CC BY
71
УДК 629.331
В. П. Тарасик, д-р техн. наук, проф., Р. В. Плякин
МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ ФРИКЦИОНОМ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ
В статье рассмотрены принципы работы системы автоматического управления гидромеханической передачей мобильной машины, изложены предъявляемые к ней требования, проанализированы возможные варианты исполнения основных механизмов системы. Приведена конструкция технического решения исполнительного механизма управления фрикционами гидромеханической передачи, разработанная для карьерных самосвалов БелАЗ. Дано описание процессов управления фрикционом при его включе-
нии.
Гидромеханические передачи (ГМП) получили широкое применение в мировой практике автотракторостроения, применяются также и на автомобилях отечественного производства (БелАЗ, МАЗ, МЗКТ). По сравнению с наиболее распространенными механическими передачами ГМП позволяют существенно улучшить показатели эффективности автомобиля, но для этого ГМП должна быть снабжена системой автоматического управления (САУ).
Основная задача САУ заключается в оптимальном согласовании режимов работы двигателя и трансмиссии автомобиля. Кроме того, САУ должна обеспечивать высокие показатели качества процессов функционирования механизмов ГМП, особенно в переходных режимах, обусловленных переключением передач. Важным требованием к управлению ГМП является обеспечение непрерывного подвода энергии к ведущим колесам автомобиля в любых условиях движения. Для этого переключение передач должно осуществляться без разрыва потока мощности. САУ также должна защищать двигатель и трансмиссию от перегрузок, снижая до возможного минимума динамические нагрузки при переключении передач, и исключать нештатные режимы функционирования двигателя и механизмов трансмиссии.
На современном этапе развития автомобилестроения наиболее перспективным направлением автоматизации управления является применение электронных систем. Электронный блок управления
ГМП осуществляет формирование сигналов управления на переключение передач, блокирование гидротрансформатора, управление режимами работы двигателя при переключении передач. Кроме того, он управляет процессом включения и выключения фрикционов, обеспечивая выполнение отмеченных выше требований. Поскольку управление фрикционами ГМП осуществляется посредством гидропривода, то носителем конечного сигнала системы управления является рабочая жидкость. Следовательно, управляющие сигналы, формируемые электронным блоком, нуждаются в усилении и смене физической природы. Решение этой задачи обеспечивается применением электро-гидравлических исполнительных механизмов управления фрикционами.
На рис. 1 показана принципиальная схема системы управления фрикционом ГМП. Система содержит источник подачи рабочей жидкости под давлением 1 (гидронасос с переливным клапаном), исполнительный гидроцилиндр фрикциона 2, осуществляющий сжатие дисков при его включении, механизм управления фрикционом 3 и электронный блок управления 4 (ЭБУ).
Механизм управления фрикционом состоит из регулятора давления 5 и устройства 6 обнаружения момента окончания заполнения гидроцилиндра фрикциона 2.
Рис. 1. Принципиальная схема электрогидравлического исполнительного механизма управления фрикционами ГМП
Регулятор давления представляет собой двухкаскадный гидрораспределитель с пропорциональным управлением. Первый каскад 7 распределителя составляет пилотную ступень управления давлением, а второй каскад 8 обеспечивает усиление сигнала управления, формируемого пилотной ступенью. Пилотная ступень 5 регулятора давления 7 представляет собой электро-гидравлический регулятор давления (ЭГРД), состоящий из золотникового клапана 9 и электромагнита 10. В зависимости от применяемого электромагнита ЭГРД может быть выполнен как в виде электро-гидравлического модулятора давления, так и в виде электрогидравлического пропорционального клапана. Второй каскад 8 распределителя представляет собой многопозиционный гидроаппарат золотникового типа, отрабатывающий управляющие сигналы пилотной ступени 7.
Устройство 6 обнаружения момента
окончания заполнения гидроцилиндра фрикциона 2 используется для формирования информационного сигнала, подаваемого в ЭБУ, о начале регулирования давления в гидроцилиндре фрикциона 2, что в большой степени обеспечивает выполнение вышеуказанных требований к показателям качества переходных процессов при переключении передач. В данных устройствах для обнаружения момента окончания заполнения гидроцилиндра фрикциона могут использоваться следующие принципы:
1) фиксирование всплеска давления в питающей гидролинии фрикциона вследствие остановки поршня цилиндра фрикциона - обнаружение «по давлению»;
2) фиксирование резкого снижения расхода рабочей жидкости в питающей гидролинии в момент остановки поршня фрикциона - обнаружение
«по расходу»;
3) фиксирование падения угловой скорости турбинного колеса гидротрансформатора, обусловленного возрастанием момента трения включаемого фрикциона;
4) определение времени начала процесса нарастания давления в гидроцилиндре фрикциона на основе статистических данных, полученных в результате исследований.
Достоинством первого способа обнаружения окончания процесса заполнения гидроцилиндра фрикциона является простота его реализации. В питающей гидролинии устанавливается реле давления, настроенное на определенный уровень. При превышении данного уровня давления реле срабатывает и формирует электрический сигнал о начале процесса регулирования, передаваемый в ЭБУ. Реле давления подключается параллельно гидролинии, соединяющей гидроцилиндр с регулятором давления, и поэтому не влияет на величину подачи рабочей жидкости в гидроцилиндр, что обеспечивает надежную работу фрикциона даже при наличии некоторой величины утечек при износе уплотнений гидроцилиндра.
Несмотря на вышеперечисленные достоинства, механизмы данной группы имеют существенный недостаток. Величина всплеска давления, фиксируемая реле давления, может изменяться в зависимости от параметров гидроцилиндра фрикциона, и поэтому для надежной фиксации момента начала буксования фрикционных дисков необходимо изменять настройку датчика для каждого конкретного фрикциона ГМП.
Механизмы следующей группы в качестве сигнала для начала регулирования давления в гидроцилиндре фрикциона используют сигнал о падении расхода в питающей гидролинии фрикциона при остановке поршня гидроцилиндра. Для фиксации момента резкого снижения расхода рабочей жидкости данные механизмы используют клапан контроля потока, работа которого основана на дросселировании потока жидкости, поступающей в гидро-
цилиндр через дроссельные отверстия клапана. Несмотря на то, что клапан контроля потока несколько усложняет конструкцию исполнительного механизма и увеличивает его габариты, фиксация момента остановки поршня гидроцилиндра фрикциона посредством таких механизмов более надежная.
Недостатком механизмов данной группы является возможность ложного срабатывания индикатора заполнения фрикциона на этапе быстрого заполнения при недостаточной подаче насоса либо, наоборот, задержка срабатывания при больших утечках в гидроцилиндре фрикциона.
Фиксирование момента полного заполнения полости гидроцилиндра фрикциона «по расходу» имеет и еще одно важное преимущество по сравнению с другими способами. Такие механизмы позволяют снизить уровень всплеска давления жидкости в момент полного заполнения гидроцилиндра фрикциона за счет уменьшения жесткости системы, обусловленного освобождением дополнительного объема перемещающимся подпружиненным золотником.
Третья группа исполнительных механизмов для определения начала этапа нарастания давления использует сигнал с датчика угловой скорости турбинного колеса гидротрансформатора. ЭБУ анализирует данный сигнал, и при падении угловой скорости турбинного колеса в результате буксования фрикциона подает сигнал на исполнительный механизм о начале процесса нарастания давления.
Недостатком этого способа является сложность обработки сигнала с датчика угловой скорости турбинного колеса, а также невозможность обнаружения момента начала процесса регулирования давления при одновременном включении нескольких фрикционов.
В четвертой группе исполнительных механизмов этап нарастания давления начинается через определенное вре-
мя после начала заполнения гидроцилиндра фрикциона. Время начала регулирования давления для различных режимов движения автомобиля определяется на основе предварительных исследований и закладывается в алгоритм управления переключением передач. Реализация алгоритма этого способа очень проста, однако в этом случае полностью отсутствует адаптация системы управления фрикционом к реальным условиям эксплуатации автомобиля. Неизбежные отклонения значений реального времени заполнения гидроцилиндра от заданных в алгоритме значений приводят к увеличению динамических нагрузок в трансмиссии и теплонапряженно-сти пар трения в процессе переключения передач.
На кафедре «Автомобили» Белорусско-Российского университета разработано несколько различных конструкций исполнительных механизмов управления фрикционами ГМП. Для обнаружения момента окончания заполнения гидроцилиндра фрикциона и подачи сигнала на начало регулирования давления в гидроцилиндре фрикциона в разработанных механизмах использованы первые два рассмотренных выше принципа - «по давлению» и «по расходу». Эти принципы наиболее часто используются в мировой практике автомобилестроения, хорошо отработаны и обеспечивают высокую эффективность управления.
При создании опытного образца мехатронной системы управления ГМП в 2004 г. для карьерного самосвала БелАЗ-7516 грузоподъемностью 135 т был использован принцип обнаружения момента окончания заполнения гидроцилиндра фрикциона «по расходу». В исполнительном механизме управления фрикционом был установлен клапан расхода. Этот исполнительный механизм выполнен по схеме, представленной на рис. 1. В качестве устройства 6 обнаружения момента окончания заполнения гидроцилиндра фрикциона 2 используется индикатор заполнения, в котором подпружиненный золотник реагирует на падение расхода в
питающей магистрали фрикциона и замыкает электрический контакт, передающий информационный сигнал в ЭБУ. Разработанная конструкция индикатора заполнения кроме обнаружения момента начала этапа регулирования давления выполняет также функцию механизма плавного включения фрикциона, снижающего всплеск давления в питающей магистрали в момент остановки поршня фрикциона. Принцип работы описанного исполнительного механизма опубликован в [1], а на его конструкцию получен патент на изобретение [2].
Принцип обнаружения «по давлению» использован в исполнительном механизме управления фрикционом ГМП для гусеничной машины ГМ-352М1Е. Этот исполнительный механизм также выполнен по схеме, представленной на рис. 1. Устройство 6 обнаружения момента окончания заполнения гидроцилиндра фрикциона 2 выполнено в виде индикатора давления оригинальной конструкции. Индикатор представляет собой подпружиненный золотник, который при превышении определенного уровня давления перемещается и замыкает электрические контакты, формируя информационный сигнал, подаваемый в ЭБУ, о начале этапа регулирования давления. Опытный образец разработанного исполнительного механизма прошел испытания на гусеничной машине ГМ-352М1Е. Недостатком данной конструкции является сложность настройки индикатора давления для фиксирования различных уровней давления. Так как фрикционы имеют различные параметры, такие как жесткость возвратных пружин, объем гидроцилиндра фрикциона, для каждого фрикциона необходимо производить настройку уровня фиксации давления.
Для карьерного самосвала БелАЗ-7516 грузоподъемностью 135 т исполнительный механизм, разработанный для гусеничной машины
ГМ-352М1Е, был модернизирован. Вме-
сто индикатора давления был применен электронный датчик давления мембранного типа фирмы «Суко». Этот датчик позволяет изменять настройку давления срабатывания и имеет значительно меньшие габариты, чем индикатор давления в предыдущем исполнительном механизме. Кроме того, блочная конструкция предыдущего исполнительного механизма была заменена на модульную. В отличие от САУ ГМП гусеничной машины ГМ-352М1Е, где были объединены в одном корпусе исполнительные механизмы управления фрикцио-
нами переключения первой и второй, третьей и четвертой передач, разработанные для БелАЗ-7516, исполнительные механизмы выполнены в виде отдельных модулей для каждого фрикциона.
Для описания принципа работы этого исполнительного механизма на рис. 2 приведены теоретические циклограммы включения фрикциона ГМП, иллюстрирующие изменение основных параметров.
а)
б)
в)
0
і
і
і
і
і
2
1
3
0
Рис. 2. Циклограммы процесса включения фрикциона ГМП: а - изменение величины силы тока в обмотке электромагнита пропорционального клапана; б - изменение давления в выходном канале регулятора давления; в - изменение давления в гидроцилиндре фрикциона
В момент времени ^ ЭБУ выдает команду на начало процесса включения фрикциона. В течение интервала времени 1зап происходит заполнение полости гидроцилиндра фрикциона, а затем в течение времени Ц осуществляется этап регулирования давления в гидроцилиндре, обеспечивающий заданную характеристику синхронизации ведущей и ведомой частей включаемого фрикциона, при которой достигается плавное переключение передач.
На обмотку электромагнита пропорционального клапана 3 в момент времени г0 подается максимальное напряжение, формируемое ЭБУ, и возникающая в обмотке сила тока максимальной величины 1утах выдерживается в течение интервала времени ^ап1. Это обеспечивает поддержание высокого уровня давления рабочей жидкости ррд, устанавливаемого регулятором давления в выходной гидролинии, что способствует быстрому заполнению гид-
роцилиндра на начальном этапе. При этом наблюдается небольшой всплеск давления в гидроцилиндре фрикциона из-за инерционности поршня. Окончательный этап заполнения в течение интервала времени 1зап2 происходит при меньшем давлении, что способствует снижению величины всплеска давления рв, возникающего в гидроцилиндре фрикциона в момент его полного заполнения. Значения давлений рц0 и рцк определяются усилиями возвратных пружин поршня гидроцилиндра.
На рис. 3 показана конструктивная схема исполнительного механизма управления фрикционом ГМП, разработанная для карьерного самосвала БелАЗ-7516, использующая для фиксации момента полного заполнения гидроцилиндра фрикциона принцип обнаружения «по давлению».
Рис. 3. Конструктивная схема исполнительного механизма управления фрикционом ГМП
Исполнительный механизм управления фрикционом ГМП состоит из регулятора давления 15 и датчика давления 1.
Вход механизма управления фрикционом 9 соединен гидролинией с источником подачи рабочей жидкости под дав-
лением (гидронасосом с переливным клапаном), а выходы 10 и 11 соединены гидролиниями с гидроцилиндром фрикциона и с гидробаком соответственно.
Регулятор давления состоит из элек-трогидравлического пилотного клапана 16 и регулятора-распределителя 7. Пилотный клапан 16 выполнен в виде электрогид-равлического пропорционального клапана 14, который состоит из пропорционального электромагнита и трехлинейного многопозиционного гидрораспределителя. Регулятор-распределитель 7 представляет собой четырехлинейный многопозиционный гидроаппарат золотникового типа.
При включении передачи механизм управления работает следующим образом. На первом этапе заполнения гидроцилиндра фрикциона в течение времени ?зап1
ЭБУ выдает электрический управляющий сигнал на обмотку электромагнита пропорционального клапана 14, сила тока которого максимальна I = I . Возни-
г у уmax
кающее усилие на якоре электромагнита перемещает запорно-регулирующий элемент пилотного гидрораспределителя в положение, при котором гидролиния 5 сообщается с полостью управления 13, в которой возникает давление рабочей жидкости, величина которого пропорциональна силе тока в обмотке электромагнита пропорционального клапана 14. В свою очередь, золотник 12 регулятора-распределителя 7, реагируя на силовое воздействие давления рабочей жидкости в полости управления 13, перемещается в положение, при котором соединяет гидролинию 9 с выходной гидролинией 10. Давление в гидролинии 10 также будет пропорционально величине силы тока в обмотке электромагнита пропорционального клапана 14. Чтобы определить эту зависимость, рассмотрим уравнение равновесия золотника 12 регулятора-распределителя:
где р13 - давление рабочей жидкости в
полости управления 13; р6 - давление
рабочей жидкости в полости обратной связи 17; Ал, Апр - площади левого и
правого торцов золотника 5 соответственно; %, Апр , ^пред - коэффиЦиент жесткости, деформация и усилие пред-натяга возвратной пружины 6 соответственно.
Если выразить из уравнения (1) давление в полости обратной связи р17 ,
то получится следующая зависимость:
Рб =■
пред
A
(2)
пр
Р1З Ал = Рб Апр + Спр А пр + ^ред,
(l)
Из выражения (2) видно, что величина давления в полости обратной связи 6, а следовательно, и в выходной гидролинии 10 представляет собой функцию давления в полости управления 13 р6 = f (ру13), которое представляет собой линейную зависимость от величины силы тока в обмотке электромагнита пропорционального клапана 14.
На втором этапе заполнения гидроцилиндра фрикциона ЭБУ снижает величину силы тока в обмотке электромагнита пропорционального клапана 14 до значения I . При этом давление в по-
у Ш1П г
лости управления 13 соответственно уменьшается до величины рд ш1п . Баланс
сил, действующих на золотник 12 регулятора-распределителя 7, изменяется и золотник 12 перемещается влево, соединяя выходную гидролинию 10 со сливной гидролинией 11. После снижения давления в выходной гидролинии 10 до величины рдШ1П золотник 12 сместится
вправо и будет совершать колебания относительно своего нейтрального положения, при котором перекрыто сообщение между каналами 9, 10 и 11, для поддержания этого уровня давления.
В момент полного заполнения гидроцилиндра фрикциона наблюдается всплеск давления в гидролинии 10 на величину рв. Датчик давления 2 передает
электрический сигнал на ЭБУ при превышении в гидролинии 4, связанной с выходной гидролинией 10, заданного уровня давления, который не должен превышать давление всплеска рв и должен быть большим, чем давление рдтт. Данный
сигнал ЭБУ воспринимает как сигнал начала этапа регулирования давления.
В течение времени ґр ЭБУ увеличивает величину силы тока на обмотке электромагнита пропорционального клапана 14 по заданному закону в соответствии с алгоритмом управления. По тому же закону изменяется и величина давления жидкости в полости управления 13. При этом золотник совершает колебания относительно своего нейтрального положения, увеличивая давление в выходном канале
10 в соответствии с давлением в полости управления 13.
Для выключения фрикциона ЭБУ формирует команду на обесточивание обмотки электромагнита пропорционального клапана 14, запорно-регули-рующий элемент которого соединяет полость управления 13 со сливной гидролинией 5. Снижение давления в полости управления 13 позволяет золотнику 12 переместиться влево и соединить выходную гидролинию 10 с гидробаком. Давление в гидроцилиндре фрикциона при этом падает до нуля.
На рис. 4 представлен общий вид исполнительного механизма управления фрикционом ГМП, разработанный для карьерного самосвала БелАЗ-7516.
Разработанный исполнительный механизм прошел стендовые испытания на экспериментальной базе Белорусского автомобильного завода.
Рис. 4. Общий вид исполнительного механизма управления фрикционом ГМП
Результаты испытаний подтвердили эффективность его использования в САУ ГМП карьерного самосвала.
В настоящее время производится доработка технической документации системы автоматического управления ГМП применительно к карьерным самосвалам БелАЗ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разработка перспективных систем автоматического управления гидромеханическими передачами мобильных машин / В. П. Тарасик
[и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2006. -№ 4. - С. 46-51.
2. Пат. 9916 РБ МКИ7 F 16 D 29/00,
F 16 H 61/06. Механизм управления фрикционом / В. П. Тарасик [и др.] ; заявитель и патентообладатель Белорус.-Рос. ун-т. -
№ а20051023 ; заявл. 25.10.05 ; опубл. 30.10.07, Бюл. № 5. - 8 с. : ил.
3. Тарасик, В. П. Интеллектуальные системы управления транспортными средствами : монография / В. П. Тарасик, С. А. Рын-кевич. - Минск : Технопринт, 2004. - 512 с. : ил.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 28.09.2007
V. P. Tarasik, R. V. Plyakin Clutch control apparatus for hydromechanical transmission
Belarusian-Russian University
The principles of operation of a hydromechanical transmission of automatic control system for vehicles are observed in the paper. Standards for it have been given and possible alternatives of modification of the given systems have been analysed. The design of an actuator for clutches of hydromechanical transmission for heavy-duty trucks BelAZ has been offered. The description of control processes by a clutch at its engaging has been given.
