить ее, когда двигатель выйдет на режим Метах =

«Разгон броском» - при выключенной передаче (положение N1- нейтрал), нажав на педаль подачи топлива, увеличить ше до значения ше = ые0, затем перевести рычаг в положение Б (драйв).

При «разгоне броском» скорость возрастания Мх со значения при М1 = 0 до значения М1 при г=0 сдерживается скоростью включения фрикциона первой передачи в ГМП. Система уравнений примет следующий вид:

= Ме - Мг ]2ш2 = М2 - Мф Ьш3 = Мф - Мс

где ¡2- момент инерции турбины ГДТ и корпуса фрикциона первой передачи: ]3-момент инерции автомобиля, Мф- крутящий момент на фрикционе первой передачи. Система решается численным интегрированием. На участке при ¡т<Лн<1 (¡т- переход с режима гидротрансформатора на режим гидромуфты) Лн = ~~ """д^)' момент на фрикционе меняется линейно Мф = кМ , тогда на этом участке система принимает вид:

• = + (3)

[ =

Задаем Д1 и находим ДМФ и Дсо3 из 3-го уравнения. Затем при Дй)х = 0 из второго уравнения находим Дш2, и далее, при найденных Дй)2, из первого уравнения находим Да)!. И так шаг за шагом до Лн при ¡=1т, далее Лн = Л01 = 0,002 . Решаем систему до значений угловых скоростей о)2 = о)3.

При «разгон броском» и «разгон с торможением» дополнительно используется тяговая сила на первой передаче, которая при обычном разгоне не применяется. В идеальном случае используется точка пересечения момента на насосном колесе Мн и момента на двигателе Ме при й>еа = сое1 (рис. 2 точка 1) в начале движения автомобиля.

Рис. 2. График совместной работы двигателя и гидротрансформатора

при ¡=0.

На рис. 3 заштрихованная область 1-2-3 - часть тяговой силы, которая дополнительно участвует при разгоне. Однако в этих случаях возникает риск разрушения фрикциона первой передачи, поэтому желательно начинать движение с моментом Мн при сое0 = ше2 (точка 2 на рис. 2).

рт

1 Г

Рис. 3. Тяговая характеристика автомобиля

Для «разгон с торможением» в начале движения при М1 в точке 1 на рис. 2 тепловая мощность, идущая на ГМП Мч=Нер(1-п)=^р, что в 5

раз больше, нежели при обычном разгоне, где Мч=Ыер(1-г|)=Ыер(1--0,8)=0,2Ыер.

Для «разгон броском» необходимо произвести расчет по удельной работе буксования сцепления, чтобы вывести необходимую частоту вращения двигателя, при котором фрикцион первой передачи ГМП не испытывает перегрузки.

Момент на фрикционе изменяется линейно по функции Мф(11)=к111 и достигает своего максимального значения в Мнпри1=0 при Мф=Мт=КоЛнш|ржП5 (рис. 4).

Угловая скорость на турбинном колесе уменьшается со значений при ¡=1 (Ш2=Ш1) до значений при ¡=0 (ш2-+0) линейно по функции 0)2(1)=-К211+ Шео (рис. 5)

Рис. 5. График изменения угловой скорости на турбинном колесе

Удельная работа буксования вычисляется по формуле:

— ¿пол + ¿6

(4)

где ¿пол- полезная работа буксования ¿пол = Мфша так как ша ~ 0, то ¿пол = 0. ¿6- работа буксующего сцепления Ьб = I*1 После интегрирования получим:

Ье — Ьв —

(5)

Пусть ^ = 1 сек, тогда к± = Мт- К0Ара)|оО5, к2 = шео, тогда

. _ . _ КрАрш^Д5 ¿е- ¿6--ё-

Удельная работа буксования Ьб0 при трогании автомобиля с места не должна превышать 70Дж/см2 для легковых автомобилей.

где F- площадь фрикционных накладок. Подставив параметры от легкового автомобиля Scoda Octavia, получим: F = тr(ñz - г2) = ЗД4(642 - 462) = 62,17см2

70 = JCdAp6"I°°5, откуда ыео = 306,48с"1 или п=2928,15=2900 мин1

Проведя расчеты по удельной работе буксования, получили область, при котором фрикцион первой передачи не разрушается, частота вращения двигателя при начале движения не должны превышать пе=2900 мин"1.

В расчетах разгона автомобиля в начальной фазе методом «разгон броском» и «разгон с торможением» начальная частота вращения двигателя была взята пе=2500 мин"1 (с запасом для предотвращения перегрузок и, соответственно, сохранения работоспособности ГМП). Тогда тяговые характеристики имеют вид, показанные на рис. 6.

Рис. 6. Тяговые характеристики (а - «разгон с торможением», б - «разгон броском»)

Заштрихованная область на рис. 6 - часть тяговой силы, которая дополнительно используется на разгон автомобиля в начальной фазе методами «разгон с торможением» и «разгон броском».

СО,с"1

120

100

80

60

) ■

40

20

О 0,15 0,4 0,6 0,8

1,сек

Рис. 7. График изменение угловой скорости автомобиля при тро-гании с места (Ш21 - при обычном разгоне, ш22- при «разгон броском», ш2з- при «разгон с торможением»)

Увеличение интенсивности разгона в 1 секунду для «разгон броском» составило 35%, «разгон с торможением» 43% от обычного разгона (рис. 7).

Исследовано влияние процесса включения блокирующего фрикциона ГДТ на интенсивность разгона автомобиля с ГМП. Для расчета используется система уравнения следующего вида:

Система решается численным интегрированием. После преобразования системы (3) получим:

(I

"ЬШ! = Ме - (Мг + Мф) }2щ = (М, + Мф) - Мс

(7)

о>01+До)1,

&>02+Ай>2'

(^01 + + - Мс

1/

Задаем А1 и находим ДМФ. Затем при Дсо1 = 0 из второго уравнения находим Дш2. и далее, при найденных ДМФ и Дсо2 , из первого уравнения находим Дс^. И так шаг за шагом до полного включения блокирующего фрикциона. В процессе блокирования турбинного колеса и перехода системы за время I в жесткую связь, изменение ведомой части системы влияет на изменение ведущей. То есть фактически процесс включения блокирующего фрикциона, появление момента Мф на фрикционе во втором уравнении системы влечет за собой увеличение До)2 по времени Дг, и, соответственно, измененное Ды2 повлечет за собой и изменение Дс»^.

а) б)

Рис. 8. График изменения угловых скоростей Ш1 и ш2 от времени I (а - при 1вкл=0,5сек, б - при 1вкл=2сек)

Расчеты показывают увеличение интенсивности разгона в процессе блокировки фрикциона ГДТ в пределах 7,5%.

Таким образом, использование двух методов «разгон броском» и «разгон с торможением» позволяет нам увеличить интенсивность разгона легкового автомобиля с ГМП, не опасаясь разрушения фрикционов первой передачи при условии, что водитель будет соблюдать те ограничения, которые не допускают перегрузки в начальную фазу разгона. В процессе включения блокирующего фрикциона ГДТ получает-

ся некоторое увеличение интенсивность разгона. Однако в общей динамике разгона автомобиля это может быть незаметным.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям.

Экспериментальные исследования проводились летом 2011 года на легковом автомобиле Suzuki SX4 с автоматической коробкой передач 4АТ и летом 2012 года на легковом автомобиле Scoda Octavia с ГМП фирмы Asilas.

На первом этапе на Skoda Octavia исследовалась возможность увеличения интенсивности разгона автомобиля с 6-ступенчатой ГМП без конструктивных изменений деталей и узлов транспортного средства.

На втором этапе на Suzuki SX4 определялся момент включения блокирующего фрикциона гидротрансформатора (ГДТ) с центростремительной турбиной и осевым реактором, а также влияние этого процесса на движение самого транспортного средства;

Результаты и обработка экспериментальных данных основаны на получении частот вращения коленчатого вала двигателя п, и колес легковых автомобилей п2 от времени t. Использование только датчиков частот вращения позволило нам отказаться от трудоемких измерений крутящих моментов. Усреднив результаты полученных данных из эксперимента, мы получили четкую картину при сравнении обычного разгона с «разгон броском» и «разгон с торможением». Эксперименты проводились в несколько заездов. Обычный разгон показан на рис.9-12 штриховыми линиями, сплошными линиями при методах увеличения интенсивности разгона. В соответствии с теоретическими исследованиями (для сохранения фрикционов первой передачи ГМП) «разгон броском» начинался при пе=2500м"1 и пе=2900м"1, «разгон с торможением» при пе=2000м"1 и третий заезд с частично нажатой педалью акселератора (для сравнения с обычным разгоном в первую секунду).

п -1

П 2 мин

Рис. 9. Изменение частоты вращения п2 от ведомых колес автомобиля по времени I: обычный разгон (тонкие штриховые линии) и «разгон броском»

(толстые сплошные)

П2ср-нин"1

Рис. 10. Среднее изменение частоты вращения п2срот времени I: обычный разгон (тонкие штриховые линии) и «разгон бро-ском»(толстые сплошные)

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 1,сек

Рис. 11. Изменение частоты вращения п2 от ведомых колес автомобиля по времени I: обычный разгон (тонкие штриховые линии) и «разгон с торможением» (толстые сплошные)

п2ср'мин '

п -1

М2 мин

1500

Рис. 12. Среднее изменение частоты вращения п2СрОт времени I: обычный разгон (тонкие штриховые линии) и «разгон с торможением»

(толстые сплошные)

В результате экспериментов выяснилось, что в первые 3 секунды увеличение интенсивности разгона для «разгон броском» 23,5%, для «разгон с торможением» 22,5%. В первую секунду увеличение на 39% (погрешность от теоретических расчетов 4%).

В результате эксперимента процесса включения блокирующего фрикциона в ГДТ получили графики, показанные на рис. 13 и рис. 14:

Рис. 13. Изменение частоты вращения П! при разгоне на коленчатом вале двигателя от времени I

мин"'

Рис. 14. Изменение частоты вращения Пг, снятая с ведомого колеса

автомобиля

После перерасчета частот вращения на угловые скорости насосного колеса ш, и турбинного колеса и>2 получили график, показанный на рис. 15:

Рис. 15.График совместных угловых скоростей при разгоне на насосном колесе он и турбинном колесе Ш2 автомобиля от времени I

Процесс включения блокирующего фрикциона в ГДТ определили по участку с ц)1=и)2, откуда фрикцион блокируется на третьей передаче. Сравнивая результаты эксперимента с теоретическими расчетами (табл.1 и табл.2), получили погрешность не более 3% (рис.16). Есть различие и в ш2 (рис.17).

Таблица 1

Сравнение угловой скорости коленчатого вала двигателя расчетное С01Р и экспериментальное и>1

Параметр Значения

Угловая скорость коленчатого вала двигателя (расчетное), с"1 251,2 266,76 267 256,132

Угловая скорость коленчатого вала двигателя ш1р (экспериментальное), Ш1, с 251,2 259,28 259,06 252,92

Время 1, сек 0 0,33 0,72 1,12

Погрешность от и>1, % 0 2,88 3,06 | 1,27

и в результате испытания (ш^)

Таблица 2

Сравнение угловой скорости на ведомом валу расчетное ш2р и

экспериментальное ш2

Параметр Значения

Угловая скорость на ведомом валу и)2 (экспериментальное), с"1 210,8 248 251,6

Угловая скорость на ведомом валу и)2р (расчетное), с"1 211 250,9 251,3

Время 1, сек 0 0,6 1,1

Рис.

17. Изменение ш2 (испытания) и ш2р (расчетное) от времени I

Однако при разгоне автомобиля увеличение интенсивности разгона в процессе включения блокирующего фрикциона практически не наблюдается.

В четвертой главе даны рекомендации по увеличению интенсивности разгона легкового автомобиля в начальной фазе методами «разгон броском» и «разгон с торможением», а также по процессу включения блокирующего фрикциона в ГДТ.

Основные выводы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты работы:

1. Разработан метод расчета для увеличения интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП в начальной фазе. Расчеты показывают на увеличение интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП в 1 секунду способами «разгон броском» на 35% и «разгон с торможением» на 43% по сравнению с обычным разгоном.

2. Разработан метод расчета процесса включения блокирующего фрикциона ГДТ. Расчеты показывают на увеличение скорости движения легкового автомобиля с ГМП в процессе включения блокирующего фрикциона в ГДТ при разгоне и W=0,5 сек на 7,5%.

3. Проведены дорожные испытания по определению увеличения интенсивности разгона легкового автомобиля в начальной фазе на автомобиле Skoda Octavia с ГМП и при включении блокирующего фрикциона в ГДТ на Suzuki SX4. Погрешность экспериментальных данных от теоретических расчетов составляет не более 5%. Установлено, что увеличение интенсивности разгона в начальной фазе легкового автомобиля с ГМП в 1 секунду методами «разгон броском» и «разгон с торможением» в пределах 35-40%. Также уста-

новлено, что процесс включения блокирующего фрикциона в ГДТпракгически не увеличивает интенсивность разгона при времени включения ^клИ ,5 секунды.

4. Разгон методом «разгон с торможением» не рекомендуется для использования вследствие продолжительных нагрузок и выделения значительного количества тепловой энергии на ГМП перед началом движения, а также по безопасности движения в городских условиях.

5. При разгоне методом «разгон броском» необходимо ограничивать частоту вращения двигателя в положении N коробки ГМП при начале движения легкового автомобиля с гидромеханической передачей областью работы буксующего сцепления, что составляет не более пдв=2900 мин"1.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

Статьив изданиях,рекомендованных ВАК:

1.Денисов, Д.М. Процесс включения фрикциона, блокирующего гидротрансформатор / Д.М.Денисов, А.Н.Нарбут // Автотранспортное предприятие. -2012. -№9. -С.50-52.

2.Нарбут, А.Н.Особенности блокирования гидротрансформаторов/ А.Н. Нарбут, Д.М.Денисов // Вестник МАДИ. - 20Ю.-№4(23). -С.7-10.

Статьи:

3.Нарбут, А.Н. Гидромеханические передачи и безопасность движения / А.Н.Нарбут, В.В.Комаров, Д.М.Денисов //Современные тенденции развития автомобильной техники: сборник научных трудов МАДИ. -М..2012.-С.71-75.

4.Нарбут, А.Н. Начальная фаза разгона автомобиля / А.Н.Нарбут, Д.М.Денисов // Современные тенденции развития автомобильной техники: сборник научных трудов МАДИ. -М.,2012. -С.64-70.

Подписано в печать:

16.05.2013

Заказ № 8497 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wwvv.autoreferat.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

04201358129

На правах рукописи

Денисов Денис Михайлович

УВЕЛИЧЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ РАЗГОНА ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ С ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ В

НАЧАЛЬНОЙ ФАЗЕ

05.05.03- Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Нарбут А.Н.

МОСКВА-2013

Содержание

Введение 3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 7

1.1.1. Обзор ГМП легковых автомобилей зарубежных фирм 7

1.1.2. Обзор ГМП отечественных легковых автомобилей 14 1.2.1. Расчет разгона автомобиля с ГМП 18 Задачи исследования 24 ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 25

2.1. Мероприятия по повышению разгонных свойств легковых автомобилей с ГМП без изменения процесса управления ГМП. 25

2.2. Мероприятия с изменением процесса управления ГМП 34 2.3.Особенности блокируемых ГДТ 47 Выводы по главе 60 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 62

3.1. Увеличение интенсивности разгона в начальной фазе 62

3.2. Определение включения блокировки гидротрансформатора автомобиля Suzuki SX4 при разгоне и равномерном движении 87 Выводы по главе 94 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ

4.1 .Возможность увеличения интенсивности разгона в начальной фазе 95 4.2.Возможность увеличения интенсивности движения легкового автомобиля

при блокировании фрикциона ГДТ 96

Выводы по главе 98

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 99

ЛИТЕРАТУРА 100

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 111

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 117

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 121

ВВЕДЕНИЕ

В истории СССР, а в последующем и в Российской Федерации (в 90-х) все отечественные легковые автомобили выпускались с механической коробкой передачей (МП). Исключением были автомобили ЗИЛ, ГАЗ, на которые устанавливали гидромеханические коробки передач (ГМП). Во многом такое положение зависело от сложности изготовления, нехватки специализированного оборудования и подготовки специальных кадров для обслуживания и проведения ТО и TP работ.

В настоящее время в России количество автомобилей с ГМП (но только зарубежных фирм) растет с каждым годом. АвтоВАЗ в самое ближайшее время совместно с Renault-Nissan обновляет свой автомобильный ряд новинками, такими как LADA 2190- Проект «Семейство бюджетных автомобилей LADA 2190» (LADA Granta) с внедрением автоматических коробок передач (ГМП); LADA Kaiina- Проект «Семейство модернизированных автомобилей LADA Kaiina 2192/2194»; LADA RF 90- Проект «Автомобили на платформе RENAULT (RF90, LB1 А)». Количество выхода на рынок автомобилей с ГМП растет как у отечественных производителей, так и у зарубежных.

Около 49,8% иномарок легковых автомобилей, проданных на российском рынке в 2010 году, оснащены ГМП. По сравнению с 2009 годом результат вырос на 5,6%. По состоянию на 2013 год, по словам экспертов, доля автомобилей с автоматической трансмиссией будет продолжать расти и уже в ближайшие два-три года может превысить 50 %. Такие данные получили эксперты агентства «Автостат» по результатам исследования продаж легковых и легких коммерческих автомобилей.

Аналитики отмечают, что три компании поставляют на рынок 100% легковых автомобилей с ГМП:

• Chrysler,

• Infiniti,

• Lexus.

Среди марок, годовые продажи которых на российском рынке превышают отметку в 10 тысяч, лидер по величине доли легковых автомобилей с ГМП, Lexus (100%). Далее идут: . Mercedes-Benz (99,9%), . BMW (99,3%), . Volvo (98,3%), . Audi (98,1%), . Honda (82,8%), . Toyota (82,8%), . Mazda (71,3%), . Mitsubishi (67,6%), . Suzuki (66,7%).

В целом по рынку (с учетом продаж отечественных марок) доля легковых автомобилей с ГМП по итогам 2010 года составила 33,8%, в 2011 году 37,5%. В 2009 году доля таких автомобилей составляла 31,2%[116].

Таким образом, рост парка автомобилей с ГМП требует выявления возможности увеличения интенсивности разгона. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.Актуальность темы

Актуальность темы диссертационного исследования определяется необходимостью установить увеличение интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП в начальной фазе.

2.Цель работы.

Целью данной работы является установление возможности увеличения интенсивности разгона в начальной фазе легкового автомобиля с ГМП на основе разработанной математической модели.

3.Научная новизна результатов проведенного исследования. Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в разработке метода расчета начальной фазы разгона легкового автомобиля с ГМП при включении " разгон броском";

- в разработке метода расчета включения блокирующего фрикциона гидротрансформатора (ГДТ) при движении автомобиля с ГМП;

- в предложенных рекомендациях по изменению процесса управления легкового автомобиля с ГМП.

4. Практическая значимость результатов диссертации.

Разработанный метод расчета по увеличению интенсивности разгона автомобиля с ГМП позволяет рассчитывать нагрузки и выбирать необходимый режим для процесса разгона.

Разработанный метод расчета включения блокирующего фрикциона ГДТ в ГМП позволяет облегчить понимание изменения рабочих процессов, происходящих в ГМП при переходе в механическую связь при блокировании ГДТ.

Разработаны рекомендации, направленные на увеличение интенсивности разгона легковых автомобилей с ГМП в начальной фазе, которые могут быть использованы при эксплуатации.

5.Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации.

Автором разработан метод расчета включения блокирующего фрикциона ГДТ в ГМП, установлено влияние ГДТ этого процесса на движение автомобиля при разгоне, разработан метод расчета «разгон броском» в начальной фазе разгона. Проведены экспериментальные исследования в полевых условиях, осуществлена обработка полученных данных через вычислительную технику, составлен сравнительный анализ изменения угловых скоростей коленчатого вала двигателя и ведомого колеса легкового автомобиля с ГМП.

б.Степень обоснованности и достоверности полученных результатов.

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, и не противоречат известным положениям наук, таких как теоретическая механика и высшая математика. Эксперименты проводились с лицензированным оборудованием, в соответствии с требованиями ГОСТ—22576-90. Научные результаты подтверждены экспериментальными исследованиями разработанного метода по увеличению интенсивности разгона легкового автомобиля с ГМП, погрешность от теоретических расчетов не превышает 5%.

7.0сновные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Разработанный метод расчета начальной фазы разгона легкового автомобиля с ГМП при включении "разгон броском";

2. Разработанный метод расчета процесса включения блокирующего фрикциона ГДТ при движении автомобиля с ГМП;

3. Исследование возможности изменения движения автомобиля с ГМП за счет характеристик ГДТ в различных условиях потока автотранспорта;

4. Результаты испытаний легкового автомобиля с ГМП;

5. Основные выводы и рекомендации, направленные на изменение разгонных свойств легковых автомобилей с ГМП.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 .Обзор ГМП легковых автомобилей зарубежных фирм.

Успеху в применении ГМП на автомобилях способствовала возможность автоматического перехода гидротрансформатора с центростремительной турбиной в режим гидромуфты, имеющую значительно более высокий КПД (до 97%). Далее с применением блокирования насосного колеса с турбинным, переводя всю систему в жесткую связь, тем самым достигался КПД в 100%. Однако совершенствования происходили постепенно. Вначале было использование коробки с гидромуфтой. Эта ГМП устанавливалась на всех автомобилях Chrysler 1940-50гг (последний год установки 1954 на рис. 1.1) и коробках Hydramatic (рис. 1.2) на автомобилях Oldsmobile.

Рис. 1.1.ГМП автомобиля Castom Imperial фирмы Chrysler

ъ т2 т3

—1 I I Г"~

Рис. 1.2. Схема Дженерал Моторс "Гидраматик"

Массовое применение ГМП с гидротрансформатором (ГДТ) на легковых автомобилях началось около 1948 года, причем сначала в США. Этому способствовала возможность перехода с режима ГДТ на режим гидромуфты. Это были ГМП марок "Дайнафлоу", "Фордоматик", "Торкфлайт"(рис.1.3.), "Пау-эрглайд" и другие. В Европе они начали появляться несколько позже. В Англии в 1961 году была разработана коробка передач марки "Борг-Уорнер-35", а затем "Борг-Уорнер-55". Немецкая фирма "Цанрадфабрик" освоила производство трехступенчатых коробок передач ЗНР-12 и ЗНР-20, а затем и четырехступенчатых. В Японии появились ГМП марки "Айсин", отличающиеся широким применением электроники.

В ГМП легковых автомобилей для улучшения плавности переключения низших передач часто применяют механизм свободного хода (МСХ). Однако для торможения двигателем приходится параллельно МСХ устанавливать фрикцион [114,115].

ФЗ м Ф4

У7777Л ' ' V7777A

Рис. 1.3. Схема ГМП «Торкфлайт» фирмы Chrysler

В 4-ступенчатой ГМП 4НР22 (рис. 1.4 и рис.1.5) фирмы Цанрадфабрик («ЦФ») при трех планетарных механизмах введено три МСХ для улучшения плавности переключения между всеми передачами, но при этом пришлось увеличить число фрикционов до семи. Эта ГМП выполнена по традиционно удлиненной компоновке.

Рис. 1.5. ГМП 4НР22 С начала 90-х фирма «BMW», а затем фирма «AUDI» стали применять пятиступенчатые ГМП фирмы «Цанрадфабрик». В ГМП 6 фрикционов и 3 планетарных ряда (рис. 1.6 и 1.7).

Рис. 1.6. ГМП 5НР19

В более поздней 6-ступенчатой ГМП 6НР26 (ее схема приведена на рис. 1.8 и 1.9) также при трех планетарных механизмах нет МСХ, и только пять фрикционов. Таким образом в ГМП плавность всех переключений обеспечивается при полном отказе от МСХ. Кинематическая схема, примененная в этой автоматической коробке, включает планетарную передачу Ровено, при этом перед основным планетарным рядом установлен еще один планетарный ряд. Совместно они образуют планетарную передачу Лепелетье (Ьере11е1лег). Указанная передача включает три сцепления и три тормоза, при этом реализуется шесть передач переднего хода, а также передача заднего хода.

Фб Ф3 Ф4

Рис. 1.8. Схема ГМП 6НР26 фирмы «ЦФ»

Рис. 1.10. ГМП для переднеприводных легковых автомобилей ZF 4HP14Q Гидромеханические передачи переднеприводных легковых автомобилей с поперечным расположением двигателя имеют сжатую в осевом направлении компоновку (рис. 1.10). В этой ГМП использован планетарный механизм типа Равено, причем на третьей передаче 40% передается через ГДТ и 60% механическим путем, а на четвертой передаче 100% мощности передается механическим путем.

Пятиступенчатая АКП вального типа фирмы Mercedes-Benz (версия МВ-722.7). Эта автоматическая коробка передач (рис. 1.11) была первой пятиступенчатой коробкой, которая использовалась на переднеприводных автомобилях малого класса с поперечным расположением двигателя.Благодаря наличию пятой передачи оказалось возможным улучшить эксплуатационные показатели. Эта коробка передач включает три вала и шесть фрикционных элементов (сцеплений), которые обеспечивают реализацию пяти передач переднего хода, а также задний ход.

Рис. 1.11 .ГМП для переднеприводных автомобилей фирмы Mercedes-Benz МВ-722.7 Семиступенчатая автоматическая коробка фирмы Mercedes-Benz была разработана в 2004 г. применительно к автомобилям высшего класса с двигателями до 5-6 л и предназначалась взамен ранее созданной пятиступенчатой коробки (рис. 1.12). Конструкция этой новой коробки включает три планетарных ряда, один из которых сложный и содержит сцепленные сателлиты и две коронные шестерни. Коробка передач имеет четыре понижающих передачи, прямую передачу и две повышающих. Дальнейшее увеличение числа передач более 6-7 на легковых автомобилях нецелесообразно. Так, при 6-7 передачах достигается требуемый кинематический диапазон, а дальнейшее увеличение

плотности ряда может ухудшить работу автоматической системы управления.

Рис.1.12 ГМП Mercedes 722.9.

Накладки дисков фрикционов современных ГМП легковых автомобилей выполнены из специальной бумаги, что обеспечивает плавное включение фрикционов и увеличение их срока службы. В системах управления применяются электронные блоки, в которые закладываются программы переключения передач со «спортивным», «экономичным», «зимним» (без использования первой передачи) стилями вождения. Все чаще используются системы управления, меняющие программы переключения передач в зависимости от стиля воздействия водителя на педаль подачи топлива.

1.2.1. Обзор ГМП отечественных легковых автомобилей

В 1953-54 гг. в связи с предстоящим началом производства легковых автомобилей ЗИЛ-111 за прототип ГМП была взята ГМП подходящего ЗИЛу по классу легкового автомобиля Крайслер выпуска 1953 г. (модель С-59 "Кроун Империал"). ГМП ЗИЛ-111 (рис. 1.13 и 1.14) была спроектирована весьма близкой к прототипу (точного заимствования не было), несмотря на ощутимую разницу в параметрах автомобилей Крайслер и ЗИЛ (в первую очередь по весу). Основные функциональные узлы ГМП ЗИЛ-111: ГДТ,

двухступенчатая планетарная коробка передач, гидравлическая система управления.

Конфигурация лопастной системы, определяющая характеристику ГДТ, была взята по ГДТ Крайслер, но размер ГДТ был изменен (при полном сохранении типа лопастной системы) с учетом того, что крутящий момент двигателя ЗИЛ-111 предполагался примерно на 15% большим, чем у двигателя Крайслер (максимальный размер рабочей полости был принят 328 мм вместо 318 мм). Характеристики ГДТ ЗИЛ и Крайслер оказались практически одинаковыми (максимальный коэффициент трансформации К0=2,45 и максимальный КПД на режиме гидротрансформатора 0,88).

Проектировали ГМП ЗИЛ-111 А.Н.Нарбут, Д.Б.Брейгини, Е.З.Брен под руководством Е.М.Гоникберга. Дальнейшие работы по ГМП легковых автомобилей ЗИЛ велись под руководством Д.Б.Брейгина, к этим работам активно подключился Ю.И.Уткин, который затем возглавлял конструкторские работы вплоть до своего ухода.

Ф2 ^^ Фз

Рис. 1.13 Схема ГМП ЗИЛ-111

В дальнейшем конструкция ГДТ была улучшена. При сохранении прежних преобразующей и нагрузочно-кинематической характеристик, удалось

применить один реактор вместо двух (при этом колеса насоса и турбины остались без изменений). ГДТ, получивший номер 114-1709010, был сделан цельносварным, что уменьшило его размеры, вес и момент инерции деталей, связанных с двигателем. Уменьшение момента инерции положительно сказывается на динамике разгона автомобиля и на улучшении плавности переключений передач.

При переходе с двухступенчатой ГМП на трехступенчатую, сопровождавшемся увеличением мощности двигателя, было признано целесообразным иметь вариант с уменьшенным с 2,45 до 2,0 максимальным коэффициентом трансформации. Такой ГДТ 114-170901 ОД был создан за счет изменения конфигурации лопаток насосного колеса и реактора. Его максимальный КПД при этом увеличился на 1...2 %. В продольном разрезе этот ГДТ не отличался от ГДТ ЗИЛ-114.

Механическая часть ГМП ЗИЛ-111 имела передаточные числа 1,72; 1,00; 3.х.-2,39. Управление ГМП осуществлялось тросом с помощью кнопок на панели управления.

С 1959 года на автомобиле ГАЗ-13 применялась ГМП со сдвоенным планетарным рядом (четырехвальная схема «Равено») рис. 1.14.

Выпуск ГМП ЗИЛ-114Д начался в апреле 1975 г. Механическая часть ГМП содержала два планетарных механизма, три сцепления, два ленточных тормоза, муфту свободного хода. При переходе завода от автомобиля ЗИЛ-114 к автомобилю ЗИЛ-115 (4104), имеющему более мощный двигатель и несколько большую массу, ГМП 4104 была модернизирована.

ФЗ м Ф4

' ' У7777Х

Рис. 1.14. Схема ГМП ГАЗ-13

В последующие (девяностые) годы был выполнен еще ряд конструкторских разработок с участием НАМИ, часть которых была проверена испытаниями (рис.1.15),но не внедрена в производство модельного ряда автомобилей.

1.2.1. Расчет разгона автомобиля с ГМП

Основополагающие исследования теории автомобиля изложены в трудах Е. А. Чудакова, где подробно рассмотрены вопросы динамики и топливной экономичности автомобиля. Дальнейшее развитие теория автомобиля получила в трудах профессоров Г. В. Зимелева, Б. С. Фалькевича, А. Н. Ост-ровцева, А.Н.Нарбута, В. А. Иларионова , О.И.Гируцкого и др.

При расчете разгона автомобиля с ГДТ, пренебрегая упругостью звеньев и буксованием в механизмах включения передач, а, также считая, что ГДТ делит всю систему на две части (принимая систему двухмассовой) с гидродинамической связью между ними, математическую модель разгона можно описать системой:

гЗх<Ъх=Мд-Мн /2^2 = Мнк ~ Мс

В работе показано приведение системы (1.1) в одномассовую путем сложения уравнений системы (1.1)

^ Зл с1со, ^ а со 2

МдК-Мс (1.2)

л = жёг/т2 (13)

3 л с1со,

где: 8(0 = 1 + —- - коэффициент учета вращающихся масс.

2 ^

При разгоне автомобиля иногда применяли [42, 57]:

•2 -2 , У1г0Чмех .2 га<°\ , •/т^мех 2 , Зк п 4ч

°т-1 +-9-1КПК^Г7Г- +-9-1кп+-9 (1Л)

тК1 а (О2

к с

тК1

Сравнив эти уравнения и обозначив =—^—-> получим

101кпг1мех

з2

^т ~ Тг J2

Причем J^ - J

г \

1 +-Кг

mRf к

+ Jrp. Следовательно, уравнения (1.2) и (1.5)

идентичны.

При известных аналитических зависимостях М^ = Мс - /(сг^)*

К = /(г), Мн = можно решить уравнение (1.2) если бы для разгона

известна была бы зависимость со^ = /\со^) - кинематиче