СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЛАВНОСТИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ ГУСЕНИЧНЫХ И КОЛЕСНЫХ МАШИН Российский патент 2006 года по МПК F16H61/06 B60W10/10 B60K31/00 

Изобретение относится к области гусеничных и колесных машин, оснащенных автоматической системой контроля и управления движения.

Известно, что (см. Конструкция и расчет танков. Учебник /Буров С.С. М.; Военная академия бронетанковых войск им. Маршала Советского Союза Малиновского Р.Я., 1973) надежность работы ступенчатых трансмиссий колесных и гусеничных машин в значительной степени определяется характеристиками процесса переключения передач. Высокие динамические нагрузки, действующие на детали трансмиссии при переключении передач, приводят к преждевременному износу, разрушению и выходу из строя трансмиссии. Поэтому при создании ступенчатых трансмиссий, приходится решать задачу, заключающуюся в исследовании действия фрикционных элементов управления шестеренчатых передач с целью обеспечения плавного переключения передач. Эта задача особенно актуальна при автоматизации процесса переключения передач.

В случае автоматического переключения передач водитель, не зная, в какой момент произойдет переключение, сохраняет в процессе переключения передачи постоянным положение органа управления подачей топлива. Вследствие изменения передаточного отношения в коробке передач сила тяги F_Т на ведущих колесах до переключения передачи не равна силе тяги после переключения. Скоротечность процесса переключения передачи обуславливает скачкообразное изменение силы F_Т. Это приводит к возникновению динамических нагрузок в трансмиссии, которые в автоматическом режиме могут превышать в 2-3 раза нагрузки при ручном переключении (так как при ручном переключении водитель в момент переключения, как правило, изменяет положение педали подачи топлива).

Рассмотрим работу фрикционных элементов коробки передач при автоматическом переключении. Для этого рассмотрим фиг.1, на которой представлена схема динамической модели машины.

Переключение передачи в коробке передач приводит к изменению угловых скоростей ведущих ω₁ и ведомых ω₂ частей фрикциона. Это влечет за собой изменение кинетических энергий маховых масс J₁ и J₂. Маховик с моментом инерции J₁ характеризует инерционные свойства вращающихся деталей двигателя и коробки передач, связанных с ведущей частью фрикциона. Значение J₂ определяется моментами инерции деталей ведомых элементов фрикциона, а также связанных с ними остальной части трансмиссии, вращающихся элементов ходовой части и поступательно движущейся массы машины.

При переключении на повышенную передачу кинетическая энергия массы J₁ частично тратится на работу буксования фрикциона управления коробкой передач, а частично передается массе J₂, увеличивая ее кинетическую энергию. Увеличение кинетической энергии массы J₂ сопровождается небольшим кратковременным увеличением угловой скорости ω₂ и скорости движения машины. Все это способно вызвать рывок машины и скачок динамических нагрузок в трансмиссии.

Переключение на пониженную передачу характеризуется передачей кинетической энергии от массы J₂ к массе J₁, что приводит к резкому снижению скорости машины, также сопровождающемуся высокими динамическими нагрузками в трансмиссии.

В результате буксования ведущих и ведомых дисков фрикциона, сопровождающего процесс переключения передачи, происходит выравнивание угловых скоростей ω₁ и ω₂. Очевидно, что процесс переключения закончится, когда скорости ω₁ и ω₂ уравняются, то есть к концу буксования угловые скорости ведущих и ведомых частей становятся равными ω₁=ω₂. От параметров процесса буксования (относительной скорости скольжения ведущих и ведомых дисков в начале буксования, времени буксования, момента трения фрикционов М_ТР) зависит соотношение энергии, затрачиваемой на буксование и на ускорение (замедление) машины. При этом плавное нарастание момента трения М_ТР и, соответственно, увеличение времени буксования обеспечивает безударное включение передачи (см. Тракторы. Проектирование, конструирование и расчет: Учебник. / И.П.Ксеневич, В.В.Гуськов, Н.Ф.Бочаров и др.; Под общей редакцией И.П.Ксеневича. М.: Машиностроение, 1991).

Для обеспечения безударного переключения передач разработаны устройства, обеспечивающие плавное нарастание давления в бустерах сервомоторов фрикционных устройств.

За прототип взято устройство (см. Петров В.А. Автоматические системы транспортных машин. - М.: "Машиностроение", 1974, с.80-93. Прототип открытое издание), применяемое в системе регулирования плавности переключения передач гусеничных и колесных машин, содержащих такие основные элементы, как двигатель внутреннего сгорания, масляный бак, масляный насос, электромагниты, золотники, фрикционное устройство, трансмиссию и оснащенных системой управления «Турбоглайд». Для лучшего понимания представленного изобретения из всей системы более подробно рассмотрим гидравлический аккумулятор, регулирующий во времени изменение момента трения фрикционного элемента при его включении и выключении и представленный на фиг.2.

При подаче жидкости к цилиндру фрикционного элемента вначале быстро заполняется его полость и сближаются трущиеся поверхности, а затем начинает перемещаться поршень аккумулятора, сжимая пружину. При этом по мере заполнения цилиндра аккумулятора и перемещения его поршня давление в цилиндре фрикционного элемента плавно нарастает во времени. Для каждого положения поршня аккумулятора давление

где с - жесткость пружины; l - величина предварительного сжатия пружины; х - перемещение поршня аккумулятора;ƒ - площадь поршня.

Определяемый производительностью насоса расход жидкости, поступающей к аккумулятору,

На основании двух предыдущих выражений скорость изменения давления во времени

Чем больше ƒ и меньше расход Q, тем медленнее во времени увеличивается давление р, подводимое к фрикционному элементу, и, следовательно, его момент трения.

Однако, учитывая неизменность регулировок (величина ƒ и жесткость пружины) рассмотренного гидроаккумулятора, можно отметить, что устройства подобного типа не обеспечивают высокого качества процесса переключения передач, приводящих к ударному включению передач и увеличению динамических нагрузок в трансмиссии при их переключении, а также не учитывают режим работы двигателя, режим движения, температуры и вязкости масла и состояния дисков фрикционного устройства.

В связи с этим задачей настоящего изобретения является обеспечение безударного включения передач и снижение динамических нагрузок в трансмиссии при их переключении независимо от режима работы двигателя, режима движения, температуры и вязкости масла, а также состояния дисков фрикционного устройства.

Эта задача решается за счет применения системы регулирования плавности переключения передач гусеничных и колесных машин, обеспечивающей адаптацию законов управления процессом переключения в зависимости от изменения условий работы и состояния фрикционных устройств.

При этом система регулирования плавности переключения передач гусеничных и колесных машин, оснащенных автоматической системой контроля и управления движением машины, содержащая двигатель внутреннего сгорания, масляный бак, масляный насос, электромагниты, золотники, фрикционное устройство, трансмиссию и отличающаяся тем, что содержит второе фрикционное устройство; блок коммутации; микропроцессорный блок управления; управляемый дроссель, установленный в нагнетающей магистрали между масляным насосом и фрикционным устройством и имеющий электрическое соединение с выходом блока коммутации, вход которого соединен с выходом микропроцессорного блока управления; при этом выходы блока коммутации через электромагниты соединены с входами золотников, выходы которых соединены с входами фрикционных устройств. Система регулирования содержит также датчик скорости движения машины, связанный с приводом колес; датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; датчик давления масла в системе гидроуправления трансмиссии, имеющий вход из фрикционных устройств; датчик температуры масла в гидросистеме, установленный в нагнетающей магистрали, выходы упомянутых датчиков соединены с соответствующими входами микропроцессорного блока управления.

Изобретение поясняется фиг.1, 2 и 3. На фиг.3 представлена функциональная схема системы регулирования плавности переключения передач гусеничных и колесных машин, в состав которой входят следующие элементы:

1 - масляный бак

2 - масляный насос;

3 - управляемый дроссель;

4 - микропроцессорный блок управления;

5 - блок коммутации;

6 - электромагнит 1;

7 - золотник 1;

8 - электромагнит 2;

9 - золотник 2;

10 - фрикционное устройство 1;

11 - фрикционное устройство 2;

12 - трансмиссия;

13 - двигатель внутреннего сгорания;

14 - датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя;

15 - датчик скорости движения машины;

16 - датчик давления масла в системе гидроуправления;

17 - датчик температуры масла в гидросистеме.

При этом элементы: масляный бак 1; масляный насос 2; электромагниты 6, 8; золотники 7, 9; фрикционное устройство 10, 11; трансмиссия 12; двигатель внутреннего сгорания 13 - стандартные.

Управляемый дроссель 3 предназначен для регулирования давления в системе гидроуправления. Представляет собой устройство с изменяющимся проходным сечением.

Микропроцессорный блок управления 4 предназначен для формирования управляющего воздействия на основании обработки полученных данных и определения недостающей информация об условиях функционирования и режимах работы фрикционного устройства путем вычисления. Представляет собой адаптивную систему управления с элементами интеллектуально-информационного обмена.

Блок коммутации 5 предназначен для усиления и подачи на управляемый дроссель 3 сформированного микропроцессорным блоком управления 4 управляющего сигнала. Представляет собой устройство, преобразующее проходящие через него сигналы.

Датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя 14 предназначен для определения частоты вращения коленчатого вала двигателя. Представляет собой датчик, позволяющий определять частоту вращения коленчатого вала двигателя и применяемый в машиностроении. Подробное описание можно найти в открытой литературе. Применение данного датчика позволит получать необходимую информацию, в результате обработки которой будет определяться недостающая информация о режимах работы фрикционного устройства, необходимая для формирования управляющего воздействия микропроцессорным блоком управления 4.

Датчик скорости движения машины 15 предназначен для определения скорости движения. Подробное описание его можно найти в открытой литературе в связи с применением в машиностроении. Использование данного датчика позволит получать требуемую информацию в результате обработки которой, микропроцессорным блоком управления 4, будет определяться недостающая информация об условиях функционирования и режимах работы фрикционного устройства и вырабатываться управляющее воздействие на управляемый дроссель 3.

Датчик давления масла в системе гидроуправления 16 предназначен для определения давления масла в системе гидроуправления. Представляет собой стандартный датчик реостатного типа, применяемого в машиностроении. Более полное описание датчика можно найти в открытой литературе. Применение данного датчика позволит микропроцессорному блоку управления 4, обрабатывая полученную информацию, определять недостающую информацию об условиях функционирования фрикционного устройства, необходимую для формирования управляющего воздействия.

Датчик температуры масла в гидросистеме 17 предназначен для определения температуры масла в гидросистеме. Представляет собой датчик с полупроводниковым термическим сопротивлением (термистором), применяемым в машиностроении для контроля температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Полное описание конструкции датчика можно найти в открытой литературе. Использование данного датчика позволит в конечном итоге обеспечить более плавное включение передач при любых изменениях внешних условий и параметров систем и агрегатов машины.

Работа предлагаемого изобретения происходит следующим образом.

При движении машины водитель удерживает орган управления подачей топлива в позиции, несоответствующей обеспечению включения требуемой передачи. При этом сигналы от датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя 14, скорости движения машины 15, давления масла в системе гидроуправления 16, температуры масла в гидросистеме 17 поступают в микропроцессорный блок управления 4, где происходит их обработка и формирование управляющего сигнала. Сигнал о состоянии управляемого дросселя 3 по каналу обратной связи поступает в микропроцессорный блок управления 4.

В случае, когда водитель переводит орган управления подачей топлива в позицию, соответствующую обеспечению автоматического включения требуемой передачи по команде из микропроцессорного блока управления 4, срабатывает электромагнит №1 6 включенной передачи, устанавливая золотник №1 (7) из положения обеспечивающего нагнетания масла в бустер сервомотора фрикционного устройства №1 10 в положение, обеспечивающее слив масла из бустера сервомотора фрикционного устройства №1 10, выключается передача. Затем, по команде из микропроцессорного блока управления 4, срабатывает электромагнит №2 8, который обеспечивает доступ масла в бустер сервомотора фрикционного устройства №2 11. При этом скорость нарастания давления определяет интенсивность нарастания момента трения дисков фрикционного устройства

где μ - коэффициент трения фрикционных дисков;

F_СЖ -сила сжатия дисков фрикциона;

r_Э - радиус действия силы трения, эквивалентной действию всех элементарных сил трения на площади контакта фрикционной пары;

z - число пар трения.

Общее усилие F_СЖ, сжимающее диски фрикциона, является алгебраической суммой трех слагаемых

где F_С - статическая сила сжатия дисков;

F_Ц - центробежная сила;

F_ВП - сила возвратных пружин.

Статическая сила сжатия дисков F_С обеспечивается усилием исполнительного цилиндра сервомотора фрикциона, развиваемым на его поршне вследствие действия статического давления рабочей жидкости

где р_с - статическое давление масла;

S_П - площадь нажимного диска.

С учетом выражений (1), (2), (3) получим момент трения М_ТР

Наряду с силой сжатия нестабильностью при работе фрикционного устройства отличается и коэффициент трения μ, изменяющийся в процессе буксования в значительных пределах. Это изменение зависит от удельного давления q на поверхностях дисков, температуры дисков Т_Д, относительной скорости скольжения, степени износа дисков, температуры масла, вязкости масла и других факторов.

Проблема заключается в сложности получения информации о параметрах, характеризующих процесс переключения передач.

Информация, получаемая прямым измерением - от датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя 14, скорости движения машины 15, давления масла в системе гидроуправления 16, температуры масла в гидросистеме 17, поступает в микропроцессорный блок управления 4. В результате обработки полученных данных и осуществления процедуры идентификации определяется недостающая информация об условиях функционирования и режимах работы фрикционного устройства, необходимая для формирования управляющего воздействия, которое усиливается в блоке коммутации 5 и подается на управляемый дроссель 3, обеспечивающий в соответствии с этим управляющим сигналом плавное нарастание давления в бустере сервомотора фрикционного устройства включаемой передачи, обеспечивая при этом безударное включение.

Обеспечение безударного включения передачи осуществляется за счет регулирования плавного нарастания момента трения фрикционного устройства M_ТР посредством изменения давления в системе гидроуправления.

Изменение давления в системе гидроуправления осуществляется за счет установки управляемого дросселя, при этом регулирование давления осуществляется за счет изменения проходного сечения дросселя.

Таким образом, предлагаемая система регулирования плавности переключения передач гусеничных и колесных машин имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:

обеспечивается безударное включение передач при любых изменениях внешних условий, режимов работы и параметров систем и агрегатов машины;

снижаются динамические нагрузки в трансмиссии при переключении передач.

Изобретение относится к гусеничным и колесным машинам, оснащенным автоматической системой контроля и управления движением, Система регулирования плавности переключения передач гусеничных и колесных машин, оснащенных автоматической системой контроля и управления движением машины, содержит двигатель внутреннего сгорания, масляный бак, масляный насос, электромагниты, золотники, фрикционное устройство, трансмиссию, второе фрикционное устройство, блок коммутации, микропроцессорный блок управления, управляемый дроссель. Управляемый дроссель установлен в нагнетающей магистрали между масляным насосом и фрикционными устройствами и имеет электрическое соединение с выходом блока коммутации, вход которого соединен с выходом микропроцессорного блока управления. Выходы блока коммутации через электромагниты соединены со входами золотников, выходы которых соединены со входами фрикционных устройств. Система регулирования содержит также датчик скорости движения машины, связанный с приводом колес, датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя, датчик давления масла в системе гидроуправления трансмиссии, имеющий вход из фрикционных устройств, датчик температуры масла в гидросистеме, установленный в нагнетающей магистрали, выходы упомянутых датчиков соединены с соответствующими входами микропроцессорного блока управления. В результате обеспечивается безударное включение передач и снижение динамических нагрузок в трансмиссии при их переключении. 3 ил.

Система регулирования плавности переключения передач гусеничных и колесных машин, оснащенных автоматической системой контроля и управления движением машины, содержащая двигатель внутреннего сгорания, масляный бак, масляный насос, электромагниты, золотники, фрикционное устройство, трансмиссию, отличающаяся тем, что содержит второе фрикционное устройство, блок коммутации, микропроцессорный блок управления, управляемый дроссель, установленный в нагнетающей магистрали между масляным насосом и фрикционными устройствами и имеющий электрическое соединение с выходом блока коммутации, вход которого соединен с выходом микропроцессорного блока управления, при этом выходы блока коммутации через электромагниты соединены со входами золотников, выходы которых соединены со входами фрикционных устройств, система регулирования содержит также датчик скорости движения машины, связанный с приводом колес, датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя, датчик давления масла в системе гидроуправления трансмиссии, имеющий вход из фрикционных устройств, датчик температуры масла в гидросистеме, установленный в нагнетающей магистрали, выходы упомянутых датчиков соединены с соответствующими входами микропроцессорного блока управления.