Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры для исследования динамических процессов нагружения трансмиссии транспортного средства Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113-585.862

Комов А.Б., к.т.н, доц.(ДонНАСА), Комов П.Б., к.т.н, доц.(ДонНАСА), Грицук И.В., к.т.н, доц. (ДонИЖТ), Комов Е.А., аспирант (ХНАДУ)

КОМПЛЕКС ИЗМЕРИТЕЛЬНО-РЕГИСТРИРУЮЩЕЙ

АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

НАГРУЖЕНИЯ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Введение. Задачи экспериментальных исследований динамических процессов нагружения трансмиссии транспортного средства в выполненной работе включали в себя: выявление характера динамических процессов нагружения деталей трансмиссии; определение фактических величин нагрузок в зависимости от зазоров в шарнирах неравных угловых скоростей карданных передач; определение статистических характеристик нагруженности элементов трансмиссии автомобиля при его установившемся движении.

Решение задач эксперимента было достигнуто: разработкой программы и плана эксперимента, созданием комплекса измерительной аппаратуры, установленного на автомобиле; проведением экспериментальных заездов; анализом результатов измерений.

Объектом экспериментальных исследований являлся серийный автомобиль КамАЗ-Э5Э20, краткая техническая характеристика которого приведена в таблице 1.

Анализ последних исследований и публикаций. Изучением динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля занимались и занимаются многие отечественные и зарубежные ученые. Анализ работ по исследованию динамических нагрузок в трансмиссии АТС дает возможность сделать вывод о том, что одной из главных тенденций в исследованиях является то, что им подвергаются все более сложные явления, отражающие сложную взаимосвязь отдельных узлов и агрегатов [5,7,8].

Таблица 1. - Краткая техническая характеристика автомобиля КамАЗ-35320

Параметр Значение параметра

Колесная формула 6x4

Масса снаряженного автомобиля, кг 7466

Полная масса автомобиля, кг (Полная масса автомобиля: 15305

масса снаряженного автомобиля, масса перевозимого груза,

масса экипажа из трех человек (водитель, оператор,

инженер исследователь) и масса измерительной

аппаратуры, включая элементы питания).

Передаточное число главной передачи 7,22

Двигатель: модель 740

Сцепление: модель 142

Коробка передач: модель 15

Шина: модель И-Н142Б

Цель работы - разработка комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры для исследования динамических процессов нагружения трансмиссии транспортного средства для проверки теоретических выводов о влиянии изменения параметров деталей карданной передачи, вследствие эксплуатационных износов, на нагруженность элементов трансмиссии.

Основная часть. Общее число параметров, регистрируемых при проведении экспериментальных исследований, составило 12. Это [1]

-величина крутящих моментов на правых полуосях среднего и заднего ведущих мостов, карданах: М1, М2, М3, М4;

- частоты вращения коленчатого вала двигателя, правых полуосей среднего и заднего ведущих мостов, карданных валов привода среднего и заднего ведущих мостов, соответственно п, п1, п2, п3, п4;

- величины углов поворота верхних реактивных штанг балансирной подвески среднего и заднего ведущих мостов, соответственно ф1 и ф2;

- величина вертикальных перемещений балки переднего управляемого моста относительно рамы автомобиля, соответственно,

Имитация изменения зазоров в шарнирах неравных угловых скоростей карданных передач, вследствие эксплуатационных износов сопрягаемых поверхностей, достигалась установкой в шарнирах крестовин с измененными геометрическими параметрами шипов [10]. Это позволило изменять величины зазоров (люфтов) в шарнирах карданных передач и трансмиссии

Выбор приборов, датчиков, регистраторов, источников питания и преобразователей тока, мест их установки на автомобиле проводился на основе выполнения следующих основных требований: обеспечение необходимой точности и воспроизводимости результатов измерений [2]; взаимозаменяемость элементов комплекса; сохранение метрологических характеристик в диапазоне температур от 0° до 45°С; возможность контроля за работой аппаратуры во время проведения эксперимента

Специфическими требованиями при проведении дорожных испытаний являлось [3]: надежное крепление регистрирующей аппаратуры, находящейся в кабине и расположенной таким образом, чтобы обеспечить удобство работы водителя и оператора при проведении заездов; надежное и безопасное крепление токосъемников и датчиков, находящихся на элементах трансмиссии и ходовой части автомобиля, и расположение их таким образом, чтобы обеспечить безопасность дорожного движения при проведении заездов.

Структурная схема приборного комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры показана на рис.1. Датчики для замера одних и тех же параметров объединены в группы А, Б, В, Г. Марка их указана во втором столбце на рисунке 1, а измеряемый параметр и порядковый номер записи на каналы магнитографа отмечены соответственно в первом и третьем столбцах.

Блоками с соответствующими названиями выделены: тензоусилитель KWS/6A-5 шестиканальный (НВМ, Германия); магнитограф R - 200 четырех канальный (ТЕАС, Япония); токосъемники SK-6 (НВМ, Германия) преобразователь напряжения ПН-808-7; усилитель 6L5 двухканальный (SUN -EI Jnstruments, Япония); усилитель БМС-4 четырехканальный; коммутационная коробка КК; выходная коммутационная панель КП. Стрелками показаны связи между составляющими комплекса.

В основу измерения неэлектрических величин положен следующий принцип получения выходного сигнала: датчик-формирователь (измеритель) выходного сигнала - регистратор. Независимо от вида привода чувствительного элемента: механического для датчиков CP-5S , W-100, Materflow, ВБ-1326, ВБ-23-Р18 или от механической деформации валов полуосей и карданных передач для тензодатчиков КФ5Р2-3-400, датчики изменяют величину активного сопротивления. Меняющееся сопротивление используется для формирования выходного сигнала и последующей его регистрации.Сигналы от тензодатчиков, установленных на полуосях и карданных валах подавались на четыре канала усилителя KWS/6A-5. Пятый канал усилителя использовался для формирования сигналов потенциометрического датчика W -100 измерения линейных вертикальных перемещений балки переднего управляемого моста автомобиля.

Рисунок 1. - Схема приборного комплекса структурная

Каждый канал состоит из генератора питания измерительного моста, фазочувствительного детектора, усилителя напряжения, частотного фильтра и усилителя мощности выходного сигнала. Достоинством усилителя являются большие коэффициенты усиления в малые дрейфы нуля. Особую трудность при балансировке составило согласование датчиков и кабелей по емкости и сопротивлений, что было достигнуто использованием кабелей с двойным экраном и надежным их закреплением.

В качестве формирователя электрического сигнала для потенциометрических датчиков СР-5 измерения угловых перемещений реактивных штанг балансирной подвески ведущих мостов автомобиля использовались каналы усилителя БМС-4 и 6L5, которые обеспечивали подачу питания, балансировку измерительной схемы, усиление сигнала и подачу его на регистрирующий прибор R-200.

Для формирования электрических сигналов индуктивных преобразователей Мaterflow, ВБ 1326, ВБ 23 - Р18 было применено устройство обеспечивающее питание, балансировку измерительной схемы, усиление сигнала и подачу его на регистрирующий магнитофон R -200. Корпус прибора выполнен в виде коммутационной коробки, в которую установлены модули для соответствующих датчиков. Электрическая схема

прибора разработана таким образом, что выходы кабельных разъемов датчиков непосредственно соединены с контактами разъемов модулей, к которым по параллельной схеме подведено питание постоянным током напряжением 220 В.

Проверка напряжения, подавляемого на индуктивные датчики и их балансировка осуществлялась по стрелочным контрольным приборам.

Для измерения и наблюдения за значениями текущей величины скорости движения автомобиля использовался тахограф ТСО 134 - F - 120 ^агаМ, Япония). Питание прибора осуществлялось от источника постоянного тока бортовой системы питания автомобиля с напряжением 24 В. Диапазон измеряемой величины скорости от 5,55 до 19,44 мс-1 (от 20 до 70 км/ч). Обеспечение необходимой величины скорости движения автомобиля при проведении заездов в ходе эксперимента, с достаточной степенью точности осуществлялось водителем-испытателем высокой профессиональной квалификации.

Запись процессов происходящих в ходе проведения экспериментальных заездов велась на магнитную ленту И-4315-6, посредством подключения четырехканального магнитографа R - 200. Скорость проведения записи 0,15 мс-1. Длина ленты в кассете позволяла осуществлять запись 35 заездов. Запись велась на 4-х каналах магнитографа одновременно.

Магнитная запись позволяет: автоматизировать обработку записанных процессов с использованием анализаторов и ЭВМ; многократно обрабатывать одну и ту же запись по различным алгоритмам; многократно использовать носитель записи.

Контроль прохождения записи осуществлялся осциллографом С1-49.

Регистратор 1 (магнитограф), усилители 2, 3, 4; осциллограф 5, преобразователь тока 6, коммутационная коробка 7, на демпфирующих опорах устанавливались в кабине транспортного средства - автомобиля (рисунок 2)

Питание магнитографа R -200, усилителя KWS/6A-5, осциллографа С1-49, коммутационного устройства осуществлялось постоянным током, соответственно 12 В, 24 В, 23 В, 24 В от 2-х бортовых аккумуляторных батарей ВСТ-190.

Для энергоснабжения усилителя БМС-4 и преобразователя ПН-808-7 использовались дополнительные источники постоянного тока напряжением соответственно 12 В (от 1-ой аккумуляторной батареи ВСТ-190) и 24 В (от 2-х аккумуляторных батарей 6СТ-190). Преобразователь ПН-808-7 осуществлял энергоснабжение усилителей 6,5 переменным током частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

а) вид слева

б) вид справа

Рисунок 2. - Общий вид комплекса измерительных приборов, установленных в кабине автомобиля

Принципиальная схема энергообеспечения комплекса измерительных приборов приведена на рисунке 3

Блок питания, представляющий собой дополнительные аккумуляторные батареи, располагался в кузове автомобиля. Управление и велось с пульта расположенного в кабине автомобиля. Контроль величины напряжения поступавшего на чувствительные элементы датчиков проводился перед каждым выездом автомобиля. При необходимости дополнительные аккумуляторные батареи заменялись другими. Дозарядка штатных (бортовых) аккумуляторов автомобиля проводилась систематически при подготовке автомобиля к испытаниям.

Рисунок 3. - Схема энергообеспечения комплекса измерительных приборов

принципиальная

Установка датчиков СР-5, рисунок 4 измерения угловых перемещений (угла поворота) верхних реактивных штанг балансирной подвески ведущих мостов осуществлялась посредством кронштейнов, закрепляемых на шаровом пальце соединения верхней реактивной штанги с опорой оси балансира на раме автомобиля. Этим достигалась необходимая соосность осей датчика и шарового пальца. Связь оси датчика с реактивной штангой подвески осуществлялась посредством рычага.

а) общий вид

б) установка датчиков на реактивных штангах балансирной подвески

Рисунок 4. - Датчик СР^

Тарировка датчиков СР-5 проводилась с помощью угломера, согласно существующим методикам [3]. Установка первоначального "0" -положения подвижного контакта датчика проводилась в начале испытаний, по стрелочному индикатору усилителя БМС-4.

Датчик W -100, рисунок 5, измерения линейных перемещений балки переднего моста автомобиля относительно, его рамы, устанавливался посредством кронштейнов закрепляемых на корпусе амортизатора передней подвески. Шток подвижного контакта датчика посредством кронштейна (хомута) соединялся с нижней подвижной частью амортизатора.

Тарировка датчика W -100 осуществлялась с помощью линейки согласно существующей методики [3]. При проведении испытаний первоначально устанавливался "0" - положения подвижного контакта датчика по стрелочному индикатору усилителя KWS /6А-5.

В качестве датчиков измерения величин крутящих моментов на коротких полуосях ведущих мостов и карданных валах привода среднего и заднего

ведущих мостов автомобиля использовались проволочные тензорезисторы марки КФ5Р2-3-400. Подбор тензорезисторов осуществлялся на точностью до 0,02 Ом. Наклейка тензорезисторов на полуосях (рисунок 6) и карданных валах проводилась согласно схеме рисунка 7 с соблюдением существующих требований [4]. Схема подключения моста к усилителю KWS / 6А-5 представлена на рисунке 8. Балансировка тензомостов проводилась по емкостному и активному сопротивлениям.

Рисунок 5. - Общий вид датчика W-100, установленного на амортизаторе передней подвески

Рисунок 6. - Установка тензорезисторов на полуоси

щйажпфедрс

1 - деить О/

2-пшарвисщ) 3 - (¿шко/гифоштш^

Рисунок 7. - Схемы наклейки тензорезисторов на динамометрические валы

Рисунок 8. - Схема подключения тензорезисторов к усилителю

Рисунок 9. - Вид общий стенда для тарировки динамометрических валов

1 - вольтметр; 2 - тензоусилитель; токосъемник; 4 - планшайба; 5 - торсион

оттарированный (эталонный); 6 - фланец переходной; 7 - датчик многооборотный потенциометрический; 8 - плита базовая; 9 - усилитель; 10 - блок питания; 11 - вал динамометрический; 12 - стойка

Рисунок 10. - Схема установки динамометрического вала и подключения измерительных устройств на стенде при тарировке

Тарировка динамометрических валов полуосей и карданных передач проводилась на стенде для испытаний на статическую прочность - рисунке 9. Схема установки полуосей и валов карданных передач на стенде и подключения измерительных приборов представлена на рисунке 10. Создаваемое на валах усилие контролировалось по образцовому цифровому вольтметру 55Д31 (Д^А, Дания) - см. рисунок 9, рисунок 10, поз.1. По полученным калибровочным величинам построены тарировочные графики динамометрических валов.

Снятие с вращающихся валов карданных передач электрических сигналов, поступавших от датчиков измерения величин крутящего момента, осуществлялось посредством щеток токосъемного устройства установленного в специальном кожухе - рисунок 11 [5, 7]. Крепление кожуха к раме автомобиля упругими жгутами обеспечивало фиксацию его от поворота при вращении вала карданной передачи и подвижность относительно рамы при изменении угла наклона вала карданной передачи [6].

Проверка работоспособности розеток осуществлялась в ходе испытания. Для уменьшения помех, создаваемых работой электрооборудования на все тензометрические каналы между магнитографом и тензостанцией, были установлены фильтры [8].

Датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя Мaterflow устанавливался в картере маховика двигателя на месте указателя верхней мертвой точки.

Датчик ВБ 23-Р18 частоты вращения карданного вала привода среднего ведущего моста (рисунок 12), устанавливался на кронштейне, который крепился к крышке подшипника вторичного вала коробки передач. Аналогичным образом осуществлялась установка датчика ВБ23-Р18 частоты вращения карданного вала привода заднего ведущего моста автомобиля. Датчик посредством кронштейна крепился к крышке подшипника ведущего вала главной передачи заднего ведущего моста. Якоря датчиков, выполненные в виде флажка, крепились к болтовым соединениям фланцев карданных валов и соответственно фланцев коробки передач и главной передачи. Датчики ВБ 13-26 частоты вращения полуосей ведущих мостов автомобиля устанавливались в специальных корпусах (рисунок13) закрепляемых на ступицах ведущих колес автомобиля (рисунок14,а). В этом же корпусе устанавли вались торцевые токосъемные устройства SK-6 (НВМ, Германия),(рисунок 14 а) служившие для передачи с вращающейся полуоси электрических сигналов, поступающих от датчиков измерения величин крутящего момента.

а) на карданную передачу

б) карданная передача в трансмиссии автомобиля

Рисунок 11. - Установка токосъемного устройства

Рисунок 12. - Установка датчика ВБ23-Р18 в трансмиссии автомобиля

Рисунок 13. - Датчик ВБ 13-26 и токосъемники с элементами крепления

Конструкция корпуса обеспечивала его неподвижность относительно вращающегося колеса автомобиля (рисунок 14 а, б). Необходимая подвижность корпуса относительно кузова автомобиля при нерадениях ведущих мостов, достигалась специальной конструкцией соединения корпуса с кузовом (рисунок 14, б).

Величины погрешностей измерений датчиков, использовавшихся в процессе проведения экспериментальных исследований представлены в таблице 2.

В процессе проведения экспериментальных исследований осуществлялось варьирование следующими параметрами: вес автомобиля, скорость (в режиме установившегося движения), дорожное покрытие, передаточные числа коробки передач, зазорами в карданных шарнирах неравных угловых скоростей. Величины погрешностей измерений датчиков, использовавшихся в процессе проведения экспериментальных исследований

Таблица 2. - Величины погрешностей измерений датчиков

№ п/п Датчики Размерность Погрешность измерения

% Абсолютная величина

1 Мaterflow мин-1 - ±4,03 10-3

2 ВБ 13-26 мин-1 - ±1,242 10-2

3 ВБ 23-Р18 мин-1 - ±1,643 10-2

4 КФ5Р2-3-400 кН-м ± 5 -

5 W 100 мм - ±2,0210 10-3

6 СР^ рад - ±1,242 10-2

а) ступица колеса

б) фиксация относительно корпуса автомобиля Рисунок 14. - Установка датчика ВБ 13-26 и токосъемника SK-6

Первичная обработка информации проводилась согласно блок-схемы, приведенной на рисунке 15. При этом использовались (рисунок 16) следующие устройства: настольная электронная клавишная вычислительная машина модели НР 9830А (Неwleff-Packard, США); графопостроитель НР 9862; термопринтер НР 9866; считыватель координат НР 9864. Использовавшаяся аппаратура и необходимое программное обеспечение позволили получить статистические характеристики исследуемых процессов.

Исходными данными для расчета статистических характеристик служила запись исследуемых процессов на осциллографическую бумагу, получаемая с помощью осциллографа К 12-24. В качестве примера на рисунке 17 показаны осциллограммы исследовавшихся процессов. Индексация фиксируемых параметров на рисунке 1 и индексация кривых осциллограммы на рисунке 17 совпадают.

Программа обработки результатов измерений включала: считывание ординат процесса с осциллограммы; сглаживание процесса; расчет статистических характеристик процесса.

Считывание ординат процесса с осциллограмм осуществлялось полуавтоматическим способом с помощью считывателя координат ВР 9864 путем проводки по линии записи визиром датчика считывателя. Отчеты снимались с шагом Д0 = 0,06'' (1,52 мм), дискретность оцифровки ординат - 0,01'' (0,25 мм). Оцифровка осциллограммы проводилась отдельными кадрами длиной 389 мм. С каждого кадра снимались значения 256 = 28 ординат и представлялись в виде массива исходных данных.

Сглаживание процесса осуществлялось построением сглаживающего кубического сплайна в соответствующих узлах. Производная процесса заменялась производной сплайна.

Рисунок 15. - Блок-схема обработки магнитных записей

Термопринтер НР 9866А

Мини-ЭВМ НР9830

Цифровой преобразователь НР-9864 а

\

Планшет

Рисунок 16. - Комплекс аппаратуры для обработки осциллограмм

процессов

Рисунок 17. Пример осциллограммы процессов динамического нагружения элементов трансмиссии

При расчете спектральной плотности процесса использовался алгоритм быстрого преобразования Фурье и сглаживание по методу Бартлетта. В соответствии с этим методом на ЭВМ определялась выборочная спектральная плотность для каждого обрабатываемого кадра, а оценка спектральной плотности определялась усреднением выборочных спектральных плотностей по всем кадрам [9].

Выводы. В статье обоснованы параметры и конструктивные особенности экспериментальной установки для исследования динамических процессов нагружения трансмиссии транспортного средства. Форма представления результатов экспериментальных исследований позволяет провести их сравнение с результатами аналитических исследований.

Список литературы

1. Линшк I.I., Комов О.Б., Комов П.Б., Грицук 1.В., Бабанш А.А. До питания дослщження динамiчного навантаження деталей трансмiсii транспортного засобу в умовах експлуатаци. / Збiрник наукових праць Донецького шституту залiзничного транспорту Украшсько'1' державно'1' академи залiзничного транспорту. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2010 - Випуск №21. 257с., С. 141-16013.

2. Ковалев С.А., Олефир А.И., Грицук И.В. Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры для исследования переходных процессов в сварочном агрегате AC-81 / /КАДИ.-К., 1988.-15 с.- Деп. в УкрНИИНТИ 12.05.88, №1177-Ук88.

3. Карузин О.И., Бахмутов С.В. Измерительная аппаратура применяемая при испытаниях автомобиля. М.: МАМИ. 1964. 55 с.

4. Тензорезисторы КФ4 и КФ5. Техническое описание и инструкция по наклейке. Опытный завод порционных автоматов им.Ф.Э.Дзержинского. Киев: 1988. 19 с.

5. Островерхов Н.Д., Русецкий Н.К., Бойко Л.И. Динамическая нагруженность трансмиссии колесных машин. - Минск: Наука и техника, 1977. - 192 с.

6. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник / под ред. А.И.Гришкевича. - М.: Машиностроение, 1984. - 272 с.

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

8. Авдонькин Ф.Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей. -М.: Транспорт, 1985. - 215 с. 12.

9. Дженкинс, Ватте. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1972.

250 с.

10. Комов О.Б., Комов П.Б., Грицук 1.В., Комов А.П. Урахування особливостей реального процесу роботи елеменпв трансмюи транспортного засобу в математичному моделюванш експлуатацшного навантаження. / Збiрник наукових праць Донецького шституту залiзничного транспорту Украшсько'1' державно'1' академи залiзничного транспорту. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2010 - Випуск №22. 257с., С. 141-160