ЭЛЕКТРОННЫЕ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЕМ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Сцепление автомобиля предназначено для регулирова­ния момента, передаваемого от двигателя к коробке перемены передач.

Для установления требований к системе автоматического уп­равления сцеплением рассмотрим, какие действия совершает водитель, управляя неавтоматически действующим сцеплением. .Перед началом движения автомобиля водитель должен включить ту или иную передачу в коробке передач. При, работающем дви­гателе для этого необходимо предварительно полностью выклю­чить сцепление. Далее для трогания автомобиля с места водитель должен одновременно нажимать на педаль подачи топлива и по­степенно отпускать педаль управления сцеплением.

При правильно согласованном воздействии на эти педали бу­дет одновременно возрастать как частота вращения пк коленча­того вала, так и момент Мс, передаваемый сцеплением. После того как момент Мс превысит момент М$ сопротивления движе­нию (приведенный к коленчатому валу двигателя), автомобиль тронется с места. По мере увеличения момента Мс

будет возрас­тать частота вращения пс ведомого элемента сцепления и соответ­ственно увеличиваться скорость движения автомобиля.

Рис. 51. Изменение Мс, пн и лс при разгоне автомобиля с неавтоматически управляемым сцеплением: а и б — отпускание педали управления сцеплением соответственно медленное и быстрое

Когда в процессе разгона автомобиля водитель полностью от-пускает педаль управления сцеплением, момент Мс увеличивается до максимального Мстах, который превышает максимальный кру­тящий момент Mтах

двигателя. В результате сцепление блокируется, т. е. частоты вращения пс

и пк становятся одинаковыми. Таким образом, в процессе трогания автомобиля с места и после­дующего его разгона по мере увеличения частоты вращения пк коленчатого вала момент Мс, передаваемый сцеплением, посте­пенно возрастает от нуля до максимального значения.

Характер зависимости Mc = f(nK) при неавтоматическом управ­лении сцеплением определяется темпом нажатия водителем на педаль управления сцеплением. Если водитель быстро нажимает на педаль подачи топлива и медленно отпускает педаль управле­ния сцеплением, то это обусловливает интенсивное возрастание пк при незначительном увеличении пс (рис. 51, а). Последующее отпускание педали управления сцеплением вызывает соответст­вующее повышение момента Мс, что приводит к возрастанию на­грузки двигателя. В результате этого интенсивность увеличения частоты вращения коленчатого вала снижается и даже возможно замедление, если при неравенстве пк и пс момент Мс

В настоящее время практически все автомобильные автоматические трансмиссии массового производства создаются на базе гидромеханических передач (ГМП), которые состоят из гид­равлического преобразователя момента (гидротрансформатора) и нескольких автоматически переключаемых передач. Переключе­ние передач осуществляется с помощью фрикционов, имеющих гидро- или пневмопривод. В некоторых конструкциях ГМП такие же фрикционы используют для блокировки гидротрансформатора после того, как коэффициент преобразования их момента (коэф­фициента трансформации) приближается к единице. При блоки­ровке улучшается топливная экономичность автомобиля, так как при этом исключаются потери в гидротрансформаторе.

Рис. 70. Кинематическая схема двухступенчатой ГМП:

1 — коленчатый вал; 2 — поршень управления фпикционом блокировки гидротрансфор­матора; 3 — турбинное колесо; 4 — насосное колесо; 5 — реакторы; 6 — ведущий вал; 7 — шестерня понижающей передачи; 8 — поршень включения фрикциона понижающей передачи; 9 — поршень включения фрикциона прямой передачи; 10 — ведомое зубчатое колесо переднего хода; 11 — зубчатая муфта переключения передач; 12 — ведомое зуб­чатое колесо передачи заднего хода; 13 — ведомый вал; 14 — ведущее зубчатое колесо передачи заднего хода; 15 — промежуточная шестерня; 16 — ведущее зубчатое колесо пе­реднего хода; 17 — фрикцион включения прямой передачи; 18 — промежуточный вал; 19 — фрикцион включения понижающей передачи; 20 — зубчатое колесо привода промежуточ­ного вала; 21 — механизм свободного хода; 22 — фрикцион блокировки гидротрансфор­матора

В качестве примера выполнения гидромеханической передачи на рис. 70 приведена кинематическая схема ГМП типа ЛАЗ-НАМИ «Львив», устанавливаемой на городских автобусах ЛИАЗ-677 (8).

Особенность протекания процесса переключения передач ГМП можно рассмотреть на примере перехода с передачи, включаемой фрикционом 19, на передачу, включаемую фрикционом 17. При этом происходит одновременное плавное уменьшение момента, передаваемого фрикционом 19, и плавное возрастание момента, передаваемого фрикционом 17 (режим «перекрытия»). В течение всего процесса переключения передач оба фрикциона взаимно пробуксовывают, однако связь через них двигателя с ведущими колесами автомобиля сохраняется — процесс переключения пере­дач происходит без разрыва потока мощности. Во время переклю­чения передач обычно выключается и фрикцион 22 блокировки гидротрансформатора, демпфирующие свойства которого обеспе­чивают высокую плавность процесса переключения [8, 33].

становится больше момента двигателя М.

С увеличением момента Мс возрастает частота вращения ведо­мого элемента сцепления и, следовательно, уменьшается разность пк — пс. Начальная стадия разгона автомобиля заканчивается, когда эта разность становится равной нулю, т. е. сцепление бло­кируется и прекращается его пробуксовывание.

По-иному протекает процесс разгона автомобиля при быстром отпускании водителем педали управления сцеплением (рис. 51,6). Вследствие быстрого возрастания момента Мс, создающего зна­чительную нагрузку двигателю, частота вращения коленчатого вала будет увеличиваться менее интенсивно, а увеличение часто­ты вращения ведомого элемента сцепления начнется почти сразу же после начала отпускания водителем педали управления сцеп­лением. В результате существенно уменьшится продолжитель­ность пробуксовывания сцепления.

На основании анализа зависимостей, приведенных на рис. 51, можно сделать следующие выводы. При медленном отпускании водителем педали управления сцеплением вследствие быстрого повышения частоты вращения коленчатого вала еще в начальной стадии процесса (т. е. при неравенстве величин пк и ;лс) двига­тель работает в зоне высоких частот вращения, чему соответст­вует высокий крутящий момент. В результате обеспечиваются вы­сокие динамические качества автомобиля, но наряду с этим увеличивается работа буксования сцепления, что отрицательно влияет на его долговечность.

При быстром отпускании водителем педали управления сцеп­лением вследствие медленного увеличения частоты вращения коленчатого вала двигатель в начальной стадии процесса разви­вает относительно небольшой крутящий момент, что отрицательно сказывается на динамических качествах автомобиля. Для данного режима характерна также небольшая работа буксования сцепле­ния, что обеспечивает благоприятный его температурный режим и минимальное изнашивание фрикционных элементов.

Известно большое число различных систем автоматического регулирования момента, передаваемого сцеплением. Однако в на­стоящее время преимущественно применяются системы, обеспечи­вающие увеличение момента Мс с повышением частоты вращения nh коленчатого вала. Именно по такой закономерности, как это было показано выше, изменяется момент Мс



при неавтоматиче­ском управлении сцеплением.



Рис. 52. Влияние зависи­мости Мс=1(пн) на режи­мы совместной работы дви­гателя и сцепления

Если в автомобиле используется неавтоматическое сцепление, то водитель по своему усмотрению в зависимости от условий экс­плуатации может выбирать такой темп его включения, при кото­ром обеспечиваются оптимальные условия работы сцепления и движения автомобиля. При использовании автоматически дейст­вующего сцепления практически невозможно для всех условий эксплуатации автомобиля обеспечить оптимальный режим работы сцепления. Поэтому при создании системы автоматического уп­равления сцеплением зависимость Mc

= f(nK) приходится выби­рать, исходя из компромиссных требований обеспечения высоких динамических показателей автомобиля и минимальной работы буксования сцепления.

Рассмотрим влияние характера зависимости Mc=f(nK) на ре­жимы совместной работы двигателя и сцепления. На рис. 52 при­ведены три такие зависимости (кривые 1 — 3), имеющие различ­ный наклон, и внешняя характеристика двигателя M=f(nK) (кривая 4). Зависимость Mc = f(nK), изображенная кривой 1, пере­секает характеристику M=f(nK) в точке с координатами пк = = nм max и M = Mmах. Это означает, что в начальный период раз­гона, когда сцепление еще пробуксовывает, частота вращения коленчатого вала может увеличиваться до частоты вращения пк = — nм max, при которой двигатель развивает максимальный момент. Выше уже отмечалось, что при этом обеспечиваются наилучшие динамические показатели автомобиля, но повышается работа буксования сцепления.



Рис. 53. Влияние зависи­мости Mc=f(nK) на режи­мы блокировки сцепления

Пересечение кривой 3 зависимостью M = f(nK) характери­зуется значением пк = пу (где пу — минимальная устойчивая час­тота вращения коленчатого вала при работе двигателя на внеш­ней характеристике, т. е. с полной подачей топлива). В этом слу­чае сцепление пробуксовывает только при пк<пу, в результате чего значительно уменьшается работа буксования сцепления. Но одновременно заметно ухудшаются динамические показатели автомобиля, поскольку момент Му



существенно меньше момента Aimax- Поэтому системы автоматического управления обычно проектируют таким образом, чтобы в точке пересечения зависимо­стей Mс=f(nк) и M=f(nк) (при пк=лп) крутящий момент двига­теля составлял (0,85-f-0,9) Л1Шах (кривая 2). В этом случае обес­печивается как получение приемлемых динамических показателей автомобиля, так и относительно небольшой работы буксования сцепления. Следует иметь в виду, что в некоторых случаях мож­но получить не одну, а несколько различных зависимостей Mc=f(nK). Тем самым значительно улучшаются показатели авто­мобиля, оборудованного автоматически действующим сцеплением. Так, например, если при включении в коробке передач низшей передачи система управления позволяет получить зависимость MC=f(IK), соответствующую кривой 1 или 2, а при включении высших передач — кривой 3, то в процессе разгона автомобиля на низшей передаче достигаются заданные высокие динамические показатели автомобиля, а после перехода на высшие передачи уменьшается до минимума работа буксования сцепления.

В условиях эксплуатации автомобиля, характеризующихся многократно повторяющимися увеличениями и уменьшениями час­тоты вращения пк, значительное снижение продолжительности работы сцепления с пробуксовыванием может быть достигнуто при зависимости Mc=f(nK), изображенной на рис. 53 сплошными линиями.

При повышении частоты вращения пк от значения nх. х, соот­ветствующему режиму холостого хода двигателя, до пк<п6 (где nб — частота вращения, соответствующая блокировке сцеп­ления) изменение момента Мс соответствует участку 1 — 2 харак­теристики Mc=f(nK). После того, как частота вращения пк увели­чится до значения nб, момент Мс сцепления скачкообразно воз­растет до значения Mcmax (участок 2 — 3) и останется неизменным до тех пор, пока частота вращения пк

не уменьшится до nу, при которой еще возможна устойчивая работа двигателя на его внеш­ней характеристике (участок 3

— 4 характеристики Мс=f(nк)). Очевидно, что в диапазоне частот вращения пу



— nб будет исклю­чена работа сцепления с пробуксовыванием, поскольку на участке 3 — 4 Mc = Mcmai>M. Лишь после уменьшения частоты вращения nK до значения пу произойдет скачкообразное уменьшение момента Afc (участок 4 — 5) с установлением его значения в соответствии с участком 1 — 2 характеристики Mc=f(nK) при пк=пу.

Таким образом, если в процессе разгона автомобиля хотя бы на одной из передач частота вращения пк достигла значения пб, то сцепление будет работать без пробуксовывания во всем рабо­чем диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Из рис. 53 следует, что при изменении момента Мс в соответ­ствии с участком 1 — 2 характеристики Mc=f(nK) после повышения частоты вращения коленчатого вала до частоты вращения лк=пп, при которой Mc=M, должно прекращаться пробуксовывание сцеп­ления. В связи с этим характер зависимости Afc=f(nK) при частотах вращения пк>nп

не влияет на нагрузочный режим как самого сцепления, так и других узлов трансмиссии, а также на динами­ческие показатели автомобиля. Следовательно, целесообразно сразу же после повышения частоты вращения коленчатого вала до пк=пп

обеспечивать увеличение момента сцепления до значе­ния Мсшах и тем самым уменьшать продолжительность работы элементов привода сцепления (например, его выжимного подшип­ника) под нагрузкой. Такой характер изменения момента Мс на­блюдается на участке 2 — 3 характеристики Mc = f(nK) при значе­нии nб, близком к nп.

Следует, однако, иметь в виду, что в условиях массового про­изводства невозможно получить точное совпадение характеристик M=f(nK) и Mc=f(nK) у различных двигателей и сцеплений. Кроме того, в процессе эксплуатации автомобиля данные характеристики также меняются. Поэтому практически невозможно во всех слу­чаях обеспечить равенство моментов Мс и М в точке, соответст­вующей пк = пп. В частности, если вследствие изнашивания рабо­чих поверхностей сцепления или уменьшения их коэффициента трения (например, из-за нагрева) уменьшатся моменты Мс, то это приведет к тому, что при частоте вращения пк = пи



мо­мент МС<M.



Рис. 54. Влияние зависимости Mс=f(а) на режимы совместной работы двига­теля и сцепления:

1 — 4 — Мс=f(лк) при различных углах а; 5 — 8 — M=f(nK) — соответственно при тех же углах а

Для иллюстрации на рис. 53 штриховыми линиями изображена зависимость Mc = f(nK), соответствующая применению сцепления с величинами Мс меньшими, чем у сцепления с характеристикой, очерченной линиями 1 — 2, 2 — 3, 3 — 4 и 4 — 5. В этом случае скач­кообразное увеличение момента Мс при частоте вращения пк = nп произойдет при МС<М, вследствие чего резко увеличится нагрузка в трансмиссии. В этом случае такую зависимость Mc = f (пк) назы­вают несогласованной. Для исключения возникновения подобного режима при реально встречающихся в эксплуатации изменениях характеристик двигателя и сцепления целесообразно после по­дачи команды на полное включение (блокировку) сцепления уве­личить продолжительность такого включения до I — 1,5 с. В этом случае при пк=пп будет обеспечено полное включение сцепления, исключающее его пробуксовывание, а сам процесс блокировки сцепления будет происходить без перегрузок в трансмиссии.

Применение систем автоматизации, обеспечивающих получе­ние указанных зависимостей М=f(nк), не является единственно возможным путем создания автоматически действующих сцепле­ний. Задача может быть решена и с помощью систем автоматиза­ции, повышающих момент Мс

с увеличением угла а открытия дроссельной заслонки.

Основным элементом таких систем является вакуумный уси­литель следящего действия, т. е. механизм, применяющийся в раз­личных приводах автомобильных агрегатов (например, в усилите­лях привода тормозных механизмов). Возможность применения для автоматизации управления сцеплением механизмов, широко используемых в автомобилестроении, очевидно, явилось одной из основных причин разработки данных систем несмотря на то, что по некоторым показателям они уступают системам автоматиза­ции, обеспечивающим функцио­нальную зависимость Mc=f(nK). Для исключения пробуксовы­вания сцепления при больших уг­лах а систему управления сцеп­лением проектируют так, чтобы при таких углах величина Мс была больше М при всех часто­тах вращения пк (рис. 54, кри­вые 4 и 8). Наряду с этим при малых и средних значениях а в определенном диапазоне значе­ний пк должно выдерживаться соотношение М>МС



(кривые 1 и 5, 2 и 6, 3 и 7). Данное условие является необходимым для обеспе­чения пробуксовывания сцепления в процессе разгона автомобиля. С ростом угла а увеличиваются частоты вращения пп1, nп2 и пп3, при которых М = МС

и, следовательно, прекращается про­буксовывание сцепления (рис. 54, точки А, Б и В). Поэтому чем больше угол а, тем в большем диапазоне величин пк

происходит пробуксовывание сцепления. По данному показателю рассматри­ваемая система управления не имеет отличий от систем с зависи­мостями Mc = f(nK).

Одним из существенных недостатков систем автоматизации с зависимостью Mc = f(a) является неполное включение сцепления при движении автомобиля при малых и средних углах а. Для исключения этого недостатка, создающего неблагоприятные усло­вия работы выжимного подшипника сцепления, в систему управ­ления сцепления вводят дополнительные устройства, вырабаты­вающие команду на полное включение сцепления при определен­ной частоте вращения коленчатого вала двигателя или скорости движения автомобиля. Реализация команд обычно обеспечивается клапанными устройствами с электромагнитным приводом, кото­рые действуют параллельно со следящим вакуумным усилителем. Использование рассматриваемой системы не позволяет в пол­ной мере реализовать динамические показатели автомобиля при разгоне в результате быстрого полного открытия дроссельной за­слонки. Так как Mc>M, при всех значениях пк произойдет оста­новка двигателя. По этой же причине у данной системы несколько хуже показатели и с точки зрения обеспечения возможности тро-. гания автомобиля с места на подъеме, а также в тяжелых дорож­ных условиях.

При автоматическом управлении сцеплением для обеспечения нормального переключения передач необходимо сразу же после подачи команды на переключение быстро выключить сцепление независимо от частоты вращения коленчатого вала (за 0,15 — 0,25 с). После же включения новой передачи должен быть выдер­жан оптимальный для данных условий эксплуатации темп вклю­чения сцепления, который обеспечивал бы без перегрузки транс­миссии требуемую динамику разгона автомобиля. С этой целью в некоторых системах автоматизации управления сцеплением пре­дусматривается изменение темпа включения сцепления в зависи­мости от разрежения во впускном коллекторе двигателя или поло­жения педали подачи топлива в двигатель, т. е. факторов, харак­теризующих нагрузку двигателя. Чем выше нагрузка двигателя, тем быстрее должно включаться сцепление.



С учетом изложенного система автоматического управления сцеплением, реализующая зависимость Mc=f(nK), должна удовле­творять следующим основным требованиям:

обеспечивать командными и исполнительными устройствами максимальную быстроту выключения сцепления (за 0,15 — 0,25 с) независимо от частоты вращения коленчатого вала;

осуществлять монотонное увеличение момента, передаваемого сцеплением, по мере повышения частоты вращения коленчатого вала двигателя (в заданном диапазоне частот вращения). При этом режиму холостого хода двигателя должно соответствовать полное выключение сцепления, а после увеличения частоты вра­щения коленчатого вала до заданного значения должна обеспе­чиваться блокировка сцепления, исключающая его пробуксовы­вание;

после! повышения частоты вращения коленчатого вала до за­данного значения последующее ее снижение не должно вызывать уменьшения момента, передаваемого сцеплением, до тех пор, пока частота вращения не снизится ниже заданного предела;

при единой для всех режимов движения автомобиля зависи­мости момента, передаваемого сцеплением, от частоты вращения коленчатого вала двигателя ее пересечение с внешней характери­стикой двигателя должно происходить в точке, соответствующей крутящему моменту двигателя, равному 85 — 90 % его максималь­ного значения;

обеспечивать возможность изменения характера зависимости момента, передаваемого сцеплением, от частоты вращения колен­чатого вала (при поступлении команд от аппаратуры, управляе­мой водителем, или срабатывающей автоматически);

после поступления команды на блокировку сцепления продол­жительность ее реализации должна составлять 1 — 1,5 с;

темп включения сцепления после переключения передач должен зависеть от режима движения автомобиля и нагрузки двигателя. Кроме выполнения указанных требований, система автомати­ческого управления сцеплением должна иметь высокую надеж­ность и минимальную стоимость. Минимальными также должны

быть масса и размеры электронного блока системы управления. Автоматически действующее сцепление может быть использовано в автомобиле и как самостоятельный узел, и как составной эле­мент полуавтоматической или автоматической трансмиссии.

При использовании автоматически действующего сцепления в составе автоматической трансмиссии требования, связанные с из­менением характеристики Mc = f(nK) в зависимости от условий работы автомобиля, как правило, являются обязательными для обеспечения высокого технического уровня такой трансмиссии.

 



Включение и выключение фрикционов 17, 19 и 22 осуществ­ляется с помощью гидроцилиндров соответственно 9, 8 и 2, управ­ляемых клапанами, на которые воздействуют электромагниты системы управления. Поэтому основной задачей автоматической системы управления ГМП является коммутирование тока в обмот­ках электромагнита в соответствии с требуемым законом. Систе­мы автоматического управления ГМП значительно проще, чем аналогичные системы коробок передач иных типов. Эти преиму­щества в сочетании с высокой плавностью переключения передач обусловили широкое применение ГМП в современном автомобиле­строении, несмотря на то что конструкция их существенно слож­нее (следовательно, выше стоимость), чем у обычных механиче­ских коробок передач и сцепления автомобилей, а КПД их ниже.

Ввиду широкого распространения гидромеханических передач улучшение их показателей представляет особый интерес. Это яв­ляется стимулом для создания электронных систем управле­ния ГМП.


Содержание раздела

---

---