Научная статья на тему 'Метод моделирования динамики механических трансмиссий автомобилей с фрикционными сцеплениями'

Метод моделирования динамики механических трансмиссий автомобилей с фрикционными сцеплениями Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
346
93
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕХАНИЧЕСКИЕ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЕЙ / ФРИКЦИОННЫЕ СЦЕПЛЕНИЯ / МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ / MANUAL TRANSMISSIONS / FRICTION CLUTCH / MODELING THE DYNAMICS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Селифонов В. В., Нгуен Хак Туан

В данной статье представлен метод моделирования динамики механических трансмиссий автомобилей с учетом двух фаз буксования и замыкания фрикционного сцепления.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Селифонов В. В., Нгуен Хак Туан

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modeling of Dynamics of Vehicles Manual Transmissions System with Frictional Clutch

The paper presents a method modeling of dynamics of manual automotive transmissions, taking into account two phases of slip and stick of frictional clutch.

Текст научной работы на тему «Метод моделирования динамики механических трансмиссий автомобилей с фрикционными сцеплениями»

определение долговечности узлов и деталей трансмиссии представленный способ может дать достаточно точные исходные данные для проведения такого рода расчетов.

Выводы

Разработан и реализован способ проведения режимометрирования нагруженности трансмиссии с использованием данных с электронной системы управления двигателем (ЭСУД). Проведены экспериментальные заезды автомобиля в городских условиях эксплуатации в двух режимах.

Определены некоторые статистические данные, а также показана плотность распределения крутящего момента на первичном валу при движении автомобиля в городских условиях, что может быть применено при проведении квазистатических расчетов на долговечность, а также для создания методик испытаний трансмиссий на долговечность.

Метод моделирования динамики механических трансмиссий автомобилей с

фрикционными сцеплениями

к.т.н. проф. |Селифонов В.В.|, Нгуен Хак Туан

МГТУ «МАМИ» tuannkcn@vahoo.com

Аннотация. В данной статье представлен метод моделирования динамики механических трансмиссий автомобилей с учетом двух фаз буксования и замыкания фрикционного сцепления.

Ключевые слова: механические трансмиссии автомобилей, фрикционные сцепления, метод моделирования динамики

Работа фрикционных сцеплений (ФС) тяговых и транспортных машин характеризуется повторными включениями и выключениями с чередующимися паузами. От динамических процессов в трансмиссии при включении ФС зависит передаваемый ею момент. Момент двигателя, передаваемый на трансмиссию, и предельный момент трения определяют два возможных режима работы ведущих и ведомых частей ФС: их относительное проскальзывание, если момент, передаваемый на трансмиссию, равен моменту трения в ФС; или их относительный покой, если момент, передаваемый на трансмиссию, меньше предельного в ФС момента трения. В данной статье представлен метод моделирования динамики механических трансмиссий автомобилей с фрикционными сцеплениями для этих двух случаев.

Исследования показывают, что определение динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля 4x2 с ФС можно выполнять по расчетной схеме, изображенной на рисунке 1.

Мс

1

I,

I

I

I

д^с кп ^ К -I А

Рисунок 1 - Динамическая модель трансмиссии автомобиля с ФС

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: моменты инерции: 1д - вращающиеся части двигателя, маховика и кожуха ФС, 1с - сцепления, /КП - коробки передач, 1К - колес с шинами, 1А - поступательно движущаяся масса автомобиля;

жесткости: сС - валов и зубьев зубчатых колес коробки передач, сТР - остальных узлов трансмиссии, сш - шины;

Ьс, Ътр, Ьш - коэффициенты демпфирования сцепления, остальных узлов трансмиссии и шин соответственно;

• и - передаточное число трансмиссии;

• фд, фС, фКП, фК, фА - углы поворота масс, определяющих 1д, 1с, /кп, 1к, 1А соответственно.

Момент двигателя Мд действует по координате ф1, момент трения сцепления Мс действует по координате фС, момент сопротивления качению на ведущих колесах М/ действует по координате фК, момент сопротивления МСП (включает моменты: момент сопротивления подъему, момент аэродинамического сопротивления и момент сопротивления качению на ведомых колесах) действует по координате фА.

При буксовании ФС момент трения в сцеплении определяется по формуле:

Мс = /т РПЖКг ^т(Фд -Фс ) (1)

где: /Т - коэффициент трения скольжения; Рпж - усилие, развиваемое на поверхностях трения пружинами нажимного устройства, Ят - радиус трения. Дифференциальные уравнения движения для системы (рисунок 1) можно записать в следующем виде:

/д фд = МД - МС

1сФс = МС - Ьс (Фс -Фкп ) - Сс (Рс - Ркп ) 1 КП Фкп = Ьс ( Фс - ФКП ) + Сс (Рс - Ркп )

- гК (г ■Фкп - Фк ) - гстр (г ■Ркп - Рк ) IК Фк = ЬТР (г- Фкп - Фк ) + стр (г-Ркп - Рк )

- Ъш ( Фк - Фа ) - сш (г ■ Рк - Ра ) - М/ 1а Фа = Ьш (Фк - Фа ) + сш (и.Рк - Ра ) - Мсп (2)

Систему уравнения (2) можно описать по-разному. Каждое описание стремится объединять буксование и замыкание системы в единую систему уравнения. Трудность, которая возникает при этом, это очевидное изменение числа степеней свободы. При фазе замыкания, момент инерции 1д и 1с может быть описан одной координатой 1= 1д + 1с вместо двух в фазе буксования. Эта особенность усложняет описание системы математически. Ниже представлены две возможные формы этого описания.

• Описание системы на рисунке 1 в пространстве состояний.

Система уравнения (2) может быть описана в форме пространства состояний в следующем виде:

х = Ах + вг

где: х - вектор состояния, А - матрица системы, В - матрица управления, г - вектор управления.

При описании динамики трансмиссии автомобиля с учетом фазы буксования и замыкания сцепления в модели используем параметр переключения кп

[0, если фд - фС = 0

11, если\ фд - фС\ > 0

Таким образом, математически движение системы на рисунке 1 в пространстве состояний описывается следующим соотношением:

х = кп.Аб х + кп вб и + (1 - кп)А х + (1 - кп) в и + рО) , (3)

где вектор состояния х и вектор и имеют вид:

х = \Рд Рд Фс Рс Фкп Ркп Фк Рк Фа Ра ); " = (М д Мс Мр М ш )Т

?

Аб, Вб, Аз, Вз - матрицы соответствуют фазе буксования и замыкания. Найденные матрицы управления Вб, Вз в данном случае имеют следующий вид:

В =

( 1/1Д -1/1Д 0 0 > '!/(I д +1С ) 00 0 1

0 0 0 0 0 00 0

0 1/ 1с 0 0 0 00 0

0 0 0 0 0 00 0

0 0 0 0 0 00 0

вб =

0 0 0 0 0 00 0

0 0- 1/1К 0 0 0 - 1/ 1к 0

0 0 0 0 0 00 0

0 0 0 - 1/ 1А 0 00 - 1/ 1а

V 0 0 0 0 у V 0 00 0 У

Найденные матрицы системы Аб, Аз имеют следующий вид:

Л =

(0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 >

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 - Ъ -сс Ъс -сс 0 0 0 0

1с 1с к к

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 Ъ Сс - Ъс - и2Кр - Сс - и 2стр иЪтр иСтр 0 0

1с 1с Ь Ь ь ь

0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 Ътр с - тр Ътр - Ъш трш - с - с тр ш Ъш Сш

17 IК IК IК IК IК

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 0 0 Ъш ь Сш IА Ъш IА Сш IА

V 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 у

( 0 0 -Ъ с - с с Ъ с с С 0 0 0 Л 0

1Д + IС 1Д +1 С ^ Д + I С IД + IС

0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 Ъ с с с - Ъ - и2 Ъ с тр - с - и 2 ст тр иЪтр тр истр тр 0 0

I с I с I с I С I С I С

0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 Ътр тр стр тр - Ъ - Ъ тр ш - стр - сш тр ш Ъш ш с ш

17 17 IК IК IК IК

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 0 0 Ъш ш ТА сш ш ТА Ъш ш Та сш Ш ТА

V 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 у

Описание динамики трансмиссии автомобиля с ФС по единому уравнению системы.

Следует отметить, что, когда сцепление замыкается, увеличение силы Рпж не влияет на

б

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

момент Мс, переданный через сцепление.

При этом моменты инерции 1д и 1С соединятся в один момент инерции и момент, переданный по координате 1д и 1С, нужно заменить на Мсц (4). Момент Мсц может быть найден из первого и второго уравнений системы уравнений (1).

Когда сцепление замыкается, скорость буксования становится равным нулю, то есть

Фд Фс-, в результате из (1) получим:

~т (мд - Мс )= ~Т М -Сс (Р - Ркп ) - Ъс(Фа - Фкп )]

I

I.

Момент трения МС, переданный через сцепление в состоянии его замыкания:

1д М (<РС - Ркп ) + Ъс(Фа - Фкп )] +1 аМд

^ М = ■

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1Д + 1а

(4)

При этом сцепление остается заблокированным, если момент сопротивления Мс не превышает статический момент трения МТ:

м < м = / Р Я

±у± с — Т ¿ТП ПЖ т

где: /Тп - коэффициент трения покоя.

Таким образом, из (1), (2) и (4) дифференциальных уравнений движения рассматриваемой системы можно составить следующую систему уравнений в виде:

1 д Фд = Мд - Мс

1 с Фс = Мс - Ъа (РРс - РРкл ) - са (Ра - Ркп )

м =\

/трпжЯтя^8п(<Рд - <Рс x

1 д М {фс - Ркп ) + Ъс (РРа - РРкл )1 1аМд

1д + 1а

1д + 1а

при рд - рс Ф 0 при р - рс = 0

1КПФкп = Ъа (РРс - <Ркп) + сс (Ра - Ркп) - иЪтр (и<<Ркп - РРк ) - истр (и<Ркп - Рк ) 1к Фк = ЪТР (и ■ РРкп - <Рк ) + СТР (и ■ Ркп - Рк ) - ъш (<Рк - <Рл ) - сш (и ■ Рк - Ра ) - М/ 1 а Фа = ъш ( РРк - РРл ) + сш (и ■ Рк - Ра ) - Мсп

(5)

Преимущество в использовании этой формулы состоит в том, что та же самая система уравнений используется для двух состояний работы сцепления: буксования и замыкания. Очевидно, что в системе уравнении (5) отсутствует параметр переключения кп и только момент Мс характеризует работу сцепления (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема переключения состояния работы сцепления

Далее рассмотрим моделирование динамики механических трансмиссий автомобилей с ФС в среде программирования Ма1;1аЬ-81ши1тк.

Систему уравнений (5) можно решить разными методами. Здесь проводится моделирование динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ФС при трогании автомобиля с быстрым включением сцепления в среде программирования Ма1;1аЬ-81ши1тк.

На рисунке 3 показана модель, имитирующая динамику механических трансмиссий автомобилей с ФС по системе уравнений (5). В качестве модельного образца взята трансмиссия автомобиля со следующими параметрами: 1д=0.156; 1С=0.5; 1КП=0.2; 1К=13; 1А=115 (кг.мЛ2);

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. сс=1200; стр=6000; сш=5700 (Нм/рад); Ьс=200; Ьтр=0; Ьш=800 (Нмс/рад).

МАТЬйВ ЗЪф^оп

-чш-

Рисунок 3 - Блок-схема, имитирующая математическую модель динамики механических трансмиссий автомобилей с ФС

2 3 4

Врет 1[сн0

А.

-угругил м>еит Мгр

упрун« момент Ми

2 3 4

Оремп II сек]

Рисунок 4 - Зависимости угловых скоростей юе, юс, момент трения сцепления (4.а) и упругих моментов Мтр, Мш от времени (4.б) при Мс тах=80Нм

Начальные условия: при t=0; Мд=70Нм; угловая скорость ДВС Юд0=80 рад/с; угловая скорость вала сцепления юс=0 рад/с; УА=0 км/ч, момент трения сцепления Мс представляется в виде скачкообразной зависимости (рисунки 4а и 5 а):

[0, при t < tc

М =■

IМ , при t > t

I с шах' г с

где: tc - время включения сцепления; Мс шах - максимальный момент трения сцепления.

Стоит отметить, что упругие моменты соответственно в сцеплении Мис, в приводах моста МТР и в шинах МШ определяются следующими формулами:

мс = Ьс (Фс - Фкп ) + сс (Рс - Ркп );

МТР = ЬТР (и-Фт -Фк ) + СТР (и Ркп - Рк )

мш = Ьш (Фк - Фл) + сш (иРк - РаX .

Таким образом, решая системы уравнений (5), можно определить моменты в упругих звеньях трансмиссии, а также углы поворота масс 1д, /с, /кп, 1к, 1А.

На рисунках 4 и 5 представлены результаты расчёта, соответствующие значениям

Мс тах=80 и Мс тах=120 Н-м, при времени включения ФС ^=0.4 сек. На рисунках 4а и 5а представлены зависимости угловых скоростей ДВС юд, сцепления юс и момента трения сцепления от времени. На рисунках 4б и 5б представлены результаты расчета упругих моментов в приводах моста и в шинах.

Рисунок 5 - Зависимости угловых скоростей we, wc, момент трения сцепления (5.а) и

упругих моментов Мтр, Мш от времени (5.б) при Мс тах=120Нм

Результаты расчетов показали, что если при включении сцепления при трогании автомобиля максимальный момент трения сцепления Мс max больше, чем динамические моменты, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля, то при этом меньше буксование сцепления. Результаты расчетов также показали, что с момент окончания буксования (t^2,7 с на рисунке 4а и t^1,07 c на рисунке 5 б) необходимый момент трения МСН, сохраняющий сцепление заблокированным, приблизительно равен крутящему моменту ДВС и не зависит от максимального момента трения сцепления Мс тах.

Заключение

Систему дифференциальных уравнений, описывающую динамику трансмиссии автомобиля с учетом фазы буксования и блокирования сцепления, можно записать в разных видах. При этом метод моделирования в виде (5) наиболее прост и позволяет получить более быстрое решение с помощью известного программного обеспечения. Данный метод дает возможность подробно исследовать динамические процессы в сцеплении и их влияние на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля.

Литературы

1. Барский И.Б, Шарипов В.М и др Сцепление транспортных и тяговых машин -М.: Машиностроение, 1989 - 344с.

2. Альгин В.Б, Павловский В. А. Динамика трансмиссии автомобиля и трактора - Мн.: Наука и техника, 1986 - 216 с.

3. Селифонов В.В. Автоматические управление сцепления - М. МАМИ, 1988 - 27с.

4. Kapnopp D.C. System Dynamic: A Unified Aproach (1990), Wiley-Interscience, New York 1990.

О размещении демпфера крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля

к.т.н. доц. Соломатин Н.С., Зотов Е.М., Симонов Д.В. Тольяттинский государственный университет + 7-8482-53-92-59, sns@tltsu.ru Аннотация. В статье приведены результаты исследования влияния на собственные частоты трансмиссии расположения демпфера крутильных колебаний. Показано, что целесообразно устанавливать демпфер крутильных колебаний в маховике двигателя.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.