Теоретические основы гидравлического и пневматического управления сцеплениями автомобилей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Т Р А Н С П О Р Т

УДК 629.113-585

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО И ПНЕВМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯМИ АВТОМОБИЛЕЙ

Канд. техн. наук ЗАХАРИКЮ. М., докт. техн. наук, проф. РУКТЕШЕЛЬ О. С., кандидаты техн. наук ЗАХАРИК Ан. М., ЗАХАРИК Ал. М.

Завод автомобильных прицепов и кузовов,

Белорусский национальный технический университет,

Минский автомобильный завод

Расширение номенклатуры выпускаемой продукции рассматривается ведущими производителями автомобильной техники как одно из условий удержания лидирующих позиций в острой конкурентной борьбе. В последнее время такое расширение наблюдается за счет создания новых систем управления агрегатами автомобилей, в том числе сцеплениями.

Предлагаемая система осуществляет управление сцеплением как при трогании с места транспортного средства, так и при переключении передач. Причем в первом случае сцеплением автомобиля управляет водитель (командное управление), а во втором - система автоматического переключения передач.

Для реализации заданных требований уп-. равления разработан гидропневматический привод. Схема динамической системы привода управления сцеплением представлена на рис. 1. Гидропривод сцепления с пневмоусилителем состоит из подпедального цилиндра 1, исполнительного цилиндра 2, следящего клапана 3, гидропневмоцилиндра 4, пневматических и гидравлических магистралей, а также двухпозиционного двухлинейного электропневмоклапана переключения, который на схеме условно обозначен в виде пневмосопротивления с эквивалентной пропускной способностью ¡0,2/2. Электропневмоклапан с пропускной способностью 0/2 при подаче тока на электромагнит находится в полностью открытом положении, а в обесточенном состоянии - полностью закрыт.

В командном режиме привод работает следующим образом. При нажатии на педаль

управления сцеплением перемещается поршень подпедального цилиндра (рис. 1), жидкость одновременно подается к полостям следящего клапана и исполнительного цилиндра. Смещаясь, следящий клапан пропускает сжатый воздух из питающей магистрали в рабочую полость исполнительного цилиндра, шток которого в результате совместного усилия, создаваемого гидравлическим и пневматическим контурами, начинает перемещаться вправо, что соответствует процессу выключения сцепления.

Рис. 1

В режиме автоматического переключения передач электрический сигнал подается на клапан переключения. Электропневмоклапан с пропускной способностью о/ устанавливается в открытом положении, воздух из питающих магистралей поступает к гидропневмоцилиндру, поршень которого перемещается, осуществляя процесс выключения сцепления.

Анализ работ по решению проблемы гидравлического и пневматического управления сцеплениями автомобилей показал следующее. В начале исследования газодинамических процессов в пневмоприводе проводились с применением формул Сен-Венана и Ванцеля для надкритического и подкритического режимов течения рабочего тела. Позднее появилась возможность описывать процессы, происходящие в пневматической части привода сцепления, с использованием гиперболической функции расхода.

Однако решающее влияние на характер протекания переходного процесса в приводе в целом оказывает его гидравлическая часть, являющаяся для командного режима управляющей и непосредственно обеспечивающая следящее действие привода. Математическое описание совместного действия гидравлического (управляющего) и пневматического (силового) контуров привода позволяет обосновать теоретические выводы по улучшению качества регулирования процессов, происходящих в приводе, что при создании приводов сцепления является актуальной проблемой.

На базе динамической системы гидропневматического привода (рис. 1) разработано математическое описание переходных процессов, происходящих в приводе, которое является основой для теоретического исследования гидравлического и пневматического управления сцеплениями автомобилей. На схеме (рис. 1) приняты следующие обозначения: Хш Хг, Хк, Хг - перемещения поршней подпедального цилиндра, гидропневмоцилиндра, следящего клапана и исполнительного цилиндра соответственно; ргх, рх, ргй, рй, ргг, р2 - давления рабочей среды в полостях соответствующих гидропневмоаппаратов (индекс «г» означает давление жидкости); Г, Гй, Гг, Гг - площади

поршней соответствующих гидропневмоаппаратов; 0й/й, 0/1, 0/2 - пропускная способность

следящего клапана, пневмоклапана переключения и магистралей; П - массы жидкости в соответствующих магистралях, і = 1-3; П = = р11£1; ¡и / - длина и площадь проходного сечения і-го участка гидромагистрали; Яі - гидравлическое сопротивление і-го дросселя гидроцепи; р - плотность жидкости.

Гидравлические цепи привода включают магистрали управления следящим клапаном и магистрали исполнительного цилиндра и состоят из трех участков длиной ¡ь ¡2, ¡3, которые

имеют массы жидкости п\, П, П и гидравлические сопротивления Я1, Я2, Я3, причем в гидравлическое сопротивление Я1 дополнительно входит местное сопротивление Ск, которое эквивалентно клапану отключения (в командном и автономном режимах клапан отключает гидромагистраль гидропневмоцилиндра, а при переключении передач - подпедаль-ный цилиндр). Для контура управления сцеплением принята гидравлическая модель с одним сосредоточенным объемом жидкости. Предполагается, что объем жидкости приведен к подпедальному цилиндру, а коэффициент податливости у(ргх) является функцией давления жидкости в подпедальном цилиндре и гидропневмоцилиндре соответственно.

Пневмоцепь представляет собой соединение из постоянных и переменных ДЕ-звеньев. К дросселям с постоянными характеристиками относятся пневмосопротивления с пропускной способностью Ц1/1, эквивалентной параметрам отрицательной обратной связи по давлению, Мо/2 - пневмоклапану переключения. Следящий клапан представляет собой регулируемый дроссель и емкость с переменными параметрами.

Рассматриваемый привод является существенно нелинейным, динамические процессы в котором описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений с учетом следующих нелинейностей: нелинейные характеристики сцепления и податливости гидравлических цепей, наличие гидравлических сопротивлений, зоны нечувствительности в следящем клапане, гидропневмоцилиндре, исполнительном цилиндре, подпедальном цилиндре, нелинейные характеристики пневмодросселей,

а также ограничение следящего действия клапана.

При математическом описании динамики гидропневмопривода сцепления принят ряд допущений:

• отсутствуют утечки воздуха и рабочей жидкости из системы;

• жидкость, циркулирующая в гидроприводе, однородна, исключается ее разрыв;

• температура воздуха в емкостях считается одинаковой и постоянной за время переходного процесса;

• свойства рабочей жидкости не изменяются в течение переходного процесса;

• учитывается податливость основных элементов гидроцепи;

• ресивер автомобиля располагается рядом со следящим клапаном, что дает возможность пренебречь сопротивлением питающей магистрали;

• все гидравлические и пневматические цепи рассматриваются как системы с сосредоточенными параметрами;

• давление воздуха в ресивере не изменяется за время переходного процесса.

Дифференциальные уравнения, описывающие динамику гидропневмопривода, получены при составлении уравнений баланса давлений и расходов для гидроцепей, уравнений баланса расходов в узлах пневмоцепей, уравнений движения поршней и имеют вид:

а11^Х+а12Х с+а13(Х о)2§1ёп^ с+ Ргс - Ргх = 0;

(1)

,+ Ег"Х" + ^К( Ах) ргх-ЕгхХп = 0; (7)

тхХп + КЬпХп + СхХп Рг^п + ЕгхРгх +

+ ^18пХп = 0; (8)

тгХ,+ (KЬz + ЬZ)Xz+ СХ + Спр(ипрХ1 - Хz) -

- ^р* - е,р,+ЕтР^1&пХ, = 0; (9)

т"Х" + Ь"Х" + С"Х" - Е"Рг" + + риРи + ртр£1&пХи= 0;

(10)

т X- + (Кь + Ь)Х + С-Х -

- ЕхРх + ЕгхРгх + ^гр®1§пХг = 0. (11)

Выражения для вычисления коэффициентов, входящих в систему уравнений, имеют вид:

ап = р1 ; а = 27,5Г

а1э = 0,443 кург" + 0,5(С: +Ск);

а =р4ф; а = 27,5 Г^;

2 г2

% = 0,443Кр|Й + 0,5рС,-5|;

a21Xz+a22Xz+a23(XZ S1gnXz+ p-z- Дс = 0;

(2)

а31Х+а32ХА+а33(Х")2§ЩпХ "+ Рг" - Ргс = 0;

а41 Рт-рт-РТ - Р

Вт- Р,

ВРг - Р"

У

(3)

(4)

- К^ р,=0;

а51 Р Р Р^ + Е"Р"Х" ^Ц1рЪ= 0; (5)

а1р

В,- Ръ '"" " К

■-¡рт-р - ЕРХГ - -КУхРх = 0, (6)

а1 = р^3 у" ; а32 = 27,5

РЦУ?Й .

2

•^33 _

КрЕ" Е

а = 0,443 г" + 0,5р^3 Е-";

г2,5

г2

3

а41 М"Г ^КрА а42 = а51 = °1 Г\рА

аб1 = 02Г*Кр4

V Ех(Хтах - X) + Е(Хт1п + X) -

- Ег"(Х"т1п + Х") + 1

1=1

V = Vz+ FXz V = Vh - FhXh,

Vx = Vox + FXr,

где у(Ргх) - коэффициент податливости гидравлической магистрали,

Л

v( Prx) = 0,0182

1 - a

A

ln

Eo + A Pm

\

a / Prm

+a

X exp(-0,0165 - (ргх - р0));

Аа и Еао - параметры, характеризующие жидкую фазу; а - относительный начальный объем воздуха в гидровоздушной смеси; ргт, рт, р0, ра - максимальное и начальное давления жидкости, давление питающей магистрали воздуха и атмосферное давление; mx, mh, mz, тг - приведенные массы поршней гидропневмоаппаратов; Vx, Vh, Vz - текущие значения объемов рабочих полостей гидропневмоаппаратов; Cx, Ch, Cz -жесткость уравновешивающих пружин гидропневмоаппаратов; рп - усилие на педали сцепления; /п - передаточное число, /п = с/d; V0x, Voh, V0z - начальные объемы камер гидропневмоаппаратов; Z1, Z2, Сз, Ск - коэффициенты местного сопротивления; n, K - показатели политропы и адиабаты; А, В - коэффициенты аппроксимации газодинамической функции расхода; Kb, b - коэффициенты вязкого трения о стенки цилинд-

ра и пропорциональности; Гтр - сила трения; укр - критическая скорость течения воздуха.

Площадь проходного сечения клапана является функцией его открытия Хк и для плоского клапана равна:

fh = ndhXK

Х = 0,

X = xh-

XK = Хhmax,

если 0 < Xh < X

если Xh < Xh < Xhmax;

если Xh > Xhmax,

где - диаметр седла следящего клапана; Хйо -зазор клапана в исходном положении; Хйтах -максимальное перемещение штока.

В Ы В О Д

Разработанная математическая модель гидропневматического управления сцеплением представлена уравнениями (1)-(11) и предназначена для исследования переходных процессов включения-выключения сцепления для режимов трогания автомобиля с места и переключения передач. Данная модель позволяет на стадии проектирования выбрать оптимальные конструктивные параметры элементов привода, обосновать методы по улучшению качества регулирования процессов, происходящих в приводе.

Поступила 10.08.2004

х

УДК 62-82-112.6(083.13)

КОМБИНИРОВАННЫЕ МОДЕЛИ ГИДРОБЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ

Канд. техн. наук, доц. ПИНЧУК В. В.

УО «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»

Основную часть работы при проектировании гидроприводов составляет разработка гидроблока управления (ГУ), осуществляющего управление исполнительных органов по заданному условию. Конструктор, как правило, сталкивается с множеством вариантов ГУ, и поиск оптимального приводит к значительному увеличению трудоемкости этого этапа. Разработ-

ка сборочного чертежа ГУ по гидросхеме средней сложности может занимать несколько месяцев работы конструктора высшей квалификации.

Конструкция конкретного ГУ - результат реализации принципиальной гидросхемы (ПС) привода в ее материализованное представление «гидроблоков в металле». Очевидно, ПС в дан-