Динамика переходных процессов и синтез оптимального управления переключением передач гидромеханической трансмиссии транспортной машины

Актуальность проблемы.

В проектируемых и модернизируемых транспортных машинах широко используются гидромеханические трансмиссии. Основные эксплуатационные свойства (тягово-динамические, топливно-экономические, скоростные, динамическая нагруженность, долговечность элементов трансмиссии) транспортных машин во многом определяются законом переключения передач и программой управления агрегатами силовой установки. Эффективность перспективных транспортных машин, управляемость и устойчивость движения, топливная экономичность, другие эксплуатационные качества во многом определяются системой управления движением. Движение машин происходит в условиях взаимодействия с многопараметрической, случайной средой. Поэтому необходимо непрерывно регулировать поступательную скорость. Основной задачей управления является регулирование поступательной скорости при переходных процессах трогания с места, разгона (переключения передач), торможения, поддержания безопасной дистанции. В настоящее время рядом отечественных и зарубежных специалистов решаются проблемы динамики и управляемости транспортных машин. В связи с дальнейшей интенсификацией рабочих процессов, применением принципиально новых конструктивных решений, получением дополнительных экспериментальных данных, позволяющих углубить понимание физических процессов, необходимо совершенствовать математические модели и расчетные схемы движения машин, критерии оценки управляемости машин путем учета дополнительных факторов, существенно влияющих на управляемость. При этом необходимо уточнить принимаемые ранее ограничения и допущения, использовать достижения и результаты развития науки и техники в смежных отраслях — в теории управления, микропроцессорной и вычислительной технике. Это объясняется тем, что известные математические модели не позволяют в достаточной степени учитывать реальные особенности конструкции, условия и режимы движения машин, динамику системы управления движением и многое другое.

Повышение скоростных качеств и многофункциональность машин, увеличение числа управляемых элементов, приводят к сложным алгоритмам управления. В настоящее время синтезированы структурные схемы и программы управления движением. При трогании машины с места программа управления обеспечивает требуемую динамику движения машины — ускорение и длительность разгона, уровень комфортабельности (продольных и вертикальных ускорений), ограничение работы буксования фрикционных механизмов и теплонапряженности их деталей, приемлемую динамичность нагрузки в трансмиссии, ограничение дымности, незаглыхание двигателя, ограниченное буксование движителя и др. Реализация такого алгоритма требует высокой квалификации водителя. Проведенным исследованием установлена возможность синтеза адаптивного управления процессом трогания, реализуемого автоматизированной системой. Подобные системы разрабатываются BMW Ficktel and Sachs, Automotive Produch (AP) automatic clutch and throttle system (ACTS) для концерна Ford и др. Тем не менее, созданные образцы автоматизированных систем управления не смогли обеспечить повышение эксплуатационных свойств машин, кроме снижения утомляемости водителя и уровня требований к его квалификации. Проблема объясняется сложностью переходных процессов при управляемом движении и недостаточным развитием теории управляемого движения. Эти аспекты объясняют актуальность проводимых исследований.

В настоящее время при автоматизации процесса переключения передач используются различные системы управления. Особенностью всех этих систем является жесткий закон, по которому происходит переключение.

Для машин высокой проходимости при интенсивно меняющемся сопротивлении движению такое управление трансмиссией не может обеспечить оптимальные тягово-динамические и топливно-экономические показатели. Необходимость адаптивного управления трансмиссией, при котором учитывается изменяющийся характер условий движения и технического состояния агрегатов машины, и определяет актуальность проблемы.

Цель и задачи исследования

.

Целью исследования является синтез программы оптимального управления гидромеханической трансмиссией транспортной машины, позволяющая минимизировать работу буксования фрикционных элементов и динамическую нагруженность элементов трансмиссии при переходных процессах трогания машины с места и переключения передач.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решаются следующие задачи:

1. Проведение теоретического исследования динамики переходных процессов механической системы «двигатель — трансмиссия — транспортная машина» при трогании с места и переключении передач.

2. Определение зависимости работы буксования и динамической нагруженности узлов трансмиссии от законов управления исполнительными механизмами силового блока.

3. Проведение экспериментального исследования динамики механической системы «двигатель — трансмиссия — транспортная машина».

4. Создание алгоритма и разработка закона управления агрегатами моторно-трансмиссионной установки транспортной машины, обеспечивающего минимальную работу буксования фрикционных элементов трансмиссии при ограниченной динамической нагруженности.

5. Синтез программы оптимального управления гидромеханической трансмиссией, создание функциональной схемы и разработка конструкции основных исполнительных элементов.

Методы исследования.

В ходе решения поставленной задачи была разработана расчетная схема механической системы «двигатель — трансмиссия — машина», составлена ее математическая модель и проведено компьютерное моделирование переходных процессов, происходящих в механической системе, с учетом действия внешней среды.

Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием программных пакетов Mathcad 2001 и Model Vision Studium.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Синтезирована программа адаптивного оптимального управления гидромеханической трансмиссии транспортной машины обеспечивающая минимальную работу буксования при ограниченной динамической нагруженности. Программа обеспечивает выбор оптимальной передачи из условия минимизации разности ускорения на смежных передачах.

2. Разработана расчетная схема и обобщенная модель управляемого движения механической системы «двигатель — трансмиссия — транспортная машина». В расчетной схеме учтена дотрансформаторная зона, а также динамика угловых перемещений корпуса транспортной машины с учетом упруго-демпфирующих свойств гусеничного движителя и трансмиссии. Модель позволяет имитировать переходные процессы и исследовать их динамику.

3. При помощи программного пакета «Model Vision Studium» создана вычислительная процедура, позволяющая решать систему уравнений, которая описывает движение транспортной машины с учетом управляющих функций.

4. Получены новые экспериментальные данные о динамических процессах, протекающих в системе «двигатель — трансмиссия — транспортная машина» на переходных режимах работы. На основе этих данных определены основные направления оптимизации динамических процессов.

5. Сформулированы допущения, используемые в математической модели, выполнена идентификация ее параметров.

Практическая ценность.

Синтезированная программа управления трансмиссией позволяет в значительной мере повысить тягово-динамические и топливно-экономические показатели машины, обеспечить минимальную работу буксования фрикционных элементов при ограниченной динамической нагруженности, а также улучшить условия работы водителя.

Разработанная программная процедура позволяет смоделировать процессы, происходящие в трансмиссии при изменении дорожных условийвыбрать параметры системы автоматизированного управления трансмиссией конкретной машинойопробовать различные законы управления трансмиссией.

На защиту выносятся следующее:

1. Программа оптимального управления гидромеханической трансмиссией транспортной машины.

2. Математическая модель механической системы «двигатель — трансмиссия-транспортная машина».

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в двух отчетах о НИР, переданных ОАО «СКБМ».

Полученные в ходе исследования результаты были учтены при разработке технического задания на проектирование автоматизированной системы управления гидромеханической трансмиссии ОАО «Электромашины» г. Челябинскпри разработке функциональной схемы и конструкции исполнительных механизмов системы управления в отделе гидросистем ОАО «СКБМ» а также при подготовке студентов специальности 150 300 (190 202) Курганского государственного университета.

Апробация работы.

Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждалась на Областной научно-практической конференции (Курган, 2000 г.) — на Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» (Курган, 2003 г.) — На XXIV российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2004 г.). В полном объеме работа обсуждалась на объединенном семинаре Курганского государственного университета в 2004 году.

Публикации.

Все основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста, выводов, списка использованных источников и приложений.

Основные выводы по работе.

1. Разработана адаптивная программа оптимального управления гидромеханической трансмиссией транспортной машины, обеспечивающая выбор момента переключения передач, исходя из условия равенства ускорений на смежных передачах. Переключение происходит при минимальной работе буксования фрикционных элементов и с ограниченным уровнем динамической нагруженности.

2. Разработана расчетная схема и математическая модель управляемого движения механической системы «двигатель — трансмиссия — транспортная машина», позволяющая имитировать переходные процессы трогания с места и переключения передач, а также решать обратную задачу по синтезу оптимального управления двигателем и фрикционными элементами.

3. Предложенная математическая модель и компьютерная процедура позволяет исследовать динамику переходных процессов при управляемом движении транспортной машины. На основе численного моделирования динамики механической системы установлена зависимость интегральных оценочных показателей от параметров управления. Анализ результатов позволил найти область оптимальных параметров управления двигателем и фрикционными элементами, обеспечивающих минимум работы буксования и ограниченную динамическую нагруженность.

4. На основе выполненных исследований определена область с параметрами управления, значения который исключают режимы, при которых наблюдается максимальные работа буксования и динамический момент.

5. Установлено, что наибольшее влияние на качество переходных процессов оказывает синхронизация включаемых элементов, обеспечивая равенство ускорений на смежных передачах. Исследования показывают, что работа буксования минимальная (меньше на 60%) при высокой степени синхронизации включаемых элементов, что достигается, правильно выбранным моментом переключения передач и схемой управления двигателем. Работа буксования при переключении передач вверх с перекрытием в среднем больше на 30%, чем при переключении без перекрытия, динамический момент может снижаться до 2 раз.

Установлено, что работа буксования фрикционных элементов при трогании с места зависит как от темпов включения фрикционных элементов и нарастания момента двигателя, так и от выбора закона нарастания давления. Минимальная работа буксования обеспечивается при нарастании давления по закону выпуклой параболы. При таком законе нарастания давления работа буксования в 1,5 раза меньше по сравнению с линейным и в 2,1 раза — по сравнению с вогнутой параболой. Процесс трогания машины с места, управление которым осуществляется с использованием обратной связи по коэффициенту буксования и производным от действительной скорости обеспечивает не только минимум работы буксования и динамической нагруженности, а также снижение буксования движителя по грунту, плавность хода и снижение ошибок переключения передач в условии буксования движителя.

Проведенные экспериментальные исследования динамики транспортной машины и статистическая обработка их результатов подтверждает достоверность разработанной модели, отражающей физические процессы управляемого движения механической системы при переходных процессах, а также корректность принятых допущений.

Экспериментально установлено, что при управлении транспортной машиной неквалифицированным водителем коэффициент динамичности при переключении передач составляет 2,0−2,5, а при трогании с места — до 3,2.

Разработанная программа управления гидромеханической трансмиссией позволяет снизить работу буксования фрикционных элементов при переключении передач в 1,4 раза, а динамическую нагруженность — в 2 раза. Определена область значений параметров управления, при которых достигается минимальная работа буксования при ограниченной динамической нагруженности во время трогания машины с места с блокированным гидротрансформатором.

Общность полученных результатов позволяет распространить их на ряд транспортных машин с ГМТ. Это подтверждает целесообразность использования программы оптимального управления для улучшения качества переходных процессов при переключении передач и трогании с места.