Снижение динамических нагрузок от крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля с помощью совмещенного стартер-генератора

Актуальность работы.

Повышение надежности, ресурса работы и снижение шума двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и трансмиссии автомобиля является актуальной задачей [1−8]. Одним из основных факторов, влияющих на надежность и ресурс работы ДВС и трансмиссии, являются динамические нагрузки при крутильных колебаниях, особенно на резонансных режимах [1, 2, 9−12].

Наиболее распространенные способы снижения динамических нагрузок имеют известные недостатки [13−21]. Так, например, не всегда возможно исключить влияние резонансов изменением масс и жесткостей крутильной системы. Динамические гасители и демпферы не всегда могут вписываться в существующие конструкции, а также в процессе износа своих элементов могут отстраиваться от той частоты, для которой они предназначены. Кроме того, демпферы поглощают энергию не только при резонансах, но и тогда, когда их работа не требуется.

Возникает желание разработать такое устройство для снижения амплитуд крутильных колебаний, которое позволяло бы снижать динамические нагрузки лишь в те моменты, когда это необходимо, и режим работы которого можно было бы менять в зависимости от режима колебаний в ДВС и трансмиссии.

Известны работы немецкой фирмы «Континенталь ИСАД системе» [22], которая изготовила совмещенный стартер-генератор (ССГ), выполняющий роль демпфера крутильных колебаний коленвала. Логично было бы рассмотреть использование управляемого стартер-генератора и для снижения динамических нагрузок от крутильных колебаний в трансмиссии.

Японская фирма «Тойота» изготовила опытные образцы навесного совмещенного стартер-генератора для автомобилей «Тойота-Краун Салон» с приводом от ременной передачи, но указанная конструкция не может решать задачу снижения динамических нагрузок [23].

Кроме того, в настоящее время ужесточаются требования к шуму и вибрации транспортных машин (ТМ) [3, 24−30]. Поэтому полезно было бы использовать данный ССГ еще и для снижения шума работы ДВС и трансмиссии. Основными источниками шума ТМ являются динамические процессы в ДВС и трансмиссии [31]. Особенно отрицательное влияние на долговечность работы и уровень шума трансмиссии и ДВС оказывают резонансные крутильные колебания, возбуждаемые поршневым ДВС, возмущениями от дороги, от зубчатых и карданных передач, а также колебания в плоскости осей цилиндров, вызванные, главным образом, наличием несбалансированных сил инерции, действующих со стороны поршней на опоры двигателя [2, 32−35].

Таким образом, для снижения динамических нагрузок и шума при различных режимах работы ДВС и трансмиссии, целесообразно было бы рассмотреть введение между ДВС и трансмиссией управляемого активного элемента — ССГ, способного выполнять такие функции, как сглаживание неравномерности вращения коленвала, уменьшение амплитуд крутильных колебаний в трансмиссии, снижение амплитуд вибраций двигателя в плоскости осей цилиндров, отстройка от резонанса за счет смещения частоты вращения коленвала, а также важно определить вид управляющих моментов, вырабатываемых указанным элементом, для реализации вышеперечисленных функций, разработать схемную реализацию ССГ и выявить его возможности на перспективу.

Для разработки новых способов и алгоритмов снижения динамических нагрузок необходимо тщательное и всестороннее исследование динамических режимов работы, определение количественных соотношений между различными составляющими, влияющими на динамические параметры, с тем, чтобы иметь возможность своевременно предусмотреть и устранить случаи возникновения и развития опасных резонансных явлений и недопустимых динамических нагрузок с помощью предлагаемого ССГ.

Возбуждение резонансов в трансмиссии автомобиля может происходить в широкой полосе частот из-за широкополосного спектра воздействий газовых сил в двигателе внутреннего сгорания, неровностей дороги и несовершенства зубчатых и карданных передач. В связи с этим возможно возникновение многочастотных нелинейных колебаний с присутствием составляющих с несколькими резонансными частотами ДВС и трансмиссии, взаимодействующих между собой через нелинейные связи, реализуемые нелинейными элементами, что, в отличие от линейных систем, может приводить к качественно иным результатам. Поэтому при нахождении количественных оценок динамической нагруженности ДВС и трансмиссии, а также при разработке алгоритмов снижения этих нагрузок с помощью ССГ, построение многочастотных колебательных решений с учетом нелинейностей динамической модели и управляющих моментов ССГ является важной задачей.

При этом предъявляются особые требования к методу исследования, который должен позволять с достаточной точностью изучать динамику таких сложных систем. Применение ЭВМ [1, 36] для исследования «в лоб» исходной нелинейной модели взаимодействия элементов ДВС и трансмиссии в общем случае является неблагодарной и громоздкой задачей из-за большого (на несколько порядков) разнесения собственных частот колебаний системы и нестационарного характера быстротекущих процессов, что вызывает быстрое накопление ошибок при интегрировании в режиме реального времени, а также из-за необходимости осуществлять последовательный перебор вариантов для выявления влияния одного или нескольких параметров нелинейной системы на динамические режимы, что не всегда позволяет выделить функции влияния сразу всего комплекса нелинейностей друг на друга и на систему в целом. Поэтому для исследования динамики также важной является задача нахождения аналитических выражений приближенных одночастотных и многочастотных колебательных решений нелинейной модели ДВС с трансмиссией, которые наглядно отражают влияние на поведение различных элементов системы как отдельных параметров, так и их совокупности с учетом имеющихся взаимосвязей и позволяют исследовать как стационарные, так и нестационарные процессы, целенаправленно осуществлять анализ системы, а также вырабатывать алгоритмы снижения динамических нагрузок и шума с помощью ССГ и формулировать требования к параметрам данного ССГ. Такие приближенные аналитические решения позволяют получить асимптотические методы разделения движений [37−40].

К ССГ для реализации эффективных алгоритмов снижения динамических нагрузок в двигателе и трансмиссии необходимо предъявлять повышенные требования по мощности, возможности управления, габаритам, полосе пропускания, надежности и ресурсу, а также возможности встраивания в силовую схему без радикальной переделки конструкции двигателя и трансмиссии автомобиля. Понятно, что серийные модели электродвигателей не могут удовлетворить всем этим требованиям. Поэтому задача разработки схемы размещения, выбора типа электропривода и разработки его компоновки является также актуальной.

Таким образом, решение вышеперечисленных научно-технических проблем, рассматриваемых в диссертации, является актуальным.

Состояние вопросов и задачи исследования.

Механические модели.

Поскольку данная работа посвящена изучению динамики ДВС и трансмиссии, а также способам снижения динамических нагрузок, то прежде всего необходимо рассмотреть вопрос, связанный с выбором механической модели, позволяющей изучать колебательные процессы в рассматриваемых системах.

Одна из наиболее распространенных приведенных систем [41], достаточно удобная для изучения крутильных колебаний в автомобиле и для нахождения напряжений в материале различных элементов ДВС и трансмиссии, изображена на приведенном ниже рисунке. соответствующая расчетная схема.

В данной модели необходимо будет сделать некоторые изменения (глава 2), связанные с установкой в картер сцепления совмещенного стартер-генератора, а также связанные с тем, что ДВС совместно с ССГ при изучении колебаний в трансмиссии будут рассматриваться как единый источник возмущений.

Поскольку одним из основных источников возмущений, приводящих к возникновению крутильных колебаний элементов трансмиссии является ДВС, то достаточно важным является его рассмотрение как отдельной системы, подверженной в свою очередь воздействиям со стороны трансмиссии. Этому посвящена глава 1 диссертации.

Другим источником возмущений является дорожное покрытие. В известных работах [32, 42] показывается, что воздействия от дороги носят случайный и, как правило, быстроменяющийся характер. Поскольку одними из наиболее опасных возмущений от дороги являются те, которые длительное время действуют с неизменной амплитудой и с частотой, близкой к собственным частотам трансмиссии, то целесообразным будет рассмотрение динамики ДВС и трансмиссии при детерминированных воздействиях от дороги на различных частотах.

Математические модели. Определение параметров систем.

Во многих работах [4, 11, 33, 35, 41, 43] без должного обоснования исследования динамики ДВС и трансмиссии автомобиля упрощают тем, что рассматривают крутильные колебания в рассматриваемых системах как линейные, причем зачастую пренебрегают трением в материале элементов, оставляя во внимании лишь внешнее трение (например трение поршней о стенки цилиндров), либо полагают коэффициенты демпфирования как постоянные величины. В то же время известно, что математическая модель, описывающая крутильные колебания в ДВС и трансмиссии в общем случае линейной не является, а внутреннее трение в материале присутствует всегда, причем оно существенно зависит от частоты и амплитуды колебаний. Поскольку заранее влияние нелинейностей неизвестно (а учет нелинейностей может приводить не только к количественным, но и к качественным отличиям по сравнению с линейными системами), поэтому желательно выбирать математическую модель, учитывающую различные нелинейности, силы демпфирования в материале, управляющие моменты со стороны ССГ, возмущения от дороги, а также подобрать методы исследования данной модели и обосновать правомерность их применения. (Выбору математических моделей посвящены первые разделы главы 1 и 2).

Важная проблема всестороннего и тщательного исследования динамики силовых передач требует повышения точности расчетов вынужденных колебаний, что может быть выполнено при условии точного определения параметров системы, накопления и использования экспериментальных данных, применения для расчетов ЭВМ [1].

Демпфирующие характеристики оказывают очень важное влияние на величины динамических напряжений в ДВС и трансмиссии, особенно на резонансных частотах. Указанные характеристики систем изучались подробно в известных работах [9, 10, 14−16, 20, 21, 44−46], где изложен опыт исследования демпфирующих свойств типичных элементов силовых передач и показано, что они могут быть определены достаточно точно только экспериментально. Однако, в реальных системах со многими степенями свободы с учетом комплекса нелинейностей, в том числе и нелинейного характера демпфирования, не представляется возможным измерить данные характеристики на всех элементах при всех режимах работы. Поэтому важной является задача определения демпфирующих характеристик нелинейных моделей ДВС и трансмиссии автомобиля для получения достоверных оценок динамических напряжений в элементах их конструкций.

Методы исследования.

Для оценки собственных резонансных частот колебаний в ДВС и трансмиссии, степени опасности резонансов, разработки вопросов отстройки от резонансных режимов широко распространены методы расчета систем в линейной постановке [1, 47, 48, 49, 50]: метод Толле, метод Терских, метод динамических жесткостей, матричный метод на ЭВМ и др. Однако, для достаточно точного исследования динамических напряжений необходим учет нелинейностей. Поэтому применяют приближенные методы расчета, из которых наиболее распространен метод гармонической линеаризации [51, 52] для типичных нелинейных упругих характеристик, который, однако, эффективно может быть применен при наличии одной или двух нелинейностей и при одночастотном стационарном режиме колебаний.

При наличии комплекса нелинейностей и исследовании многочастотных нестационарных режимов для построения приближенных решений системы нелинейных уравнений со многими степенями свободы, описывающих динамику системы ДВС с трансмиссией, целесообразно использовать асимптотический метод Боголюбова — Митропольского и метод усреднения [37, 38, 39, 53].

Не всегда эффективно для исследования многочастотных нелинейных колебаний в ДВС и трансмиссии и применение ЭВМ [1], так как силовые цепи транспортных машин относятся к «жестким» системам, что может повлечь неустойчивость численных методов при попытке повышения точности за счет измельчения шага счета. И хотя устранение этого недостатка возможно с использованием системных методов на ЭВМ [36], необходимость последовательного перебора для оценки влияния всех факторов и параметров друг на друга и трудности выделения в общем случае функции их взаимного влияния, особенно для нестационарных процессов [54], а также ненаглядность и трудоемкость исследований динамики систем на ЭВМ делает предпочтительным аналитическое исследование в случае, если удается аналитически построить приближенные решения, описывающие поведение систем.

Кроме того, не всегда эффективно применение численных методов для интегрирования исходной системы нелинейных дифференциальных уравнений, которая получается в результате построения математической модели системы ДВС с трансмиссией и в которой в качестве неизвестных функций выступают углы деформации участков расчетной схемы, так как это сложная задача, требующая много времени и в большинстве случаях трудно выполнимая в связи с возможностью накопления большой систематической ошибки [37]. Численное же интегрирование уравнений первого или второго приближений, полученных с применением вышеназванных асимптотических методов, не представляет затруднений ввиду того, что в этих уравнениях неизвестными функциями являются так называемые «медленные переменные», а именно, амплитуды и фазы крутильных колебаний, а не сами осциллирующие функции углов деформации. Для получения полной картины процесса здесь достаточно вычислить небольшое количество точек, расположенных на сравнительно «гладкой» кривой, что существенно упрощает численное интегрирование, в то время как при интегрировании исходной системы пришлось бы находить не огибающие, а непосредственно сами величины деформаций.

Способы снижения динамических нагрузок от крутильных колебаний.

Наиболее распространены следующие способы снижения динамических нагрузок на элементы ДВС и трансмиссии при крутильных колебаниях, в том числе при резонансных режимах [1, 2, 11, 13, 15−18, 20, 21, 47, 48]:

— изменение жесткости элементов системы (не всегда возможно в силу конструктивных ограничений);

— изменение порядка зажигания в цилиндрах, что позволяет уменьшить резонансный пик для одних гармоник, но в этом случае резонансные пики увеличиваются для других гармоник;

— введение динамических гасителей колебаний, настроенных на частоту определенной формы, что не влияет на смещение и уменьшение резонансных пиков на других частотах;

— введение демпферов трения (не всегда могут встраиваться в существующие схемы, могут отстраиваться от частот для которых они предназначены в результате износа своих элементов, действуют не только при резонансах).

Таким образом, снижение напряжений крутильных колебаний в ДВС и трансмиссии автомобиля с помощью подбора жесткостей, применения демпферов и динамических гасителей имеет определенные недостатки.

Также известны работы немецкой фирмы «Континенталь ИСАД Системе» [22], которая разработала демпфер крутильных колебаний коленвала на базе управляемого ССГ с кратковременной мощностью 50кВт. Однако указанный ССГ не рассчитан на снижение крутильных колебаний в трансмиссии, а также на снижение амплитуд вибраций двигателя в плоскости осей цилиндров.

В данной работе предлагается способ снижения динамических нагрузок и шума с помощью ССГ для автомобиля с 4- цилиндровым однорядным ДВС, классической схемой механической трансмиссии и колесной формулой 4×2. Хотя установки с ДВС чрезвычайно разнообразны и по назначению и по конструктивным особенностям, с точки зрения исследования колебаний все они могут быть объединены в одну группу, так как сам ДВС является в них мощным источником возбуждения колебаний [2, 43, 55−58]. При исследовании установок с автомобильными ДВС реальная колебательная система силовой цепи заменяется ее расчетной схемой (механической моделью) с учетом допущений, подтвержденных опытом многолетних исследований [1]:

— для отражения основных особенностей колебательных процессов достаточно точной является механическая модель;

— параметры механической модели не зависят от времени;

— основные колебания — крутильные: данное допущение делается в силу того, что коленвал для 4- цилиндровых однорядных автомобильных ДВС, как правило, является коротким в отличие от многоцилиндровых тракторных, авиационных и судовых ДВС, в которых на некоторых режимах могут заметно проявляться еще и связанные с крутильными изгибные и продольные колебания [1, 47]. Хотя предлагаемый способ остается в силе и для этих систем.

Кроме того, предлагаемая в данной работе конструкция ССГ позволяет, уменьшая амплитуды крутильных колебаний в трансмиссии, попутно снижать амплитуды связанных с ними изгибных колебаний.

Уровень шума в автомобиле является важной его характеристикой. Снижению уровня шума ДВС и трансмиссии, являющихся одними из основных источников шума автомобиля, уделяется большое внимание [3, 26, 31, 47, 59, 60]. С целью снижения шума уменьшают вибрации и шум в источнике их возникновения, например, повышают точность изготовления и установки зубчатых колес в агрегатах трансмиссии, смещают собственную частоту колебательной системы путем изменения крутильной жесткости и моментов инерции так, чтобы собственная частота оказалась за пределами рабочих частот двигателя и трансмиссии [31], устанавливают демпферы и динамические гасители [17], вторичные валы. Однако, как уже было сказано реализация этих способов не всегда возможна (в том числе в силу конструктивных ограничений).

Поэтому интересно было бы рассмотреть возможность использования ССГ не только для снижения динамических нагрузок в трансмиссии, но и шума ДВС, разработать схему установки и алгоритмы управления этого ССГ.

Совмещенный стартер-генератор как средство снижения динамических нагрузок и шума.

К данному ССГ в этом случае предъявляются следующие требования:

— он должен обеспечивать воздействие как на элементы ДВС, так и на элементы трансмиссии;

— иметь достаточное быстродействие и широкую полосу пропускания;

— иметь достаточные надежность и ресурс работы, малые габариты и возможность встраивания в силовую схему без существенной переделки конструкции ДВС и трансмиссии.

Коллекторные двигатели постоянного тока [61, 62] имеют низкую надежность и малый ресурс из-за низкой надежности щеточно-коллекторного узла при действии вибраций и из-за больших габаритов не могут быть размещены между ДВС и трансмиссией без существенной переделки их конструкции.

Как показал анализ, в наибольшей степени вышеуказанным требованиям к ССГ для снижения нагрузок крутильных колебаний удовлетворяет вентильный электропривод (ВЭП) с позиционной коммутацией. Разработке ВЭП посвящено большое количество работ известных ученых [63−66], в которых изучены характеристики ВЭП, показана их эффективность и преимущества. ВЭП с постоянными магнитами позволяют реализовать различные законы управления [63, 67−69] и, благодаря отсутствию обмотки возбуждения, которую заменяют постоянные магниты, могут разместиться в малых габаритах картера сцепления.

Кроме того, серийные стартер и генератор существующих отечественных автомобилей не удовлетворяют современным требованиям по надежности, ресурсу работы, мощности и габаритам [70−79]. Поэтому актуальной также является задача обеспечения большей мощности и надежности как в режиме стартера, так и в режиме генератора.

В данной работе предлагается схема размещения, компоновка ССГ, находится вид управляющих воздействий, которые должен вырабатывать ССГ для снижения динамических нагрузок от крутильных колебаний в трансмиссии, а также способы снижения амплитуд вибраций двигателя в плоскости осей цилиндров, основанные на применении управляемого ССГ, устанавливаемого в картере сцепления.

Цель работы — снижение нагрузок от крутильных колебаний в элементах динамической системы автомобиля, а также уменьшение уровня шума работы ДВС с помощью управляемого ССГ, расположенного между ДВС и трансмиссией.

Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи.

1. Выбор математических моделей ДВС и динамической системы автомобиля, позволяющих учитывать основные нелинейности и силы демпфирования, присутствующие в реальной системе и управляющие моменты ССГ, находящегося в картере сцепления.

2. Построение и исследование аналитических выражений приближенных одночастотных и многочастотных стационарных и нестационарных колебательных решений нелинейных моделей ДВС и трансмиссии, отражающих влияние на поведение системы комплекса ее параметров. Нахождение зависимостей амплитуд и фаз нелинейных стационарных колебаний от частоты вращения коленвала. Анализ устойчивости стационарных крутильных колебаний.

3. Определение методики нахождения величин коэффициентов внутреннего демпфирования и его нелинейностей индивидуально для каждого участка расчетной схемы с учетом амплитуды, частоты колебаний и конструкции элементов расчетной схемы.

4. Построение количественных оценок амплитуд и фаз крутильных колебаний в ДВС и трансмиссии при стационарных и нестационарных одночастотных и многочастотных режимах применительно к ГАЗ-3110 с ДВС ЗМЗ-4062.

5. Нахождение влияния момента инерции маховика на амплитуды крутильных колебаний элементов ДВС и трансмиссии и на равномерность вращения маховика для оценки изменения параметров систем при установке на маховик кольца с постоянными магнитами, играющего роль ротора для вентильного ССГ.

6. Нахождение зависимости между неравномерностью крутящего момента, неравномерностью вращения маховика и амплитудами крутильных колебаний элементов динамической системы автомобиля для выработки критерия снижения динамических нагрузок.

7. Выбор типа и компоновка ССГ. Описание принципов его работы.

8. Нахождение вида управляющих крутящих моментов, создаваемых вентильным ССГ, позволяющих снижать динамические нагрузки, вызванные крутильными колебаниями в трансмиссии, при отсутствии и при наличии ограничений на мощность ССГ.

9. Построение количественных оценок амплитуд колебаний в динамической системе автомобиля при использовании различных законов управлений ССГ.

10. Нахождение вида управляющих воздействий, создаваемых ССГ и позволяющих уменьшать шум работы ДВС путем снижения амплитуд колебаний двигателя в плоскости осей цилиндров, вызванных, главным образом, наличием несбалансированных сил инерции, действующих со стороны поршней на опоры двигателя.

Идея работы заключается в том, что сначала выбираются математические модели ДВС и трансмиссии, учитывающие нелинейности упругих моментов и моментов демпфирования, зависимость демпфирования от частоты и амплитуды колебаний, внутренние и внешние возмущения, наличие ССГ между ДВС и трансмиссией. Затем с помощью асимптотических методов находятся аналитические выражения приближенных одночастотных и многочастотных колебательных решений для построенных нелинейных моделей. Эти выражения наглядно отражают влияние на поведение различных элементов системы как отдельных параметров, так и их совокупности с учетом имеющихся взаимосвязей, используются для целенаправленного анализа системы, для обоснования предлагаемых способов снижения динамических нагрузок и шума, определения вида управляющего момента, создаваемого ССГ для снижения динамических нагрузок и шума в динамической системе автомобиля, а также для формирования требований к параметрам данного ССГ.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Выражения, описывающие одночастотные и многочастотные, стационарные и нестационарные режимы крутильных колебаний нелинейной модели 4-х цилиндрового ДВС и механической трансмиссии автомобиля, построенные с учетом комплекса нелинейностей жесткостей и демпфирования на всех участках расчетной схемы, зависимости моментов демпфирования от частоты и амплитуды колебаний, возмущений от ДВС и дороги, а также управляющего воздействия от ССГ.

Полученные зависимости облегчают изучение динамики нелинейных систем, позволяют на этапе проектирования получать более достоверные качественные и количественные результаты, избегать возможность появления недопустимых величин динамических напряжений в элементах конструкции ДВС и трансмиссии, разрабатывать требования к параметрам ССГ и находить вид управляющих воздействий ССГ для снижения нагрузок.

2. Методика нахождения величин коэффициентов внутреннего демпфирования и его нелинейностей индивидуально для каждого участка расчетной схемы с учетом амплитуды, частоты колебаний и конструкции элементов расчетной схемы. Данная методика позволяет получать более достоверные оценки величин динамических напряжений на резонансных режимах.

3. Способы снижения с помощью ССГ динамических нагрузок от крутильных колебаний и шума в ДВС и трансмиссии автомобилей путем увода частоты вращения коленвала из резонансной зоны и путем создания компенсирующего момента.

4. Выбор типа ССГ на базе вентильного двигателя с позиционной коммутацией, компоновка ССГ в картере сцепления применительно к автомобилю ГАЗ-3110 без существенных изменений конструкции двигателя и трансмиссии. Применение предложенного встраиваемого в картер сцепления ССГ позволяет избежать случаев развития опасных резонансных явлений, повысить надежность и ресурс ДВС, трансмиссии и автомобиля в целом.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций корректным использованием в работе апробированных методов исследования нелинейных колебательных систем, использованием известных экспериментальных данных по определению декрементов затухания для нахождения коэффициентов демпфирования, совпадением ряда результатов, полученных автором, с известными теоретическими и экспериментальными данными.

Научное значение работы заключается в получении аналитических выражений, которые могут эффективно использоваться для изучения динамики нелинейных моделей, в том числе ДВС и трансмиссии, наглядно отражают влияние комплекса параметров на характер колебаний, позволяют изучать одночастотные и многочастотные, стационарные и нестационарные колебательные режимы, анализировать их устойчивость. Кроме того, значение работы заключается в разработке на основе полученных теоретических результатов способов снижения с помощью управляемого ССГ динамических нагрузок от крутильных колебаний в ДВС и трансмиссии.

Практическое значение работы заключается в следующем:

— полученные зависимости параметров нелинейных колебательных режимов и динамических напряжений для всех участков расчетной схемы позволяют на этапе проектирования получать достоверные качественные и количественные результаты и избегать возможность появления недопустимых величин динамических напряжений в элементах конструкций, разрабатывать требования к параметрам ССГ и находить вид управляющих моментов ССГ для снижения нагрузок в ДВС и трансмиссии;

— предложенная методика определения величин коэффициентов внутреннего демпфирования и его нелинейностей позволяет получать достоверные оценки величин динамических напряжений на резонансных режимах;

— применение предложенного встраиваемого в картер сцепления ССГ позволяет не только использовать его как более мощную и надежную замену серийных стартеров и генераторов, но и избежать случаев развития опасных резонансных явлений, повысить надежность и ресурс ДВС, трансмиссии и автомобиля в целом и одновременно расширить возможности схемы на перспективу;

— общность полученных результатов позволяет распространить их на целый ряд типов автомобилей с механической трансмиссией.

Реализация выводов и рекомендаций работы Результаты диссертационной работы использовались на ЗАО «Уралспецтехника» при проектировании встроенного стартер-генератора для спецтехники на шасси автомобиля УРАЛ, в ЗАО «Этиком» при расчетах встроенного стартер-генератора для автомобиля УРАЛ и ГАЗ-3110 и в учебном процессе на миасском машиностроительном факультете по специальности 15.01.00 — «Автомобилеи тракторостроение».

Апробация работы Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XX Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (Миасс, 2000 г.), на XXI и XXII Российских школах по проблемам науки и технологий (Миасс, 2001, 2002 г. г.), на 53-й научно-технической конференции ЮУрГУ 2001 года и на кафедрах «Техническая механика», «Прикладная механика, динамика и прочность машин», «Летательные аппараты» ЮУрГУ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, в том числе 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 86 наименованийдиссертация содержит 151 страницу машинописного текста.

Выводы к главе.

Найден вид управляющего воздействия, которое может применяться для снижения силы, действующей на опоры двигателя в плоскости осей цилиндров перпендикулярно коленвалу. Показано, что применение данного управляющего воздействия не вызывает существенного увеличения амплитуд крутильных колебаний коленвала двигателя, однако может вызвать заметное увеличение амплитуд колебаний элементов трансмиссии. Поэтому выбранное управление может применяться лишь для снижения шума работы двигателя при отключенной трансмиссии.

Для снижения шума ДВС на 1.5.2.5 дб на холостом ходу (за счет уменьшения максимума инерционных сил) ССГ должен вырабатывать момент величиной около 100 нм с частотой 52 Гц.

Поскольку эти требования гораздо более жесткие, чем требования, предъявляемые к ССГ при снижении динамических нагрузок, то, учитывая возможности ССГ, шум предлагается снижать не за счет снижения инерционных сил второго порядка, а за счет снижения неравномерности крутящего момента. Т.к. при создании компенсирующего момента (описанного в главе 3) снижается неравномерность крутящего момента, то снижаются вибрации и шум ДВС, обусловленные этой неравномерностью.

Таким образом, мы одновременно решаем две задачи — снижение нагрузок и шума.

ГЛАВА 5.

СХЕМА УСТАНОВКИ, ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СОВМЕЩЕННОГО.

СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРА.

Проведенные теоретические исследования не только показали путь и способ получения уточненных количественных оценок динамических процессов и параметров нелинейной модели крутильных колебаний ДВС и трансмиссии, но и выявили принципиальную возможность управления динамическими напряжениями на различных участках расчетной модели и исключения развития опасных резонансных режимов.

Практическое приложение предложенных способов аналитического исследования нелинейной динамики и снижения динамических нагрузок было проведено на примере ДВС и трансмиссии автомобиля ГАЗ-Э110 «Волга», что было обусловлено следующими обстоятельствами:

1. Желанием ОАО «ГАЗ» на этапе технических предложений получить теоретическое обоснование эффективности предлагаемых способов и устройств по снижению динамических напряжений и увеличению мощности источника электропитания на борту сначала для отработанной конструкции автомобиля типа «Волга», а затем применение результатов этих разработок для джипа на базе этого автомобиля для сельской местности, холодного и тропического климата, когда требуются запасы по мощности генератора для электропитания кондиционеров, отопителей, лебедок и других дополнительных механизмов, большая надежность и увеличенный ресурс работы стартеров и генераторов без обслуживания даже при увеличении стоимости ССГ по сравнению со стоимостью серийных стартера и генератора.

2. Наличием необходимых конструкторских и экспериментальных данных для расчета приведенных параметров нелинейных моделей ДВС и трансмиссии, таких как жесткости, моменты инерции, коэффициенты демпфирования и др.

3. Теоретическим и экспериментальным подтверждением целесообразности и эффективности применения в автомобиле «Волга» взамен двух серийных элементов стартера и генератора единого элемента (ССГ), обладающего следующими преимуществами: масса предлагаемого ССГ более чем в 3 раза меньше суммарной массы серийных стартера и генератора (см. табл. 5.1) — в предлагаемом ССГ при необходимости может быть конструктивно реализована в режиме генератора мощность, в 20.30 раз большая мощности серийного генератора, а в режиме стартера может быть конструктивно реализована мощность, в 3.5 раз большая мощности серийного стартера (см. табл.5.1.) — большие надежность и ресурс работы ССГ без обслуживания из-за бесконтактного исполнения и отсутствия ненадежных элементов конструкции серийных стартера и генератора: щеточно-коллекторных узлов, втягивающего реле, редуктора, ременных и зубчатых передач, устройств натяжения ремней генератора, подшипников, муфты свободного хода, обмоток возбуждения и др.- гарантированный запуск ДВС и работа в широком диапазоне температурналичие информации в ССГ об угле, угловой скорости и угловом ускорении вращения коленвала ДВС, что позволяет использовать ее для управления режимами работы ДВСпоявляется принципиальная возможность снижения динамических нагрузок на различных участках коленвала ДВС и элементов трансмиссии путем увода частоты либо путем создания компенсирующего момента с целью исключения развития опасных резонансных режимов. При этом нет необходимости задействовать ССГ длительное время в режиме создания момента для препятствия развитию резонансов, т.к. при этом необходимо расходовать мощность порядка 5.10кВт, а достаточно создавать такой режим лишь кратковременно, пока частота вращения коленвала находится в резонансной зонепоявляется принципиальная возможность создания запасов по мощности генератора и нескольких номиналов его выходных напряжений, что позволяет создать комфортные условия в салоне за счет подключения дополнительных кондиционеров воздуха, телевизоров, компьютерных средств, а также использовать более эффективные высоковольтные исполнительные электромеханические элементы привода различных устройств автомобиляне требуется переделки конструкции ДВС и трансмиссия для установки.

ССГ.

Предлагаемый бесконтактный необслуживаемый ССГ должен выполнять функции стартера, генератора и активного управляемого элемента для снижения динамических нагрузок в ДВС и трансмиссии и при этом легко встраиваться в существующие схемы ДВС и трансмиссии без их существенной переделки. Поэтому, чтобы не вносить изменений в конструкцию ДВС и трансмиссии и эффективно влиять на снижение динамических нагрузок и в ДВС и в трансмиссии, предложено располагать ССГ между ДВС и трансмиссией. В этом случае имеется возможность одновременно и раздельно влиять на динамику ДВС и трансмиссии. Конструктивно это можно сделать, выполнив ССГ на базе вентильного двигателя с позиционной коммутацией и конструкцией электромашины торцевого типа и разместив ССГ в картере сцепления. При этом обмотка стартера ССГ размещается и крепится в картере сцепления, а ротор ССГ в виде кольца с постоянными магнитами устанавливается на маховике (см. рис. 5.1.) Как показывают расчеты для различных грузовых и легковых автомобилей, можно разместить статор и ротор ССГ в имеющихся нишах существующих конструкций без изменения приведенного момента инерции маховика, что не ухудшает динамических характеристик ДВС и трансмиссии и при отключении ССГ.

Рис. 5.1. Совмещенный стартер — генератор:

1- корпус картера сцепления и маховика (корпус ССГ) — 2- кольцо с постоянными магнитами, установленное на маховике 5- 3- пакет статора ССГ- 4 -обмотки статора ССГ- 5- маховик- 6 — коленвал ДВС.

Управление переключением обмоток ССГ осуществляется по сигналам с датчика положения ротора (ДПР), выполненного, например, в виде поворотного трансформатора, ротор которого установлен, например, на маховике, а статор — на корпусе картера.

Предлагаемый бесконтактный необслуживаемый ССГ должен обеспечивать следующие характеристики.

1. В режиме стартера:

— необходимую величину пускового момента двигателя внутреннего сгорания (ДВС) из условия, чтобы преодолеть момент сопротивления вращению коленчатого вала и обеспечить его минимально необходимую пусковую частоту вращения в течение 10.20 с перерывами между несколькими попытками пуска от 20 до 60 с во всех условиях эксплуатации и пребывания автомобиля;

— дистанционное включение и автоматическое отключение режима стартера после пуска ДВС;

— ресурс работы не менее 1 ООО часов без обслуживания;

— количество пусков не менее 5000.

2.В режиме активного управляемого элемента:

— снижение динамических напряжений на различных участках схем ДВС и трансмиссии, а также их шума.

3. В режиме генератора:

— выработку и поддержание напряжения в бортовой сети автомобиля в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения коленвала ДВС, электрической нагрузки, температуры окружающей среды;

— ресурс работы не менее 10 000 часов без обслуживания;

— возможность диагностики состояния;

— возможность формирования нескольких номиналов напряжений бортовой сети для различных электропотребителей;

— возможность использования на стоянке или во время движения автомобиля для других механизмов и устройств.

Схемы и конструкции современных отдельных стартеров и генераторов не удовлетворяют всему комплексу этих требований. Так существующие стартеры имеют низкую надежность и малый ресурс муфты свободного хода, тягового реле, щеточно-коллекторного узла, особенно в условиях повышенной влажности и запыленности и требуют периодического обслуживания. Кроме того, в конструкциях существующих стартеров не имеется возможности диагностики состояния элементов, программного управления моментом и использования стартера для снижения шума ДВС и трансмиссии. Существующие генераторы с приводом от ременной передачи требуют периодической регулировки и обслуживания, имеют недостаточную надежность из-за износа и обрыва ремней, попадания влаги и пыли, а для генераторов со щеточно-коллекторным узлом, — еще и из-за износа и загрязнения узла. Так же как и для стартеров, в схемах и конструкциях серийно применяемых генераторов автомобилей не заложены возможности диагностики состояния, формирования нескольких номиналов выходных напряжений и возможность использования их для дополнительных механизмов и устройств на стоянке и при движении автомобиля.

5.1. Блок-схема совмещенного стартер-генератора.

Блок-схема предлагаемого ССГ изображена на рис. 5.2, где обозначено:

ДПР — датчик положения ротора;

ПН1 — преобразователь напряжения 1;

ПН2 — преобразователь напряжения 2;

ПНЗ — преобразователь напряжения 3;

БУ — блок управления;

Н — накопитель энергии;

АКБ — аккумуляторная батарея;

УУ — устройство управления;

Ul, VI, W1 — обмотки генератора;

U2, V2, W2 — обмотки стартера.

Обмотки стартера и генератора ССГ на рис. 5.2 для наглядности показаны раздельно, а фактически это одни и те же обмотки, используемые либо в режиме стартера, либо в режиме генератора.

Рис. 5.2 Блок-схема совмещенного стартер — генератора.

Первый, самый простой вариант выполнения схемы ССГ, когда ССГ используется по традиционной циклограмме, т. е. ССГ в режиме стартера питается от аккумуляторных батарей, запускает ДВС и после запуска переходит в режим генератора.

Генератор работает только на бортовую сеть и зарядку АКБ. Генератор вырабатывает напряжение, величина которого, как показали расчеты ССГ для компоновочной схемы, приведенной на рис. 5.1, находится в пределах от 14 В при угловой скорости холостого хода 85 у до 86 В при максимальной скорости С вращения коленвала 545 /. ПН1 формирует постоянное напряжение 14 В для С бортовой сети и зарядки АКБ.

УУ представляет собой плату с микроконтроллером, которая преобразует сигналы с блока метки и тем самым обеспечивает информацией БУ о начале отсчета фазы поворота ротора ДПР. БУ осуществляет позиционную коммутацию обмоток ССГ по сигналу с УУ и ДПР через преобразователь сигнала.

Во время работы ДВС для кратковременного создания момента, уводящего частоту вращения коленвала из резонансной зоны, режим генератора отключается и обмотки стартера в этом варианте использования ССГ могут питаться от АКБ, которая в этом случае должна быть усилена.

Ориентировочная стоимость первого варианта выполнения ССГ составляет около 15 000 руб., в том числе стоимость электромашины порядка 3000 руб. и стоимость электронного блока порядка 12 000 руб.

Второй, более дорогостоящий, вариант использования ССГ, когда ССГ может работать еще и в режиме компенсации гармоник возмущающего момента от ДВС. В этом случае необходим накопитель (Н), который подпитывается энергией при работе ССГ в режиме генератора, а затем используется для обеспечения дополнительной мощности при работе ССГ в режиме демпфирования колебаний, в режиме трогания с места, при подъеме в гору на малых оборотах ДВС и т. д. В связи с тем, что напряжение, снимаемое с обмоток ССГ в режиме генератора, постоянно изменяется с изменением угловой скорости со, то для стабилизации напряжения применен ПН2. Накопитель (Н) может быть реализован из конденсаторных батарей, которые накапливают энергию, поступающую через ПН2. ПНЗ преобразует напряжение, полученное с Н в требуемую форму, и подает его на питание обмоток ССГ в режиме стартера и моментного двигателя. Сдвиг фаз и управление коммутацией формируется с помощью метки, УУ и БУ.

Во втором варианте исполнения ССГ цена комплекта оборудования составляет 53 000 руб, в том числе стоимость электронного блока порядка 50 000 руб. и стоимость электромашины порядка 3000 руб.

Конструкция ССГ, рассчитанная из условия обеспечения пускового момента ДВС автомобиля «Волга» величиной не менее 125 Н-м и выработки выходного напряжения бортовой сети 14 В мощностью не менее 7,7 кВт, размещенная в имеющихся свободных нишах картера сцепления и маховика ДВС ЗМЗ-406.2, приведена на рис. 5.1,.

При необходимости в системе может быть сформировано однофазное переменное напряжение 220 В с частотой 50Гц. В процессе работы ССГ как в режиме стартера, так и в режиме генератора осуществляется полная диагностика системы как за счет встроенной самодиагностики транзисторных модулей, так и путем передачи информации в центральный микропроцессор управления системами автомобиля: впрыска, зажигания и др.

Из табл. 5.2. видно, что масса ССГ в три раза меньше суммарной массы серийных стартера и генератора, а величины максимальной мощности в режиме генератора и максимального момента в режиме стартера на порядок больше соответствующих параметров серийных стартера и генератора.

В табл. 5.2.приведены данные по характеристикам ССГ в режиме стартера и генератора, которые получены при размещении конструкции ССГ в имеющихся свободных нишах картера сцепления. Учитывая, что на ряде модификаций автомобилей такие большие мощности, например, генератора 40.70 КВт не требуются, то габариты обмоток ССГ могут быть уменьшены и ССГ в целом будет еще меньше по массе и габаритам.

Рис. 5.3. Геометрические параметры магнитной системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано новое решение актуальной научно-технической задачи повышения надежности и ресурса работы ДВС и трансмиссии автомобиля за счет снижения динамических напряжений на резонансных частотах нестационарных многочастотных нелинейных крутильных колебаний с помощью управляемого совмещенного стартер-генератора на основе проведенного в работе тщательного теоретического анализа динамики рассматриваемых систем.

Проведенные теоретические исследования привели к следующим результатам и выводам:

1. С помощью асимптотических методов Боголюбова-Митропольского в пространстве состояний аналитическим путем получены приближенные решения, описывающие одночастотные и многочастотные, стационарные и нестационарные режимы крутильных колебаний нелинейной модели 4-х цилиндрового ДВС и классической трансмиссии автомобиля с учетом комплекса нелинейностей жесткостей и демпфирования на всех участках расчетной схемы, возмущений от ДВС и дороги, а также управляющего воздействия от стартер-генератора.

Полученные зависимости параметров колебаний и динамических напряжений для всех участков расчетной схемы предлагается использовать для изучения динамики ДВС и трансмиссий на этапе проектирования, поскольку они позволяют получать достоверные качественные и количественные результаты и выявлять появление недопустимых динамических напряжений в элементах конструкции ДВС и трансмиссии, разрабатывать требования к параметрам стартер-генератора и находить вид управляющих воздействий стартер-генератора для снижения нагрузок.

Найдены области устойчивости указанных колебательных режимов для параметров автомобиля ГАЗ-3110.

2. Выявлена существенная неравномерность распределения динамических напряжений на различных участках расчетной схемы и ее изменяющийся характер в реальных нестационарных процессах, что подтверждает необходимость тщательного анализа динамических режимов колебаний на различных частотах при проектировании автомобилей с учетом комплекса нелинейностей с помощью полученных в диссертации выражений.

3. С использованием полученных решений определена методика нахождения величин коэффициентов внутреннего демпфирования и его нелинейностей индивидуально для каждого участка расчетной схемы с учетом амплитуды, частоты колебаний и конструкции элементов расчетной схемы. Данная методика позволяет получать более достоверные оценки величин динамических напряжений на резонансных режимах.

4. Предложен способ снижения с помощью стартер-генератора динамических нагрузок от нелинейных крутильных колебаний и шума в трансмиссии автомобиля и найден вид управляющих моментов электропривода.

5. Предложена схема размещения, обоснован выбор типа стартер-генератора на базе вентильного двигателя с позиционной коммутацией и применительно к автомобилю ГАЗ-3110 с ДВС ЗМЗ-4062 разработана компоновка стартер-генератора в картере сцепления без существенных изменений конструкции двигателя и трансмиссии. Применение предложенного встраиваемого в картер сцепления совмещенного стартер-генератора позволяет избежать случаев развития опасных резонансных явлений, повысить надежность и ресурс ДВС, трансмиссии и автомобиля в целом.

Уже начиная с мощности 4 кВт, ССГ способен уменьшить ширину резонансной зоны для 2-й собственной частоты трансмиссии (для резонанса 2-го и 4-го рода) на 10.20%, а максимальные напряжения на 15.25%.

При снижении шума от ДВС на холостом ходу (за счет уменьшения максимума инерционных сил) с помощью ССГ ожидаемое снижение шума составляет порядка 2 дб.

Полученные в результате исследования количественные оценки напряжений для различных участков коленвала и трансмиссии сравнивались с результатами экспериментов, описанными в известных работах по определению амплитуд колебаний для ДВС ЗМЗ-406.2 и трансмиссии автомобиля ГАЗ-3110. Необходимо также подчеркнуть, что величины демпфирования в материале на различных участках коленвала и трансмиссии находились в зависимости от частот колебаний и уточнялись в зависимости от амплитуд, основываясь на справочные данные по определению декрементов затуханий элементов различных конструкций. Это позволяет говорить о достоверности полученных в диссертации оценок.

Общность полученных теоретических результатов позволяет распространить их на целый ряд типов автомобилей с механической трансмиссией.