CC BY
115
УДК 629.113
МЕТОДИКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ
Г.Д. Драгунов, Д.С. Власов, А.А. Юсупов
TECHNIQUE IT IS SETTLEMENT-EXPERIMENTAL RESEARCH CAR TRANSMISSIONS
G.D. Dragunov, D.S. Vlasov, A.A. Jusupov
Представлена методика расчетно-экспериментального исследования, математическая модель и ходовая лаборатория на базе автомобиля УАЗ-Э1512, предназначенные для дорожных испытаний трансмиссии.
Ключевые слова: ходовая лаборатория, математическая модель, трансмиссия, коробка передач.
The technique is presented is settlement-experimental research, mathematical model and running laboratory on the basis of car UAZ-31512, the transmissions intended for road tests.
Keywords: running laboratory, mathematical model, transmission, gearbox.
При исследовании сложных механических систем, например механических трансмиссий автомобилей, рационально использовать сочетание методов математического моделирования, численного исследования на их основе и натурного эксперимента. Такой подход позволяет наилучшим образом спланировать эксперимент, уменьшить его объём и время проведения, повысить точность результатов, упростить их обработку вплоть до её автоматизации с использованием соответствующих программ, С этой целью разработана методика расчетно-экспериментального исследования трансмиссии автомобиля, в которой используются компьютерные технологии.
Наиболее полную информацию позволяют получить дорожные исследования трансмиссии автомобиля с использованием ходовой лаборатории [1]. В ходе испытаний фиксируются и определяются:
- пробег и объем выполненной работы;
- отказы, поломки, неисправности, нарушения регулировки;
- время и расходы на устранение отказов;
- средние скорости движения;
- средние расходы топлива, масел и других эксплуатационных материалов;
- запас хода (продолжительность работы без дозаправки) по топливу;
- изменение физико-химических свойств масел и смазок;
- достаточность, удобство укладки и крепления комплекта возимых запчастей, инструмента и принадлежностей;
- удобство и трудоемкость выполнения операций технического обслуживания;
- полнота проекта руководства по эксплуатации.
В отличие от стендовых, лабораторно-дорожные испытания позволяют получить больше информации, в том числе данных по влиянию трансмиссии на автомобиль в целом.
Для проведения исследований трансмиссии автомобиля разработана ходовая лаборатория, представляющая собой автомобиль YA3-31512, оснащенный экспериментальной коробкой переключения передач (далее ЭКПП) и измерительным комплексом(ИК).
В состав измерительного комплекса входят тензорезистивные датчики крутящего момента (КФ 5П1-10-100) и индукционные датчики скорости вращения, в качестве которых применяются коллекторные двигатели постоянного тока типа ДПМ и ДПФ (Д11М-25-Н1 - на заднем колесе и на двигателе и ДПФ-42-Ф1 - в КПП).
Экспериментальные исследования проводятся на режимах, определяемых городским циклом движения по ГОСТ 20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний».
Для математического моделирования и численного эксперимента используется динамическая схема трансмиссии автомобиля, представленная на рис. 1.
Із С,
Рис. 1. Динамическая схема трансмиссии: 1д - момент инерции двигателя; 12 - момент инерции первичного вала и шестерен привода; 13 - момент инерции водила; Ц - момент инерции главной передачи и дифференциала; 15 - момент инерции колес; 1а - момент инерции автомобиля; Сі2 - жесткость первичного вала; С2 - жесткость промежуточного вала; С3 - жесткость водила; С4 - жесткость карданной передачи; С45 - жесткость двух полуосей; С56 - жесткость двух шин; Мд - крутящий момент двигателя; Мс - момент от внешних сил, действующих на автомобиль
Система уравнений, описывающая процесс переключения с параметрами динамической схемы, приведенными к коленчатому валу двигателя [2]:
ідФд + Сі2(Фд-Ф2)-Мд = 0;
(ф2 + а-ф4 - (і + Ь) ■ ф3) • С2' С4
І2Ф2 +
1зФ3-
І4Ф4 +
Сд + а ■ С2 (ф2 + а-ф4 - (1 + Ь) • ф3) • С2 • С4 С4 + а2'Сг (ф2 + а~ф4 — (1 + Ь) - ф3) • С2 ~ С4 С4 + а2 ■ С2
= Сі2(фд-ф2);
= 0;
= С45(Ф4-Ф5)’
Ьф5 - С45(ф4 - Ф5) + С5б(ф5 - фа) = °;
1афа-С5б(ф5-фа) + Мс = 0.
Здесь фі - угловой путь соответствующей маховой массы; а - отношение числа зубьев шестерни на выходном валу к числу зубьев шестерни на промежуточном валу коробки передач; Ь - отношение числа зубьев мнимого эпицикла к числу зубьев шестерни промежуточного вала.
Для решения системы уравнений используется программа МаґЬсасІ 14.
На текущем этапе исследований необходимо уточнить эксплуатационные параметры ЭКГТП:
1. Время переключения передач - для оценки тягово-динамических характеристик и топливной экономичности автомобиля.
2. Динамические нагрузки в трансмиссии - для оценки надежности ЭКПП.
Кроме того, необходимо получить данные для проверки адекватности математической модели.
Для оценки адекватности модели необходимо измерить и зафиксировать изменение во времени крутящего момента от внешних сил, действующих на автомобиль а также скоростей вращения всех валов. Поскольку крутящий момент на полуосях одинаков, то момент внешних сил можно определить, замерив момент на одной полуоси автомобиля, т. е. наклеив тензодатчики
на одну полуось. Для определения скоростей вращения валов достаточно измерить скорости на трех участках с постоянным передаточным отношением в процессе переключения передач:
1) на коленчатом валу двигателя;
2) на участке от ведомого диска сцепления до промежуточного вала и связанных с ним шестерен;
3) на участке от выходного вала коробки передач до ведущих колес автомобиля.
Исходя из компоновки узлов и агрегатов автомобиля, датчики целесообразно разместить в следующих местах (рис. 2):
1) датчик специальным кронштейном крепится к крышке распределительных шестерен двигателя;
2) датчик устанавливается на коробке передач и соединен с промежуточным валом;
3) датчик устанавливается на колесо соосно с его осью вращения, корпус датчика закрепляется неподвижно таким образом, чтобы обеспечить свободное вращение его подвижной части.
Рис. 2. Размещение датчиков (вид сверху)
На рис. 2 схематично отмечены места установки датчиков. Цифрой 1 обозначен индукционный датчик скорости вращения, установленный на коленчатом валу двигателя; цифрой 2 обозначен индукционный датчик скорости вращения, установленный в КПП; цифрой 4 обозначен индукционный датчик скорости вращения, установленный на заднем колесе; цифрой 5 обозначен тензорезистивная полумостовая схема, установленная на задней полуоси. Цифрой 3 на рисунке обозначена КПП.
Тензорезисторы соединяются в полумостовую схему, которая крепится на заднюю полуось автомобиля. Крутящий момент, создаваемый на полуоси, приводит к её деформации кручения.
Тензорезисторы, воспринимая деформацию, изменяют значение своего сопротивления. В результате чего изменяется напряжение в измерительной цепи. Изменение напряжения регистрируется измерительным преобразователем и при необходимости сохраняется в файл регистрации данных. Таким образом, можно осуществлять регистрацию крутящего момента на задней полуоси. Посредством градуировки тензорезисторов устанавливается зависимость между изменением крутящего момента на полуоси и изменением напряжения, снимаемого с полумостовой схемы.
Одной из особенностей данного ИК является применение радиоканала (рис. 3) для передачи информации о крутящем моменте на задней разгруженной полуоси. Традиционно используемые для этой цели контактные устройства, несмотря на их простоту, обладают целым рядом недостатков, затрудняющих и ограничивающих возможность их применения, в виду больших угловых скоростей вращения полуоси.
Тензо-
ушлипель
АЦП Bluefoofh- переаатчик
і А і f
Батарея Батфея
питания питания
ь\
Bluetooi'h-
приёмшк
Рис. 3. Структурная схема измерительного комплекса
Радиоканал состоит из передатчика и приемника радиосигнала. Передатчик радиосигнала фирмы SMART выполнен в виде модуля размером 30x50x15 мм, закрепленного на колесе так, что ось вращения передатчика совпадает с осью вращения колеса.
Питание передатчика осуществляется от элемента питания типа 6LR61 (стандарт Евросоюза) или 160A4 (ANSI). Был использован элемент фирмы Duracell с рабочим диапазоном напряжений от 9,6 В до 4,6 В, номинальным напряжением 9 В, номинальной ёмкостью 0,75 А/ч. Оцифрованный сигнал передаётся на приёмник по протоколу Bluetooth на частоте 2,4 ГГц.
Передатчик потребляет ток порядка 44-45 мА в режиме передачи информации, порядка 77 мА в режиме установки связи с приёмником (10-20 секунд при установке связи и запуске программы). Напряжение питания составляет 5 В. Таким образом, элемент питания может обеспечить бесперебойную работу передатчика на протяжении более чем 12 часов.
Приемник радиосигнала обеспечивает уверенный прием в радиусе 10 м от передатчика. Он соединяется с компьютером по интерфейсу USB.
Для обработки результатов испытаний и оценки погрешности применима методика работы [2].
Говоря об измерительном комплексе, стоит назвать его преимущества перед аналоговыми устройствами:
1. Позволяет отказаться от тахосъемников для получения сигналов с подвижных деталей и с автомобиля в целом, это стало возможно с применением радиоканала.
2. Информация получается от датчиков в цифровом виде, что безусловно удобно для передачи и обработки результатов.
3. Использование компьютерных технологий позволяет решить вопрос регистрации хранения и обработки данных. Ранее процесс передачи данных осуществлялся следующим образом: сигнал от тензодатчиков подавался через тахосъемники на тензоусилитель, после чего сигнал записывался на бумажную ленту. Все это естественно приводило к большим затратам труда и существенным погрешностям в измерении.
4. Стоит также отметить, что с использованием данного измерительного комплекса обеспечивается точность измерений в соответствии с ГОСТ 20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний».
Из недостатков можно отметить возможность возникновения эффекта Доплера, для уменьшения которого достаточно исключить относительное перемещение передатчика и приёмника, т. е. поместить приёмник на автомобиль.
Проведение многочисленных экспериментов показало, что используемый измерительный комплекс соответствует предъявляемым ранее требованиям и обеспечивает достаточную надежность функционирования.
Отличительной особенностью измерительного комплекса является использование в его составе готовых покупных комплектующих, минимальные доработки деталей автомобиля, его мобильность и изначальная ориентация на регистрацию параметров, выбор которых связан с особенностями испытаний. Комплекс предназначен для проведения испытаний в реальных дорож-
ных условиях, так как именно эти испытания могут дать необходимые данные по динамическим характеристикам, связанным с трансмиссией автомобиля. Разработанная аппаратура позволяет определить нагрузки в трансмиссии и их изменение во времени.
ИК может устанавливаться на испытуемом автомобиле, автомобиле сопровождения или, если это позволяет регистрирующая аппаратура, в отдельной лаборатории.
Литература
1. Безверхий, С.Ф. Основы технологии полигонных испытаний и сертификация автомобилей/ С.Ф. Безверхий, Н.Н. Яценко. -М.: Издательство стандартов, 1996. - 567 с.
2. Прасолов, Н.С. Обоснование режимов переключения в автомобильной коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений: дис.... канд. техн. наук / Н.С. Прасолов. - Челябинск: ЮУрГУ, 2004. - 125 с.
Поступила в редакцию 16 июня 2010 г.
Драгунов Геннадий Дмитриевич. Доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили», Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск). Область научных интересов -тепловые двигатели. Тел.: (351) 267-94-41.
Gennady D. Dragunov. The doctor of engineering science, professor of «Automobile» department of the South Urals State University. The area of scientific interests - heat engines. Tel.: (351) 267-94-41.
Власов Дмитрий Сергеевич. Студент кафедры «Автомобили», Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск). Область научных интересов - автомобильные коробки передач.
Dmitry S. Vlasov. The student of «Automobile» department of the South Urals State University. The area of scientific interests -automobile gearbox.
Юсупов Азат Ахметович. Инженер кафедры «Автомобили», Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск). Область научных интересов - автомобильные коробки передач.
Azat A. Yusupov. The engineer of «Automobile» department of the South Urals State University. The area of scientific interests -automobile gearbox.
1. В редакцию предоставляются печатный вариант статьи (шрифт 14 пт) и ее электронная версия (формат MS Word версии 2003 и ранее) согласно п. 5 настоящих правил, экспертное заключение о возможности опубликования статьи в открытой печати (оригинал), контактная информация ответственного за подготовку рукописи.
2. Структура статьи: УДК, название (не более 15 слов) на русском языке, список авторов на русском языке, название статьи на английском языке, список авторов на английском языке, аннотация (не более 350 знаков) на русском языке, список ключевых слов на русском языке, аннотация на английском языке, список ключевых слов на английском языке, текст статьи, литература (в порядке цитирования, ГОСТ 7.1-2003).
3. После текста статьи следуют сведения об авторах (Ф.И.О., научная степень, научное звание, место работы, должность, область научных интересов, контактная информация (почтовый адрес организации, e-mail) для каждого автора при ее наличии) на русском и английском языках.
4. Объем статьи, включая сведения об авторах - не более 10 страниц, оформленных в соответствии с правилами.
5. Параметры набора. Поля: зеркальные, верхнее, нижнее - 2,3 см, внутри - 2,2 см, снаружи - 2,5 см, переплет - 0. Отступы до колонтитулов - 1,8 см. Текст набирается в одну колонку, шрифт - Times New Roman, 11 пт. Отступ первой строки абзаца - 0,8 см. Выравнивание - по ширине. Междустрочный интервал - единичный. Включить автоматический перенос. Все кавычки должны быть угловыми (« »). Все символы «тире» должны быть среднего размера («-», а не «-»). Десятичный разделитель во всех элементах статьи (текст, формулы, таблицы, картинки) - запятая. Начертание цифр (арабских, римских) во всех элементах статьи - прямое (не курсив).
6. Формулы набираются в редакторе формул Microsoft Equation (строго!) с отступом 0,8 см. Размер символов: обычные - 11 пт, крупный индекс - 7 пт, мелкий индекс - 6 пт.
7. Рисунки - черно-белые. Если рисунок создан не средствами MS Office, необходимо предоставить его в редакцию в электронном виде в том формате, в котором он создан (tiff, bmp, cdr, dxf и т.д.). Для растровых рисунков разрешение не менее 300 dpi. Подрисуночные надписи выполнять шрифтом Arial, 8 пт, полужирным.
8. Адрес редакции научного журнала «Вестник ЮУрГУ», серии «Машиностроение»: Россия, 454080, г. Челябинск, пр. им. Ленина, 76, Южно-Уральский государственный университет, механико-технологический факультет, кафедра АМСП, ответственному редактору Тверскому Михаилу Михайловичу.
9. Электронная почта: vetkadog@mail.ru
10. Полную версию правил подготовки рукописей можно загрузить с сайта ЮУрГУ (http://www.susu.ac.ru), следуя ссылкам: «Научная деятельность», «Вестник ЮУрГУ», «Серии».
11. Плата с аспирантов за публикацию статей не берется.
ВЕСТНИК ЮЖНО-УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№ 29 (205) 2010 Серия
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Выпуск 16
Редактор Л.М. Соколова Компьютерная верстка В.Г. Харитоновой
Издательский центр Южно-Уральского государственного университета
Подписано в печать 20.09.2010. Формат 60x84 1/8. Печать трафаретная. Уел. печ. л. 10,23. Уч.-изд. л. 8,09. Тираж 500 экз. Заказ 393/674.
Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.
