ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЧЕТЫРЕХСТУПЕНЧАТОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ RAVIGNEAUX В ПАКЕТЕ MATLAB

STUDY OF A DYNAMIC MODEL OF A FOUR-SPEED AUTOMATIC GEARBOX RAVIGNEAUX IN THE MATLAB PACKAGE

Vadim Baranichenko

undergraduate, Department of Electrical Engineering and Electronics, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

Igor Griban

undergraduate, Department of Electrical Engineering and Electronics, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

Alexey Shcherba

student, Department of Informatics and Computer Engineering, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрено применение базового блока четырехступенчатой автоматической коробки передач Ravigneaux Gear в динамической модели АКПП в пакете MATLAB. Проанализирована работа блока в рассматриваемой системе, обнаружены главные недостатки при работе с данной моделью. Разработаны рекомендации для корректной работы с моделью, в том числе, рекомендации по модернизации блоков модели.

ABSTRACT

The article considers the use of the base block of a four-speed automatic transmission Ravigneaux Gear in a dynamic automatic transmission model in the MATLAB package. The operation of the block in the system under consideration was analyzed, the main shortcomings were found when working with this model. Recommendations have been developed for correct work with the model, including recommendations for upgrading model blocks.

Ключевые слова: автоматическая коробка передач, автомобиль, математическое моделирование, редуктор, математическая модель.

Keywords: automatic transmission, car, mathematical modeling, gearbox, mathematical model.

Введение

АКПП широко применяются в легковых автомобилях и на данный момент наблюдается тенденция по росту количества новых автомобилей с рассматриваемым узлом. При этом продолжается разработка новых и анализ уже готовых автоматических трансмиссий с целью увеличения плавности характеристик, увеличения КПД и оптимизации параметров узла. Использование при этом рабочих моделей, либо испытательных стендов требует больших материальных затрат, поэтому математическое моделирование занимает важную роль в рассматриваемой области, т.к. для работы с математической моделью необходим лишь персональный компьютер и навык использования программным обеспечением. При этом математическое моделирование обладает рядом преимуществ и недостатков. Главным недостатком является - упрощенное представление проблемы при моделировании, отсюда, модель не учитывает все аспекты возникающих проблем. Еще одним недостатком является то, что модель обычно может работать только в определенных ситуациях (заданных условиях). В силу вышесказанного, для работы с математической моделью необходимо точно знать все недостатки математической модели для корректной работы с ней. Отсюда необходимость проведения анализа базового блока Ravigneaux Gear в пакете MATLAB, включенного в простую систему четырехступенчатой АКПП с целью исследования её преимуществ и недостатков.

Блок Ravigneaux Gear

Рассмотрим модель простой четырехступенчатой автоматической коробки передач Ravigneaux в пакете MATLAB. Данный пакет прикладных программ предназначен для решения задач технических вычислений.

Редуктор Ravigneaux представляет собой двойную планетарную передачу , изобретенную Полом Равиньо. Эта планетарная передача, обычно используемая в автоматических коробках передач, состоит из двух зубчатых пар: кольцо-планета и планета-планета. Набор Ravigneaux имеет две солнечные шестерни, большое солнце и маленькое солнце, а также одно водило планетарной передачи, удерживающее два набора планетарных шестерен, внутренние планеты и внешние планеты. Водило представляет собой один узел, но имеет два радиуса для соединения с внутренней и внешней сателлитами соответственно. Два набора планетарных шестерен вращаются независимо от водила, но вращаются совместно с фиксированным передаточным числом по отношению друг к другу. Внутренние планеты соединяются с маленькой солнечной шестерней и вращаются вместе с ней с фиксированным передаточным числом. Внешние планеты соединяются с большой солнечной шестерней и вращаются вместе с ней с фиксированным передаточным отношением. Наконец, зубчатый венец также соединяется с внешними сателлитами и вращается вместе с ними с фиксированным передаточным числом по отношению к ним.

В рассматриваемой модели используется блок Ravigneaux Gear, а также 5 фрикционных муфт необходимых для реализации четырех ступеней переключения и задний ход (рисунок 1).

Рисунок 1. Модель 4-ступенчатой коробки передач Ravigneaux

Принцип работы модели. Блок Speed вращается с постоянной скоростью и приводит в движение первичный вал трансмиссии, при этом, происходит циклическое переключение всех передач трансмиссии, учитывая нейтральную. Считываем мощность вала и его частоту вращения, для дальнейшего расчета передаточных чисел и общего коэффициента полезного действия трансмиссии. Состояния сцепления, необходимые для реализации различных передаточных чисел, можно просмотреть, открыв блок Clutch Schedule block. В модели также учитываются потери механического зацепления фрикционных пар в планетарной передаче Равиньо.

Моделирование динамической системы

Промоделируем работу системы с постоянной скоростью вращения вала 800 об/мин. (холостой ход автомобиля). Определим необходимое передаточное отношения ступеней коробки передач для оптимального переключения скоростей автомобиля (рисунок 2).

Рисунок 2. Результаты моделирования при 800 об/мин.

На приведенном ниже графике показаны скорости вращения вала и общий КПД трансмиссии, когда трансмиссия проходит через каждую из своих передач. Входной вал вращается с постоянной скоростью. В таблице в правом нижнем углу показаны установившиеся значения передаточного числа и КПД для каждой передачи (рисунок 3).

Рисунок 3. Скорость вращения вала, установившиеся значения передаточного числа и общий КПД для каждой передачи

Промоделируем работу системы при 2000 об/мин. (рисунок 4).

Рисунок 4. Результаты моделирования при 2000 об/мин.

Последний прогон системы с постоянной скоростью вращения вала 5000 об/мин. (рисунок 5).

Рисунок 5. Результаты моделирования при 5000 об/мин.

Установившиеся значения передаточных чисел изменяются от -0.43 до 1.5, что не соответствует реальным значениям в существующих решениях, ввиду небольшой сложности модели.

Заключение

Учитывая вышесказанные неточности, рассматриваемая модель может работать, как отдельный узел, при этом для корректной работы необходимо добавить в систему гидротрансформатор, а для получения более точных данных необходимо заполнить неполноту модели, заменив простой блок speed на полноценную систему ДВС, добавить специальный логический блок для переключения передач для управления передаточным отношением, убрать элементы с идеальными параметрами и вместо них построить более сложные и полные системы. При этом модель может быть использована для изучения характеристик переключения передач автоматической коробки, для построения графиков крутящего момента трансмиссии, и в расчете КПД трансмиссии при изменении количества оборотов первичного вала в пределах до 5000 об/мин., далее модель работает некорректно.

Список литературы:

1. Бай Ш., Магуайр Дж., Пэн Х. Динамический анализ и проектирование системы управления автоматической трансмиссией. SAE International, Уоррендейл, Пенсильвания, 2013 г.
2. Васильев В. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований алгоритмов управления автоматическими трансмиссиями колесных машин. Журнал ААИ, Vol. 102, выпуск 1, 2017, с. 12-19.
3. Дуглас А., Тодд А., Джеффри Л. Метод изменения точек переключения автоматической коробки передач. Патент США 5806370, 1998 г.
4. Наунхаймер Х., Бертше Б., Рыборц Дж., Новак В. Автомобильные трансмиссии. Спрингер, Берлин, Гейдельберг, 2011.
5. Пановко Ю.В. Введение в теорию механических колебаний: Учебник. 3-е издание, Наука, Москва, 1991.
6. Саламандра К., Тайвс Л. Интегральный принцип в задачах динамического анализа переключения передач в автоматических коробках передач. Журнал машиностроения и надежности, Vol. 46, выпуск 5, 2017, с. 434-441.
7. Фишер Р., Кучукай Ф., Юргенс Г., Найорк Р., Поллак Б. Книга автомобильных трансмиссий. Спрингер, Чам, 2015.
8. Учебное пособие mathworks [Электронный ресурс] URL: https://www.mathworks.com/help