Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Красноштан Олександр Михайлович

УДК 629.3.016+621.83.062.1

МОДЕЛЮВАННЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБІЛЬНОЇ ТРАНСМІСІЇ ІЗ ЗУБЧАСТО-ВАЖІЛЬНИМ ВАРІАТОРОМ

Спеціальність 05.22.02 – автомобілі і трактори

Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному підприємстві Інститут Машин і Систем Міністерства промислової політики та Національної академії наук України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Тернюк Микола Емануїлович, ДП „Інститут Машин і Систем”, директор інституту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Волков Володимир Петрович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет,

завідувач кафедри Технічної експлуатації та сервісу автомобілів;

кандидат технічних наук, доцент Волонцевич Дмитро Олегович,

Національний технічний університет ХПІ, доцент кафедри колісних та гусеничних машин.

Провідна установа: Національний транспортний університет, кафедра автомобілі, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться: “13” червня 2007 р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д64.059.02 при Харківському національному

автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків,

вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного

автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків,

вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “08” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І.С. Наглюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Ідеальною по тягово-швидкісним властивостям автомобіля та по показникам паливної економічності за інших рівних умов є трансмісія з безперервною зміною передаточного числа (прогресивна трансмісія), яка забезпечує ідеальне узгодження режимів роботи двигуна та силової передачі. Основними критеріями оптимізації параметрів роботи системи „двигун-трансмісія” автомобіля є тягово-швидкісні властивості, паливна економічність та екологічність автомобіля.

Одним із типів безступінчастих трансмісій, які можуть застосовуватись в конструкції автомобіля, є трансмісія на базі зубчасто-важільного варіатора. Однак, на сьогоднішній день відсутні методики теоретичного моделювання та вивчення руху автомобіля із такими трансмісіями. Не розроблено єдиних критеріїв оптимізації роботи системи „двигун-трансмісія” автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора. Не сформульовані чіткі алгоритми синтезу конструктивних схем та параметрів таких трансмісій як складних механічних систем.

Актуальність теми. Одним із методів забезпечення оптимальних режимів роботи двигуна автомобіля є використання безступінчастої трансмісії. Серед інших видів безступінчастих трансмісій окреме місце посідає трансмісія, яка має у своєму складі механічний зубчасто-важільний варіатор. Вона володіє рядом вагомих переваг у порівнянні із іншими типами трансмісій. Тому моделювання та визначення основних характеристик автомобільної трансмісії із зубчасто-важільним варіатором є актуальною науковою і практичною задачею.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, проведених у межах Державної програми розвитку машинобудування України на 2006-2011 рр.(затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 18.04.2006 р. №516).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є вдосконалення системи „двигун-трансмісія” автомобіля за рахунок введення до її складу безступінчастого зубчасто-важільного варіатора. Для досягнення сформульованої мети в роботі поставлені та розв‘язані такі задачі:

· розроблено моделі для визначення оптимальних параметрів системи „двигун-трансмісія” автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора, розроблено методику визначення граничних параметрів варіатора;

· створено алгоритм визначення граничних значень передаточного числа варіатора та передаточного числа головної передачі автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора;

· розроблено алгоритм структурного та параметричного синтезу зубчасто-важільного варіатора для трансмісії автомобіля.

Об'єктом дослідження є процес руху автомобіля на різних режимах та процес функціонування його автоматичної безступінчастої трансмісії на базі зубчасто-важільного варіатора.

Предметом дослідження є визначення основних залежностей між параметрами руху автомобіля на різних режимах і характеристиками автоматичної безступінчастої трансмісії на базі зубчасто-важільного варіатора, а також структури та параметрів зубчасто-важільного варіатора.

Методи дослідження передбачали моделювання усталеного та неусталеного рухів автомобіля з автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора, роботи зубчасто-важільного варіатора як елемента трансмісії автомобіля, системи „двигун-трансмісія-підсистема управління” автомобіля, а також математичне моделювання структури і параметрів варіатора автомобіля, показників тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності та екологічності автомобіля. Структурно-параметричний синтез зубчасто-важільного варіатора.

Крім того, проведені еспериментальні дослідження варіатора, які полягали в експериментальній перевірці залежності передаточного числа зубчасто-важільного варіатора від значення відносного ексцентриситету його основного механізму та коефіцієнта нерівномірності обертання вихідного вала варіатора.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше виявлено взаємозв‘язки, які дозволяють визначити оптимальні параметри зубчасто-важільного варіатора з точки зору оптимізації тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності автомобіля;

- вперше розроблено алгоритм визначення граничних значень параметрів варіатора та передаточного числа головної передачі автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора;

- вдосконалено алгоритм синтезу зубчасто-важільного варіатора з врахуванням його призначення для автомобільної трансмісії.

Практичне значення отриманих результатів досліджень складають:

- методика чисельного визначення показників тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності та екологічності легкового автомобіля з автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільних варіаторів;

- метод синтезу структури та параметрів автоматичних безступінчастих трансмісій легкового автомобіля.

-

Матеріали дисертаційної роботи впроваджені в:

o ВНТ корпорації „Модернізація і Розвиток” (м. Харків) при розробці автоматичної безступінчастої трансмісії легкового автомобіля малого класу на основі базової моделі ЗАЗ-1102 „Таврія” та ЗАЗ-1103 „Славута”.

o ДП „Інститут машин і систем” Міністерства промислової політики та Національної академії наук України (м. Харків) при проектуванні трансмісії позашляховика „УАЗ-Петріот”;

Особистий внесок здобувача. Всі основні теоретичні і експеримантальні результати досліджень, які викладені в дисертації і виносяться на захист, отримані автором самостійно.

1.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були повідомлені на:

Другому Міжнародному з‘їзді з Теорії механізмів та машин. м. Харків, 25-26 жовтня 2005 року;

Міжнародному семінарі „Великі системи: теорія і практика”. м. Харків, листопад, 2005; травень, 2006;

Міжнародній науково-технічній конференції „Машинобудування та техносфера ХХІ сторіччя”. Міжнародний союз машинобудівників. м. Севастопіль, вересень 2006 р.;

В повному обсязі робота розглянута на розширеному засіданні вченої ради ДП „Інститут машин і систем” Міністерства промислової політики України та Національної академії наук України;

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 6 наукових працях, опублікованих у спеціальних виданнях переліку ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків. У роботі 155 сторінок, у тому числі: 25 рисунків на 10 сторінках, 8 таблиць на 8 сторінках, список використаних джерел з 124 найменувань на 11 сторінках і 2 додатки на 4 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено основні положення наукової новизни та практичної цінності досліджень.

Перший розділ присвячений аналізу стану наукової задачі та визначенню напрямків її теоретичного та практичного вирішення.

На основі проведеного аналізу літературних джерел вивчено стан питання поліпшення тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності автомобіля за рахунок вдосконалення властивостей системи „двигун-трансмісія”. Питанню покращання тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності транспортних засобів за рахунок оптимізації роботи системи „двигун-трансмісія” присвячені наукові роботи вчених М.А. Айзермана, Є.Є. Александрова, А.С. Антонова, О.В. Бажинова, В.О. Богомолова, В.П. Волкова, Д.О. Волонцевича, М.Я. Говорущенко, Ю.Ф. Гутаревича, В.І. Клименко, Л.В. Крайника, А.Т. Лебедєва, В.О. Павленко, М.А. Подригало, В.Б. Самородова, В.П. Сахно, А.М. Туренко, Е.О. Чудакова та інших.

Показано, що лише безступінчаста зміна передаточного числа трансмісії автомобіля дає змогу забезпечити роботу двигуна автомобіля в оптимальному режимі за будь-яких режимів руху автомобіля.

На основі проведеного аналізу було виявлено ряд вимог, яким повинна задовольняти автомобільна трансмісія. До них, зокрема, відносяться:

· забезпечення оптимальних тягово-швидкісних, паливно-економічних та екологічних властивостей автомобіля при заданій зовнішній швидкісній характеристиці двигуна;

· безшумність у роботі, в тому числі і при зміні передаточного відношення;

· легкість керування;

· надійна передача крутного моменту від двигуна до ведучих коліс;

· плавність передачі моменту та зміни величини моменту;

· мінімальний момент інерції елементів (ланок);

· мінімальні затрати фізичних зусиль на керування;

· висока збалансованість ланок.

Окрім того, до трансмісії, як і до всього автомобіля в цілому, висуваються вимоги: забезпечення мінімальних розмірів та маси, простоти конструкції та обслуговування, технологічності, ремонтопридатності.

Проведений аналіз конструкцій трансмісій, що знайшли використання в теперішній час на автомобільному транспорті, та які дозволяють безступінчасто змінювати передаточне число трансмісії, показав, що більшість із них мають недоліки, які обмежують їх широке застосування.

Одним із перспективних варіантів реалізації безступінчастої трансмісії є використання механічного варіатора. Одним із типів механічних варіаторів є зубчасто-важільний варіатор.

Питанню синтезу механічних варіаторів різного призначення присвячені праці відомих вчених І.І. Артоболевського, Г.В. Архангельського, А.А. Благонравова, А.А. Гулгазаряна, С.М. Кожевнікова, А.Є. Кроппа, В.Є.Летопура, В.Ф. Мальцева, М.Е. Тернюка М.В.Умнова, Ю.В. Янчевського, та інших. В цих працях закладено фундаментальні основи здійснення синтезу механічних варіаторів та варіаторних приводів.

Однак, недостатньо дослідженим залишається питання створення алгоритму синтезу зубчасто-важільного варіатора для автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля. Не розроблена методика визначення основних параметрів автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля на базі зубчасто-важільного варіатора та не визначені вимоги, що висуваються до зубчасто-важільного варіатора з точки зору його застосування в автомобільній трансмісії.

Таким чином, виходячи із аналізу стану питання, обгрунтовано актуальність та мету дослідження, а також конкретизовано задачі дослідження.

У другому розділі визначено вимоги до оптимальних параметрів роботи двигуна, проведено дослідження вимог до характеристик руху автомобіля та проведено моделювання руху автомобіля на всіх режимах. Визначено оптимальні взаємозв‘язки між параметрами руху автомобіля та параметрами роботи системи „двигун-трансмісія” на кожному режимі руху автомобіля, та сформульовано вимоги до зубчасто-важільного варіатора з точки зору роботи автомобіля на кожному з режимів.

Паливну економічність () двигуна прийнято виражати через питому витрату палива двигуном на одиницю виробленої потужності за одиницю часу та вимірювати в грамах на кіловат за годину. Найменші значення цього показника досягаються на характеристиці мінімальних витрат палива двигуном. Оптимальний з точки зору паливної економічності режим руху автомобіля буде забезпечено в тому випадку, коли забезпечується якомога менша питома витрата палива. Оскільки ККД зубчасто-важільного варіатора істотно не змінюється із зміною частоти обертання ведучого вала, то можна зробити висновок, що для забезпечення найкращої паливної економічності автомобіля слід забезпечити роботу двигуна в режимі мінімальної витрати палива.

Як було зазначено вище, безступінчаста трансмісія автомобіля на базі зубчасто-важільного варіатора дає можливість в певних межах варіювати швидкістю автомобіля шляхом зміни передаточного відношення варіатора. При цьому швидкість обертання колінчастого вала двигуна може залишатися постійною.

При вивченні руху автомобіля з трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора доцільно процес руху автомобіля розділити на наступні режими:

1) рушання з місця;

2) розгін;

3) рух зі сталою швидкістю;

4) рух з двигуном, від‘єднаним від трансмісії (рух накатом);

5) гальмування (сповільнення) двигуном;

6) гальмування робочою гальмівною системою;

7) екстрене гальмування робочою гальмівною системою.

Перераховані режими руху автомобіля складають повну множину режимів руху автомобіля та потребують детального розгляду вимог до варіатора з точки зору кожного з режимів руху автомобіля.

В загальному випадку при дослідженні руху автомобіля та параметри роботи системи „двигун-трансмісія” виходять з таких обмежень:

· Максимальна швидкість руху автомобіля – менша або рівна максимальній конструктивній швидкості данного автомобіля. Вони лімітуються дорожніми умовами, метеоумовами.

· Максимальне прискорення - м/с2 (за умовами комфортності);

· Потужність двигуна - ;

· Швидкість обертання колінчастого вала двигуна ;

· Передаточне число варіатора: .

Досягнення максимальної потужності двигуна можливо лише при частоті обертання колінчастого вала, яка відповідає максимальній потужності. При менших частотах обертання колінчастого вала двигуна діапазон допустимих (досяжних) потужностей зменшується і обмежується зверху величиною потужності двигуна, яка відповідає даній частоті обертання на зовнішній швидкісній характеристиці.

Рушання з місця є процесом плавного переходу автомобіля зі стану спокою до руху. При рушанні з місця, для уникнення „ривка” двигун автомобіля повинен працювати із частотою обертання колінчастого вала, яка не на багато перевищує оберти стабільного холостого ходу. Передаточне число варіатора повинно плавно зменшуватись від передаточного числа, яке відповідає „стоповому” режиму , до значення , при якому за сталої заданої частоти обертання колінчастого вала двигуна автомобіль зрушив з місця. На цьому фаза рушання з місця закінчується. Так як ця фаза короткотермінова, то процес рушання не доцільно оптимізувати з точки зору паливної економічності автомобіля. Проте, при визначенні оптимального управління системою „двигун-трансмісія” автомобіля необхідно визначити обмеження, які накладаються на фазі рушання з місця. Швидкість руху на даній фазі знаходиться в діапазоні км/год, а максимальне прискорення обмежується не потужністю двигуна, а силою зчеплення ведучих коліс з покриттям дороги.

Фаза розгону автомобіля характеризується наростанням швидкості руху автомобіля із інтенсивністю, яка задана водієм. Розгін автомобіля займає 37...42% в загальному балансі руху автомобіля, а на його долю припадає 45...51% відносної витрати палива.

В загальному випадку рух автомобіля на фазі розгону необхідно розглядати як:

а) рух автомобіля в середині області допустимих значень;

б) рух автомобіля на межі області допустимих значень.

Обмеження, які можуть бути накладені на рух автомобіля при його розгоні, можна розділити на групи:

1) по зчепленню ведучих коліс автомобіля з покриттям дорожнього полотна. Дане обмеження можна записати у вигляді

, (1)

де - колова сила на ведучих колесах автомобіля;

- сила зчеплення між ведучими колесами автомобіля та покриттям полотна дороги;

- крутний момент двигуна;

- ККД трансмісії;

- миттєве значення передаточного числа трансмісії;

- динамічний радіус колеса автомобіля.

Граничне прискорення руху автомобіля, виходячи з умов зчеплення ведучих коліс автомобіля, дорівнює:

, (2)

де - сумарний коефіцієнт опору рухові автомобіля;

- ухил дороги (для підйому – зі знаком „+”, для спуску – „-”).

Отже, для забезпечення умови зчеплення ведучих коліс автомобіля з покриттям дороги, прискорення автомобіля повинно задовольняти такій нерівності:

; (3)

2) за обмеженням по потужності двигуна .

Запишемо значення прискорення автомобіля з потужністного балансу руху автомобіля, враховуючи граничну умову обмеження прискорення автомобіля за максимальною потужністю двигуна, тобто :

. (4)

Усталений рух автомобіля з автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора забезпечує стабільний швидкісний режим автомобіля, завдяки якому витрачається на 10...15 % менше палива, ніж при русі зі змінною швидкістю із різкими розгонами та гальмуваннями. Усталеним можна вважати рух автомобіля, при якому його швидкість має відхилення не більш ніж на від постійної величини.

У випадку, якщо потужність двигуна , яка необхідна для забезпечення рівномірного руху автомобіля з певною малою швидкістю , виявиться меншою, ніж потужність двигуна на зовнішній швидкісній характеристиці при мінімальній стійкій частоті обертання колінчастого вала двигуна, тобто , то підсистема управління системою „двигун-трансмісія” буде вимушена перевести двигун на часткові режими роботи (тобто, двигун виявиться недовантаженим). Питома витрата палива двигуном при цьому зросте, а паливна економічність автомобіля, відповідно, погіршиться.

Залежність швидкості обертання колінчастого вала двигуна від параметрів руху автомобіля набуває вигляду:

. (5)

Для передаточного числа варіатора за умови усталеного руху автомобіля отримаємо:

. (6)

При русі накатом автомобіля з автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора двигун працює в режимі вільного холостого ходу.

Перехід до руху накатом відбувався за час , за який частота обертання колінчастого вала двигуна змінювалася від значення до значення за лінійним законом. Представимо залежність у вигляді . Тоді передаточне число варіатора:

. (7)

Швидкість зміни передаточного числа варіатора при цьому можемо знайти так:

. (8)

Для забезпечення розриву динамічного зв‘язку передаточне число варіатора при такому переході повинно відповідати такій функції :

, (9)

а швидкість зміни передаточного числа варіатора в даному випадку буде:

. (10)

З розгляду переходу автомобіля з автоматичною безступінчастою трансмісією з режиму усталеного руху в режим руху накатом без розривання кінематичного зв‘язку між двигуном автомобіля та ведучими колесами можна зробити висновок про те, що передаточне число варіатора змінюється від до (стоповий режим варіатора). При зміні частоти обертання колінчастого вала від до та при незмінній швидкості руху автомобіля без розривання кінематичного зв‘язку між двигуном та ведучими колесами автомобіля рух є неможливим.

Гальмування (сповільнення) двигуном досить часто використовується під час експлуатації автомобіля, зокрема в міському циклі та на ухилах. Використання такого режиму дає можливість уникнути різких прискорень, зменшити знос деталей гальмівної системи. Оптимальне прискорення автомобіля під час гальмування двигуном знаходиться в межах м/с2.

Залежність частоти обертання колінчастого вала від швидкості руху автомобіля під час гальмування двигуном, має вигляд:

. (11)

Відповідно, передаточне число варіатора:

. (12)

З точки зору стоянки автомобіля із зубчасто-важільним варіатором до варіатора висуваються такі вимоги:

а) для стоянки з працюючим двигуном – швидкість обертання веденого вала варіатора повинна дорівнювати нулю за будь-якої швидкості обертання ведучого вала (так званий стоповий режим варіатора);

б) для стоянки з непрацюючим двигуном – жорсткий кінематичний зв‘язок між двигуном та трансмісією для забезпечення можливості використання сили опору обертання колінчастого вала двигуна у якості утримуючої сили автомобіля на місці. Передаточне число варіатора повинно бути якомога більшим для забезпечення достатньої сили для утримання автомобіля в нерухомому положенні на схилах.

Зубчасто-важільний варіатор має так званий „стоповий” режим, тобто (зупинка веденого вала за будь-якої швидкості обертання ведучого вала) та може неперервно зменшуватись до свого мінімального значення .

Враховуючи, що , справедливою буде рівність:

. (13)

З іншого боку, за будь-яких умов експлуатації момент на веденому валі варіатора автомобіля може бути знайдено з силового балансу руху автомобіля з такого виразу:

. (14)

Тобто, величина крутного моменту на веденому валі варіатора залежить від величин колових сил на ведучих колесах автомобіля, які в свою чергу залежать від сил опору руху.

Через те, що деталі трансмісії автомобіля розраховані та виготовлені з врахуванням максимальної величини крутного моменту (сили), та моменти (сили), якими навантажені ці деталі прямо залежать від крутного моменту на веденому валі варіатора, то при перевищенні даного моменту може статися аварійне руйнування однієї чи кількох деталей.

Вираз для визначення максимального крутного моменту на веденому валі варіатора через максимально допустимий момент на піввісях має вигляд:

, (15)

де - максимально допустимий крутний момент на піввісі автомобіля, визначений з умов міцності та втоми;

- коефіцієнт корисної дії головної передачі.

Обмежуючу умову величини крутного моменту на веденому валі варіатора можна записати у такому вигляді:

. (16)

Через те, що діапазон передаточних числел трансмісії із зубчасто-важільним варіатором дорівнює , запропоновано визначати мінімальне передаточне число трансмісії автомобіля виходячи не з максимальної швидкості обертання колінчастого вала двигуна автомобіля, а з тієї швидкості обертання, за якої двигун розвиватиме максимальну потужність. Тоді вираз для визначення мінімального передаточного числа трансмісії автомобіля набуватиме вигляду:

, (17)

де - частота обертання колінчастого вала двигуна автомобіля, за якої двигун автомобіля розвиває максимальну потужність.

Проте, якщо сила опору руху автомобіля з тієї чи іншої причини виявиться меншою, то виконуватиметься нерівність . Це, в свою чергу, дасть можливість збільшити частоту обертання колінчастого вала двигуна та досягти такого її значення, яке задовольнятиме нерівність . Швидкість автомобіля в даному випадку стане:

, (18)

Вона перевищить максимально допустиму швидкість руху для даного автомобіля. Через те, що всі основні системи, агрегати та деталі автомобіля розраховуються виходячи з максимальної допустимої швидкості руху автомобіля, то таке перевищення швидкості може призвести до аварійного виходу з ладу деталей, агрегатів або систем.

Для того, щоб цього не сталося, слід ввести обмеження на величину крутного моменту на веденому валі варіатора.

У третьому розділі розроблено метод синтезу автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля на базі зубчасто-важільного варіатора.

У порівнянні зі схемою традиційної механічної трансмісії автомобіля, схема автоматичної безступінчастої трансмісії на базі зубчасто-важільного варіатора має відмінності. Схема автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля на базі зубчасто-важільного варіатора зображена на рис. 1.

Пунктирною лінією на даному рисунку зображено сукупність механізмів, які призначені для зміни передаточного числа трансмісії та напрямку обертання веденого вала. Сюди відносяться власне зубчасто-важільний варіатор та механізм зміни напрямку обертання веденого вала варіатора (блок заднього ходу).

Рис. 1. Принципова схема автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля на базі зубчасто-важільного варіатора:

На рис. 1 показано: 1 – ведене колесо автомобіля; 2 – двигун; 3 – сукупність механізмів для зміни передаточного числа трансмісії та напрямку обертання трансмісії; 4 – блок заднього ходу; 5 – головна передача; 6 – права піввісь; 7 – праве ведуче колесо; В – безступінчастий зубчасто-важільний варіатор.

Варіатори відносяться до механізмів. Їх основною характеристикою є передавальна функція, яка характеризує залежність частоти обертання веденого вала (ланки) від частоти обертання ведучого вала (ланки):

U = f1 = f2 , (19)

де f1, f2 – дискретні чи неперервнві функції, що відображають зв‘язок вихідних та вхідних параметрів механізму для випадків лінійного та колового переміщень відповідно:

Vi, i, i - лінійні та кутові швидкості веденої та ведучої ланок відповідно.

Можливі випадки розділення функції (19) на складові, тобто представлення її в мультиплікативному вигляді:

U = U1U2 …Un, (20)

де n – кількість множників.

Оскільки кожен множник в залежності (20) може бути реалізований своїм механізмом, число n відповідає кількості послідовно з‘єднаних механізмів.

Для такого з‘єднання механізмів коефіцієнт корисної дії (ККД) може бути визначений за мультиплікативною залежністю:

, (21)

де - загальний, а k, де , часткові ККД механізмів.

Збільшення кількості ланок веде також до зменшення надійності трансмісії, тому що вірогідність безвідмовної роботи на протязі певного проміжку часу роботи всього механізму зменшиться, при збільшенні , оскільки ,. Тому слід прагнути до простіших схем, які відповідають n =1 або n =2.

Варіатори, як і інші механізми, будуються на основі постановки у відповідність кожній функції своєї простої або суміщеної підсистеми. При цьому враховується тріадний характер функцій та їх склад, який здатен реалізувати замкнений цикл. Зокрема, варіатор реалізує основну, управляючу та допоміжну (забезпечуючу) функції. В його складі виділяють три рівні: надсистемний, системний та підсистемний.

На першому этапі синтезу розглядається найбільш загальна структурна схема варіатора, яка наведена на рис. 2.На рис. 2 позначено: U – інформація для управління варіатором; М – матеріали для забезпечення його роботи.

Схема містить елементи основної групи ланок (початкову ланку, проміжну структуру та кінцеву ланку) для реалізації основної функції – передачі обертового руху та крутного моменту. Окрім того, вона містить механізм регулювання ланок цієї групи, а також групу забезпечуючих механізмів для реалізації таких функцій як мастильна, фіксуюча та інші.

Наведена на рис. 2 схема підлягає конкретизації у відповідності із загальною схемою отримання семіотичної (знакової) моделі об‘єкту, яка дозволяє забезпечити його виготовлення (рис. 3).

Рис. 2. Найбільш загальна структурна схема варіатора

Рис. 3. Схема конкретизації загальної моделі об‘єкта

Для проведення процедури конкретизації можна застосувати загальну схему, яку наведено на рис. 4.

Як відомо, задача синтезу структури механізмів та машин може бути в загальному вигляді розв‘язаною лише ітераційними процедурами на основі принципу інформаційної зпряженості етапів.

Синтез варіантів конкретизованих структур робочих схем варіаторів проводиться на основі конкретизації загальної структурної схеми варіаторів (рис. 2), у відповідності зі схемою на рис. 4 з використанням кластерів можливих варіантів структур зубчастих та важільних механізмів.Наповнення кластерів варіантів структур зубчастих та важільних механізмів елементами проводиться, в свою чергу, шляхом виконання процедури структурно-елементного синтезу таких механізмів. Ця процедура конкретизації повинна застосовуватися до проміжних механізмів варіаторів, а також до реалізуючих та забезпечуючих механізмів.

Структурно-елементний синтез вказаних механізмів може виконуватись на основі аналізу варіантів структурних схем механізмів з врахуванням залежностей для визначення ступеню рухомості механізмів.

Формула визначення ступеню рухомості плоского механізму має вигляд:

, (22)

де - кількість ланок механізму;

- кількість кінематичних пар (нижчих по класифікації
І.І. Артоболевського).

Рис. 4 Загальна схема конкретизації структури

Рис. 5 Перша стадія конкретизації загальної структури основного ланцюга варіатора

Для застосування загального алгоритму структурного синтезу обчислюються необхідні складові функцій механізму.

При цьому враховується, що у варіаторів ведуча та ведена ланки здійснюють циклічні обертові квазінеперервні рухи.

Для цього випадку використовуємо передаточну функцію:

. (23)

Оскільки будь-яка функція при циклічній квазінеперервній зміні аргументу може бути розкладена в ряд Фур‘е, можна записати:

, (24)

де аi, - коефіцієнти ряду Фур‘е, вм- кут повороту ведучої ланки варіатора; i, - фазові параметри.

Кожен з членів ряду Фур‘е в залежності (24) може бути реалізоваий своїм найпростішим проміжним механізмом.

Враховуючи, що необхідно синтезувати силовий варіатор, в якості робочих слід обирати зубчасті або важільні механізми, які забезпечують високу навантажувальну здатність, ККД, надійність та мінімальну питому матеріалоємність.

Виходячи з цього можна зробити висновок, що для вирішення задачі необхідно синтезувати зубчасті та важільні види варіаторів. Можливий також комбінований варіант – зубчасто-важільний варіатор, який доцільно розглядати як найбільш узагальнений варіант, що увібрав у себе позитивні властивості зубчастого та важільного варіаторів.

Загальна схема безаналогового структурного синтезу структур варіаторів (відповідно до загальної структури на рис. 2) може бути наступною:

1.

2.

3.

4.

5.

Схема отримання загальної структури механізму визначається:

, (25)

де:

- загальна передаточна функція варіатора;

- елементарні складові загальної функції варіатора;

- ступені рухомості елементарних механізмів;

- структури елементарних механізмів, які відповідають ступеню рухомості ;

- структура основного механізму;

- структура керуючого механізму;

- структура забезпечуючого механізму;

- загальна базова структура варіатора.

В результаті виконання вказаних в залежності (25) дій утворюється множина елементів кластеру можливих робочих схем варіаторів.

З цієї множини необхідно зробити вибір перспективних схем за певною методикою.

Відповідно до існуючих підходів до синтезу складних систем, до яких відносяться варіатори для автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля, що синтезуються, здійснити вибір різних робочих схем об‘єктів з множини можливих розв‘язків, використовуючи лише структурні характеристики неможливо через вплив на основні вихідні характеристики значень параметрів. У зв‘язку з цим, для вибору раціональних робочих схем необхідно провести параметризацію та параметричний синтез об‘єктів, які розглядаються. Параметризація передбачає конкретизацію атрибутів кожної складової структури варіатора та процесів їх взаємодії.

Сюди входять, в першу чергу, параметри, які відображають:

- геометрію;

- поверхневі властивості;

- властивості інфраструктури (матеріали, їх термообробка);

- інформацію про минуле елементів;

- інформацію про майбутнє елементів;

- інформацію про надсистему.

Параметричний синтез варіаторів проводиться, виходячи з можливості забезпечення:

- реалізації структурних обмежень заданої функції;

- забезпечення необхідної міцності ланок;

- врівноваженості схеми;

- вимог до ресурсу (довговічності) механізмів;

- мінімізації вагогабаритних характеристик та просторових обмежень;

- можливості застосування вузлів та деталей з обраними властивостями, у тому числі, стандартних;

- можливості реалізації в заданому часовому просторі.

Конкретизація параметрів здійснюється шляхом визначення їх числових значень, виходячи з умов виконання прийнятих вище обмежень.

При цьому використовується процедура оптимізації.

Параметризація може бути виконаною різними способами.

Загальна схема конкретизації параметрів може мати вигляд, наведений на рис. 6.

При застосуванні до розв‘язання задач моделювання геометричних, геометро-кінематичних та кінематичних властивостей одним з ефективних є спосіб багатопараметричних відображень. Динамічні, міцністні, теплові та інші властивості можуть також моделюватись відображеннями.

В загальному випадку модель параметризованого об‘єкта може мати вигляд:

(26)

де - сукупність матриць, які пов‘язують геометричні, геометро-кінематичні та кінематичні параметри механізмів; - прообраз;

- групи взаємопов‘язаних параметрів, які відображають міцнісні, динамічні, теплові та інші властивості деталей механізмів.

Рис. 6. Загальна схема конкретизації параметрів

В результаті використання розробленого методу синтезу синтезовано дві схеми варіатора, зображені на рис. 7 та рис. 8.

Рис. 7. Схема зубчасто-важільного варіатора з циліндричними колесами. | Рис. 8. Схема зубчасто-важільного варіатора з черв‘ячними передачами.

У четвертому розділі відображені результати проведених експериментальних досліджень зразка зубчасто-важільного варіатора, виконаного за схемою, наведеною на рис. 7. У відповідності до поставлених задач експериментального дослідження було проведено дослідження:

- залежності передаточного числа варіатора від величини ексцентриситету його основного механізму (перший етап досліджень);

- коефіцієнта нерівномірності обертання вихідного вала варіатора (другий етап досліджень).

Експериментальні дослідження варіатора виконувались на модернізованому стенді для випробування силових агрегатів. Схема модернізованого стенду наведена на рис. 9, а загальний вигляд стенду під час випробувань – на рис. 10.

Рис. 9. Принципова схема експериментальної установки:

1 – зубчасто-важільний варіатор; 2 –двигун; 3 – колінчастий вал двигуна; 4 – маховик двигуна; 5 – муфта зчеплення; 6 – ведучий вал зубчасто-важільного варіатора; 7 – ведений вал зубчасто-важільного варіатора; 8 – керуючий важіль варіатора із жорстко закріпленою на корпусі варіатора шкалою положення; 9 – маховик із нанесеними на нього магнітними поділками;10 – датчик кутового положення колінчастого вала двигуна; 11 – датчик кутового положення зубчасто-важільного варіатора; 12 – навантажувальний генератор; 13 – аналогово-цифровий перетворювач; 14 – індикатор потужності.

На першому етапі експериментальних досліджень на основі оброблених даних були побудовані залежності передаточного числа варіатора від значення ексцентриситету основного механізму (див. рис. 11).

Рис. 10. Загальний вигляд стенду для експериментальних досліджень варіатора

Рис. 11. Залежність передаточного числа варіатора від величини ексцентриситету основного механізму

В результаті виконання другого етапу експериментальних досліджень було виявлено залежність коефіцієнта нерівномірності обертання веденого вала варіатора від його передаточного відношення. Дана залежність представлена на рис. 12.

Виконані експериментальні дослідження підтвердили основні теоретичні положення дисертації.

Рис. 12. Залежність коефіцієнта нерівномірності обертання веденого вала варіатора від відносного ексцентриситету його основного механізму

ВИСНОВКИ

1. Аналіз тенденцій та прогнозів експертів у світовому автомобілебудуванні дає можливість стверджувати, що в найближчі роки більшість автомобілів будуть оснащені автоматичними, в тому числі безступінчастими трансмісіями. Серед автоматичних безступінчастих трансмісій за критеріями відносної маси механізму, величини моменту, що передається, коефіцієнта корисної дії, найбільшими перевагами володіє механічна безступінчаста трансмісія.

2. В роботі показано, що за допомогою автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля можливо:

· практично повністю використати енергетичні та потужністні властивості двигуна і забезпечити мінімізацію витрати палива при русі автомобіля;

· завдяки можливості досягнення як завгодно великого передаточного числа трансмісії забезпечити максимальну колову силу на колесах автомобіля, яка лімітується лише лише умовою зчеплення ведучих коліс з поверхнею дороги;

· у повній мірі використовувати гальмівні властивості двигуна, чим забезпечити зменшення механічного теплового навантаження на деталі та вузли робочої гальмівної системи, а отже, підвищити їх термін експлуатації та надійність. Частота використання робочої гальмівної системи при цьому зменшиться.

3. Вперше визначено вичерпну множину режимів руху автомобіля, які функціонально відрізняються один від одного і дозволяють обгрунтувати вимоги до структури трансмісії. Розглянуто обмежуючі умови, які накладаються на параметри руху автомобіля на цих режимах. Проведене математичне моделювання руху автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора на всіх режимах із зазначеної множини. Виявлено основні залежності параметрів роботи двигуна та зубчасто-важільного варіатора для забезпечення оптимізації тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності та екологічності автомобіля на кожному із режимів руху автомобіля.

4. Розроблено методику визначення та оптимізації з точки зору тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності граничних значень передаточних чисел зубчасто-важільного варіатора, а також передаточного числа головної передачі автоматичної безступінчастої трансмісії, яка враховує призначення автомобіля, що проектується, та майбутні основні умови його експлуатації. Розроблена методика визначення базових параметрів двигунів для роботи сумісно з варіатором. При цьому показано, що обмеження на характеристики можуть бути менш жорсткі, ніж при застосуванні традиційних трансмісій.

5. Встановлено, що при використанні автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля на базі зубчасто-важільного варіатора та правильно синтезованій підсистемі управління системою „двигун-трансмісія” дещо зменшується протиріччя між режимами найкращих тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності. Серед режимів роботи системи „двигун-трансмісія” автомобіля, які забезпечують однакові рівні показників тягово-швидкісних властивостей, існують такі режими, при яких мінімізуються витрата палива.

6. В роботі вперше розроблені математичні моделі та встановлені чисельні залежності, які дозволяють провести структурний та параметричний синтез підсистеми управління системою „двигун-трансмісія” автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора. Результати виконання моделювання руху автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора та визначення оптимальних характеристик функціонування системи „двигун-трансмісія” автомобіля дозволяють кількісно оцінити характеристики руху автомобіля в порівнянні з автомобілем, що має традиційну трансмісією. Зокрема, час розгону при роботі двигуна в режимі максимальної потужності зменшується на 12-16%, при цьому експлуатаційна витрата палива зменшується на 14-16%.

7. Розроблена методологія синтезу трансмісій дає можливість розглянути замкнені множини можливих варіантів структур та параметрів і провести комплексну структурно-параметричну оптимізацію, що є необхідною умовою вирішення задачі комплексної оптимізації системи „двигун-трансмісія”

8. Проведено експериментальні дослідження зубчасто-важільного варіатора, які показали, що коефіцієнт нерівномірності обертання вихідного вала варіатора не перевищує . Це допускає використання варіатора в автомобільній трансмісії. Проведені також експериментальні дослідження залежності передаточного числа варіатора від величини відносного ексцентриситету його основного механізму. Вони підтвердили теоретичні розрахунки. Відносна похибка не перевищує 10 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Красноштан М.А., Красноштан О.М. Підвищення безпечності автомобіля з трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора для людини та навколишнього середовища. // Вібрації в техніці та технологіях. – 2005. - №3 (41). – С. 56-60.

Здобувач розробив вимоги до параметрів зубчасто-важільного варіатора та системи „двигун-трансмісія”, які дозволять мінімізувати шкідливий вплив автомобіля на людину та навколишнє середовище.

2. Красноштан О.М. До питання вибору мінімального передаточного числа трансмісії автомобіля. // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. Том 1. – 2006. - №2. – С. 20-22.

3. Красноштан О.М. Моделювання руху автомобіля з автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчастого та зубчасто-важільного варіатора в режимі розгону. // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2006. - №1. – С.124-130

4. Тернюк М.Е., Красноштан О.М. Моделювання усталеного руху автомобіля з автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора. // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2006. – Выпуск 32. – С.55-58.

Здобувачу належать моделі усталеного руху автомобіля із трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора в режимі розгону, та обмеження на параметри цього руху.

5. Тернюк М.Е., Красноштан О.М. Управління системою „двигун-трансмісія” легкового автомобіля з трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора. // Автошляховик України. – 2006. - №2. – С.20-21.

Здобувач сформулював перелік режимів управління та визначив критерії оптимізації управління системою „двигун-трансмісія” автомобіля.

6. Тернюк М.Е., Красноштан О.М. Моделювання процесу гальмування автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора // Вестник НТУ „ХПИ”. Сб. научн. тр. Тематический выпуск “Автомобиле- и тракторостроение”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2006. - №6. – С. 141-149.

Здобувач виконав моделювання усталеного руху автомобіля із трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора в режимі гальмування, та обмеження на параметри цього руху.

АНОТАЦІЯ

Красноштан О.М. Моделювання та визначення основних характеристик автомобільної трансмісії із зубчасто-важільним варіатором. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 – Автомобілі та трактори. – Харківський національний автомобільно-дорожний університет, Харків, 2007.

Дисертація присвячена вдосконаленню системи „двигун-трансмісія” автомобіля шляхом введення до її складу механічного зубчасто-важільного варіатора.

Виявлено повну множину режимів руху автомобіля загального призначення.

В результаті досліджень запропоновано моделі руху автомобіля із автоматичною безступінчастою трансмісією на базі зубчасто-важільного варіатора на всіх можливих режимах руху. Встановлено вимоги та обмеження, які накладаються на параметри зубчасто-важільного варіатора з точки зору роботи автомобіля на кожному з режимів.

Розроблено алгоритм синтезу зубчасто-важільного варіатора для трансмісії автомобіля. Даний метод синтезу враховує цільове призначення варіатора та вимоги, які висуваються до параметрів з точки зору його використання в автомобільній трансмісії.

Синтезовано схему зубчасто-важільного варіатора для автомобіля із потужністю двигуна до 100 кВт, який був підданий експериментальним дослідженням.

Результати досліджень прийнято до впровадження в ВНТ корпорації „МіР” при розробоці автоматичної безступінчастої трансмісії для автомобіля ЗАЗ-1103 „Славута”, та в ДП „Інститут Машин і Систем” Міністерства промислової політики та Національної академії наук України при синтезі автоматичної безступінчастої трансмісії автомобіля УАЗ-Петріот.

Ключові слова: варіатор, автомобіль, двигун, трансмісія, режим роботи, синтез.

АННОТАЦИЯ

Красноштан А.М. Моделирование и определение основных характеристик автомобильной трансмисии с зубчато-рычажным вариатором. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 – Автомобили и тракторы. – Харьковский национальний автомобильно-дорожный университет, Харков, 2007.

Диссертация посвящена усовершенствованию системы „двигатель-трансмиссия” автомобиля путём введения в неё механического зубчато-рычажного вариатора.

Анализ путей улучшения топливной экономичности автомобилей определил приоритетность разработок нових типов