Обоснование режимов переключения в автомобильной коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений

Актуальность работы.

Совершенствование механических ступенчатых коробок передач и систем управления ими позволяет достичь повышения средней скорости и безопасности движения, снижения утомляемости водителя, сокращения времени переключения передач. Переключение с минимальным разрывом или без разрыва силовой цепи позволяет улучшить динамику разгона и положительно сказывается на проходимости. Как правило, этому способствует система автоматизированного или автоматического управления трансмиссией и доля таких автомобилей постоянно увеличивается.

Автоматизация механических ступенчатых КП является актуальной задачей, в последние годы благодаря развитию электронных систем управления открываются новые возможности по созданию автоматических и автоматизированных трансмиссий. Отдельные авторы отмечают [14], что доля легковых автомобилей, оснащенных автоматическими механическими КП к 2010 г. достигнет 18%, а доля автомобилей с автоматическими гидромеханическими КП снизится из-за их значительно более худших экономических показателей.

Другое направление совершенствования процесса переключения передач связано с созданием конструкций КП без разрыва или с минимальным разрывом потока мощности. Как правило, одной из целей автоматизации процесса переключения передач является сокращение времени разрыва потока мощности.

Конструкция коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием (далее экспериментальная коробка передач — ЭКП) представляется достаточно перспективной для применения ее в трансмиссии автомобиля прежде всего повышенной проходимости. Переключение передач в ЭКП происходит без синхронизаторов за малый промежуток времени, трансмиссия обладает высоким КПД, имеется возможность использовать для управления переключением (переключение на повышенную п—*п+1 либо пониженную п—>п-1 передачу) величину и направление крутящего момента двигателя.

Переключение передач в ЭКП возможно без выключения сцепленияпри расстопоренном водиле за счет внутренних силовых факторов. При создании системы переключения (в том числе автоматизированного) может отсутствовать ряд исполнительных элементов, необходимых для осуществления данного процесса в ступенчатой вальной коробке передач. При заданном сопротивлении движению требуется изменение величины или направления крутящего момента двигателя (от этого зависит время и сама возможность переключения). Тем самым, должен быть обоснованный выбор силовых и кинематических параметров движения, характеризующих режим переключения (крутящий момент двигателя, скорость перед переключением). Выбор режимов переключения должен обеспечивать снижение динамической на-груженности трансмиссии. Недостаточная исследованность работы трансмиссии с ЭКП на режиме переключения не позволяет реализовать преимущества, обусловленные предлагаемой кинематической схемой, что и предопределило выбор темы настоящего исследования.

Цель работы.

Обоснование режимов переключения в коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием в условиях применения данной коробки передач в трансмиссии автомобиля повышенной проходимости.

Объект исследования.

Моторно-трансмиссионная установка легкового автомобиля (УАЗ 31 512) с установленной ЭКП.

Предмет исследования.

Способ и режимы переключения передач в ЭКП с помощью внутренних силовых факторов, вызванных условиями движения автомобиля и режимом работы двигателя.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели исследования сформулированы и решены следующие задачи:

1) Разработка математической модели моторно-трансмиссионной установки автомобиля с ЭКП для исследования параметров, характеризующих режим переключения. Рассмотрение возможных путей реализации исследуемого способа переключения передач: переключение при расстопоренном водиле, ручное переключение, силовое (принудительное) переключение;

2) Разработка и изготовление действующего макета ЭКП, установка его на автомобиль УАЗ 31 512, разработка системы переключения передач. Проведение испытаний (переключение как с низшей на высшую (п—*п+1) так и с высшей на низшую (п—>п-1) передачи) при различных кинематических и силовых параметрах движения, характеризующих режим переключения. Испытание автомобиля УАЗ 31 512 с серийной коробкой передач на предмет оценки дополнительной динамической нагруженности на режимах переключения.

3) Экспериментальная проверка адекватности математической модели, описывающей процесс переключения в ЭКП.

Методологической основой диссертации являются исследования, базирующиеся на основных положениях теории автомобиля, теории механизмов и машин, дифференциальном и интегральном исчислении, математическом моделировании, электрическом измерении неэлектрических величин.

Научная новизна работы.

1) Разработана математическая модель моторно-трансмиссионной установки автомобиля с коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений, адекватно описывающая работу трансмиссии на режиме переключения передач и позволяющая производить обоснование и выбор режимов переключения.

2) Установлены силовые, кинематические параметры и условия режимов переключения, характеризующие связь между крутящим моментом двигателя и моментом от сил сопротивления, действующих на автомобиль, для осуществления процесса переключения в необходимом направлении: п—>п+1 или п—>п— 1.

Практическая ценность.

Разработанные кинематические и силовые зависимости, методика задания и расчета параметров, условия для переключения, варианты конструктивного исполнения, рекомендации по организации переключения могут использоваться при проектировании и совершенствовании коробок передач, использующих данный способ переключения, проектировании систем управления и применяться при рассмотрении новых областей применения коробок передач подобного принципа действия.

Апробация работы и внедрение результатов.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета в период 2000 — 2004 гг. и Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» г. Курган, 2003 г. Представлены на 23-м семинаре по науке и технологиям «Механика и процессы управления» г. Миасс, 2003 г. Автомобиль УАЗ 31 512 с установленным действующим макетом ЭКП демонстрировался на выставке, посвященной 60-летию ЮУрГУ, 2003 г. Диссертационная работа была заслушана на техническом совещании в Управлении главного конструктора ОАО Ульяновский автомобильный завод, 2004 г.

Результаты выполненной работы используются при проектировании раздаточной коробки подобного типа для автомобиля Урал 4320 на ОАО «Автомобильный завод «Урал», проектировании и изготовлении опытной партии автоматизированных пятиступенчатых коробок передач для автомобиля УАЗ 31 512 на ОАО «Уральский машиностроительный завод».

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, приложения и содержит 120 страниц машинописного текста, включающего 35 иллюстраций, 6 таблиц, список литературы из 56 наименований.

На защиту выносятся.

Кинематические и силовые зависимости в ЭКП, математическая модель для исследования процесса переключения в ЭКП, условия для протекания переключения под действием внутренних силовых факторов в необходимом направлении, результаты исследований.

Аннотация диссертационной работы.

Первая глава диссертации посвящена обоснованию выбора темы, обзору научных исследований и решений, применяемых при создании перспективных трансмиссий. На основе анализа сущности научной проблемы и работ по выбранной теме, формулируются цель и задачи исследования.

Во второй главе диссертации рассматривается предложенный способ переключения передач на примере трансмиссии автомобиля УАЗ 31 512, включающей в себя коробку передач с изменяемым межосевым расстоянием. Дается количественная характеристика условий, продолжительности и силовых факторов процесса переключения передач как на пониженную так и на повышенную передачи, проанализированы различные пути реализации рассматриваемого способа переключения. Для переключения передач с расстопоренным водилом сформулированы условия, необходимые для эффективного протекания процесса переключения передач. Представлены силовые и кинематические зависимости между элементами ЭКП. Разработана динамическая схема и математическая модель трансмиссии автомобиля, содержащей ЭКП для моделирования процесса переключения передач, установлена продолжительность и динамическая нагруженность процесса переключения. Сформулированы выводы о работоспособности исследуемой конструкции и рекомендации по осуществлению процесса переключения передач. Рассмотрено переключение передач при различном сопротивлении движению автомобиля, различном конструктивном исполнении ЭКП и различном режиме работы полноприводной трансмиссии.

В третьей главе диссертации сформулированы задачи экспериментального исследования, описан объект исследования и реализация системы переключения на автомобиле УАЗ 31 512, трансмиссия которого оснащена ЭКП. Приведено описание измерительного комплекса, тарировочные данные измерительной аппаратуры, методика проведения испытаний и обработки полученных экспериментальных данных.

Четвертая глава содержит анализ полученных экспериментальных данных, подтверждается адекватность разработанной математической модели, описывающей процесс переключения передач.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.

1) Разработана математическая модель, описывающая работу трансмиссии, оснащенной коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений на режиме переключения передач и позволяющая производить обоснование и выбор режимов переключения. Математическая модель позволяет прогнозировать время переключения, динамическую на-груженность трансмиссии.

2) Установлено 6 возможных комбинаций силовых параметров, характеризующих режимы переключения, обусловленных режимом работы двигателя и движением автомобиля. Установлены условия (Мд/1д>Мс/1а и Мд/1д<�Мс/1а), выполнение которых обязательно для осуществления самой возможности переключения в нужном направлении (п—>п+1, п—1).

3) Предлагаемый способ переключения за счет изменения межосевого расстояния и путь его реализации при расстопоренном водиле может быть эффективно использован в трансмиссии легкового автомобиля повышенной проходимости. Время переключения в разработанном варианте ЭКП составляет 0,1.0,8 с в зависимости от режима работы двигателя и сопротивления движению автомобиля.

4) На этапах выхода из зацепления и входа в зацепление с шестернями выходного вала паразитных шестерен соответственно выключаемой и включаемой передач, когда они находятся на межосевом расстоянии больше расчетного, нагруженность этих шестерен и трансмиссии в целом минимальна, а наибольшая нагруженность указанных шестерен возникает на этапе стопоре-ния водила, когда они расположены на расчетном межосевом расстоянии, и их нагрузочная способность максимальна.

Теоретически и экспериментально установлено, что динамическая нагруженность в исследуемой конструкции коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений, вызванная входом в зацепление шестерен включаемой передачи ниже чем в серийной коробке передач на несинхронизированных ступенях в 3+4 раза при любых возможных в эксплуатации силовых и кинематических параметрах движения, характеризующих режим переключения. Соответственно, во столько же раз меньше силы на зубьях шестерен, входящих в зацепление, что и обеспечивает работоспособность конструкции при использовании валов и шестерен серийной коробки передач. С учетом того, что в конструкции ЭКП вход шестерен осуществляется по всей ширине зуба (что снижает контактные напряжения) можно утверждать, что на втором этапе процесса переключения нет условий поломки зубьев вследствие повышенной динамической нагруженно-сти.

5) Во время экспериментальных исследований в общей сложности было произведено свыше 100 переключений на стенде и свыше 300 переключений в дорожных условиях (при расстопоренном водиле без выключения сцепления) при различных силовых и кинематических параметрах движения. Производились переключения 1—"-2, 2—"-1 при прямой и пониженной ступени в раздаточной коробке. Дефектация деталей после разборки ЭКП не выявила заметного износа и поломок зубьев шестерен, а также других элементов ЭКП и трансмиссии автомобиля УАЗ 31 512.

6) При ручном переключении с выключением сцепления время переключения не превышает 0,5.0,8 с при соблюдении допустимого усилия на рукоятке рычага переключения передач (60 Н).

7) В случае силового (принудительного) перевода водила при помощи внешнего источника на некотором режиме, характеризуемом Мд и Мс (сцепление включено) на первом и втором этапах процесса переключения передач трансмиссия нагружена крутящими моментами, сравнимыми с Мд и Мс, что вызовет повышенную нагруженность шестерен, находящихся не на расчетном межосевом расстоянии. Силовое переключение по энергетическим затратам и действующим усилиям нерационально и не дает каких-либо преимуществ в сравнении с переключением при расстопоренном водиле или ручным переключением.

8) Результаты проведенного исследования позволили перейти к следующему этапу создания принципиально новой коробки передач и используются при проектировании и изготовлении опытной партии автоматизированных пятиступенчатых коробок передач для автомобиля УАЗ 31 512 на кафедре «Автомобили» ЮУрГУ и ОАО Уральский машиностроительный завод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленном диссертационном исследовании рассмотрена работа трансмиссии, оснащенной коробкой передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений на режимах переключения передач. Установлены кинематические и силовые зависимости, разработана математическая модель моторно-трансмиссионной установки. Проанализированы пути реализации исследуемого способа переключения передач (переключение при расстопоренном водиле, ручное переключение с выключением сцепления, силовое (принудительное) переключение без выключения сцепления) на скоростных, нагрузочных режимах, при параметрах динамической схемы трансмиссии, применяемых двигателях, характерных для легкового автомобиля. Для переключения при расстопоренном водиле за счет внутренних силовых факторов установлены комбинации силовых и кинематических параметров движения, характеризующих режим переключения, сформулированы условия, выполнение которых необходимо для переключения в необходимом направлении. Установлен уровень динамической нагруженности элементов трансмиссии. Предложены варианты конструктивного исполнения и даны рекомендации по осуществлению процесса переключения в коробке передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений. Направление дальнейших исследований предполагает проведение испытаний в объеме, предусмотренном для опытных образцов согласно этапам конструирования и создания новой техники, а также создание автоматизированной или полностью автоматической трансмиссии на базе коробки передач с изменяемым межосевым расстоянием зубчатых зацеплений.