Повышение динамики переключения передач в раздаточной коробке полноприводного автомобиля применением новой кинематической схемы

Актуальность работы.

В настоящее время на полноприводных автомобилях массового производства применяют механические трансмиссии, в которых сохраняется жесткая связь между всеми элементами, осуществляющими передачу крутящего момента от двигателя к колесам. Основным преимуществом механической трансмиссии, как известно [1.4, 16, 21, 36], является простота конструкции и низкая стоимость, высокие значения КПД и надежностьнедостатком — ступенчатое регулирование крутящего момента.

Тяговое усилие автомобиля может быть улучшено за счет увеличения крутящего момента, подводимого к колесам, что реализуется коробкой передач. Для дополнительного повышения крутящего момента на колесах трансмиссии полноприводных автомобилей снабжаются демультипликаторами, то есть понижающими передачами, которые обычно встраиваются в раздаточные коробки.

Здесь и далее под термином «раздаточная коробка» будет подразумеваться, прежде всего, демультипликатор раздаточной коробки.

Улучшение динамических свойств автомобиля можно обеспечить применением трансмиссий, допускающих переключение передач под нагрузкой или переключение с синхронизацией угловых скоростей с малым временем разрыва потока мощности [86]. Известны агрегаты, обеспечивающие бесступенчатое изменение крутящего момента, такие как гидротрансформаторы, фрикционные трансформаторы, импульсные и инерционно-импульсные трансформаторы крутящего момента. Однако применение этих агрегатов на автомобилях высокой проходимости оказывается нецелесообразным из-за низких значений КПД, повышенной массы, высокой экономической себестоимости [84]. Существенным недостатком перечисленных типов трансмиссий является невозможность преобразования кинетической энергии маховика в увеличение крутящего момента на ведущих колесах в экстремальных условиях.

Для дополнительного повышения крутящего момента на ведущих колесах при пониженной передаче в коробке передач необходимо переключиться на пониженную передачу в раздаточной коробке, а для сохранения динамики автомобиля — производить такое переключение в движении и за короткое время. В работах [79, 82] описываются условия движения полноприводных автомобилей грузоподъемностью 5 тонн, при которых, двигаясь без прицепа по горизонтальной опорной поверхности, при разобщении потока мощности от двигателя к ведущим колесам, происходит остановка автомобиля за 1. 1,5 секунды, а дальнейшее движение не всегда возможно по условиям проходимости. Поэтому вопрос сокращения времени переключения передач в раздаточной коробке с возможностью переключения на ходу автомобиля с целью сохранения высоких значений средней скорости является актуальным. В современных конструкциях механических ступенчатых раздаточных коробок он не решаем. Так, на автомобиле Камаз-43 106 применяется пневматический привод переключения передач раздаточной коробки. При этом время переключения составляет 2,6 секунды [108]. На автомобиле Урал-4320 с механическим приводом, время переключения передач в раздаточной коробке составляет 3,7 секунды [108]. Однако в обоих случаях для осуществления переключения необходима остановка автомобиля.

Элементы, выравнивающие угловые скорости шестерен включаемой передачи, например синхронизаторы, в конструкциях раздаточных коробок не нашли применения, что обусловлено рядом причин:

1) Применение синхронизаторов в конструкциях раздаточных коробок не обеспечивает значительного снижения времени переключения передач в них.

2) Малая работоспособность синхронизаторов при передаче большого по величине крутящего момента.

3) Высокая вероятность невозможности переключения передач на остановленном автомобиле.

Регламентирующие документы заводов-изготовителей полноприводных автомобилей требуют производить переключение в раздаточных коробках только на остановленном автомобиле [5, 84, 87]. Поэтому для улучшения тягово-динамических характеристик полноприводных автомобилей и, как следствие, улучшения параметров их проходимости очень важно производить переключение передач в раздаточной коробке на ходу с сокращением времени переключения до такой величины, которая позволила бы избежать остановки автомобиля при движении в сложных дорожных условиях. Здесь и далее под термином «динамика переключения» будет подразумеваться, прежде всего, процесс переключения передач, происходящий во время движения (вращения ведущих колес) автомобиля, который характеризуется снижением временем переключения, увеличением скорости и ускорения движения деталей, участвующих в переключении, и как следствие, повышенной нагруженностью трансмиссии.

Таким образом, обеспечение движения полноприводного автомобиля в сложных дорожных условиях без остановки при переключении передач в раздаточной коробке — весьма актуальная проблема, решение которой реализуется применением новой схемы механизма переключения.

Цель работы — повышение динамики переключения передач в раздаточной коробке полноприводного автомобиля за счет применения новой кинематической схемы коробки, в которой переключение осуществляется путем изменения межосевого расстояния блока переключаемых шестерен под действием управляющих силовых элементов.

Объектом исследования является трансмиссия полноприводного автомобиля Урал-4320 с натурным действующим макетом раздаточной коробки.

Предметом исследования является процесс динамики переключения передач в предлагаемой раздаточной коробке полноприводного автомобиля обусловленный влиянием на нее силовых факторов зависящих от условий движения, режима работы двигателя и характера управления приводом переключения передач.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели исследования сформулированы и решены следующие задачи:

1. Установить взаимосвязь между временем переключения, силой сопротивления движению и величиной управляющего момента обеспечивающую переключение передач в раздаточной коробке полноприводного автомобиля за заданное минимальное время.

2. Разработать систему управления раздаточной коробкой полноприводного автомобиля, ее схему и конструкцию, обеспечивающую автоматизированное изменение межосевого расстояния блока переключаемых шестерен в зависимости от силы сопротивления движению и величины управляющего момента.

3. Составить математическую модель трансмиссии полноприводного автомобиля, учитывающую конструктивные особенности новой схемы раздаточной коробки.

4. Разработать алгоритм управления раздаточной коробкой с автоматизированным изменением межосевого расстояния блока переключаемых шестерен.

5. Экспериментально подтвердить возможность переключения передачи в раздаточной коробке на ходу полноприводного автомобиля с автоматизированным изменением межосевого расстояния блока переключаемых шестерен за требуемое время.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались теоретический анализ и обобщения данных научно-технических библиографических источников [1.114]- методы математического моделирования, методы составления и решения системы дифференциальных уравнений [25, 109]- методы и средства исследования автомобилей [26, 38, 60, 63, 79, 82]- методы математической и статистической обработки экспериментальных данных [72].

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель трансмиссии полноприводного автомобиля оснащенной раздаточной коробкой оригинальной конструкции. С помощью модели, задаваясь различными условиями движения и различным усилием на механизме управления можно адекватно исследовать динамику переключения в предлагаемой раздаточной коробке, а также динамическую нагруженность трансмиссии автомобиля.

2. Обосновано повышение динамики переключения передач в раздаточной коробке полноприводного автомобиля за счет разработанной кинематической схемы раздаточной коробки и способа ее управления, а так же установлено влияние режимов управления раздаточной коробкой на динамические характеристики полноприводного автомобиля.

Практическая значимость. Разработанная методика расчета динамики процесса переключения передач в предлагаемой раздаточной коробке может служить основой при проектировании трансмиссий автомобилей, оснащенных коробками передач или раздаточными коробками, использующих данный способ переключения, а также при проектировании систем управления.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждаются испытаниями действующего макета экспериментальной раздаточной коробки, работающего в составе трансмиссии автомобиля Урал-4320- применением комплекса измерительной аппаратуры, систематической ее проверкой и контролем погрешностейвыполнением рекомендаций соответствующих стандартов и руководящих технических материалов на испытаниядостоверной и точной обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Кинематическая схема и принцип действия раздаточной коробки, переключение передач в которой осуществляется изменением межосевого расстояния блока переключаемых шестерен.

2. Математическая модель трансмиссии полноприводного автомобиля с экспериментальной раздаточной коробкой для исследования процесса переключения передач в ней.

3. Результаты экспериментальных исследований функционирования макета экспериментальной раздаточной коробки и процессов, происходящих в трансмиссии.

4. Улучшение тягово-динамических характеристик полноприводного автомобиля за счет повышения динамики переключения передач в разработанной раздаточной коробке.

Реализация результатов работы. Результаты выполненной работы переданы на ОАО «Автомобильный завод «Урал» для использования при проектировании и изготовления раздаточных коробок автомобилей «Урал». Кроме того, материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры «Автомобили» ЮУрГУ для использования в курсах «Конструирование и расчет автомобиля», «Испытание автомобилей».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях ЮжноУральского государственного университета в период 2002;2005 г. г., на 44-й международной научно-технической конференции в ЧГАУ, на 23-м и 24-м семинарах по науке и технологиям «Механика и процессы управления» (г. Миасс), в 2002;2004г.г. представлены в межвузовских конкурсных работах и отчетах по НИР. Действующий макет разработанной раздаточной коробки демонстрировался на научно-технической выставке ЮУрГУ, посвященной 100 — летнему юбилею H.JI. Духова, 2004 г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано четыре печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 112 наименований, приложения. Работа содержит 133 страницы основного текста, 48 иллюстраций и 6 таблиц. Общий объем диссертации 147 страниц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Установленная взаимосвязь времени переключения tn от силы сопротивления движению, выраженной через безразмерный коэффициент сопротивления качению / и управляющего момента Мв имеет четко выраженный линейный характер и позволяет подобрать необходимые параметры управления (величина и направление управляющего момента Мв) переключением передач в РК полноприводного автомобиля за заданное минимальное время без его остановки.

2. Разработана система управления РК полноприводного автомобиля, обеспечивающая автоматизированное изменение межосевого расстояния блока переключаемых шестерен в зависимости от силы сопротивления движению и величины управляющего момента Мв.

3. Разработана схема и конструкция системы управления переключением передач в РК полноприводного автомобиля с автоматизированным изменением межосевого расстояния блока переключаемых шестерен.

4. Составлена математическая модель трансмиссии полноприводного автомобиля, учитывающая конструктивные особенности новой схемы РК (качающийся блок переключаемых шестерен, управляющее усилие силового элемента, изменение числа степеней свободы в процессе переключения). На основании разработанной математической модели определены закономерности изменения нагруженности в трансмиссии полноприводного автомобиля в зависимости от силы сопротивления движению и времени переключения t".

5. Разработан алгоритм управления РК с автоматизированным изменением межосевого расстояния блока переключаемых шестерен. Данный алгоритм для исследуемого диапазона времени переключения (tn = 0,05. 1,0с) обеспечивает переключение РК на ходу с допустимой нагруженностью трансмиссии полноприводного автомобиля и заключается: а) в увеличении времени t" при переключении передач в РК в направлении с повышенной на пониженнуюб) в уменьшении времени tn при переключении передач в РК в направлении с пониженной на повышенную.

6. Экспериментально подтверждена возможность переключения передачи в РК на ходу с автоматизированным изменением межосевого расстояния блока переключаемых шестерен за требуемое время, что повышает маневренность и динамические свойства полноприводного автомобиля. Предлагаемый способ переключения передач в раздаточной коробке может быть эффективно использован в трансмиссиях различных полноприводных автомобилей.

7. Установлено, что переключение передач в разработанной РК на ходу автомобиля в направлении с повышенной на пониженную в сравнении с обратным переключением имеет преимущества, а именно меньшая динамическая нагруженность трансмиссии и меньшая зависимость ее величины от времени переключения и силы сопротивления движению. Кроме того, такое направление переключения наиболее востребовано, в частности, при нехватке тягового усилия автомобиля при движении в сложных дорожных условиях.

8. Проведенные исследования показывают, что повышение динамики переключения передач в раздаточной коробке приводит к сохранению кинетической энергии автомобиля и обеспечивает тем самым улучшение динамических характеристик. Например, за время переключения с повышенной на пониженную передачу в предлагаемой раздаточной коробке t" =1,0с падение скорости для автомобиля Урал-4320 при коэффициенте сопротивления качению/=0,06 и начальной скорости VH=10 км/ч составит 70%, а при сокращении до tn — 0,3с — 20%. При этом в изготовленном действующем макете минимальное время переключения tn составляет 0,1с, а в РК серийной конструкции tn ~ 6с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной диссертационной работе предложена схема раздаточной коробки, переключение передач в которой осуществляется изменением межосевого расстояния зубчатых колес. Обосновано повышение динамики переключения передач в раздаточной коробке за счет внешних сил, приложенных к механизму управления и условий движения автомобиля, а также способности к переключению передач во время движения полноприводного автомобиля. Показана работа трансмиссии, оснащенной предлагаемой раздаточной коробкой на режимах переключения передач. Установлены величины динамической нагруженности трансмиссии. Обосновано улучшение динамических свойств полноприводных автомобилей за счет повышения динамики переключения в раздаточной коробке. Изготовлен действующий макет раздаточной коробки согласно предлагаемой схеме, разработан вариант конструктивного исполнения механизма управления и фиксации передача в раздаточной коробке, а также даны рекомендации по рациональному осуществлению процесса переключения.