Диссертация (Автоматизация управления муфтами блокировки дифференциалов в трансмиссии многоосной колёсной машины)

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана(национальный исследовательский институт)На правах рукописиСафонов Борис АндреевичАВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ МУФТАМИБЛОКИРОВКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛОВ В ТРАНСМИССИИМНОГООСНОЙ КОЛЁСНОЙ МАШИНЫСпециальность 05.05.03 – Колёсные и гусеничные машиныДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:к.т.н.Смирнов Александр АнатольевичМосква – 20172СодержаниеСтр.Введение ....................................................................................................................... 4Глава 1.

Состояние вопроса и задачи исследования ............................................. 101.1.Общие проблемы обеспечения максимальной и среднетехническойскорости движения многоосных колёсных машин ................................... 101.2. Современные системы управления трансмиссией колёсных машин ....... 141.3. Анализ конструкций кулачковых муфт ....................................................... 201.4. Анализ численных методов исследования процессов включения муфт .. 25Выводы по главе 1.................................................................................................

27Глава 2. Математическая модель процесса включения кулачковой муфты ....... 302.1. Выбор системы координат математической модели и описаниегеометрических параметров кулачковой муфты ....................................... 302.2. Уравнения взаимодействия на участках кулачка муфты ........................... 332.3. Разработка имитационной модели кулачковой муфты в средеMatlab/Simulink.............................................................................................. 42Выводы по главе 2................................................................................................. 48Глава 3. Разработка закона включения кулачковой муфты блокировкидифференциалов ........................................................................................................

503.2. Разработка масштабного стенда для проверки работоспособности законавключения кулачковой муфты..................................................................... 603.3. Разработка стенда испытания закона управления кулачковой муфты ..... 65Выводы по главе 3................................................................................................. 71Глава 4. Разработка метода определения законов управления муфтамиблокировки дифференциалов в трансмиссии многоосных колёсных машин..... 724.1.

Математическая модель криволинейного движения колёсной машины . 733Стр.4.2. Определение условий включения муфт блокировки дифференциалов ... 844.3. Определение условий выключения муфт блокировки дифференциалов. 924.4. Имитационная математическая модель системы управления муфтамиблокировки дифференциалов трансмиссии ............................................... 99Выводы по главе 4............................................................................................... 105Общие выводы и результаты ................................................................................. 107Перечень используемых сокращений ................................................................... 110Список литературы .................................................................................................

1114ВведениеИнтенсивное развитие многоосной колёсной техники в РФ связано срешением различных транспортных и специальных задач, в том числе и длявоенных целей. Определяющими факторами эффективности и успешностивыполнения таких задач является среднетехническая и максимальная скоростидвижения транспортных средств, а также эффективность, то есть топливнаяэкономичность, в том числе и в сложных дорожных условиях. Повышениюскоростейдвиженияавтомобильныхшассиспособствуюттакиеэксплуатационные свойства как проходимость и управляемость. Стоит заметить,что повышение мощности и удельных характеристик силовых установоктранспортных средств не всегда приводит к улучшению показателейпроходимости, а определяющим фактором является возможность реализациирасполагаемой мощности на грунтах со слабыми сцепными свойствами.

Такойподход подразумевает рациональное распределение крутящего момента междуколёсами транспортных средств. Одним из способов повышения проходимоститранспортных средств в совокупности с повышением энергоэффективностиявляется управление трансмиссией колёсной машины (КМ) в резко меняющихсядорожныхусловиях,вчастности,управлениемуфтамиблокировокдифференциалов.Длямногоосныхколёсныхмашинколичестводифференциаловтрансмиссии может доходить до 7-ми (КМ 8х8) и более. Управление такимколичествомдифференциаловувеличиваетнапряжённостьтрудаиподразумевает высокую квалификацию водителя. Кроме того, несвоевременноевыключение механических блокировок или включение во время движенияможет привести к поломкам элементов трансмиссии.

Поэтому автоматизацияуправления муфтами блокировок дифференциалов является актуальной задачей.5Целью данной работы является реализация эксплуатационных свойств, тоесть возможностей эффективного использования многоосной колёсной машины,снижение трудозатрат водителя и требований к его квалификации путёмавтоматизации управления муфтами блокировки дифференциалов трансмиссии.Для достижения цели в данной работе поставлены и решены следующиезадачи:1) сделан обзор и анализ состояния вопроса по конструкциям кулачковыхсцепных муфт, моделированию процессов включения кулачковых муфт иавтоматизации управления дифференциалами трансмиссий колёсных машин;2)разработанаматематическаямоделипроцессавключенияивыключения кулачковых муфт блокировки дифференциалов;3) разработан закон включения кулачковой муфты блокировкидифференциала КМ и экспериментально подтверждена его работоспособность;4) разработан метод определения законов управления муфтамиблокировки дифференциалов в трансмиссии многоосных КМ;5)проведёнанализработоспособностиразработанногозаконауправления муфтами блокировки дифференциалов для КМ 8х8.В первой главе диссертации проведён анализ состояния вопроса поразличным способам управления трансмиссией многоосных колёсных шасси дляоптимальногораспределениямощностимеждуколёсами.Выявленыпреимущества и недостатки различных подходов реализации управленияподводимым крутящим моментом.

В данной главе выполнен обзор и анализразличных конструкций кулачковых сцепных муфт, применяемых дляблокировкидифференциаловтрансмиссии.Проведёнпатентныйпоискспециальных устройств, обеспечивающих безударное и надёжное включениекулачковых муфт. Рассмотрены различные способы моделирования процессавключения зубчатых и кулачковых муфт, в том числе и из зарубежных6источников.Приведенысуществующиеразработкисистемактивногоуправления трансмиссиями колёсных машин, используемые за рубежом.Выполненныйвпервойглавеанализсостояниявопросапозволилсформулировать задачи диссертационной работы.Во второй главе описана разработка математической модели процессавключения кулачковой муфты. Показаны результаты численного экспериментавключения кулачковых муфт.

Получены условия надёжного включения муфты исделана оценка силового воздействия на муфту при различных условияхвключения.Сформулированыпроблемы,возникающиепривключениикулачковых муфт.В третьей главе описан предложенный закон управления процессомвключения кулачковой муфты. Продемонстрированы результаты численногоэксперимента с использованием математической модели включения муфты,разработанной в первой главе. Разработан масштабный стенд для проверкиработоспособности предложенного закона управления включением муфты.Приведенырезультатынатурногоэксперимента,выполненногосиспользованием масштабного стенда. Также разработан электромеханическийстенд для испытания закона включения кулачковой муфты блокировкидифференциала колёсной машины на основе конструкции ведущего мостасовременного грузового автомобиля.

Показаны результаты натурных испытанийразработанного алгоритма управления кулачковой муфты и сделаны выводы оработоспособности приведённого закона.В четвёртой главе описывается предложенный метод определения законауправления муфтами блокировки дифференциалов многоосных колёсных машинсиспользованиемматематическоймоделикриволинейногодвиженияавтомобиля. Сформулированы основные подходы и особенности использованияпредложенного подхода.

Представлен подробный алгоритм примененияпредложенного метода для многоосных колёсных машин. Обосновывается7выбор основных параметров системы управления муфтами блокировокдифференциалов. Представлена формулировка закона управления муфтамиблокировки дифференциалов для колёсной машины 8х8, полученного на основепредложенного метода.

Приведены результаты численного экспериментадвиженияколёсноймашины8х8всложныхдорожныхусловияхсинтегрированной системой управления муфтами блокировок дифференциалов.В заключении приводятся основные результаты работы и делаютсявыводы.Научная новизна результатов выполненных исследований, выносимых назащиту, заключается:- в разработке математической модели процесса включения ивыключения кулачковой муфты блокировки дифференциала, отличающейсяучётом геометрических особенностей поверхностей зуба;- в разработке закона управления включением кулачковой муфтыблокировки дифференциала, отличительной особенностью которого являетсяучёт взаимного положения кулачков полумуфт;- в разработке метода определения закона управления муфтамиблокировки дифференциалов трансмиссии, отличающегося использованиемматематической модели включения муфты блокировки дифференциалов вмодели динамики колёсной машины, а также определением закономерностейвключения муфт по относительной разности угловых скоростей блокируемыхэлементов трансмиссии и выключения муфт по условиям сохраненияповорачиваемости и управляемости колёсной машины;- в разработке закона управления муфтами блокировки дифференциаловв трансмиссии колёсной машины 8х8, отличительной особенностью которогоявляется выбранная последовательность включения и выключения муфт, а также8использование в качестве входных параметров относительной частоты вращенияэлементов трансмиссии, скорости движения и положения управляемых колёс.Практическая значимость полученных результатов заключается в:-в разработке алгоритма работы системы управления включениемкулачковых муфт;-в разработке пакета прикладных компьютерных программ дляреализации метода определения закона управления муфтами блокировкидифференциалов для многоосных колёсных машин;-в разработке алгоритма работы системы управления муфтамиблокировки дифференциалов для колёсной машины 8х8 КАМАЗ 65601;-в разработке экспериментального электромеханического стенда дляисследования процессов работы муфты блокировки дифференциала.Разработанный закон управления включением кулачковой муфтойпозволит упростить создание автоматических систем управления трансмиссиейКМ, в которой применяются кулачковые муфты.