CC BY
44
Исследование влияния структурных параметров на динамические нагрузки в механической трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми
установками (ГСУ)
к.т.н. проф. Селифонов В.В., Нгуен Хак Туан
МГТУ «МАМИ» tuannkcn@yahoo.com
Аннотация. Предложен метод исследование влияния структурных параметров на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля с ГСУ. Представлены результаты расчета динамических нагрузок в звеньях трансмиссии автомобиля УАЗ 5153 с ГСУ (МГТУ «МАМИ») [2] при запуске ДВС сходу.
Ключевые слова: трансмиссия автомобиля с ГСУ, динамические нагрузки.
Для расчетов на прочность трансмиссии автомобиля необходимо определить максимальный динамический момент, который может возникнуть в ней при наиболее неблагоприятных условиях. В трансмиссиях автомобиля с ГСУ максимальный динамический момент может возникнуть в случаях, например, при «броске педали сцепления для запуска ДВС с ходу», при «колесах, примерзших к грунту »... В настоящей работе представлен метод исследования влияния структурных параметров на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля с ГСУ.
На рисунке 1. представлена динамическая схема, по которой можно определить динамические нагрузки в трансмиссии автомобилей с ГСУ
Рисунок 1- Динамическая схема трансмиссии автомобиля с ГСУ
В схеме на рисунке 1 приняты следующие обозначения: моменты инерции !двс - ДВС с маховиком; 1эд- электродвигателя; Г -деталей сцепления; !кп -главной КПП и раздаточной коробкой; !пк -деталей переднего моста с передними колесами; 1зк деталей заднего моста с задними колесами; 1а - маховика, эквивалентного поступательно-движущейся массе автомобиля; жесткости и коэффициенты демпфирования: сс,Ьс -сцепления; сэ,Ьэ - звена, связывающего вал электродвигателя с раздаточной коробкой; сптр, Ьптр, сзтр, Ьзтр,- деталей трансмиссий переднего и заднего моста; спш, Ьпш,, сзш, Ьзш - тангенциальные жесткости и коэффициенты демпфирования передней и задней шин; внешние моменты: Мсп - момент сопротивления (включает моменты: момент сопротивления подъему, момент аэродинамического сопротивления); Мэд - момент электродвигателя; Мс -момент трения сцепления; Мдвс -момент ДВС; Мрз, МрП - моменты сопротивления качению на ведущих колесах переднего и заднего моста.
Дифференциальные уравнения движения системы, приведенной на рисунке 1, можно записать в виде:
(1)
!эдФэд = Мэд - Сэ (<Рэ - Фкп ) - Ьэ (Фэ - Фкп ); 1 с Фс = М с - Сс (Фс - Фкп ) - Ьс (Фа - Фкп X !дес Фдвс = Мдвс - Мс ;
1 кпФкп = сс (Фс - Фкп ) + Ьс (Фс - Фкп ) + сэ (Фэ - Фкп ) + Ьэ (Фэ - Фкп );
- и[сзтр (и-Фкп - Фзк ) + Ь зтр (и ■ Фкп - Фзк )] - и\с птр О'• Фкп - Фпк ) + ЪпшР (и Ф Фкп - Фпк й !3кФ3к = сзтр (и■ Фкп - Фзк ) + Ьзтр О'• Фкп - Фзк ) - с зш (Фзк - Фа ) - Ьзш (Фзк - Фа ) - МКЗ 1пкФпк = сптр О■ Фкп - Фпк ) + иптр О'• Фкп - Фпк ) - Спш (Фпк - Фа ) - ипш (Фпк - Фа ) - М КП \ 1 а Фа = сзш (Фзк - Фа ) + Ьзш (Фзк - Фа ) + с пш (Фпк - Фа ) + Ъпш (Фпк - Фа ) - МСП МУЭД = сэ (Фэ - Фкп ) + Ьэ (Фэ - Фкп ); МУС = сс (Фс - Фкп ) + Ьс (Фс - Фкп ); МПТР = сптр (и ФФкп - Фпк ) + Ьптр (иФФкп - Фпк ); МЗТР = сзтр (и ФФкп - Фзк ) + Ь зтр (и ФФкп - Фзк ); МЗШ = сзш (Фзк - Фа ) + Ьзш (Фзк - Фа ); МПТР = Спш (Фпк - Фа ) + Ъпш (Фпк - Фа X
где: Муэд, МУС, Мптр, Мзтр, Мпш, Мзш - упругие моменты на валу электродвигателя, сцепления, в передней и задней трансмиссиях моста, в передней и задней шинах, соответственно;
фэ, фс, Фдвс, фкп, фзк, фпк, фа - углы поворота масс 1ЭД, 1с, 1двс, 1кп, 1зк, 1пк, 1а соответственно; и - передаточное число трансмиссии.
н~
Hfetwt |
'Mh
-»
1 Mioad |
MA7LAB
FHftCtiLjrt
MATIJIR У^Л
Siibsygtera
га
-га
MtptiOOt
Mtpsfout
Scopo2
H3
Scope3
rOi
Scopol
Рисунок 2 - Структурная схема SIMULINK пакета MATLAB для расчета динамических нагрузок в механических трансмиссией автомобилей с ГСУ
При решении системы уравнений (1) можем определить моменты в упругих звеньях трансмиссии. Данную систему уравнений можно решить разными методами, здесь приводим исследование динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля УАЗ 5153 с ГСУ, разработанное учеными и специалистами МГТУ «МАМИ» [2] при «броске педали сцепления» для запуска ДВС с ходу с помощью пакета SIMULINK-MATLAB [4] (рисунок 2). Начальные условия при расчете: при t = 0; Мэд = 180 Нм; скорость автомобиля Va = 30 км/ч, ¿сц = 0,5 с.
При запуске ДВС с ходу Мдвс является моментом сопротивления и описывается выра-
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. жением [3]:
Mдвс (B + Dn [Н.м],
где: B, D, Q - эмпирические коэффициенты (для бензинового двигателя В = 0,4-0,5; D = 0,0035; Q = 12,5);
Vn, n - рабочий объем и обороты ДВС.
При определении динамических нагрузок в трансмиссии момент трения сцепления Мс представляется в виде экспоненциальной зависимости [1]:
Мс = Мсц,ст-(1 - e-kt), где: Мсц,ст - статический момент трения в сцеплении;
k = 3/tc - константа, характеризующая темп включения сцепления; tc - время включения сцепления.
Величина /Сц является случайной, можно принять /Clim¡„ = 0,015 с, /Сц ,гах = 1,5 с
1.6 2 2.5 3 3.5 Ejpe**i icen]
а) без учета Ь[И и Ьс
б) с учетом Ь1И и Ьс
Рисунок 3 - Зависимости упругих моментов на валу двигателя от времени
На рисунке 3 представлены результаты расчёта динамических моментов на валу электродвигателя в двух случаях: без учета (рисунок 3,а) и с учетом (рисунок 3,б) коэффициента демпфирования сцепления и шины.
[р* эегуо« №С н) ' nepwt (v iiyyi ' I í -ti г перелое
......... Sür^íxe дас НА 3 середой
rpt зэ ум да: не псндас
____I___I
-гри ну а /рс не 1
■ Í^J ti у >. ТС о г «* 11 ч * фи луж дас не 3 Пфтдав -Г—ЩИ э»$ое да « 4 передов
> -«00
а) без учета Ьс
б) с учетом Ьш и Ьс
Рисунок 4 - Зависимости упругих моментов в передней трансмиссии от времени
На рисунок 4 представлены результаты расчёта динамических моментов в передней трансмиссии автомобиля УАЗ 3153 с ГСУ при «броске педали сцепления » для запуска ДВС с ходу на разных передачах в также двух случаях: без учета (рисунок 4,а.) и с учетом (рисунок 4,б.) коэффициентов демпфирования сцепления и шины.
Результаты расчетов показали, что динамические моменты, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля с демпфирующими элементами, почти на 89% меньше его в трансмиссии без демпфирующих элементов. Кроме того, в ветвях трансмиссии автомобиля с демпфирующими элементами колебания упругих моментов также быстро затухают, амплитуды колебаний упругих моментов в стабильных состояниях (пример: с момента I ~ 1,4 при запуске ДВС на 2-передаче) почти равны нулю.
Динамическую нагружённость трансмиссии удобно оценивать коэффициентом динамичности Кд, под которым понимается отношение:
М
_ _мах
К- Д —
Мм
¡.мах
где: Ммах - максимальное значение момента, возникающего в ветвях трансмиссии автомобиля при включении сцепления;
Мт Мах = Мэд мах + Мдвс мах-
Время BWKM6t«fl сдатенив Моек]
^мм! жлснемга аелпвния tcfced
а) без учета Ьс
б) с учетом Ьс
Рисунок 5 - Зависимости коэффициентов динамичностей в ветвях трансмиссии от времени включения сцепления при запуске ДВС на 2- передаче
На рисунке 5 представлены зависимости коэффициентов динамичностей в ветвях трансмиссии от темпа включения сцепления и коэффициента демпфирования сцепления при запуске ДВС на 2- передаче.
Выводы
Результаты расчетов показали, что коэффициенты динамичности в ветвях трансмиссии автомобиля с демпфирующими элементами почти на 89% меньше их в трансмиссии без демпфирующих элементов и, чем быстрее включение сцепления, тем больше динамические нагрузки, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля.
Литература
1. Гришкевич А. И., Вавула В. А. и др. Автомобили, конструкция, конструирование и расчет, трансмиссия. -М.: Вышэйшая школа, 1985. -240с.
2. Гибридные автомобили - столбовая дорога к экономичному и экологически чистому транспорту. д.т.н. Карунини А.Л. д.т.н Бахмутов С.В. к.т.н. Селифонов В.В. и др. // Автомобильных инженеров № 3(44), 2007.
3. Селифонов В.В. - Теория автомобиля. - М.: Гринлайт, 2009 - 208с.
4. The MathWorks, Inc. 2002 - Simulink Model-Based and System-Based Design.
