CC BY
35
Моделирование трансмиссии автомобиля с помощью программы simulink
111 2 2 А.А. Карпов , М.А. Карпов , О.В. Судейко , М.В. Сидоров , В.А. Горликов
1 Калужский филиал «Московский государственный технический университет им.
Н.Э. Баумана», Калуга
2 Калужский филиал «Российский государственный аграрный университет - МСХА
им. А.К. Тимирязева», Калуга
Аннотация: В статье рассматривается использование математического моделирования трансмиссии автомобиля в среде Simulink. Проведены исследования влияния отдельных факторов трансмиссии на функциональные параметры автомобиля КамАЗ 4308. Дифференциальные уравнения, описывающие работу трансмиссии, решаются матричным способом, позволяют изучить динамику автомобиля с учетом моментов инерции двигателя, трансмиссии и отдельных колес автомобиля.
Ключевые слова: трансмиссия, колесная машина, сцепление, дифференциал, передаточное число, имитационное моделирование, максимальная скорость.
Введение. В наши дни при проектировании автомобилей все чаще и чаще применяются компьютерное проектирование автомобилей, в частности, внедряются имитационное моделирование в среде matlab/simulink [1, 2]. Такой подход позволяет минимизировать затраты на разработку автомобилей, рассмотреть различные варианты конструкций и обоснованно выбрать приемлемые варианты конструкции. Требования к математической модели трансмиссии транспортного средства определяются совокупностью задач, при решении которых должна быть получена необходимая информация для оценки эксплуатационных качеств [3, 4].
Цель работы: Провести исследование влияния отдельных факторов трансмиссии на функциональные параметры автомобиля КамАЗ 4308.
Методы. Рассмотрим трансмиссию транспортного средства с приводом на одни задние колеса (одна ось). При этом раздаточная коробка передач отсутствует (рис. 1) [5, 6]. Для имитации модели трансмиссии будем создавать модели сцепления, коробки переключения передач и модели, имитирующей работу двигателя, в программе MATLAB/Simulink блок (рис.
2). Блок, который имитирует работу сцепления, должен выполнять функции по [7, 8]: а) передаче крутящего момента от двигателя к коробке передач; б) разрыву потока мощности в момент переключения (в этот момент автомобиль движется по инерции); в) плавному нарастанию крутящего момента при замыкании фрикционных дисков.
Рис. 1 - Схема дифференциальной трансмиссии с приводом только на заднюю ось: 1, 2 - передняя и задняя оси; 3 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС); 4 - коробка передач (КП); 5 - главная передача с заблокированным мелколесным дифференциалом; 6 - сцепление; к1..,к4 - номера колес; Мг- -моменты сопротивления на 1-м колесе; Мсц - крутящий момент, развиваемый сцеплением; Мдв - крутящий момент, развиваемый двигателем; ¿Кп -передаточное отношение коробки передач; 1ГП -передаточное отношение главной передачи; юю- - угловая скорость вращения ¿-го колеса; юкп - угловая скорость вращения первичного вала коробки передач; юдв - угловая скорость
вращения коленчатого вала двигателя
Динамическая модель трансмиссия имеет следующей вид системы уравнений [9, 10]:
и
Л С'Л./ = -м1
со,.
Юк2 =
1КП1ГП
¿кткЗ=-М3
со,.
Юк4 =
гКП 1ГП
со =М
ТР кп сц
М2 + М4
1КП1ГП
где -момент инерции участка трансмиссии от выходного вала коробки передач до задних ведущих колес, приведенный к выходному валу коробки передач; ^ -момент инерции колеса; М^Мдв — крутящий моменты, передаваемые колесом и двигателем; Мсг# - крутящий момент, передаваемый
сцеплением юк — угловое ускорение вращения 1-го колеса; — угловое ускорение вращения вала двигателя; 1т — передаточное отношение коробки передач; - передаточное отношение главной передачи; Ъд — положение
органа управления подачей топлива, (Ндр = 0...1) [7].
Крутящий момент Мсц, который передается сцеплением, исчисляется из выражения [7, 9]:
М = F ■
сц ---
(Б3 - сС3 )
( накл накл /
тр 2,82 ■ (Б2 - С2 )
накл накл
где FTp- сила трения между дисками муфты; гэф - эффективный радиус трения; 0накл, - соответственно внешний и внутренний диаметры
фрикционных накладок сцепления.
<
и
Рис. 2 - Схема расчета момента сцепления
Блок по формированию крутящего момента двигателя (рис. 3), на вход которого подается угловая скорость коленчатого вала двигателя. Затем при помощи блока «Gain» угловая скорость преобразуется в частоту вращения. Блок «Saturation» является ограничителем, в нем заданы границы частот в об/мин. При помощи блока «Motor» формируется внешняя характеристика двигателя.
Рис. 3 - Общий вид цепочки блоков для определения крутящего момента
Результаты. Использование разработанной программы трансмиссии позволяет имитировать переключение передач с разрывом потока мощности от двигателя за счет использования сцепления. При выключении сцепления
и
наблюдается резкое падение значения крутящего момента, который передается от двигателя к трансмиссии (рис. 4).
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1, с Рис.4 - Изменение крутящего момента на входном валу коробки передач
Функциональные параметры трансмиссии (в первую очередь скорость) зависят от ряда факторов. Одним из факторов является изменение передаточных чисел коробки передач [1, 9]. При увеличении значений передаточных чисел (рис. 5) максимальная скорость транспортного средства снижается до 95 км/ч, а при снижении значений передаточных чисел, скорость транспортного средства до 108 км/ч. Повышение частоты вращения двигателя с 1700 об/мин до 2000 об/мин (15%) привело к увеличению максимальной скорости автомобиля на 15% и достигла 118 км/ч.
а 1 б
Рис. 5 - Изменение графика скорости при разных передаточных чисел пятой
передачи: а - г1п5=0.894. б - г1п5=0.689.
Заключение
Анализ полученных результатов показал, что полученная максимальная скорость транспортного средства равная 103 км/ч соответствует скорости при заводской комплектации трансмиссии и двигателя. При увеличении передаточного числа пятой передачи с iKt]5=0.724
До Кп5=0.894 максимальная скорость автомобиля КамАЗ 4308 с 103 км/ч падает до 95 км/ч. При при уменьшении передаточного числа пятой передачи с Кп5=0.724 до ^=0.689 скорость автомобиля увеличивается с 103 км/ч до 108 км/ч. Повышение частоты вращения двигателя c 1700 об/мин до 2000 об/мин (15%) привело к увеличению максимальной скорости автомобиля на 15% и достигла 118 км/ч.
Литература
1. Сидоров М.В., Сидоров В.Н. Имитационное моделирование работы трансмиссии трактора МТЗ-82 в среде Simulink // Инженерный вестник Дона. 2020. № 12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/12y2020/6709.
2. Драгунов Г.Д., Власов Д.С., Юсупов А.А. Методика расчетно-экспериментального исследования трансмиссии автомобиля // Вестник ЮУрГу, № 29, 2010. С. 84-88.
3. Жилейкин, М.М. Моделирование систем транспортных средств. / М. М. Жилейкин. Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017, 97 с. URL: e.lanbook.com/book/103322.
4. Полунгян, А.А. Математическая модель динамики трансмиссии колесной машины при движении по твердой неровной дороге. - Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2003, № 4, с. 15-25. URL: vestnikmach.ru/articles/328/html/files/assets/basic-html/page1.html.
5. Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства: учебник. - М.: ИнфаМ, 2014. - 506 с.
6. Туренко, А.Н., Шуклинов, С.Н., Вербицкий, В.И. Оценка работы трансмиссии автомобиля // Сб. науч. тр. ХНАДУ «Автомобильный транспорт», 2017. - 19 c. URL: studmed.ru/turenko-an-klimenko-vi-saraev-av-avtotehnicheskaya-ekspertiza_35da00bad01.html.
7. Ларин В.В. Теория движения колесных машин: учебник. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010. - 391 с.
8. Афанасьев, Б.А. Белоусов, Б.Н. Гладов, Г.И, Жеглов, Л.Ф., Зунов, В.Н., Полунгян, А.А. Проектирование полноприводных колесных машин: В 3 т. Т1: учеб. для ВУЗов. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008 -496с.
9. Сидорова А.В., Степин П.И., Сидоров В.Н. Имитационное моделирование колебаний центра масс колесной машины с помощью программы Simulink // Инженерный вестник Дона. 2020. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2020/6395.
10. Сидоров М.В., Сидорин Р.В. Обоснование массы пикапа-тягача из условия сцепления с дорогой при изменении угла подъема // Международный технико-экономический журнал, 2020. № 6. С. 50 - 55.
References
1. Sidorov M.V., Sidorov V.N. Inzhenernyj vestnik Dona. 2020. № 12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/12y2020/6709
2. Dragunov G.D., Vlasov D.S., YUsupov A.A. Metodika raschetno-eksperimental'nogo issledovaniya transmissii avtomobilya. Vestnik YUUrGu, № 29, 2010. P. 84.
3. ZHilejkin, M.M. Modelirovanie sistem transportnyh sredstv [Modeling of vehicle systems]. Moskva, Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2017, 97 p. URL: e.lanbook.com/book/103322.
4. Polungyan, A.A. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie, 2003, № 4, рр. 15-25. URL: vestnikmach.ru/articles/328/html/files/assets/basic-html/page1.html.
5. Kut'kov G.M. Traktory i avtomobili. Teoriya i tekhnologicheskie svojstva: uchebnik. [Tractors and cars. Theory and technological properties: textbook]. M.: Infa-M, 2014. 506 p.
6. Turenko, A.N. SHuklinov S.N. Verbickij, V.I. Sb. nauch. tr. HNADU «Avtomobil'nyj transport», 2017. 19 p. URL: studmed.ru/turenko-an-klimenko-vi-saraev-av-avtotehnicheskaya-ekspertiza_35da00bad01.html.
7. Larin V.V. Teoriya dvizheniya kolesnyh mashin: uchebnik. [Theory of motion
of wheeled vehicles: textbook]. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2010. 391 p.
8. Afanas'ev B.A., Belousov B.N., Gladov G.I., Zheglov L.F., Zunov V.N., Polungyan A.A. Proektirovanie polnoprivodnyh kolesnyh mashin [Design of all-wheel drive wheeled vehicles]: V 3 t. T1: ucheb. dlya VUZov. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2008. 496p.
9. Sidorova A.V., Stepin P.I., Sidorov V.N. Inzhenernyj vestnik Dona. 2020. № 4.
URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2020/6395.
10. Sidorov M.V., Sidorin R.V. Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal, 2020. № 6. pp. 50 - 55.
