В процессе управления блокировкой момент трения фрикциона является суммой двух составляющих: номинальной и вариативной, и зависит от - искомой временной функции давления. Современное аппаратное и программное обеспечение в отличие от релейного управления (электромагнитом) позволяет достаточно точно реализовать требуемый закон .
Коэффициент трения зависит от многих параметров конструкции фрикциона блокировки и режима его работы, а именно от относительной скорости скольжения ведущих и ведомых дисков, удельного давления, температуры и износа дисков. В дисковых фрикционах блокировки, работающих в масле, коэффициент трения зависит от параметров, определяющих критерий Зоммерфельда, установленного для гидродинамических подшипников. Для материалов пар трения, используемых в конструкции фрикционов блокировки «сталь 65Г - металлокерамика МК5», работающих в масле ТЗСП-8 в рабочем диапазоне температуры 80-100оС нелинейную зависимость коэффициента трения от относительной угловой скорости можно принимать в соответствии с экспериментальными данными Криулина А.В. и др.
Стандартизованная методика расчета фрикционных узлов трансмиссий заключается в определении следующих параметров при заданных условиях процесса: коэффициента запаса в буксующем и включенном состоянии фрикционного узла. Особое внимание уделяется оценке долговечности по износу дисков трения; температурному расчету дисков трения; формоизменению дисков трения в процессе эксплуатации (коробление и усадка); необходимому удельному расходу масла для смазки дисков трения; моменту сопротивления и потерям мощности в разомкнутом фрикционном узле, работающем в масле. Подавляющее большинство существующих рекомендаций по выбору параметров конструкции фрикционных узлов проектируемых трансмиссий базируются на данной методике расчета, однако, задача управления процессом, обеспечивающая минимум работы буксования, не ставится.
В работах С.В. Абдулова, И.П. Ксеневича, В.П. Тарасика, В.Ф. Ягубова и др. показано, что интенсивное нарастание момента трения вызывает существенные динамические нагрузки в трансмиссии. Плавное включение фрикциона снижает динамическую нагруженность, однако приводит к росту работы буксования во фрикционе. Можно предположить, что такой же характер наблюдается и во фрикционе блокировки ГТК. Таким образом, задача поиска управления является противоречивой и требует оптимального решения и проведения дополнительных исследований.
Требуемые математические зависимости интегральных параметров процесса блокировки от начальной относительной скорости, длительности процесса и временной функции давления необходимо установить при исследовании динамики системы. В связи с тем, что модель системы строится с определенными допущениями, в процессе экспериментальных исследований необходимо определить их корректность и адекватность модели, а так же идентифицировать параметры процесса.
При изменении состояния или режимов функционирования фрикционных устройств необходима коррекция управляющих воздействий, направленная на снижение влияния этих изменений на качественные показатели работы трансмиссии, но эта задача является многопараметрической. Учет большого количества параметров повышает контролируемость и диагностируемость объекта и возможность повышения качества процессов управления, однако приводит к увеличению количества датчиков, повышению требований к системе сбора и обработки информации, усложнению алгоритмов функционирования системы управления. В связи с этим систему информационного обеспечения необходимо разделить: при диагностике и контроле технического состояния использовать максимум информации, а для управления переходными процессами обходиться минимумом, т.е. управление должно осуществляться в условиях недостаточности информации об объекте управления, его технического состояния и условиях функционирования. В работах Тарасика В.П., конструкциях ведущих фирм-производителей автоматических трансмиссий, таких как «Zahnrad Fabric», «Mercedes Benz» (Германия), «Toyota», «Nissan» (Япония), «General Motors», «Allison» (США) показано, что эффективным параметром оценки технического состояния и длительности процесса буксования целесообразно принять относительную скорость элементов в процессе буксования фрикциона. Это позволяет ограничить работу буксования регулированием давления . В процессе синхронизации элементов величина давления должна быть достаточной для преодоления приведенного момента сопротивления, а по окончании буксования давление доводится до рабочего уровня.
С использованием современного аппаратного и программного обеспечения представляется возможным реализовать адаптивное управление блокировкой на основе мониторинга требуемых режимов движения, приведенных выше, а также технического состояния элементов системы управления. На основе приведенного анализа в работе обоснованы и решены задачи, приведенные выше.
Во втором разделе (Теоретическое исследование динамической системы «двигатель - трансмиссия - транспортная машина» в процессе блокировки гидротрансформатора) приводится расчетная схема механической системы «двигатель - трансмиссия - транспортная машина», математическая модель, результаты моделирования и их анализ.
Для проведения теоретического исследования динамики переходных процессов механической системы «двигатель - трансмиссия - транспортная машина» при блокировке гидротрансформатора разрабатывается расчетная схема (рис. 1) и соответствующая ей математическая модель.
Трансмиссия как подсистема переменной структуры наряду с инерционными массами включает насосное, турбинное колеса и реактор гидротрансформатора, между которыми существует гидродинамическая связь. Кроме того, параллельно ГТК введен управляемый фрикционный элемент. Математическая модель представлена в виде системы пяти линеаризованных дифференциальных уравнений (1).
На расчетной схеме упруго-диссипативная связь двигателя с насосным колесом формирует так называемую дотрансформаторную зону, которая характеризуется при определенных частотах вращения вала двигателя резонансными режимами. На основе проведенных исследований сделан выбор параметров этой связи, при которой резонансные режимы выводятся за пределы рабочего диапазона мажорных частот двигателя. Динамические характеристики двигателя, гидротрансформатора и момента трения моделируются соответствующей нелинейной системой уравнений. Интегрирование системы осуществляется в программном пакете MathCAD при варьировании начальной относительной угловой скорости и временной функции управляемого давления , определяющих момент трения .
Рис. 1 - Расчетная схема системы «двигатель - трансмиссия - транспортная машина»
(1)
В системе приняты следующие обозначения:
,,,, - приведенные моменты инерции вращающихся частей двигателя; насосного колеса ГТК; турбинного колеса ГТК и коробки передач; главной передачи и дифференциала; машины соответственно;
- угловые перемещения сосредоточенных масс;
- упругий момент, являющийся функцией угла закрутки вала и направления скорости относительного перемещения , учитывающий нелинейность «сухого» трения гасителя колебаний;
,, - приведенные жесткости входного вала коробки передач, карданного вала и полуосей ведущих мостов соответственно;
, - моменты, создаваемые двигателем и сопротивлением движению гусеничной машины;
- нелинейная функция момента трения во фрикционе механизма блокировки ГТК;
, - моменты на насосном и турбинном колесах ГТК;
, - дискретные функции-индикаторы состояния фрикциона блокировки.
Разработанная расчетная схема и соответствующая ей математическая модель позволяют имитировать систему «двигатель - трансмиссия - транспортная машина» в процессе блокировки гидротрансформатора и исследовать ее поведение в зависимости от различных начальных условий. Отличие модели заключается в том, что учтены параллельность работы гидротрансформатора и фрикциона блокировки. Характер временной функции нарастания управляющего давления определяется по сигналу обратной связи, а коэффициент трения является нелинейной функцией.
В результате имитационного моделирования для каждой передачи рассчитываются временные функции угловых скоростей ведущих и ведомых частей в процессе блокировки фрикциона, а также динамический момент. Фрагмент результатов моделирования при движении автомобиля на V передаче приведен на рис. 2.
Рис. 2. Фрагмент результатов компьютерного моделирования процесса блокировки гидротрансформатора на V передаче
По результатам моделирования определяются длительность процесса буксования , коэффициент динамичности и работа буксования и устанавливаются зависимости интегрального критерия качества процесса блокировки и функциональных ограничений. Из установленных зависимостей следует, что параметры функционирования определяются степенью начальной асинхронности угловой скорости вращения ведущих и ведомых частей фрикциона блокировки, длительностью процесса синхронизации, а также временной функцией давления управления включением фрикциона.
На рис. 3 и 4 представлены расчетные зависимости работы буксования и коэффициента динамичности нагрузки от двух параметров: относительной скорости и длительности процесса.
Рис. 3. Расчетные зависимости работы буксования и коэффициента динамичности нагрузки от параметров управления на передачах III, IV, V
Рис. 4. Расчетные зависимости работы буксования и коэффициента динамичности нагрузки от параметров управления на пятой передаче
При выполнении имитационного моделирования принят ряд допущений, оценку корректности которых необходимо произвести. При адекватности модели реальному процессу установленные зависимости могут быть основой синтеза оптимального управления блокировкой гидротрансформатора.
В третьем разделе (Экспериментальное исследование динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии транспортной машины в процессе блокировки гидротрансформатора) приводятся цели и задачи экспериментального исследования, основные результаты и их анализ.
Объектом экспериментального исследования является фрикцион блокировки трансформатора ГТК-XV-380, в составе опытной гидромеханической трансмиссии транспортной машины.
Цель экспериментального исследования заключается в определении адекватности математической модели динамики механической системы реальному процессу, а также идентификация параметров динамического процесса блокировки.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Установление силовых и кинематических параметров, определяющих начальные условия процесса блокировки гидротрансформатора.
2. Определение динамической нагруженности элементов трансмиссии в процессе блокировки гидротрансформатора.
3. Идентификация параметров динамического процесса (функции давления , коэффициента динамичности , длительности блокировки и работы буксования ).
В процессе экспериментального исследования трансмиссии измерялись и регистрировались следующие параметры:
- крутящий момент на карданном валу, соединяющем трансмиссию с раздающим редуктором Мвв;
- частота вращения вала двигателя nд и выходного вала ГМТ nвв;
- давление в бустере фрикциона блокировки ГТК Фгт.
Измерение параметров осуществлялось с помощью комплекса бортовой измерительной аппаратуры на базе ноутбука GETAC, разработанного на кафедре гусеничных машин Курганского государственного университета И.А. Тараторкиным. Комплекс включает в себя датчики: тензометрические для измерения моментов, оборотов валов ИС445, виброускорений элементов АНС-014-02, давления, а также радиоканал для передачи информации с вращающихся датчиков.
Изменение кинематических и силовых параметров при трогании с места и разгоне машины с I по VI передачам приведены на осциллограмме (рис. 5). Сводные данные основных параметров, определяющих начальные условия, а также динамическую нагруженность трансмиссии в процессе блокировки гидротрансформатора приведены в таблице 1. Из фрагмента осциллограммы и таблицы следует, что процесс движения транспортной машины характеризуется высокой динамической нагруженностью элементов трансмиссии, особенно при переходных процессах блокировки гидротрансформатора. Максимальное значение момента на выходном валу трансмиссии наблюдается при блокировке гидротрансформатора на пятой передаче, и составляет 3000 Нм ().
Из анализа результатов экспериментальных исследований следует, что начальными условиями блокировки ГТК принята частота вращения вала двигателя . На всех передачах начало блокировки ГТК происходило в диапазоне об/мин. Однако, частота вращения турбины в начале блокировки, как и передаточное отношение ГТК практически не учитывается. Значения этих параметров находятся в пределах от на шестой передаче до на третьей. Соответственно, относительная скорость вращения насосного и турбинного колес также не принимается во внимание. Ее минимальное значение на третьей передаче составляет 180 об/мин на III передаче, а максимальное равно 500 об/мин на VI передаче. Кроме того, не учитывается время буксования . Его минимальное значение равно 0.13 с. на III передаче, а максимальное 0.26 с. на VI передаче. Это предопределяет высокую динамическую нагруженность трансмиссии (максимальный коэффициент динамичности ) и работу буксования фрикционных элементов.