CC BY
92
I SIMULACIONI MODEL VIŠELAMELASTIH § FRIKCIONIH SKLOPOVA
O)
Ц Major Aleksandar Grkić, dipl. inž., Vojna akademija
š dr Čedomir Duboka, dipl. inž., Mašinski fakultet Beograd
В major dr Slavko Muždeka, dipl. inž., Vojna akademija
Rezime:
Višelamelasti frikcioni sklopovi koriste se za promenu stepena pre-nosa u planetarnim menjačkim prenosnicima motornih vozila. Razvijeni simulacioni model frikcione spojnice i kočnice omogućava simulaciju rada menjačkog prenosnika pri promeni stepena prenosa. Primenom raz-vijenog modela moguće je na bazi simulacije analizirati prelazni proces pri promeni stepena prenosa i obezbediti identifikaciju relevantnih para-metara bez izrade većeg broja fizičkih prototipova. Na taj način obezbe-đuje se smanjenje troškova i skraćenje procesa razvoja novih prenosnika snage, uz poboljšanje upotrebnog kvaliteta. Simulacioni model može da se koristi i pri razvoju upravljačkog sistema menjačkog prenosnika za definisanje potrebnih karakteristika njegovih komponenata.
Ključne reči: višelamelasti frikcioni sklop, model, simulacija.
SIMULATION MODEL OF MULTIPLE PLATE FRICTION CLUTCHES AND BRAKES
Summary:
Multiple plate friction clutches and brakes are used for gear shifting within planetary gear trains of motor vehicles. The developed simulation model of the friction clutch and brake enables the simulation and the analysis of the planetary gear train transitional processes during gear shifting and provides identification of relevant parameters without making numerous physical prototypes. Costs are thus reduced and time for developing new gear trains shortened, while the product quality is increased. The simulation model can be use additionally in developing steering systems of planetary gear trains for defining characteristics o ftheir components.
Key words: compatibility, method, gas mask, tactically - technical requests.
Uvod
Višelamelasti frikcioni sklopovi ostvaruju funkciju spojnica i kočnica na principu korišćenja sile trenja između dve površine u relativnom kreta-nju. U transmisijama motornih vozila sa planetarnim menjačkim prenosni-
65
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
cima, višelamelasti frikcioni sklopovi se koriste u svojstvu: glavnih spojni-ca, spojnica i kočnica za uključivanje stepeni prenosa u menjaču, spojni-ca i kočnica u mehanizmima za izvođenje zaokreta guseničnih vozila i radnih kočnica. U slučaju naglih udara i preopterećenja frikcioni elementi proklizavaju, tako da praktično imaju i ulogu sigurnosnih mehanizama.
Višelamelasti frikcioni sklopovi olakšavaju automatizaciju menjačkih prenosnika, omogućavaju kratko trajanje prelaznog procesa, što smanju-je dinamička opterećenja i stvara uslove za promenu stepena prenosa pod opterećenjem.
Klasični pristup projektovanju višelamelastih frikcionih sklopova kori-stio je razvojnu metodologiju po kojoj se nastojalo da se naknadno doda-ju određene funkcionalne karakteristike koje ranije nisu uključene usled nedovoljno precizne apstrakcije budućeg izgleda i funkcije razvijanog si-stema. Nepreciznost potiče od upotrebe nedovoljno tačnih metoda za predviđanje mogućih stanja sistema u toku njegove upotrebe.
Računarski podržano projektovanje povećava efikasnost projektanata, značajno olakšava modifikovanje i smanjuje greške pri projektovanju. Isto-vremeno omogućava automatizaciju izrade, arhiviranja i ažuriranja tehničke dokumentacije. Računarska simulacija rada gotovog sistema omogućava is-pitivanje pre izrade fizičkog modela. Ovom metodom, odnosno specijalizo-vanim softverima, stvaraju se simulacioni modeli koji omogućavaju imitaciju ili reprodukciju ponašanja realnog mehaničkog sistema. Značaj simulacionih modela je, pre svega, u mogućnosti vrednovanja performansi sistema u naj-ranijoj fazi konstruisanja, a naročito pre proizvodnje prototipa.
Analizom ponašanja modela tokom simulacija u različitim uslovima omogućava se:
- sagledavanje potencijalno „slabih" mesta radi preduzimanja odgo-varajućih koraka za njihovo sprečavanje u ranoj fazi razvoja,
- ispitivanje njegove funkcionalnosti i eksploatacijskih karakteristika pre same proizvodnje,
- znatno smanjenje broja ispitivanja na fizičkim prototipovima i
- procena uticaja parametara procesa na karakteristike proizvoda u njegovom konceptualnom dizajnu.
Sa druge strane, stvara se mogućnosti kreiranja brojnih varijanti i njihovo poboljšavanje u procesu optimizacije konstrukcijskih rešenja uz ču-vanje prethodnih konstruktorskih iteracija.
Konstrukcijske karakteristike višelamelastih frikcionih sklopova
U planetarnim menjačima gotovo isključivo se koriste višelamelaste spojnice i kočnice koje rade u ulju. Kod ovog tipa frikcionih sklopova obrtni moment se prenosi preko tankog uljnog filma koji se nalazi između dve
radne površine. Približavanjem pogonskog diska spojnice gonjenom disku, gonjeni disk počinje da se rotira. Za to vreme nema direktnog kontakta iz-među radnih površina, odnosno između frikcionog materijala i metala. U trenutku kada se ugaone brzine gonjenog i pogonskog diska izjednače, ulj-ni sloj se potpuno istiskuje između lamela i dolazi do statičkog trenja. Kod kočnica se dešavaju slični tribološki fenomeni, s tom razlikom što jedan disk miruje, a statičko trenje nastupa po zaustavljanju kočenog diska.
Habanje frikcionih površina (frikcionog materijala i čelika) znatno je smanjeno zbog postojanja uljnog filma na radnim površinama. Toplotna energija koja se stvara u toku rada frikcionih sklopova u većoj meri se ge-neriše u ulju nego na radnim površinama i na taj način se stvaraju uslovi za povećanje termičkog kapaciteta radnih površina. Pojedine konstrukcije frikcionih sklopova ne koriste ulje za prenos obrtnog momenta već samo za hlađenje frikcionih površina. Osim ako se uljni sloj ne održava na radnim površinama, frikcioni sklopovi rade u uslovima suvog trenja, pri čemu se obrtni moment direktno prenosi sa jedne površine na drugu, što izazi-va značajan porast temperature, kao i nestabilnost koeficijenta trenja.
Da bi se uljni sloj održavao na radnim površinama i učestvovao u prenošenju obrtnog momenta, mora se obezbediti stalna cirkulacija ulja kroz paket lamela. To se obezbeđuje tako što se ulje pod pritiskom dovo-di na radne površine kroz otvore na nosačima lamela (slika 1). Ulje se rasprostire radijalno preko frikcionih površina, nakon čega se sliva u kar-ter. Pojedini prenosnici snage poseduju i izmenjivače toplote koji mogu znatno da podignu termički kapacitet frikcionih sklopova.
Kod frikcionih sklopova kod kojih je uljni film stalno prisutan može doći do prenosa obrtnog momenta i u fazi kada su frikcioni sklopovi is-ključeni. Ovaj problem je posebno izražen kod konstrukcija sa vrlo veli-kim brojevima obrtaja. Veličina tog „zaostalog otpora“, koji uzrokuje neže-ljeni prenos obrtnog momenta, jeste funkcija viskoznosti ulja, površine lamela, relativne brzine klizanja lamela, kao i rastojanja između njih.
Uljni sloj takođe absorbuje i udare tokom spajanja lamela, smanjuju-ći na taj način opterećenje čitavog prenosnika.
Slika 1 - Otvori na nosaču frikcionih elemenata za dovođenje ulja
67
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
Upravljanje višelamelastim frikcionim sklopovima u planetarnim me-njačkim prenosnicima najčešće je hidraulično.
Materijali od kojih će biti izgrađeni frikcioni elementi određeni su zah-tevima u pogledu visoke otpornosti na habanje, stabilnosti koeficijenta trenja u širokom rasponu brzina klizanja, specifičnih pritisaka i temperatu-ra, visoke toplotne provodljivosti, itd. Materijali koji se koriste u frikcionim sklopovima menjačkih prenosnika motornih vozila su: metalni, nemetalni i metalokeramički.
Frikcioni elementi višelamelastih frikcionih sklopova savremenih pla-netarnih menjačkih prenosnika najčešće predstavljaju kombinaciju glatkih čeličnih lamela i lamela od metalokeramike. Metalokeramički frikcioni materijali izrađuju se presovanjem usitnjenog praha bakra ili čelika sa različi-ti legirajućim primesama, a zatim se na čelični disk nanose metodom sin-terovanja.
Da bi se obezbedilo stvaranje uljnog filma između frikcionih površina u kontaktu, kao i radi hlađenja i odvođenja produkata habanja na površinama frikcionih obloga presovanjem se izrađuju specijalni kanali. Primeri konstruk-cijskih realizacija kanala na frikcionim površinama prikazani su na slici 2.
Slika 2 - Oblici kanala na frikcionim površinama
Vrednost i stabilnost koeficijenta trenja je vrlo važna karakteristika frikcionih sklopova koji rade u ulju. Optimalan rad frikcionih sklopova ostvaruje se dovođenjem one količine ulja koja obezbeđuje trenje radnih površina pri graničnom podmazivanju. U slučaju nedovoljne količine ulja nastupa režim suvog trenja praćen povećanim koeficijentom trenja i ha-banjem. Pri povećanom protoku ulja dolazi do značajnog smanjenja koeficijenta trenja. Na slici 3 prikazana je zavisnost koeficijenta trenja u funk-ciji brzine klizanja za materijal MK-5 [5].
Slika 3 - Zavisnost koeficijenta trenja od brzine klizanja za materijal MK-5
Višelamelasti frikcioni elementi sa hidrauličkim upravljanjem (slika 4) sastoje se od paketa frikcionih elemenata (1), nosača frikcionih elemena-ta (2, 3), klipova (4, 5), oslonih diskova (6, 7), povratnih opruga (8) i zap-tivnih elemenata (9, 10). Detalj I predstavlja višelamelastu frikcionu koč-nicu, a detalj II višelamelastu frikcionu spojnicu.
Slika 4 - Osnovni elementi višelamelastih frikcionih sklopova
Moment nošenja frikcionog sklopa, sa hidrauličkim aktiviranjem, u opštem slučaju je funkcija karakteristika trenja, srednjeg poluprečnika trenja, broja frikcionih površna i ukupne sila aktiviranja. Izračunava se prema izrazu:
69
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
(1)
Mn = N-џ-rsr • z gde je:
N - ukupna sila aktiviranja, jU - koeficijent trenja, rsr - srdnji računski poluprečnik trenja i z - broj površina trenja.
Ukupna sila aktiviranja N određena je veličinom sile statičkog priti-ska ulja i sile povratnih opruga klipa:
N = F - Fok (2)
gde su:
Fu - sila statičkog pritiska ulja,
Fc - sila centrifugalnog pritiska ulja,
Sila statičkog pritiska ulja je:
Fu = P * Ak (3)
gde su:
p - pritisak ulja u radnom cilindru i Ak - površina klipa radnog cilindra.
Sila povratnih opruga omogućava vraćanje klipa u početni položaj i izražava se kao proizvod krutosti opruge c, ugiba f i broja opruga n:
Fo = cfn
(4)
Srednji računski poluprečnik trenja izračunava se prema izrazu:
r
2 R3 - r3
3 R2 - r 2
(5)
gde je:
R, r- spoljni i unutrašnji poluprečnik frikcionog diska, slika 4.14.
Na povećanje ukupne sile aktiviranja utiče i sila centrifugalnog priti-ska ulja kao posledica rotiranja radnog cilindra.
Pojedine konstrukcije frikcionih spojnica (slika 4), radi ravnomernijeg isključivanja, koriste centrifugalnu silu periferno postavljenih kuglica (11). Kuglice koje su smeštene u profilisanim kanalima (12), usled centrifugla-ne sile, kreću se po strmoj ravni (13) i na taj način ostvaruju dodatnu silu za pouzdano isključivanja frikcionih elemenata nakon prestanka dejstva statičkog pritiska ulja.
Izraz (1) zapravo služi kao osnova za proračun konstrukcijskih para-metara frikcionog sklopa na osnovu poznatog koeficijenta trenja i mo-
menta nošenja. Sa druge strane, moment nošenja frikcionog sklopa od-ređuje se u zavisnosti od maksimalnog momenta motora (Mm), preno-snog odnosa (in) n-tog stepena prenosa u kojem se nalazi frikcioni sklop. Na vrednost momenta nošenja frikcionog sklopa uticaja ima i moment inercije rotirajućih delova spojnice (Џ i ugaono ubrzanje pogonskih i go-njenih delova (ю), te se vrednost momenta nošenja frikcionih sklopova može izraziti sledećim izrazom:
Mn = Mm * i + 1 *Ю (6)
Pri projektovanju frikcionih sklopova potrebno je definisati i određenu rezervu u odnosu na zahtevanu vrednost momenta koju treba da prene-se, a izražava se stepenom sigurnosti (P).
Mmax = Mn (7)
Vrednost stepena sigurnosti kreće se u granicama p = 1,3 - 1,7 i za-visi od vrste i namene vozila, kao i mesta i uloge frikcionog sklopa u pla-netarnom menjačkom prenosniku.
Prema izrazu (1) moment nošenja se povećava sa povećanjem srednjeg poluprečnika trenja, ali se na taj načina povećava i moment inercije. Jedno od rešenja je smanjenje srednjeg poluprečnika trenja i po-većanje broja frikcionih površina. Kod savremenih frikcionih sklopova ovaj broj se kreće od 6 do 36. Povećanje broja frikcionih površina, među-tim, može biti ograničavajući faktor po osnovu nekih drugih zahteva.
Može se zaključiti da konstrukcijske karakteristike frikcionih sklopova zavise od niza faktora i najčešće predstavljaju kompromis većeg broja različitih zahteva.
Model za simulaciju rada višelamelastih
frikcionih prenosnika
Za dinamičke simulacije koje se odnose na analizu prelaznog proce-sa u višelamelastim frikcionim sklopovima pri promeni stepena prenosa koriste se specijalizovani softveri za simulacije ili softverski alati opšte namene, namenjeni za dinamičke simulacije mašinskih sistema kod kojih postoji mogućnost modeliranja frikcionih, hidrauličkih i električnih i drugih komponenata.
Konstrukcijska realizacija menjačkog prenosnika koji omogućava ova-kav način promene stepeni prenosa u prošlosti bio je vrlo skup i oduzimao je mnogo vremena. Zahtevani su ekskluzivni prototipovi i specijalizovane analize. Ispitivanjem virtuelnog prototipa racionalizuje se proces dizajnira-nja i obezbeđuju mnogo kvalitetnije prve serije proizvoda.
71
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
Za potrebe analize prelaznog procesa u višelamelastim frikcionim sklopovima razvijen je simulacioni model u programu MATLAB, odnosno njegovom modulu Simulink/ SimMechanics koji podržava razvoj meha-ničkih sistema preko mehaničkih komponenata. Simulink [6] je modul razvijen u MATLAB okruženju koji omogućava modeliranje, simulaciju i analizu raznih dinamičkih sistema. Podržava linearne i nelinearne siste-me modelirane kako u kontinuiranom, tako i diskretnom vremenu.
Pri modeliranju u Simulinku koristi se grafičko okruženje, kao i „click-and-drag" operacije mišem za crtanje modela u obliku blok- dijagrama. Simulink sadrži veliku biblioteku generatora ulaznih pobuda, prikazivača izlaznih pro-menljivih, linearnih i nelinearnih komponenti sistema, kao i konektore.
Mehaničke komponente unutar Simulinka opisuju se preko tzv. tela, koja simbolizuju delove mehaničkog sistema i veza između tela. Tela se opisuju koordinatama težišta (centra mase), masom i tenzorom inercije. Veze ograničavaju broj stepeni slobode kretanja tela i na taj način obez-beđuju pravilno funkcionisanje mehaničkog sistema. Pored veza mogu biti definisani i drugi tipovi ograničenja. Veza „mehaničkog" i klasičnog Simulink okruženja ostvaruje se preko davača (merenje određene veličine) i aktuatora (zadavanje određene veličine). To znači da se ulaznim veliči-nama, koje su predstavljene Simulink signalima i predstavljaju određenu matematičku funkciju, preko aktuatora daje fizički smisao i određuje fizič-ka veličina (ugaona brzina, ubrzanje, moment, sila...).
Rezultati simulacije formiranog mehaničkog modela mere se pomo-ću davača i kao Simulink signali (određene matematičke funkcije) predstavljaju izlaz iz sistema i mogu biti predstavljeni na odgovarajući način. Grafičko okruženje Simulink, sem mogućnosti definisanja ulaza i izlaza, ima mogućnost definisanja početnih uslova simulacije (IC - Initial conditions). Simulink model predstavlja strukturu mehaničkog sistema, geome-trijske i kinematske odnose njegovih delova i pretvara ovaj strukturni pri-kaz u ekvivalentni matematički model.
Prethodno opisano modeliranje mehaničkih sistema vrši se pomoću različitih blokova koji su smešteni u Simulink biblioteku i razvrstani su u če-tiri osnovne grupe: Body, Joint, Constraint, Actuator i Sensor grupe blokova. Simulink omogućava primenu tehnike modularnog programiranja koja je zasnovana na konceptu objektno orijentisanog programiranja, koji je usvojen za razvoj simulacionog modela višelamelastog frikcionog sklopa.
Na osnovu izvršene analize konstrukcije i rada frikcionih sklopova utvrđeni su parametri koji utiču na proces rada frikcionih sklopova. S obzi-rom na to da se funkcija višelamelastih frikcionih sklopova posmatra u okviru planetarnog menjačkog prenosnika, to i njihov simulacioni model predstavlja podsistem modela sistema za prenos snage koji se sastoji od:
- modela motora SUS,
- modela planetarnog menjačkog prenosnika (modela planetarnog reda i modela višelamelastog frikcionog sklopa) i
72
- modela spoljašnjeg opterećenja.
Računarski model u okviru kojeg se vrši simulacija procesa uključi-vanja-isključivanja frikcionog sklopa prikazan je na slici 5.
Slika 5 - Model za simulaciju rada višelamelastih frikcionih sklopova
Ulazni parametri za rad ovog modela dovode se na ulazno vratilo (2), a to su signali u vidu ugaone brzine i obrtnog momenta koje emituje uproš-ćeni model motora SUS. Izlazno vratilo (1) u vezi je sa modelom spoljaš-njeg opterećenja.
Na simulacionom modelu višelamelastog frikcionog sklopa razlikuju se tri celine:
- blok sa tzv. revolute vezom, na slici označen kao spojnica,
- Joint Stiction Actuator, na slici označen kao JSA, i
- model trenja, uokviren isprekidanom linijom.
Blok spojnica definisan je revolute vezom. Na ovaj način ostvarena je veza između ulaznog i izlaznog vratila, što predstavlja frikcionu spojni-cu. Ukoliko se umesto izlaznog vratila postavi oslonac i definišu početni uslovi (ugaona brzina jednaka nuli), veze prikazane isprekidanom linijom na slici 5, onda je u pitanju frikciona kočnica. Iz ovog bloka vode još tri signala. Prvi signal je usmeren ka davaču obrtnog momenta, koji ovaj signal dalje prosleđuje ka osciloskopu. Drugi signal dolazi od sklopa JSA, koji bloku revolute saopštava u kakvom stanju je veza između elemenata u funkciji vremena. Treći signal je veza sa davačem momenata i dava-čem ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata, čije se vrednosti ko-riste kao povratna veza radi definisanja potrebnog momenta nošenja.
73
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
Blok u kojem se na osnovu ulaznih parametara, konstrukcijskih kara-keristika i proračuna odlučuje kojom vrstom i koja će biti vrednost momenta nošenja kojim će se delovati na elemente u relativnom kretanju u frikcionom sklopu naziva se Joint Stiction Actuator (slika 6).
Slika 6 - Joint Stiction Actuator
Joint Stiction Actuator (JSA) povezuje dva elementa koja se nalaze u relativnom kretanju silom trenja na osnovu prethodno definisanih parametara. Ovaj aktuator, takođe, može da ostvari čvrstu vezu između dva elementa, nezavisno od sile trenja između njih (External Actuation, slika 6). Ovakav način ostvarivanja veze u ovom modelu frikcionih sklopova ne postoji, pa se smatra da je vrednost ovog parametra jednaka nuli. Maska preko koje se definišu osnovni parametri kojima se definiše rad JSA prikazana je na slici 7.
Stiction actuation Connected to primitive
External force units
Kinetic friction units
Velocity threshold (MKS-SI units)
1e-3
Slika 7 - Maska za definisanje osnovnih parametara za rad JSA
S obzirom na to da silom trenja mogu da se povežu elementi koji su u međusobnom translatornom ili rotacionom kretanju, iz padajućeg meni-ja potrebno je definisati vrstu veze. U skladu sa izabranom vrstom veze potrebno je definisati, takođe iz padajućeg menija, merne jedinice, kao i
74
prag razlike brzine između elemenata koje treba povezati, posle kojeg dolazi do „zaključavanja“ frikcionog sklopa.
Vrednost relativne ugaone brzine može biti sa pozitivnim ili negativ-nim predznakom, s obzirom na to da frikcioni elementi mogu biti u ulozi pogonskih, ali i gonjenih elemenata.
U vezi s tim, JSA razlikuje tri stanja frikcionog sklopa: otključano, za-ključano i stanje na čekanju.
Otključano stanje podrazumeva da postoji razlika ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata frikcionih sklopova, kao i da nema dejstva sile na upravljački uređaj frikcionog sklopa.
Zaključano stanje podrazumeva da ne postoji razlika ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata frikcionog sklopa. Moment nošenja odre-đen je statičkim momentom nošenja koji mora da se nalazi u granicama (Forward Stiction Limit i Reverse Friction Limit), koje su definisane prora-čunskim momentom nošenja.
Stanje na čekanju predstavlja prelazno stanje između stanja „otključa-no“ i stanja „zaključano“. Moment koji se ostvaruje između pogonskih i gonjenih elemenata frikcionog sklopa određen je proračunskim momentom trenja i zavisi od brzine klizanja između elemenata u relativnom kretanju.
Model trenja (slika 8) vrši proračun momenata koji se javljaju na frik-cionom sklopu. Proračun se vrši na osnovu:
- sile aktiviranja frikcionog sklopa,
- trenutnih vrednosti ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata i momenata nošenja i
- prethodno definisanih parametara.
Dinamički moment
Gomja granica statičkog momenta
Statički moment trenja
Donja granica statičkog momenta
Slika 8 - Model trenja
Sila aktiviranja definiše se u funkciji vremena i praktično ne postoje ograničenja u obliku te funkcije.
75
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
Trenutne vrednosti ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata i momenata nošenja dobijaju se preko davača direktno sa frikcionih elemenata.
Prethodno definisani parametari odnose se na konstrukcione para-metre frikcionog sklopa, odnosno na srednji poluprečnik trenja i broj frikcionih površina. Blok za unos ovih parametara prikazan je na slici 9.
Slika 9 - Blok za unos konstrukcionih parametara
Pored konstrukcionih parametara u ovom bloku unapred je definisa-na i vrednost koeficijenta trenja. Vrednost koeficijenta trenja nije kon-stantna već se menja u funkciji brzine klizanja, slika 10.
) Lookup Table Editor: to_je _to/F2/Koeficijent trenja
File Edit Plot Help Л|С|,ЕС*в!Ь*|Ь£1а|&
Models: 19¥ to je _to jvJ Шг Table blocks: Viewing Tool Breakpoints Row :up Table" block data [T(:)]: (1)
S§3 F1 : |£mu S F6 ■ \ŽZ- Moment motors II: Moment motoral Sila F1 Ц: Sila F1 stalno iskljuceno l^SilaF2 : ИЁ Sila F3 H! Sila F3 stalno ukljuceno Ц; spoljasnje opterecenje spoljasnie opterecenjel .... XU 0 0.131
(2) 22.7 0.147
(3) ffi 30.3 45.5 0.15 0.154
(5) 75.8 0.155
(6) 144 0.157
m 220 0.158
303 0.159
0) 400 0.159
1 Data Type: Row: | double jvj Column: ] double |vj
Slika 10 - Koeficijent trenja u funkciji brzine klizanja
Prva kolona predstavlja brzinu klizanja između frikcionih površina i definiše se na osnovu apsolutne vrednosti razlike ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata sveden na srednji poluprečnik trenja. Druga kolona predstavlja koeficijent trenja za zadatu brzinu klizanja.
U narednom bloku množi se koeficijent trenja sa konstrukcionim parametrima i silom i dobija se moment nošenja u obliku:
Mn = N-џ-rsr • z (8)
Vrednost momenta, dobijena izrazom 8, služi za definisanje grani-ca statičkog momenta nošenja. Dinamički moment nošenja takođe je jednak izrazu 8 i figurira sve do momenta izjednačavanja ugaonih brzi-na pogonskih i gonjenih elemenata frikcionog sklopa. Nakon toga na-stupa statički moment trenja, koji se mora nalaziti u pomenutim grani-cama.
Analiza rada simulacionog modela
Nakon formiranja modela potrebno je definisati uslove u kojima će se odvijati simulacija. Pretpostavka je da se model odnosi na laboratorij-ske uslove ispitivanja. Pogonski elementi višelamelaste frikcione spojnice u vezi su sa motorom SUS, a gonjeni su hidrauličnom kočnicom i zamaj-nim masama. S obzirom na to, potrebno je definisati:
- konstrukcione parametre višelamelaste frikcione spojnice,
- ulazne parametre,
- spoljašnje opterećenje i
- vreme trajanja simulacije.
Definisanjem konstrukcionih parametara, modelu višelamelaste frikcione spojnice praktično se dodeljuju fizičke osobine. Parametri koji opi-suju osobine spojnice su:
p - pritisak aktiviranja frikcionog sklopa; mizl -
A - površina frikcionog diska frikcionog sklopa ; Iul -
Nf - broj frikcionih površina frikcionog sklopa ; Iizl -
mul - masa pogonskih rsr -
elemenata višelamelastog frikcionog sklopa;
masa gonjenih elemenata višelamelastog frikcionog sklopa; moment inercije centralnog pogonskih elemenata višelamelastog frickionog sklopa; moment inercije gonjenih elemenata višelamelastog frikcionog sklopa. srednji poluprečnik trenja
U tabeli 1 prikazane su vrednosti konstrukcionih parametara višela-melaste frikcione spojnice koja se razmatra u radu.
77
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
Tabela 1
A[cm2] 298,28 mul[kg] 12 Iul [kgm2] 4 Nf 8
p [bar]max 11 mizl [kg] 15 Iizl [kgm2] 2 rsr[m] 0,1921
Koeficijent trenja unosi se preko maske prikazne na slici 10 i pro-menljiv je u funkciji brzine klizanja frikcionih površina.
Ulazne parametre predstavljaju obrtni moment (Mul) i ugaona brzina (wul) pogonskih elemenata višelamelaste frikcione spojnice, čije su vred-nosti prikazane u tabeli 2.
Tabela 2
Mul [Nm] 500 wui [rad/s] 100
Spoljašnje opterećenje simulira se signalom iz signal-generatora preko Joint Actuatora i predstavlja otpor u vidu momenta (Mt) koji se stvara u hidrauličnoj kočnici. Pored toga, sistem je opterećen i zamajnim masama na izlazu i to opterećenje je prikazano u vidu momenta inercije gonjenih masa (It). U tabeli 3. prikazane su vrednosti momenta optereće-nja i momenta inercije zamajnih masa.
Tabela 3
Mt [Nm] 500 lt [kgm2] 40
Vreme trajanja simulacije iznosi 5 sekundi i može se podeliti u tri in-tervala. Prvi predstavlja period u kojem je višelamelasta frikciona spojni-ca isključena i traje do trenutka t0. U ovom intervalu, s obzirom na to da je sponica isključena, moment nošenja je jednak nuli. Istovremeno, može se primetiti da pogonski delovi spojnice lagano ubrzavaju. U trenutku t0 počinje uključivanje spojnice. Sa početkom uključivanja, moment nošenja spojnice počinje da raste. Istovremeno, brzina gonjenih elemenata poči-nje lagano da opada, dok brzina gonjenih elemenata spojnice počinje da raste od stanja mirovanja. Taj period traje do trenutka t1 i iznosi 0,5 sekundi. Drugi period predstavlja prelazni proces i može se podeliti u dve faze. Prva faza je od momenta uključivanja spojnice, t0, do trenutka t1 ka-da je spojnica potpuno uključena. Druga faza traje od trenutka t1 do izjed-načavanja ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata spojnice u trenutku t2. Treći interval predstavlja period od trenutka t2, u kojem se više-lamelasta spojnica ponaša kao kruto telo.
Rezultati simulacije na prethodno definisanom modelu prikazani su na slici 11.
a)
Slika 11 - Rezultati simulacije: a) moment nošenja spojnice, b) ugaone brzine ulaznog i
izlaznog vratila
Na slici 12 prikazani su rezultati simulacije uključivanja višelamela-ste frikcione spojnice uz izmenjene uslove rada.
Slika 12 - Rezultati simulacije za a) Nf = 4 i b) Nf = 12
79
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 09
U stvari, jedina promena je u konstrukcionim parametrima spojnice i to u broju frikcionih površina. Svi ostali parametri ostali su isti kao i u prethodnoj simulaciji. Na slici 12 a) prikazana je promena ugaonih brzina pogonskih i gonjenih elemenata spojnice za Nf = 4. Sa slike 12 a) može se zaključiti da, u odnosu na prvu simulaciju, gde je period sinhronizacije pogonskih i gonjenih elemenata spojnice trajao oko 0,6 sekundi, u ovom slučaju taj period je mnogo duži i iznosi više od jedne sekunde. Sa slike 12 b) može se zaključiti da za povećan broj frikcionih površina Nf = 12 vreme sinhronizacije znatno kraće traje i iznosi manje od 0,5 sekundi.
Zaključak
Razvoj računarskih modela postao je posebna inženjerska discipli-na, koji, za razliku od klasičnog načina projektovanja, razvoj mehaničkih sistema realizuje u virtuelnom, odnosno računarskom okruženju. U radu je prikazan model za simulaciju rada višelamelaste frikcione spojnice u MATLAB/Simulink okruženju. Značaj simulacionih modela ogleda se u mogućnosti donošenja adekvatnih odluka u početnim fazama projektovanja, ispitivanju funkcionalnosti i eksploatacijskih karakteristika sistema, što znatno smanjuje broj ispitivanja na fizičkim prototipovima, a samim tim i ukupnu cenu proizvoda. U radu je pokazano da se analizom simula-cije vrlo brzo mogu dobiti rezultati za koje je kod klasičnog pristupa po-trebno razrađivati posebne programe ili ručno izračunavanje. Prikazani model, u suštini, predstavlja opšti model višelamelastog frikcionog sklopa i, kao takav, predstavlja deo jednog kompleksnog modela prenosnika snage. Ovakav simulacioni model, osim optimizacije rada višelamelastog frikcionog sklopa, stvara mogućnost i za optimizaciju prenosnika snage u celini, kao i projektovanje sistema upravljanja prenosnicima snage.
Literatura
[1] Krsmanović, M., Muždeka, S., Grkić, A., Arsenić, Ž.: Simulacija rada elemenata sistema za prenos snage prilikom polaska motornog vozila s mesta, 21. međunarodni naučno-stručni skup Nauka i motorna vozila 2007, JUMV-SP-0702, ISBN 978-86-80941-32-5, NMV0756S, Beograd, 2007.
[2] Abel A., Schindler J.: Shifting Simulation - Goals, Solutions and Benifits, Auto Technology 5/2006.
[3] Lang T., Schyr Ch.: Simulation Aided Proces for Developing Powertrains, SAE Convention, Sao Paolo Brasil, October 2000.
[4] Muždeka, S., Arsenić, Ž., Aleksendrić, D.: Projektovanje elemenata slo-ženih prenosnika snage, Međunarodni naučno-stručni skup IPS 2001, Podgorica - Bečići, 2001.
[5] Živanović, Z., Janićijević, N.: Automatske transmisije motornih vozila, ECOLIBRI, Beograd, 2000.
[6] MATLAB Using Simulink and Stateflow™ in Automotive Aplication, 1999.
