К вопросу об обеспечении требуемого «перекрытия» передач при переключении в автоматических коробках передач транспортных машин

Котиев Г.О., д.т.н., Нагайцев М.В., к.т.н., Курочкин Ф.Ф., инж., МГТУ им. Н.Э. Баумана

Увеличение производительности современных автотранспортных средств при одновременном улучшении их топливной экономичности и повышение безопасности эксплуатации неразрывно связано с решением проблем автоматизации управления агрегатами автомобилей и, в первую очередь, агрегатами трансмиссии.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили планетарные гидромеханические передачи (ГМП), позволяющие, во-первых, снизить динамические нагрузки в системе "двигатель-трансмиссия" за счет обеспечения плавности протекания переходных процессов, и, во-вторых, относительно простыми средствами автоматизировать процессы, связанные с управлением передачей мощности от двигателя к ведущим колесам.

Однако у гидромеханических передач присутствуют и существенные недостатки, такие как наличие гидротрансформатора – узла, обладающего низким КПД, большими осевыми и радиальными размерами, требующего использования большого количества рабочей жидкости для эффективной работы (столько же, сколько на систему смазки и управления). В связи с этим ведущие мировые производители автоматических коробок передач (АКП) в последние годы стараются отказаться от использования гидротрансформаторов. Однако, отсутствие гидротрансформатора приводит к сужению динамического диапазона коробки передач, что приводит к необходимости увеличения числа ступеней. Наиболее рациональным с точки зрения соотношения размеров коробки передач, числа ступеней и возможности переключения передач без разрыва потока мощности является применение автоматических планетарных коробок передач с переключением при помощи фрикционных элементов.

Вопросам, связанным с исследованием процессов переключения, посвящено большое число работ. В качестве критериальных оценок качества этих процессов применяется уровень динамических нагрузок в элементах трансмиссии, плавность переключений и пр.

Плавность переключений передач является важным эксплуатационным фактором автомобиля, оборудованного автоматической коробкой передач. Она непосредственно определяет такие его качества, как комфортабельность и конкурентоспособность.

В работах [3, 4] плавность переключений передач ГМП оценивалась по продольным колебаниям кузова автомобиля. Для автомобилей малого класса отсутствие данных до плавности переключений ГМП привело к необходимости изучения продольных колебаний кузова при переключении передач и установлению предельных значений критерия плавности.

В работах [1, 2] был проведен корреляционный анализ субъективных оценок, полученных при нескольких заездах с различной интенсивностью процесса переключения. Так, на основании сопоставления 528 субъективных оценок плавности переключений АКП легковых автомобилей и объективных данных из трех критериев было показано, что наиболее доверительным критерием является максимальный размах колебаний производной продольного ускорения автомобиля, скорректированный по частоте колебания. Было установлено, что допустимым по плавности считается такое переключение, если размах колебаний производной по времени продольного ускорения кузова автомобиля J = da/dt (“джерк”) меньше 3,4 g/c.

Известно, что одной из задач системы управления автоматической коробки передач является обеспечение необходимого «перекрытия» передач при переключении. Под «перекрытием» понимается временной отрезок между началом буксования выключаемого фрикционного элемента и началом буксования включаемого фрикционного элемента.

Переключение передач может быть организовано как с различной степенью «перекрытия» передач, так и с различной степенью разрыва потока мощности. Идеальным является случай нулевого «перекрытия» передач, однако в реальной эксплуатации такого трудно добиться в связи с тем, что различные элементы управления имеют сильно отличающиеся характеристики. Они обладают различными постоянными времени, при этом в системе присутствуют колебания рабочего давления, колебания частот вращения элементов коробки передач, переключения происходят при различных условиях движения, изменения значений вязкости жидкости в зависимости от температуры и т.д. Применение одинаковых законов изменения давления в исполнительных бустерах для всех случаев переключения может приводить к негативным результатам. Так, например, закон переключения, обеспечивающий хорошую плавность процесса при небольших углах открытия дроссельной заслонки может допускать большой разрыв потока мощности при переключении при большой подаче топлива. Будут появляться «выбеги» вала двигателя – увеличение угловой скорости вала двигателя без соответствующего увеличений угловой скорости выходного вала АКП, и, как следствие, увеличение работы буксования и появление ударов при переключении. Это связано с тем, что отпускаемый элемент начнет скользить гораздо раньше, чем зажимаемый.

При этом переключение с чрезмерным перекрытием передач приводит к чрезмерному увеличению работы буксования, вызванного циркуляцией мощности внутри планетарной АКП, обусловленной частичным включением одновременно двух передач.

Но для того, чтобы подойти к вопросу решения данных проблем необходимо сначала определиться с терминологией и понять, как работает фрикционная муфта. Рассматривается планетарная коробка передач с управлением при помощи индивидуальных дисковых фрикционных элементов, которые, в свою очередь, управляются давлением, формируемым соответствующими клапанами регулирования давления (PWM Solenoid).

Состояние муфты зависит от соотношений развиваемого момента трения и несущего момента на муфте. Первый зависит от конструктивных параметров муфты и нажимного усилия в данный момент, а второй – от нагрузки на валах трансмиссии, т.е. то значение момента, которое нагружает данный фрикционный элемент. Учет развиваемых и несущих моментов определяет состояние динамической системы в каждый момент времени. В процессе переключения несущий момент зависит также и от перераспределения крутящего момента между переключаемыми муфтами.

Уменьшение развиваемого момента на выключаемом фрикционе ниже значения несущего момента приводит к уменьшению момента на выходном валу коробки передач. Соответственно, чем интенсивнее уменьшается момент на выключаемом элементе, а также чем больше временной разрыв между выключением фрикциона предыдущей передачи и включением фрикциона следующей передачи, тем значительнее изменение момента на выходном валу коробки передач и, следовательно, тем интенсивнее изменяется ускорение автомобиля вплоть до изменения знака ускорения. Это проявляется в виде рывков при переключении, т.е. в виде появления больших значений размаха амплитуды колебания производной продольного ускорения – «джерк».

Т.к. в большинстве случаев управлять подведением поршня к пакету фрикционов во включаемом элементе управления сложно, а время подведения носит случайный характер, то на выключаемый элемент управления возлагается задача обеспечения оптимального перекрытия передач. Задача эта заключается в том, чтобы подготовить выключаемый элемент к выключению. Но до тех пор, пока включаемый элемент не начнет передавать необходимый крутящий момент, выключаемый элемент должен развивать момент, равный или немного меньший несущего момента. Другими словами, в выключаемом элементе необходимо сбросить давление до такого уровня, чтобы его хватало для поддержания расчетного передаточного числа выключаемой передачи.

Как правило, практически во всех планетарных коробках передач бустеры фрикционных элементов имеют сопоставимые размеры, следовательно, сброс давления в подготавливаемом к выключению бустере будет происходить значительно быстрее, чем увеличение давления в подготавливаемом к включению бустере. Это обусловлено тем, что для сброса давления выключаемому элементу нет необходимости выполнять поступательное движение от пакета сжатых дисков в исходное положение, предполагающее значительное изменение объема жидкости под поршнем, а, следовательно, и расход. В заполняемом бустере для выхода давления на максимальный или определенный рабочий уровень необходимо переместить поршень на расстояние зазора X2 между поршнем и пакетом дисков. До этого момента давление под поршнем будет определяться только характеристикой возвратной пружины, как показано на рис. 1. Следовательно, можно сделать вывод о целесообразности смещения точек выдачи команды начала заполнения бустера следующей передачи и команды начала уменьшения давления в выключаемом бустере. Определить уровень, до которого необходимо сбросить давление, можно, вычислив сначала значение, так называемого, несущего момента, который должен развивать выключаемый фрикционный элемент, для того, чтобы фактическое передаточное число выключаемой передачи равнялось расчетному, или, другими словами, чтобы фрикцион не начал буксовать.


Рисунок 1. Взаимосвязь скольжения с давлениями в бустерах фрикционных элементов. Win — частота вращения входного вала коробки передач; Wout — частота вращения выходного вала коробки передач; T2 (выкл) — давление в выключаемом фрикционном элементе: на схеме корбки передач обозначен как Т 2; M7 (вкл) — давление во включаемом фрикционном элементе: на схеме обозначен как М 7.


Несущий момент трения на выключаемом фрикционном элементе можно найти из условия равенства угловых ускорений входного и выходного вала АКП с учетом передаточного числа:


Т.к. несущий момент на фрикционном элементе управления меняется с изменением условий движения, то давление в нем необходимо непрерывно регулировать, ориентируясь на соответствие действительного передаточного отношения, определяемого соотношением измеренных частот вращения входного и выходного звеньев, и расчетного.

Степень соответствия измеренного и расчетного передаточных чисел коробки передач с учетом использования только тех параметров системы, которые непосредственно можно померить на автомобиле, удобнее всего оценивать по скольжению (“Slip”) [5, 6]. Скольжение вычисляется по следующей зависимости:



При снижении давления в бустере выключаемого элемента, последний начнет буксовать, добавляя одну степень свободы в коробке передач. При этом произойдет изменение соотношений частот вращения входного и выходного звеньев и скольжение станет отличным от нуля. Более интенсивное уменьшение давления в выключаемом элементе управления приводит к более интенсивному нарастанию значения скольжения. Т.к. за время выключения фрикциона предыдущей передачи скорость автомобиля не изменится, а угол открытия дроссельной заслонки при переключении имеет некое определенное не нулевое значение, то увеличение скольжения произойдет за счет «выбега» вала двигателя.

Таким образом, для обеспечения перекрытия передач при переключении необходимо поддерживать выключаемый фрикцион в замкнутом состоянии путем обеспечения около нулевого значения скольжения, для чего, в свою очередь, необходимо уменьшать давление в бустере выключаемого фрикционного элемента до появления скольжения, а при достижении определенного значения скольжения увеличить давление так, чтобы скольжение вновь стало равно нулю и т.д. Данная взаимосвязь давления и скольжения показана на рис. 2. Точка изменения знака скольжения является точкой окончания этапа передачи момента от выключаемого фрикциона к включаемому.

Рисунок 2. Условная характеристика закона изменения давления от направления изменения давления в бустере. P1,2max — максимальное давление жидкости под соответствующем поршнем. P1,2пруж — давление, обусловленное действием возвратной пружины; X1,2 — зазор между поршнем и пакетом фрикционных дисков; команда на заполнение/слив — 0-клапан находится в положении слив, 1 — клапан находится в положении на заполнение магистрали бустера.


Допустимое значение скольжения при переключении определяется исходя из конкретных параметров автомобиля. Из анализа функционирования зарубежных коробок передач, а также благодаря проведенным исследованиям с использованием математического моделирования (рис.2) и экспериментам, проведенным на ходовом образце (рис. 3) разрабатываемой автоматической коробки передач фирмы «Кате» FT703 (рис. 4, рис. 5) можно сделать вывод, что допустимое значение скольжение лежит в пределах 40-50 об/мин.

Рисунок 3. Ходовой макет автоматической коробки передач КАТЕ FT703 проходит испытания на испытательном стенде SuperFlow Technologies (Axiline).


Рисунок 4. Разрез макета автоматической коробки передач КАТЕ FT703.


Рисунок 5. Схема коробки передач КАТЕ FT703. АТ — автоматическая трансмиссия; Ie — момент инерции двигателя; I1…I8 — моменты инерции звеньев КП (коробки передач); T2…T5, M7, M8 — фрикционные тормоза и муфты; Mдемп — демпфер; Ki — коэффициент планетарного ряда.


Значение давления, до которого необходимо сбросить давление в выключаемом фрикционном элементе, следует искать из условия равенства угловых ускорений соединяемых фрикционом звеньев или, что тоже самое, исходя из равенства угловых ускорений входного и выходного валов АКП с учетом передаточного числа текущей (выключаемой) передачи.

В момент, когда скольжение, вычисленное с передаточным числом выключаемой передачи, принимает отрицательное значение, заканчивается управление выключаемым фрикционным элементом, давление в нем сбрасывается до нуля. Одновременно с этим значение скольжения пересчитывается с передаточным числом следующей передачи. Начинается фаза буксования, когда включаемый фрикционный элемент уменьшает кинетическую энергию двигателя путем снижения его частоты вращения.

Разработанный метод позволяет обеспечивать неразрывность потока мощности при переключении передач независимо от условий движения автомобиля и выбора момента переключения.

Литература

1. Фисенко И.А. Выбор законов управления гидромеханической передачей легкового автомобиля с целью улучшения плавности переключения передач и снижения потерь мощности. Дис. канд. техн. наук, М., 1984, - 177с.

2. Фисенко И.А., Есеновский-Лашков Ю.K., Скоков Е.М. Оценка плавности переключений гидромеханических передач легковых автомобилей. Автомобильная промышленность, 1982, N 5, с. 17-18.

3. Чередниченко Ю.И., Надь А.А. Методика объективной оценки плавности переключения передач ГМП. М.; Труды ЗИЛа, 1977, вып.7, с.41-56.

4. Чередниченко Ю.И. Испытания автомобильных гидромеханических передач. М.: Машиностроение, 1969, 195с.

5. K.Kurata, T.Minowa, M.Ibamoto, A study of smooth gear shift control system with torque feedback. Electronic transmission control, SAE, 2002, s.217-221.

6. T.Minowa, T. Ochi et al., Smooth shift control technology for clutch-to-clutch shifting. Electronic transmission control, SAE, 2002, s. 253-258.