Особенности работы ускорительного клапана усовершенствованной конструкции Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.583.35

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ УСКОРИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ

Н.Г. Михалевич, доц., к.т.н., А.А. Ярига, ассист., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Аннотация. Приведена конструкция усовершенствованного ускорительного клапана. На основе результатов математического моделирования рабочих процессов, протекающих во время работы ускорительного клапана, показано отличие предлагаемой конструкции от ранее известных.

Ключевые слова: ускорительный клапан, дроссель, математическая модель, полость.

ОСОЕЛИВОСП РОБОГИ ПТИСКОРЮВАЛЬНСГО КЛАПАНА ВДОСКОНАЛЕНО! КОНСГРУКЦД

МГ. Михалевич, доц., к.т.н., О.О. Ярита, асисг., Харювський нащональний автомобьльно-дорожнш ушверситет

Анотащя Наведено конструщю удосконапеного прискорювального клапана. На ocuoei результате матгматичного моделювання рабочих npou/ecie, up протгксють nid час роботы прискорювального клапана, показано eidMimicmb запропонованог конструкцИ eid prniwe eidoMiix.

Климов слова: присксрювальний клапан, дросель, матгматична модель, порожнина.

OPERATION CHARACTERISTICS OF THE ACCELERATION VALVE

OF ADVANCED DESIGN

M. Mikhalevich, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), O. Yarita, T. Asst., Kharkiv National Automobile and Highway University

Abstract. The design of an advanced acceleration valve is presented. Based on the results of mathematical modeling of working processes that occur during the acceleration valve operation there was shown the difference of the proposed design from the prior ones.

Key words: acceleration valve, throttle, mathematical model, cavity.

ЕЬедение

Современный уровень развития науки и технологий способствует постоянному совершенствованию различных отраслей автомобилестроения. Повышение безопасности, экономичности и ксмфорга на данный момент приоритетным направлением в ссвер-шенствовании автсмобиля.

Процесс управления сцеплением - неотъемлемая часть процесса управления транспортным средством. Облегчение процесса управления агрегатами трансмиссии, в частности,

сцеплением - актуальная здщча, решение которой позволит значительно улучшить условия работы водцтеля и повысить безопасность дорожного дрижения Основными путями усовершенствования приводов управления сцеплением являются использование различных усилителей и применение новых источников энергии. В данном контексте наиболее перспективным выглцдцт усовершенствование конструкции исполнительного механизма элекгропневматического привода сцепления (ЭППС), которое позволит повысить его эксплуатационные характеристики.

Цель и постановка залачи

Цглью данной работы является описание и исследование процессов, протекающих во время работы ускорительного клапана усовершенствованной конструкции.

Для достижения поставленной задачи была разработана математическая модель, описывающая процесс наполнения рабочей полости исполнительного механизма электропневматического привода управления сцеплением.

Анализ публикаций

На данный момент в автомобилестроении широко применяются ускорительные клапаны различных конструкций [1, 2]. Основной их задачей является увеличение быстродействия механизма за счет повышения скорости наполнения и опорожнения полостей аппаратов рабочим телом. При этом положительный эффект от применения ускорительных клапанов, такой как повышение быстродействия, всегда сопряжен с наличием определенных недостатков:

- при релейном способе подачи сжатого воздуха к управляющей полости наблюдается перерегулирование, которое обусловлено сравнительно небольшими размерами управляющей полости и, соответственно, значительным скачкообразным перемещением управляющего поршня;

- при подаче сжатого воздуха в управляющую полость поршень может войти в колебания, поскольку он, в сочетании с пружиной клапана, образует колебательную систему. Эти колебания не желательны, поскольку они вызывают шумы и даже могут привести к разрушению клапана.

Особенности работы ускорительного клапана усовершЕнстоованной конструкции

Основным отличием предложенного ускорительного клапана, по сравнению с известными аналогами, является введение в его конструкцию дросселя (рис. 1), который позволяет быстро выровнять давление с обеих сторон золотника [3].

Рис. 1. Схема усовершенствованного ускорительного клапана

Таким образом, достигается уменьшение эффекта перерегулирования при релейном способе подачи воздуха в управляющую полость и уменьшение колебаний поршня ускорительного клапана.

Бели рассматривать данную особенность усовершенствованного ускорительного клапана в контексте его применения в конструкции электропневматического привода управления сцеплением (рис. 2) [4], получим необходимое повышение точности позиционирования штока исполнительного механизма [5].

В соответствии с приведенной схемой (рис. 1) в состоянии покоя (отсутствие воздействия на орган управления) сжатый воздух в управляющей полости В отсутствует. Отсутствие избыточного давления на поршень 5 приводит к образованию между ним и клапаном впуска-выпуска 6 зазора. Через образовавшийся зазор и сквозное отверстие в поршне 5 выходная полость Б сообщается с атмосферой, соответственно атмосферное давление через выход 3 устанавливается в силовой полости потребителя и, за счет дросселя 4, в управляющей полости В. В это время клапан впуска 6 прижат к своему седлу 8 за счет усилия пружины 7 и дополнительного усилия, образованного давлением воадуха.

В случае подачи оператором сигнала на выключение сцепления, в управляющую полость В через вход 2 попадает сжатый воздух в виде коротких импульсов (релейный спо-

в атмосферу

соб управления), величина которых зависит от характеристик органа управления (электропневматического клапана).

3 2 1

Рис. 2. Схема электропневматического привода управления сцеплением с ускорительным клапаном: 1 - компрессор; 2 -ресивер; 3 - впускной элекгропневмати-ческий клапан; 4 - выпускной электропневматический клапан; 5 - электронный блок управления; 6 - датчик перемещения; 7 - пневматический цщицдр; 8 -орган управления (педаль); 9 - ускорительный клапан

Рост давления в управляющей пслости В приводит к перемещению поршня 5, выбору зазора между поршнем и клапаном 6 и разобщению выходцой полости Б с атмосферой. В то же время через дроссель 4, выполненный в поршне 5, происходит перетекание сжатого воздуха из управляющей полости В в выходную полость Б. Это приводит к повышению давления в силовой полости цилиндра еше до открытия впускного клапана. Поскольку диаметр входа 2 в несколько раз больше, чем диаметр дросселя 4, давление в управляющей полости В повышается, что приводит к росту усилия на поршне 5. В момент времени, когда оно превышает силу пружины 7, впускной клапан 6 открывается и выходная полость Б соединяется с питающей полостью А, силовая полость цилицдра быстро заполняется сжатым воздухом.

Благодаря наличию в поршне 5 дросселя 4, сжатый воздух, перетекая из управляющей полости В в выходную полость Б, уменьшает перерегулирование. После окончания подачи управляющего сигнала давление в полостях Б и В быстро выравнивается. Таким образом поршень 5 перемешается благодаря усилию пружины 7 и сжатого воздуха, действующего на клапан 6 до его посадщ на седло 8. При этом клапан выпуска также остается закрытым, благодаря прижимной силе, наличие которой обусловлено разницей плошадей поршня 5. В таком состоянии покоя, когда

оба клапана закрыты, система находится до следующей комацдщ ЭБУ.

В случае подачи ЭБУ сигнала на включение сцепления, с управляющей полости В через вход 2 сжатый воздух выпускается в атмосферу короткими импульсами. Резкое падение давления в управляющей полости приводит к перемещению поршня 5 и его отрыву от седла выпускного клапана 6. Соответственно на некоторое время выходная полость Б через отверстие в поршне 5 сообщается с атмосферой, после выравнивания давления в управляющей и выходной полостях поршень снова прижимается к седлу выпускного клапана 6. Таким образом, реализуется функция регулирования при выпуске воздуха из силовой полости цилицдра

При подаче управляющего сигнала не релейным способом, подача сжатого воздуха в управляющую полость приводит к резкому перемещению поршня 5 и, соответственно, полному открытию впускного клапана 6. Силовая полость цилицдра максимально быстро заполняется сжатым воздухом. ЕЪшуск преходит в обратном порчдре.

Математическая модель работы ускорительного клапана в составе электропневматического привора управления сцеплением

Основное отличие в работе усовершенствованного ускорительного клапана от ранее существующих конструкций наблюдается на режимах, кегда воздух в управляющую полость подается в виде коротких импульсов. В данной работе рассматриваются процессы, протекающие в ускорительном клапане до открытия его основного сечения.

^тематическая модель ускорительного клапана включает в себя: дифференциальные уравнения газодинамических функций, описанных ЕВ. Герц [6], дифференциальные уравнения, отображающие работу ускорительного клапана, а также уравнения связи.

Наполнение шюковой полости исполнительного механизма осуществляется из управляющей полости и ускорительного клапана через дроссель (рис. 3), а после нарастания давления в управляющей полости до порогового значения - и через основное сечение ускорительного клапана. Каждому давлению, температуре и объёму присвоим ицдексы, соответствующие расчётным полостям.

Рис. 3. Расчётная схема пневматической части ЭППС: 1 - ресивер; 2 - шгоковая полость сигового цщицара; и - управляющая полость ускорительного клапана; Т, V р - температура, объём и давление воздуха соответствующих звеньев

В соответствии с расчетной схемой, приведенной на рис. 3, система уравнений для процесса наполнения управляющей полости И ускорительного клапана имеет вид

№ Т1Ом -Т,;(л,) с1( =Ч Ир, = кМ-м ^м Р1

1

О, = Г,1 Рг,

[Я-Т;

■Ф0ГМ)

1

'я-тт

-ФОЬ)

(1)

к-1

2 >-1 а, , если | -| < — < 1

Р1

то Ф(УМ) =

иначе ф(Ум) =

2 V-! ро , если |-| < — < 1

2 к+1

Р^ к ; (

Р1; V Р1 У

f 2 1 к-1 /к-.

к + 1

(2)

к + 1

то Ф(Х, ) =

Р.

2 к+1 г - Ъ (г, XV

11.

р^

чРиу

(3)

иначе ф(Уа) =

2 >-1 к-1

к + 1

к + 1

Уравнения процесса опорожнения управляющей полости и ускорительного клапана

отличаются функцией расхода и примут следующий вид;

[кК Т,- -(-(л,)+ т2(г|) (]( =У|;с1р|

О» =КМаРи<

1

ЯТт

"Ф(2а)

Ф(^)

(4)

Ти =Т0-

2 У-1 р0 ,

если |-| < — < 1

к + 1

Ри

то Ф( 7а )=* Р0

1Риу

иначе ф(га) =

2 к+1

Г т. Гп ^Т"

р^ Ри

, (5)

2 VI к-1

к + 1

к + 1

где Ти - температура в управляющей полости ускорительного клапана, К; Т1 - температура перед входом в управляющую полость ускорительного клапана, К; Т2 - температура воздуха в шгоковой полости усилителя, К; вм -расход воздуха через впускной электропневматический клапан; О - расход воздуха через дроссель; V - объём управляющей полости ускорительного клапана, м3; V - объём шгоковой полости усилителя, м3; VI - объём ресивера, м3; ри - давление воздуха в управляющей полости ускорительного клапана, МПа; р1 - давление воздуха в ресивере, МПа; р2 - давление воздуха в шгоковой полости усилителя, МПа; Ъ - плошадэ поперечного сечения впускного электропневматического клапана, м ; Ъ - плошадэ поперечного сечения дросселя, м2; Ъ - плошадэ поперечного сечения выпускного электропневматического клапана, м2; цм - коэффициент расхода впускного электропневматического клапана; Ра - коэффициент расхода выпускного электропневматического клапана; р - коэффициент расхода дросселя; фО^) - функция расхода при наполнении через впускной электропневматический клапан; ф(Тя) - функция расхода при опорожнении управляющей полости через выпускной элекгропневматиче-ский клапан; ф^) - функция расхода при наполнении через дроссель.

к

к

к

Запишем систему уравнений для процессов наполнения и опорожнения шгоковой полости цщицдра Она будет выглцдгть аналогично системе, описывающей процессы в управляющей полости ускорительного клапана

№ ТД +1^) <И =У2ёр2

(6)

I 2 ]к_1 Р2 , если - < — < 1

к + 1.

то ср(Х) =

Р1

2 к+1 V У V

Р2

V Р1 У

ъ,

чР1У

(7)

иначе ) =

2 V к-1

к + 1

к + 1

если

2 У-1 р2 1 < < 1

к + 1

Ри

то ф(У,) =

V У V \

к+1

Р2. Ри

Р2. Ри

(8)

иначе ф(Уа) =

2 V к-1

к + 1

к + 1

Уравнения процесса опорожнения шгоковой полости исполнительного механизма ЭППС будут отличаться только функцией расхода и примут следующий вин

№ Т2 •(-02) + Т2(-0(1)) ск =У2ёр2

02 = К|а212р2

ф(22)

Ф(2Й)

; (9)

т2=т0

2 VI р0 , если |-| < — < 1

к + 1

то ф(г2) = ,

Р 2

2 к+1

' V V XV

А р2

Ро

чРгу 1

; (Ю)

иначе ф(22) =

2 У-1 Iк-1

к + 1) ук + 1

если

2 У^Ри^

к + 1

Р2

то ф(гй) = ,

2 к+1 ЧТГр^

V Р2 J I Р2 у 1

(11)

/

иначе ф(7а) =

2 VI к-1 чк + 1у Ук + 1

где в1 - расход воздуха при наполнении шгоковой полости цщицдра через ускорительный клапан; О2 - расход воздуха при опорожнении шгоковой полости цщицдра через ускорительный клапан; ^ - плошадэ поперечного сечения впускного канала ускорительного клапана, м2; £ - плошадэ поперечного сечения выпускного канала ускорительного клапана, м2; - коэффициент расхода ускорительного клапана на впуск; Ц2 - коэффициент расхода ускорительного клапана на выпуск; ва - расход воздуха через выпускной элекгропневмагический клапан; ф05) - функцця расхода при наполнении шгоковой полости цщицдра через ускорительный клапан; ф22) - функция расхода при опорожнении шгоковой полости цилицдра через ускорительный клапан.

Для описания процессов, протекающих в ускорительном клапане, необходимо учитывать его основные габаритные параметры и функциональные связи между элементами (рис. 4).

В нормально закрытом положении электропневматических клапанов в управляющей полости ускорительного клапана избыточное давление отсутствует, таким образом, шго-ковая полость усилителя через канал в золотнике связана с атмосферой. Это состояние элементов ускорительного клапана является исходным при моделировании его работы.

к

к

к

4 1

Рис. 4. Расчётная схема ускорительного клапана: 1 - корпус; 2 - седло клапана; 3 -золотник; 4 - пружина клапана; 5 -пружина золотника; 6, 7 - уплотнитель-ные кольца

где Щ1 - масса клапана, кг; - усилие пружины клапана 5, Н; Б1 - сила, действующая на золотник 3 со стороны седла клапана 2 от давления воздуха в силовой полости ускорительного клапана, Н

Учитывая незначительные перемещения золотника в процессе работы, в ходе математического моделирования объем управляющей полости ускорительного клапана был принят постоянным \и=соп81 Поскольку в данной работе проводилось моделирование начальной стадии наполнения силовсго цилиндра, во время которой поршень остается непо-дрижным, объём шгоковой полости также был принят постоянным V2=cclnst.

Основной задачей моделирования наполнения управляющей полости ускорительного клапана является необходимость определения граничного времени Ър, времени открытия электропневматического клапана, которое приводит к срабатыванию ускорительного клапана.

Исхода из расчетной схемы ускорительного клапана (рис. 4), условие дрижения золотника 3 в начальный момент времени определяется зависимостью:

Импульсы продолжительностью менее Ц Ъмп< ^р будут использоваться в электронном блоке управления для обеспечения точности регулирования, а большей - ймп^гр - для получения необходимого быстродействия

т20га201 = Ррг2 +Ри -Р*! -^2-Р3, (12)

где ты - масса зслотника, кг; аЖ1 - ускорение золотника, м/с2; Ррг2 - усилие пружины зслотника 5, И; Би - сила, действующая на золотник 3 от давления воздуха в управляющей полости ускорительного клапана, И; Б1г1 - сила трения уплотнительного кольца 6 по диаметру С, И; Бц-2 - сила трения уплотнительного кольца 7 по диаметру Сго1, И; Б3 - сила, действующая на зспотник 3 от давления воздуха в проточной пспости ускорительного клапана, Н

При моделировании перемещения зслотника принято допущение: зспотник перемешается на 2 мм, после чего появляются силы сопротивления со стороны клапана. С учетом до-пушений уравнение дрижения зслотника примет вид

(тг01+ши)'а201=ррг2+ри-р.г1- ^ —— — Р . — Р15

В соответствии с осциллограммой (рис. 5) изменение времени пребывания впускного электропневматического клапана в открытом состоянии в интервале от ^=0,025 до ймп=0,045 с не приводит к срабатыванию ускорительного клапана.

/ЭК1

^опфЮ.ОЗ

Ьшф=0.0? <*»у ! toi4.-0.04

/ /Ч / / N. Ьткр=0.035

\ ЬткрЮ.ОЗ

V 7ч. \ 1откр=0.025

\ 1 \ \

-г ■> - '-1' -' 1 1

О 0.03 0.06 0.09 С 0.12

Рис. 5. Влияние времени открытия впускного электропневматического клапана на процесс наполнения шгоковой пспости усилителя: -давление в управляющей полости;------давление в шгоковой

пспости

Наполнение шюковой полости усилителя осуществляется путем перетекания сжатого воздуха через дроссель. При открытии электропневматического клапана на время и®1=0,05 с, наблюдается скачкообразное повышение давления в шюковой полости усилителя, что свидетельствует о срабатывании ускорительного клапана.

Экспериментальная кривая процесса наполнения шюковой полости усилителя для времени открытия электропневматического клапана 1о1кр=0,03 с практически совпадает с полученной теоретической зависимостью, что свидетельствует об адекватности работы предлагаемой математической модели при расчете процесса выключения сцепления.

Е^воды

Предложены новые взаимосвязи между конструктивными элементами ускорительного клапана, позволяющие обеспечить необходимое быстродействие работы исполнительного механизма электропневматического привода управления сцеплением без потери точности регулирования при использовании друх электропневматических клапанов.

Математическое моделирование рабочего процесса электропневматического привода управления сцеплением с ускорительным клапаном позволило определить граничное время открытия впускного элекгропневмаги-ческого клапана, после превышения которого наступает срабатывание ускорительного клапана.

Литература

1. Михайловский ЕВ. Устройство автомобиля: учебник для учащихся автотранспортных техникумов / Е.В. Михайлов-

ский, КБ. Серебряков, ЕЯ Тур. - М: Машиностроение, 1987. - 352 с.

2. МЬрдалюв Ю.Ф. Устройство автсмобилей

КамАЗ: учебное пособие / Ю.Ф. МЬрдалюв, В.Н. Носаков, В.Д Запойнов. -Н Новгород; ВГИПУ, 2010 - 78 с.

3. Пат. 108703 Украша, МПК В60К 23/00.

ГЕдеилювач привода зчеплення автотранспортного засобу / заявники Богомолов В.О., Клименко B.I., .Ярига О.О.; патенювласники Богомолов В. О., Клименко B.I. - №201401541; заявл 17.02.2014; опубл. 25.05.2015. Бкш. №10, 5 с.

4. Пат. 109503 Украша, МПК В60К 23/00.

Прискорювальний клапан / заявники Богомолов В.О., Клименко B.I., Михале-вич МЕ, .Ярига О. О.; патенювласники Богомолов В. О., Клименко ВТ -№201405006; заявл. 12.05.2014; надр 25.08.2015. Бкш. 16, 4с.

5. Михалевич НЕ Обоснование ступенчато-

сти характеристики максимальной точности механизма управления сцеплением / НЕ Михалевич, A.A. .Ярига // Совершенствование организации дорожного дрижения и перевозок пассажиров и грузов: сборник научных трудов по результатам МНПК «Безопасность дорожного дрижения». - Минск, БНГУ, 2016.

- с. 446-452.

6. Герц ЕВ. Пневматические привода /

ЕВ. Герц, - М: Машиностроение. 1968.

- 360 с.

Рецензент: A.B. Бажинов, профессор, кт.н, ХНДДУ.

Статья поступила в редакцию 21 сентября 2016 г.