CC BY
19
УДК 625.72
МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ АВТОМАТИЧНО! СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ЗЧЕПЛЕННЯМ
В.1. Клименко, проф., к.т.н., М.Г. Михалевич, доц., к.т.н., Д.М. Леонтьев, доц., к.т.н., О.О. Ярита, асист., к.т.н., Ю.О. Рябуха, асп., Харкчвський нац1ональний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Проанал1зовано основт положения математичного моделювання робочих процеав, що в1дбуваються nid час ув1мкнення зчеплення. Запропоновано nidxid, на основi якого можлива реал1зац1я математичного моделювання роботи автоматичног системи керування зчепленням. Виконано iмiтацiйне моделювання роботи автоматичног системи керування зчепленням.
Ключов1 слова: зчеплення, прискорення, привод зчеплення, система автоматичного регулюван-ня, система автоматичного керування, робота зчеплення.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЕМ
В.И. Клименко, проф., к.т.н., Н.Г. Михалевич, доц., к.т.н., Д.Н. Леонтьев, доц., к.т.н., А.А. Ярита, ассист., к.т.н., Ю.А. Рябуха, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проанализированы основные положения математического моделирования рабочих процессов, протекающих при включении сцепления. Предложен подход, на основе которого возможна реализация математического моделирования работы автоматической системы управления сцеплением. Выполнено имитационное моделирование работы автоматической системы управления сцеплением.
Ключевые слова: сцепление, ускорение, привод сцепления, система автоматического регулирования, система автоматического управления, работа сцепления.
SIMULATION OF THE AUTOMATIC CLUTCH CONTROL SYSTEM
V. Klimenko, PhD., Prof., M. Michalevich, PhD., Assoc. Prof., D. Leontiev, PhD., Assoc. Prof., A. Yarita, PhD., Assist., U. Ryabukha, Graduate Student, Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The analysis of the provisions of the working processes simulation modeling in the vehicle transmission is performed. The mathematical models of transmission of momentum that arises in the engine with the dependencies characterizing the process of motion of the vehicle are matched. The mathematical model of the acceleration process of a vehicle, equipped with an automatic coupling control system, is implemented. The results of modeling the operation of an automatic clutch control system during acceleration of a vehicle are obtained depending on the acceleration intensity.
Key words: clutch, acceleration, clutch drive, automatic control system, clutch work.
Вступ
1нтенсивний розвиток автомобшьно! проми-словосп рiзних кра!н свггу надав змогу авто-матизувати pi3Hi системи i мехашзми транс-
портного засобу (ТЗ). Одшею з таких систем стала система керування процесом вмикання та вимикання зчеплення. Очевидно, що впровадження системи автоматизованого керування процесом вмикання або вимикан-
ня зчеплення шдвищуе ергономиш власти-восп транспортного засобу в цшому та зни-жуе втомленють вод1я, за рахунок скорочен-ня часу вмикання/вимикання передач у коро-бщ передач, але в той же час автоматизащя зчеплення ускладнила методики проектування зчеплення та його приводу, оскшьки елек-тронш складов! автоматизовано! системи ви-магають окремих даних, що безпосередньо впливають на виб1р ращональних способ1в реал!зацп закону вмикання/вимикання зчеплення.
Мета i постановка завдання
Оскшьки тд час моделювання автоматизовано! системи керування процесом вмикан-ня/вимикання зчеплення важливим е узго-дження частоти обертання колшчастого вала двигуна та первинного вала коробки передач, за мету цього дослщження взято виб1р ращо-нального характеру змши закону керування зчепленням з урахуванням величини натис-кання на педаль газу вод1ем для досягнення ращонального прискорення транспортного засобу тд час розгону або руху з мюця на дороз! з ухилом.
Як задачу дослщження обрано синтез матема-тично! модел! автоматизовано! системи керу-вання процесом вмикання/вимикання зчеп-лення, яка дозволить врахувати динам!чш властивосп транспортного засобу та штенси-вшсть натискання на педаль подач! палива.
Аналiз публiкацiй
У загальновщомш науково-техн!чн!й л!тера-тур! [1-8] вщзначаеться, що система р!внянь, яка описуе рух деталей двигуна внутршньо-го згоряння, може бути подана у вигляд! за-лежностей (1)-(4), виходячи з! схеми, зобра-жено! на рис. 1.
Вщповщно до схеми, зображено! на рис. 1, складемо р!вняння момент!в, з якого тсля перетворення нескладно отримати залеж-н!сть (1).
Ы„ -М„ = 1е -ге
(1)
де Ме та Мс - вщповщно момент двигуна та момент на ведених дисках зчеплення, Н-м; 1е - !нерц!йний момент елемент!в, що обер-
2
таються у двигуш, кгм ; ге - кутове прискорення маховика, м/с2.
сое
Рис. 1. Розрахункова схема деталей двигуна, що обертаються
Залежнють (1) дозволяе на основ! закону змь ни момента Ме та Мс визначити кутове прискорення маховика як основного тша двигуна внутршнього згоряння, що оберта-еться ! безпосередньо контактуе з! зчеплен-ням, яке е елементом трансмюи транспортного засобу.
Момент двигуна внутршнього згоряння за-лежить вщ частоти обертання кол!нчастого вала двигуна внутршнього згоряння та по-ложення рейки подач! палива [4, 5]. Цю залежнють можна записати у вигляд! (2)
Ме = I (П ; а) ,
(2)
де пе - частота обертання колшчастого вала двигуна, хв-1; а - стутнь натискання на педаль подач! палива, %.
У граф!чному вигляд! залежнють (2), напри-клад, для дизеля з усережимним регулятором, зображена на рис. 2.
МР, Н-м
Ч 1 1 1 1 1Г4
/ 1 1 1 1 1 | | 1 1 1 1 1
/ Г 1 I 1 ' 1 1 1 1 1 | 1 1
/1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
( 1 \ \ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 1
\ \ \ 1 * 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 1 1 1
Рис. 2. Залежн!сть моменту двигуна в!д частоти обертання його кол!нчастого вала та положення педал! подач! палива
Момент на ведених дисках зчеплення зале-жить вщ нормального зусилля м!ж поверх-нями тертя, а напрямок зм!ни моменту зчеплення визначаеться р!зницею швидкост! обертання кол!нчастого вала двигуна та ма-точини веденого диска [4, 5].
М = /(N)• slgn(юв -Швд),
(3)
де N - нормальне зусилля мiж поверхнями тертя зчеплення, Н; совд - кутова швидюсть обертання веденого диска зчеплення, рад/с.
Кутова швидюсть обертання маховика дви-гуна внутршнього згоряння, а значить, i його колiнчастого вала, визначасться пiсля ште-грування величини кутового прискорення [4] за залежнютю (4)
®е = \веЖ ,
(4)
де сое - кутова швидкiсть обертання маховика двигуна, рад/с.
Для визначення кутово! швидкосп обертання веденого диска зчеплення совд необхiдно
скласти рiвняння моментiв згiдно зi схемою, зображеною на рис. 3, та визначити кутове прискорення ведених деталей зчеплення тс-ля вщповщних перетворень.
Рис. 3. Розрахункова схема деталей зчеплення, що обертаються
Залежнють для визначення кутового прискорення, за аналопею до залежностi (1), запи-суеться у виглядi [4, 5]
М - М = 1 вд ^
(5)
де - момент на деталях демпфера зчеплення, Н-м; I - шерцшний момент ведених деталей зчеплення, кг-м2; ввд - кутове прискорення ведених деталей фрикцшного зчеплення, м/с2.
Для визначення кутово! швидкосп веденого диска зчеплення необхщно виконати штег-рування величини кутового прискорення ве-дених деталей зчеплення, використовуючи залежнiсть (6)
де ювд - кутова швидюсть обертання ведених деталей зчеплення, рад/с.
Математичне моделювання автоматизованоТ системи керування зчепленням
Щц час моделювання автоматизовано! сис-теми керування зчепленням е важливим ви-значення такого параметра як кут повороту первинного вала коробки передач (фа). Для його визначення необхщно спочатку визначити кут повороту колшчастого вала двигуна внутршнього згоряння (фе) та кут закручу-вання демпфера ведених дисюв зчеплення (фвд ) за вщповщними залежностями (7) та (8).
Кут повороту колшчастого вала двигуна мо-жна визначити за залежнютю
Фе =
(7)
де фе - кут повороту колiнчастого вала двигуна внутршнього згоряння, рад.
Кут закручування демпфера ведених дискiв зчеплення визначимо за залежнютю
Фвд = К
(8)
де фвд - кут повороту веденого диска зчеп-лення, рад.
Пюля чого на основi динамiчно! схеми роз-гону автомобшя з мiсця (рис. 4), за аналопею до залежностей (1) та (5), нескладно визна-чити iз залежносп (9) кутове прискорення первинного вала коробки передач
МЛ -Ма = Iа-Ва;
(9)
де Ма - момент на первинному валу коробки передач, Нм; 1а - iнерцiйний момент, що дiе на первинний вал стутнчасто! коробки передач i до якого приведено масу транспортного засобу, кг-м2; ва - кутове прискорення первинного вала коробки передач, м/с2.
У складi рiвнянь (5) та (9) наявний момент на деталях демпфера зчеплення, який можна визначити iз залежносп (10), яка базуеться на жорсткосп пружин демпфера та коефь
щенп в'язкосп демпф1рування, вщповщно до схеми, зображено! на рис. 4.
Ь
к
М,
а
лЛЛл
Рис. 4. Розрахункова схема для визначення кута повороту первинного вала ступене-во! коробки передач
Мл = С -(фвд-Фа )-Ь (швд-йа) , (10)
де Са - крутильна жорстюсть демпфера кру-тильних коливань, Нм/рад; - коефщ1ент в'язкосп демпф1рування, Нмс; соа - кутова швидюсть обертання первинного вала коробки передач, рад/с.
Жорстюсть пружин демпфера (Са) склада-еться з жорсткосп пружин та жорсткосп жор-сткого упору в обмежувальних штифтах.
Кутову швидюсть обертання первинного вала коробки передач (соа) можна визначити 1з залежносп (11), якщо виконати штегрування кутового прискорення (ва) первинного вала коробки передач
(11)
а кут повороту первинного вала коробки передач може бути визначений ¡з залежносп (12), за аналопею до залежностей (7) та (8)
Фа а^ .
(12)
У залежносп (9) момент на первинному валу коробки передач може бути визначений ¡з залежносп (13) на основ1 р1вняння моменту опору дороги та моменту опору повпрю, яю можна визначити вщповщно 1з залежностей (14) та (17), якщо врахувати залежносп (15), (16) та (18).
Ма = ММ* ,
( 13)
де М¥ - момент опору дороги, Н-м; М* - момент опору повпря, Нм.
Момент опору дороги можна визначити ¡з залежносп
М = Г
1фГ
ио ' и1кр
(14)
де Р^ - сила опору дороги, Н; га - динам1ч-
ний рад1ус кочення колеса, м; и0 - переда-
точне число головно! передачу икр - переда-
точне число вщповщно! передач! коробки передач.
Силу опору дороги визначимо ¡з залежносп РХ¥= Ga-V ^п V ) , (15)
де Оа - вага транспортного засобу, Н; \|/ -сумарний коефщ1ент опору дороги; ¥а -швидюсть руху транспортного засобу, м/с.
Для визначення швидкосп руху автомобшя використаемо залежнють виду
^ = юа • Г
и0 ■ и1кр
(16)
Момент опору повггря визначимо, викорис-тавши залежнють
Р ■ г
М = * а
и0 ■ и1кр
(17)
Сила опору повпря в р1внянш (17) може бути обчислену ¡з залежносп (18), якщо врахувати обчислену швидюсть руху транспортного засобу, визначена за залежнютю (16)
1 2
Рм> = 2 Сх ' Рв ■ ^а ^'а ■
(18)
де Сх - безрозм1рний коефщ1ент повно! аеродинам1чно! сили транспортного засобу; рв - щшьшсть повпря, кг/м3; ¥а - площа лобового опору транспортного засобу, м2.
Для реал1зацп будь-якого закону керування зчепленням необхщно знати прискорення транспортного засобу тд час розгону на вщ-повщнш передачу яке може бути визначене шляхом диференщювання залежносп (16)
За
dVa
(19)
с
а
На основi цього закону, з метою адаптацп темпу ввiмкнення зчеплення тд бажання во-дiя, у системi керування можна використати штегрально-диференцшний регулятор (П1Д-регулятор). Структура такого регулятора (рис. 5) включае три канали, яю корегують похибку регулювання (в ).
Завдяки керуючому впливу регулятор мае за мету довести похибку регулювання ( в ) до нуля. Похибка регулювання (в) може бути визначена як рiзниця мiж бажаним (еталон-ним) прискоренням (]е) та реальним приско-ренням (]а) транспортного засобу, значення якого нескладно отримати за допомогою за-лежност (19).
Je =
«• Je
е-К
1 Е \ кР -1 1
Kj+d ОБ'ект
) 1 'О ! '
1 + Т вплив
1 1 1 1 —1 1 1
ПЩ-РЕГУЛЯТОР
Рис. 5. Структурна схема використання П1Д-регулятора
Бажане (еталонне) прискорення (Je) визна-чимо i3 залежностi
100
(20)
де jTx - максимально можливе бажане (ета-лонне) прискорення транспортного засобу на вiдповiднiй передачi, м/с2.
Максимально можливе бажане (еталонне) прискорення нескладно визначити з тягового розрахунку, використавши графш приско-рень на вiдповiдних передачах. Досвщ вико-нання таких розрахунюв показуе, що, напри-клад, для вантажних автомобiлiв значення
прискорення jTx на першiй передачi, за максимально! подачi палива (а =100 %), може бути взято рiвним 1,5 м/с2.
Мiнiмiзaцiя, яку дозволяе робити штеграль-но-диференцiйний регулятор, дозволяе сфо-рмувати рaцiонaльний керуючий вплив на об'ект керування (зчеплення) тд час вми-кання або перемикання передач.
Реaлiзaцiя П1Д-регулятора в мaтемaтичнiй моделi системи керування зчепленням, яку запропоновано, вщображена стандартним блоком PID, який входить до складу бiблiо-теки Simulink (рис. 6).
Рис. 6. Реaлiзaцiя математично! моделi рушання aвтомобiля з мюця у середовищi Simulink пакета MATLAB
Блок П1Д-регулятора мае поле для налашту-вання кожного каналу. Першим налаштову-еться пропорцшний канал для забезпечення виходу реального прискорення до заданого еталонного значення. Наступним налаштову-еться штегральний канал, який реагуе на швидюсть наростання прискорення. Остан-шм налаштовуеться диференцiйний канал, який забезпечуе зменшення коливань пiд час процесу регулювання.
У результатi моделювання системи керуван-ня зчепленням, найкращого результату вда-лося досягти за таких коефщенпв П1Д-регулятора: пропорцшний канал (Kp) - 0,8, штегральний (Ю - 0,3, диференцiйний Ю - 0,5.
Пiд час моделювання яюсть роботи системи оцiнювалась за такими показниками: реальне прискорення автомобшя, значення стрибко-во! змiни прискорення (тд час роботи релейного виконавчого пристрою), вщсутнють критичного зменшення оберпв колiнчастого вала та характер змши частот колiнчастого вала двигуна та первинного вала коробки передач. Щц час роботи релейного виконавчого привода вщбуваеться iнтенсивна змiна положення штока керування зчепленням, оскшьки система е релейною. Це призводить до стрибкоподiбноl змiни прискорення авто-
мобшя, яку може вщчувати водш пiд час ке-рування транспортним засобом. Щд час аналiзу характеру змши частот обер-тання колшчастого вала двигуна та первин-ного вала коробки передач контролювалось критичне зниження частоти обертання колш-частого вала двигуна, яке не повинно бути нижчим, тж частота обертання, що вщповь дае холостому ходу (600 об./хв).
Крiм того, бажано, щоб не було велико! рiз-ницi мiж обертаннями колiнчастого вала двигуна i первинного вала коробки передач. Як видно з рис. 7, зазначеш умови викону-ються, а прискорення автомобшя змшюеться пропорцiйно ступеню натискання на педаль газу (рис. 8), що свщчить про адаптивш влас-тивостi системи керування.
Пiд час аналiзу динамiки змiни прискорення транспортного засобу за рiзних положень педалi газу (рис. 8) видно невелику похибку тд час реатзаци закону керування зчепленням за залежностями (19) та (20). Стрибки прискорення, що пояснюються релейною роботою виконавчого привода зчеплення, знаходяться в межах допустимих значень вщповщно до формули (21), яку запропоно-вано в робой [9]. Таким чином, стрибки прискорення не будуть вщчуватись водiем тд час рушання транспортного засобу з мюця. Перiодичнi перемикання пов'язанi з регулю-вальною дiею системи керування.
п,
3000
-1
хв
2500 2000 1500 1000 500
0
2
4
t
6
8
10
12 с 14
Рис. 7. Змша частоти обертання колшчастого вала та первинного вала коробки передач залежно вщ часу за рiзних темтв натискання на педаль газу
0
Рис. 8. Залежнють швидкосп руху транспортного засобу вщ часу за рiзних темпiв натискання на педаль газу
Загалом слщ вiдзначити стiйку роботу сис-теми керування, вщсутшсть глибоких прова-лiв у частотi обертання колiнчастого вала двигуна, вщносно невеликi коливання при-скорення пiд час керуючих дш та можливiсть системи керування пристосовуватися до змь ни темпу розгону та опору руху транспортного засобу.
Також слiд зазначити, що система керування мае резерви для покращення роботи. Напри-клад, подальшого розвитку потребуе питання фшьтрацп сигналiв вiд датчикiв частоти обертання.
Висновки
Виконаний синтез математично! моделi авто-матизовано! системи керування процесом вмикання/вимикання зчеплення дозволяе вра-хувати динамiчнi властивостi транспортного засобу та штенсивнють натискання на педаль подачi палива, що бiльш н1ж на 10 % тдви-щуе точнiсть розрахункiв порiвняно з результатами експериментальних дослщжень.
Запропонована структурна схема викорис-тання П1Д-регулятора дозволяе виконати iмi-тацiйне моделювання процесу вмикання/ ви-микання зчеплення на рiвнi, що забезпечу-еться алгоритмом керування зчепленням.
Лггература
1. Andersson S. Friction models for sliding dry, boundary and mixed lubricated contacts /
S. Andersson, A. Soderberg, S. Bjorklund // Tribology International. - 2007. - Vol. 40. - Р. 580-587.
2. A. Myklebust Dry Clutch Modeling, Estima-
tion, and Control / Andreas Myklebust // Doctoral Dissertation. - Sweden, 2014. -175 p.
3. Леонтьев Д.Н. Определение нагрузки на
демпфер крутильных колебаний и способ расчета средней крутильной жесткости / Д.Н. Леонтьев, А.А. Фролов // Вю-ник НТУ «ХП1». - 2014. - №8 (1051). -С.143-147.
4. Осепчугов В.В. Автомобиль: анализ кон-
струкций, элементы расчета: учебник для студентов вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» / В.В. Осепчугов, А.К. Фрумкин. -М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.
5. Automotive clutch models for real time simu-
lation /M. Ba^au§, A. Maciac, M. Oprean, N. Vasiliu // Proceedings of the Romanian academy. - 2011, Series A. - Vol. 12, no. 2. - pp. 109-116.
6. Zetina S. Optimal Mode Shifting and Launch
Control in a Hybrid Transmission, 4 th Int. CTI-Symposium Innovative Automotive Transmissions, Berlin, Germany, 2005. no. 5, to 8 Dec.
7. Hagiwara K. Development of automatic
transmission control system using hard-ware-in-the-loop simulation system / K. Ha-giwara, S. Terayama, Y. Takeda, K. Yoda, S. Suzuki // JSAE Review. - 2002. -Vol. 23. - P. 55-59.
8. Crowther A. Analysis and simulation of
clutch engagement judder and stick-slip in automotive powertrain systems / A. Crowther, N. Zhang, D.K. Liu, J.K. Jeyakuma-ran, Proc. Instn Mech. Engrs, 218, Part D: J. Automobile Engineering, 2004. -Р.1427-1446.
9. Реализация интеллектуальных функций в
электронно-пневматическом тормозном управлении транспортного средства: монография / А.Н. Туренко, Н.Г. Миха-левич, Д.Н. Леонтьев и др. - 2-е изд., допол. - Х.: ХНАДУ, 2015. - 450 с.
Reference
1. Andersson S., Soderberg A., Bjorklund S.
Friction models for sliding dry, boundary and mixed lubricated contacts, Tribology International, 2007. 40, pp. 580-587.
2. A. Myklebust Dry Clutch Modeling, Estima-
tion, and Control. Doctoral Dissertation. Sweden, 2014. 175 p.
3. Leontev D.N., Frolov A.A. Opredelenie
nagruzki na dempfer krutilnyih kolebaniy i sposob rascheta sredney krutilnoy zhestkosti [Determination of the load on the vibration damper and the method of calculating the average torsional stiffness]. Visnik NTU «HPI». 2014. no. 8 (1051). pp.143-147.
4. Osepchugov V.V., Frumkin A.K. Avtomobil':
Analiz kon-strukcij, ehlementy rascheta. Uchebnik dlya studentov vuzov po spe-cial'nosti «Avtomobili i avtomobil'noe ho-zyajstvo» [Vehicle: Analysis constructs
calculation elements]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 1989. 304 p.
5. M. Batau§, A. Maciac, M. Oprean, N. Vasiliu
Automotive clutch models for real time simulation. Proceedings of the Romanian academy, Series A, Vol. 12, no. 2/2011, pp.109-116.
6. Zetina, S. et al., Optimal Mode Shifting and
Launch Control in a Hybrid Transmission, 4 th Int. CTI-Symposium Innovative Automotive Transmissions, Berlin, Germany, 2005. no. 5 to 8 Dec.
7. Hagiwara K., Terayama S., Takeda Y.,
Yoda K., Suzuki S., Development of automatic transmission control system using hardware-in-the-loop simulation system, JSAE Review, 2002. 23, pp. 55-59.
8. Crowther A., Zhang N., Liu D.K., Jeyakuma-
ran J.K., Analysis and simulation of clutch engagement judder and stick-slip in automotive powertrain systems, Proc. Instn Mech. Engrs, 218, Part D: J. Automobile Engineering, 2004. pp. 1427-1446,
9. Turenko A.N., Mihalevich N.G., Leon-
t'ev D.N. i dr. Realizaciya intellektual'nyh funkcij v ehlektronno-pnevmaticheskom tormoznom upravlenii transportnogo sredstva. Monografiya [Realization of intellectual functions in the electronic-pneumatic brake control of a vehicle]. 2-e izdanie, dopoln., Kharkov, KHNADU Publ., 2015. 450 p.
Рецензент: М.А. Подригало, професор, д.т.н., ХНАДУ.
