Выбор путей снижения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с комбинированной энергической установкой при запуске двс с ходу Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

электронное научно-техническое издание

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эя №ФС 77 - 305Б9. Государствен нал регистрация №0421100025.155Н 1994-0405_

Выбор путей снижения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с комбинированной энергической установкой при запуске ДВС с ходу # 01, январь 2011

авторы: Селифонов В. В., Нгуен Х. Т.

УДК 629.113

МГТУ «МАМИ» Ыап^сп@уа^о. сот

Введение

Весьма перспективным направлением решения задачи повышения экологической безопасности и экономичности транспортных средств в настоящее время считается применение комбинированных энергических установок (КЭУ). При построении алгоритма автоматического управления механической трансмиссией автомобиля с КЭУ встает проблема возможного возникновения динамических нагрузок в трансмиссии при запуске ДВС путем принудительно вращения коленчатого вала от трансмиссии с высокой частотой (запуск ДВС с ходу). Вариант же запуска ДВС с помощью электростартера не целесообразен с точки зрения ощутимого увеличения токсичности, а также потери времени на сам запуск. В связи с этим в данной работе предложен метод определения и предложены пути снижения динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с КЭУ при запуске ДВС с ходу.

На рис.1-представлена представлена кинематическая схема трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с КЭУ[1].

На рис. 2 представлена ее расчетная модель. В модели на рис.2 приняты следующие обозначения:

моменты инерции, приведенные к первичному валу коробки передач: !двс - ДВС с маховиком, /э-обратимой электромашины, 1С - деталей сцепления; /КП - коробки передач и раздаточной коробки, 1ПК - деталей переднего моста с передними колесами, 1ЗК - деталей заднего моста с задними колесами, 1А - маховика, эквивалентного поступательно-движущейся массе автомобиля;

шесть упругих звеньев с коэффициентами жесткости и шесть демпфирующих звеньев с коэффициентами демпфирования Ь, из которых: сС и ЬС характеризуют эквивалентную крутильную жесткость и демпфирование деталей сцепления; сэ и Ьэ -крутильную жесткость и демпфирование звена, связывающего вал электродвигателя с раздаточной коробкой; сптр, сзтр, Ьптр и Ьзтр,- крутильную жесткость и коэффициенты демпфирования деталей трансмиссий привода переднего и заднего мостов; сПШ, сЗШ, ЬПШ и ЬЗШ - тангенциальную жесткость и коэффициенты демпфирования шин передних и задних колес соответственно;

внешние моменты: МСП - сумма моментов сопротивления подъему и

аэродинамического сопротивления, Мэ - крутящий момент обратимой электромашины, МС - момент трения сцепления, МдВС - момент ДВС, МРЗ, МрП - моменты сопротивления качению на ведущих колесах заднего и переднего моста.

Рис.1. Кинематическая схема трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с КЭУ

Рис.2. Расчетная модель трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с КЭУ Значения моментов инерций, углов поворотов инерционных масс, коэффициентов жесткости и коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии, приведенных к первичному валу коробки передач, определяются следующим образом[2, 3]:

1 ДВС — 1 ДВС 5 1С —1 с 5 1Э — 1 Э

Л2

V икп у

' 1 Л2

V иоикп у

12

V иоиКп у

1

V иоиКп у

иКП

5фДВС — ф ДВС 5фС — ф С 5фЭ — ф Э 5фКП — Ф КП 5фПК — Ф ПК и0иКП5

ФзК — ф ЗК и0иКП;фА — ф А и0иКП5 СС — С С 5 СЭ — С Э

иЭ

2

и

V иКП у

12

V и0иКП у

12

Сзтр — с зтр

V и0иКП у

12

5 С3Ш — с ЗШ

V и0иКП у

12

5 СПШ — С ПШ

V и0иКП у

ЬЭ — ЬЭ

2

и

V иКп у

Ь3Ш — Ь ЗШ

5 ЬПТР — Ь ПТР 2

12

V иоиКп у

5 Ь3ТР — Ь ЗТР

12

V иоиКп у

V иоиКп у

;ЬПШ — Ь ПШ

12

V иоиКп у

(1)

где иэ - передаточное число от вала обратимой электромашины до вторичного вала коробки передач; иКП - передаточное число коробки передач; и0 - передаточное число главной передачи; Фдвс, Фэ, Фс, Фкп, Фпк, Фзк, Фа - углы поворота масс Здвс, /Э /С,

/кп, /пк, /зк, /а соответственно

Дифференциальные уравнения движения системы, приведенной на рис. 2, можно

записать в следующем виде:

и

Э

1двсФ двс —Мдвс -МС; /ЭФз —МЭ -МУЭ; 1СУс —Мс -МУС;

/КпФ' КП — МУС + МУЭ - МЗТР - МПТР; /ПКФ ПК — МПТР - МПК - МFП;

/ЗКФ ЗК — МЗТР - МЗК - МFЗ; 1 А Ф А — МЗК + МПК - МСП;

МУЭ — сЭ (фЭ - фКП) + ЬЭ(Фз - ФкП);МУС — сС(Фс - ФкП) + ЬС(Фс - ФкП);

Мптр — сптр(фКП - ф пк) + Ьптр(Фкп - Фпк);Мзтр — сзтр(фКП - ф зк) + Ьзтр(Фкп - Фзк);

МЗШ — сЗШ(фЗК - ф А ) + ЬЗШ(фЗК - Ф А );МПШ — сПШ(фПК - ф А ) + ЬПШ(ФПК - Ф А ),

где: МУЭ, МПТР, МЗТР, МПК, МЗК - упругие моменты в звеньях трансмиссии, приведенные к первичному валу коробки передач.

При запуске ДВС с ходу момент сопротивления ДВС описывается выражением

[6]:

МДвс — ^ (В + Ил) (Нм), (3)

где: ¥„,, л - рабочий объем и частота вращения коленчатого вала ДВС в об/мин; для бензинного двигателя В=0.4-0.5, И =0.00035, Q=12.5.

Для учета темпа включения при определении динамических нагрузок в трансмиссии задается алгоритм изменения момента трения сцепления Мс в виде экспоненциальной зависимости от времени включения сцепления[4]:

Мс — Мстах(1 -е"*) (Нм), (4)

где: Мстах - статический момент трения в сцеплении; к = 3НС - константа, характеризующая темп включения сцепления; ^ - время включения сцепления. Величиной ^ задаемся, принимаем минимальное значение ^тш=0,015с; максимальное значение ^тах=1,5с.

На основании математической модели (2) с помощью пакета МА^АВ-SIMULINK[7] проведено исследование влияния следующих факторов: коэффициента жесткости; коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии, темпа включения сцепления; скорости автомобиля; передаточного числа коробки передач и т.д. на динамические моменты, возникающие в трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с КЭУ при запуске ДВС с ходу.

На рис. 3 а и 3б приведены результаты расчётов упругих моментов в трансмиссии привода переднего моста при запуске ДВС с ходу на разных передачах в случаях без учета и с учетом коэффициента демпфирования деталей сцепления Ьс соответственно. Очевидно, что коэффициент демпфирования деталей сцепления Ьс существенно влияет на максимальный момент в ветви трансмиссии привода переднего моста. Наибольшее значение имеет демпфирование в сцеплении, наличие демпфирования с коэффициентом Ьс ведет к более быстрому затуханию колебания упругого момента.

а) б)

Рис.3. Изменение по времени упругого момента в трансмиссии привода переднего моста Мптр при запуске ДВС с ходу на разных передачах

На рис. 4-7 показаны результаты расчетов максимальных упругих моментов в звеньях трансмиссии УАЗ-3153 при запуске ДВС с ходу в зависимости от разных значений коэффициентов жесткости и коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии. В результате анализа графиков были найдены области значений коэффициентов жесткостей и коэффициентов, при которых максимальные динамические моменты, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с КЭУ, имеют приемлемые значения.

Рис.4. Зависимость максимального момента на Рис.5. Зависимость максимального момента на валу ОЭМ от коэффициента демпфирования и валу сцепления от коэффициента демпфирования

коэффициента жесткости вала ОЭМ

и коэффициента жесткости вала ОЭМ

Рис.6. Зависимость максимальных моментов в звеньях трансмиссии от тангенциальной жесткости шин задних колес

Рис.7. Зависимость максимальных моментов в звеньях трансмиссии от коэффициента демпфирования шин задних колес

Мптртах, Мзтртах: максимальный упругий момент в трансмиссии привода переднего и заднего моста Мпштах, Мзштах: максимальный упругий момент в колесах переднего и заднего моста Динамическую нагружённость трансмиссии удобно оценивать коэффициентом

динамичности кд, под которым понимается отношение:

(5)

М

К — тах

■д

М

Т тах

где: Мтах - максимальный упругий момент, возникающий в ветви трансмиссии автомобиля при запуске ДВС с ходу; Мттах - максимальный момент, развиваемый в той же ветви трансмиссии при движении на 1-ой передаче с МдВС=МдВСтах.

На рис. 8 представлены результаты расчета коэффициентов динамичности в разных ветвях трансмиссии при запуске ДВС с ходу на 2 и 4-ой передаче соответственно; темп включения сцепления ^=0.1 - 1.5 с. Другие исходные данные при расчете: Мстах=220, МОЭд=80 Нм, скорость автомобиля при запуске ДВС Ка=30 км/ч.

1.4 1------------------------------1--------------------------------1------------------------------- 0.85------------------------------1------------------------------1-----------------------------

О 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5

Время включения сцепления К:[сек] Время включения сцепления 1с[сек]

а) на 2-ой передаче б) на 4-ой передаче

Рис. 8. Зависимость динамических коэффициентов в ветвях трансмиссии от времени включения сцепления при запуске ДВС с ходу на 2-ой и 4-ой передаче Результаты расчетов показали, что чем ниже передача, на которой проводится запуск ДВС с ходу, тем больше максимальные моменты, а также, чем резче включение сцепления, тем больше максимальные моменты, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля. Результаты расчетов также показали, что повышение времени включения сцепления tc приводит к уменьшению значения максимального момента в ветвях трансмиссии. Вместе с тем, очевидно, что это снижение имеет место только до определенного момента (^~0,5 - 1,23с), после чего максимальный упругий момент стабилизируется.

Выводы

1. Основными факторами влияния на динамическую нагруженность трансмиссии автомобиля с КЭУ при запуске ДВС с ходу являются: момент трения сцепления, темп включения сцепления; коэффициенты демпфирования и коэффициенты жесткости звеньев трансмиссии; номер передачи, на которой запускается ДВС с ходу.

2. Для снижения динамических нагрузок трансмиссии автомобилей с КЭУ при запуске ДВС с ходу необходимо рационально выбрать вышеперечисленные факторы. Проведенными исследованиями установлено, что для УАЗ-3153 с КЭУ:

- Предложенная методика позволяет выбрать рациональные значения коэффициентов жесткости и коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии. Расчеты, не приведенные в данной статье, показали, что значения коэффициентов жесткости и коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии должны лежать в следующих диапазонах: для деталей сцепления Ьс=5,35 - 6,58 Нмс/рад, сс=4238- 4464 Нм/рад; для привода электродвигателя Ьэ=3,24 - 4,16 Нмс/рад, сэ=1378- 1812 Нм/рад; для привода заднего и переднего моста ЬПТР лЬЗТР=3,8 - 4,0 Нмс/рад, сПТР ^сЗТР=7635 -7768 Нм/рад; для шин передних и задних колес ЬПШ ~ЬЗШ=1468 - 1675 Нмс/рад, сПТР ~сЗТР=24556 -25685 Нм/рад соответственно.

- оптимальное время включения сцепления при запуске ДВС с ходу на 2-ой передаче лежит в диапазоне-^=0,5-1,1 с,; на 4-ой передаче - tc= 0,2-0,4 соответственно.

Список литературы

1. Автомобили с гибридной силовой установкой / С.В. Бахмутов [и др.], М.: МГТУ «МАМИ», 2009. 136 с.

2. Автомобили, конструкция, конструирование и расчет, трансмиссия / А.И. Гришкевич [и др.], Мн.: Вышэйшая школа, 1985. 240с.

3. Инерционные, жесткостные и демпфирующие свойства агрегатов узлов

отечественных автомобилей/ П.И. Баженов [и др.] М.: МГТУ «МАМИ», 1986. 68с.

4. Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов / Б.А.

Афанасьев, и др.; Под общ. ред. А.А. Полунгяна. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, Т.2, 2009. 572 с.:ил.

5. Селифонов В.В. Автоматические управление сцепления М.: МАМИ, 1988. 27с.

6. Селифонов В.В. Теория автомобиля, М.: ООО «Гринлайт», 2009. 208 с.

7. The MathWorks, Inc. 2002 - Simulink Model-Based and System-Based Design.