Система автоматического управления сцеплением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Одна из наиболее актуальных проблем современного автомобилестроения -- упрощение и облегчение управления автомобилем не может быть решена без автоматизации управления трансмиссией. Как показывает более чем 50-летний опыт создания автоматических трансмиссий, их совершенствование идет по двум направлениям: автоматизация управления механическими трансмиссиями, состоящими из ступенчатой коробки передач и фрикционного сцепления (т. е. такими трансмиссиями, которыми оборудуется подавляющее большинство выпускаемых автомобилей), и оснащение автомобилей автоматическими специализированными трансмиссиями, обеспечивающими наиболее удобное, простое и легкое управление, высокую комфортабельность автомобиля.

По уровню автоматизации управления трансмиссии могут быть разделены на полуавтоматические, которые автоматизируют управление не целиком всей трансмиссией, а только отдельными ее узлами (например, сцеплением), и автоматические, управляемые без участия водителя.

Чем выше уровень автоматизации, тем более сложные задачи должна решать система управления, что, естественно, связано с ее усложнением и удорожанием. Поэтому автоматические трансмиссии применяются преимущественно в автомобилях более высоких классов, хотя есть и конструкции, предлагаемые для установки на автомобилях малого класса. При этом основное применение в качестве автоматических трансмиссий в настоящее время получили гидромеханические передачи. Повысился интерес к полуавтоматическим и автоматическим механическим трансмиссиям.

Благодаря достижениям микроэлектроники решение проблемы автоматического управления обычными фрикционными сцеплениями обрело реальную базу, потому что именно электроника способна сформировать все необходимые режимы работы фрикционного сцеп­ления: принудительное выключение на период переключения передач и при снижении частоты вращения коленчатого вала до уровня, соот­ветствующего режиму холостого хода двигателя; принудительную блокировку, гарантирующую его работу без пробуксовки, после того как в процессе разгона автомобиля отпадает надобность в получении разности частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач; регулирование момента трения по заданным законам во время разгона автомобиля с целью наименьшего буксования при одно­временном сохранении высоких тягово-скоростных качеств автомобиля.

Первые два режима реализуются достаточно простыми средствами, поскольку для них необходимо только выработать команды либо полного включения, либо полного выключения сцепления. Последний режим, особенно с учетом того, что регулирование момента трения должно выполняться по законам, предусматривающим оптимальную работу сцепления при самых разнообразных условиях движения автомобиля, осуществить гораздо труднее. Но электронике это по силам, поскольку она может фотографически точно воспроизвести самые эффективные варианты действий водителя при обычном (неавтоматическом) управлении сцеплением.

Возьмем, к примеру, режимы трогания автомобиля с места и его разгон. При неавтоматизированном управлении передаваемый сцеплением крутящий момент в момент нажатия водителем на педаль подачи топлива (г. с. при увеличении частоты вращения коленчатого вала) и одновременном отпускании педали сцепления возрастает. Очевидно, что при переходе на автоматическое управление сцеплением такой закон регулирования крутящего момента должен быть сохранен. У водителя остается только одна функция -- нажимать на педаль подачи топлива.

Функцию же управления отпусканием педали сцепления берет на себя электроника, реагирующая на положение педали подачи топлива или на частоту вращения коленчатого вала, либо на то и другое одновременно.

Система автоматического управления сцеплением

Анализ разработок последних лет в области конструирования систем полуавтоматического и автоматического управления сцеплением автомобилей показывает, что при всех достоинствах этих систем они все имеют те или иные недостатки. Так, например, фирмой Isuzu Motors Ltd запатентована [5] автоматическая система управления сцеплением.

Она работает под управлением контроллера. Система обеспечивает режим выключения-включения сцепления при трогании на ровной дороге или на подъеме, а также при переключении передач. В последнем случае учитывается скорость автомобиля, включенная передача, частота вращения вала двигателя и другие факторы. Водитель с помощью переключателя может установить режим автоматического управления сцеплением или ручной режим. Если в автоматическом режиме водитель нажимает на педаль сцепления, то приоритет отдается ручному управлению и система автоматического управления отключается. В контроллер постоянно поступает информация о положении педалей сцепления, тормоза и педали управления подачей топлива, о положении рычага переключения и включенной передаче, о частоте вращения вала двигателя и скорости движения автомобиля, а также о ходе вилки выключения сцепления.

Недостатком данной системы является присутствие педали управления сцеплением, а также датчика положения педали сцепления. Данная система может работать как в автоматическом, так и в ручном режимах. Однако наличие ручного режима вызывает необоснованное усложнение конструкции и необходимость его при современном развитии техники отпадает.

Известные автоматические сцепления не имеют, как правило, связи с системой автоматического регулирования двигателя и в некоторых конструкциях не обеспечивают регулируемое воздействие на двигатель. В реальных условиях эксплуатации существует ряд неопределенностей, которые приводят к снижению характеристик систем управления сцеплением, следовательно, снижается качество регулирования процессов выключения-включения сцепления.

Система автоматического управления сцеплением «Drive-Matic»

Системой, реагирующей на положение педали подачи топлива, является, например «Drivc-Matic» (рис. 1) фирмы «Petri und Ler», выпус­каемая в Германии в качестве оборудования автомобилей, предназначенных для инвалидов.

Исполнительное устройство этой системы представляет собой вакуумную сервокамеру 1, между корпусом которой и диафрагмой 3 располагается полость 2 регулируемого режима.

При установке рычага 11 переключения передач в нейтральное положение и отпущенной педали подачи топлива 8 расположенные в его рукоятке и под рычагом электроконтакты ВС и ВП разомкнуты. Поэтому обмотки электромагнитов 16 и 26 оказываются отключенны­ми от источника электропитания. Вакуумный клапан 25 при этом закрыт, и полость 2 сервокамеры соединена не с вакуум-ресивером 27, а с атмосферой (через открытый воздушный клапан 24). Сцепление находится во включенном состоянии. Как только водитель при непо­движном автомобиле включает какую-либо передачу, на обмотки электромагнитов 16 и 26 через замкнувшиеся контакты выключи имя ВП и замкнутую выходную цепь электронного блока управления (ЭБУ) 13 подается электропитание. В результате электромагниты сра­батывают и воздушный клапан 24 отсоединяет полость 2 сервокамеры от атмосферы, а клапан 25 подключает се к вакуум-ресиверу 27. Сцепление выключается (позиция II).

Рисунок 1-Система автоматического управления сцеплением «Drive-Matic»: 1 -- вакуумная сервокамера; 2 -- полость разрежения; 3 -- диафрагма; 4 -- шток вакуумной камеры; 5 -- рычаг; б -- тяга; 7 -- педаль сиспления; 8 -- педаль подачи топлива; 9 -- трос; 10 -- рукоятка переключения передач; 11 -- рычаг рукоятки переключения передач; 12 -- датчик; 13 -- ЭБУ; 14 -- потенциометр ; 15 -- стравливающее отверстие; 16, 26 -- обмотки электромагнитов; 17, 21 -- каналы сервокамеры; 18 -- корпус эолозника; 19 -- золотник; 20 -- поворотный элемент; 22, 23 -- каналы золотника; 24 -- воздушный клапан; 25 -- вакуумный клапан: 24 -- вакуум-ресивер; 28 -- клапан ; 29 -- коллектор; 30 -- трубопровод.

Чтобы автомобиль начал движение, водитель нажимает педаль 8 подачи топлива. При этом контакты микровыключателя МВх размыкаются, и цепь питания обмотки электромагнита 26 размыкается. Поэтому клапан 25 закрывается, отсекая полость 2 сервокамеры от ресивера. Но поскольку обмотка электромагнита 16 остается под напряжением, воздушный клапан 24 оказывается также закрытым, и разрежение в полости 2 вакуумной камеры определяется только положением золотника 19. Дело в том, что корпус 18 золотника установлен по отношению к его поворотному элементу 20 таким образом, что при отпущенной педали 8 подачи топлива и расположении штока 4 вакуумной камеры в крайнем левом (по схеме) положении (полностью выключенное сцепление) каналы 22 и 23 золотника соединены между собой. Одновременно и полость 2 сервокамеры через каналы 17 и 21 соединяется с атмосферой, что приводит к постепенному уменьшению в ней разрежения и, как следствие, к перемещению штока 4 слева направо.

Движение штока будет продолжаться до тех пор, пока элемент 20, поворачиваемый этим штоком, не разобщит каналы 22 и 23. Как только это произойдет, шток 4 прекратит движение, поскольку связь полости 2 сервокамеры с атмосферой прерывается.

Внимание! При отладке системы элементы золотника устанавливаются таким образом, что при отпушенной педали подачи топлива шток 4 сервокамеры занимает положение, соответствующее началу передачи крутящего момента сцеплением. Этот период работы носит название «режим быстрого свода дисков».

При дальнейшем перемещении педали 8 подачи топлива трос 9 поворачивает элемент 20, соединяя каналы 22 и 23. Это повлечет за собой соединение полости 2 сервокамеры с атмосферой и дальнейшее перемещение штока в направлении включения сцепления. Перемещение прекратится, когда шток 4 опять установится в положение, соответствующее разобщению каналов 22 и 23. Очевидно, что чем на больший угол была открыта дроссельная заслонка, тем дальше в на­правлении включения сцепления должен перемещаться шток 4 -- до положения, при котором произойдет разобщение каналов 22 и 23. Угол открытия дроссельной заслонки изменяется от минимального в позиции /// на рис. 1 до максимального при полностью открытом дросселе в позиции /.

После того как автомобиль разгонится до скорости срабатывания датчика 12, сигнал от этого датчика поступает на электронный блок 13. Последний отключает от «массы» свою клемму К, разрывая тем самым цепь питания обмотки электромагнита 16. В результате воздушный клапан 24 открывается, полость 2 сервокамеры соединяется с атмосферой независимо от того, в каком положении находятся элементы золотника. Сцепление блокируется. Чтобы оно при этом вклю­чалось плавно, диаметр стравливающего отверстия 15 выбран так, что скорость поступления воздуха через него не зависит от скорости открытия воздушного клапана. (Принудительная блокировка сцепления после разгона автомобиля до заданной скорости, устанавливаемая при помощи потенциометра 14, предотвращает повышенное изнашивание выжимного подшипника сцепления при движении автомобиля с малыми углами открытия дросселя.)

Принудительное выключение сцепления в процессе переключения передач при всех частотах вращения коленчатого вала двигателя и скорости движения автомобиля обеспечивается замыканием контактов выключателя ВС, встроенного в рукоятку 10 переключателя передач. В этом случае включается электромагнит 26, благодаря чему полость 2 сервокамеры через открывшийся вакуумный клапан соединяется с вакуум-ресивером. Сцепление полностью выключается.

Как видим, система «Drive-Matic» обеспечивает плавное увеличение крутящего момента, передаваемого сцеплением, только по мере увеличения угла открывания дроссельной заслонки. Если водитель уменьшает угол, то этот момент не уменьшается. Чтобы не произошло остановки двигателя или «рывков» автомобиля, водитель должен сначала полностью отпустить педаль подачи топлива (замкнуть контакты микровыключателя МВх и соединить тем самым полость 2 сервокамеры с ресивером), а затем перевести эту педаль в требуемое условиями движения положение.

Данная особенность с точки зрения уменьшения опасности работы сцепления с длительной пробуксовкой -- явление положительное. Однако она усложняет маневрирование на автомобиле при низких скоростях движения, а также ухудшает возможности трогания автомобиля с места на больших подъемах.

Система «Drive-Matic» не единственная из реализующих первый закон регулирования и нашедших коммерческое применение. Еще одним примером подобных систем может служить сервофрикцион S фирмы «Guidosimplex» (Италия). У нее практически такие же показатели, что и у системы «Drive-Matic». Отличается она лишь конструкцией клапанного устройства, которое регулирует разрежение в рабочей полости вакуумной сервокамеры: здесь четыре клапана, два из них имеют электромагнитный привод.

Общим для таких систем является применение двух электромагнитных клапанов, которые выполняют принудительные полные включение и выключение сцепления. Регулирование же передаваемого им крутящего момента осуществляется при помощи дополнительных механических или пневматических устройств управления. На электронную систему обычно возлагаются лишь функции включения и выключения электромагнитных клапанов с учетом сигналов, поступающих от соответствующих датчиков или выключателей. Благодаря этому электронные блоки систем представляют собой сравнительно простые устройства.

Электрогидравлическое автоматическое сцепление

автоматическое управление сцепление

Автоматическое сцепление английской фирмы «Automotive Products» (АР) позволяет использовать только две педали управления автомобилем с механической коробкой передач. Эта конструкция основана на старой концепции, возрожденной с помощью электроники. Идея простая: сцепление отключается, как только водитель берется за рычаг переключения передач, и включается снова, когда осуществлен переход на очередную ступень.

Рисунок 2 - Электрогидравлическая схема автоматического сцепления:

1 -- двигатель; 2 -- механическая коробка передач; 3 -- датчик хода штока рабочего цилиндра; 4 -- рабочий цилиндр; 5 -- гидравлический блок питания; 6 -- рычаг переключения передач; 7 -- выключатели; 8 -- выводы к датчикам частоты вращения коленчатого вала и включенной передаче; 9 -- ЭБУ; 10 -- датчик положения педали подачи топлива; 11 -- педаль подачи топлива; 12 -- электродвигатель регулятора положения дроссельной заслонки.

В предложенной фирмой АР системе сцепления (рис. 2) имеется гидравлический привод высокого давления, который связан с управлением дроссельной заслонкой во время переключения передач с помощью шагового электродвигателя. В результате частота вращения коленчатого вала может быть оптимизирована для каждого переключения ступеней, что устраняет участие в этом человека и риск возможного перегрева механизма, рывков и потери скорости автомобиля. Микропроцессор получает информацию от выключателей 7, связанных с рычагом переключения передач, и приводит в действие гидропривод сцепления.

Крутящий момент, передаваемый сцеплением, определяет специальное нагрузочное устройство, которое выдает сигнал, только когда передача включается или выключается, а не во время перемещения рычага 6 по направлению к той ступени, которая уже включена. Это предотвращает неожиданное выключение сцепления, когда рука водителя лежит на рычаге в ожидании следующего переключения. Выключатель реагирует только на перемещение рычага вперед и назад и не воспринимает легкие толчки.

Информация о частоте вращения коленчатого вала и включенной ступени вводится в электронный модуль. Датчик включенной ступени также позволяет предотвратить трогание автомобиля с места на любой передаче, кроме 1-й или 2-й. Другие датчики выдают информацию о положении педали подачи топлива И и ходе штока рабочего цилиндра 4 привода сцепления (датчики 10 и 3 соответственно).

Рабочий цилиндр 4 приводится в действие гидравлическим блоком питания 5, состоящим из электронасоса и запасного бачка для жидкости под давление 0,4 МПа. В этом случае отпадает необходимость в главном цилиндре.

Система автоматического управления сцеплением ACTS

Системы автоматического управления сцеплением, реагирующие на частоту вращения коленчатого вала, формируются по иным принципам (в том числе системы с коррекцией положения педали подачи топлива и разности частот вращения ведущего и ведомого элементов сцепления). Для них характерно минимальное число клапанов или других управляющих механических, гидравлических или электромагнитных устройств. Но формирование законов автоматического регулирования момента, передаваемого сцеплением, а также принудительного включения и выключения последнего осуществляется электронным блоком, по этой причине достаточно сложным. Пример-- электронно-гидравлическая система ACTS (рис. 3), разработанная фирмой «Automotive Products» (Великобритания). В качестве источника энергии для действия привода сцепления используется гидравлический блок У, в состав которого входят резервуар 2 гидросистемы, гидронасос с электродвигателем, гидроаккумулятор, электромагнитный клапан регулирования давления жидкости, в исполнительном гидро-цилиндре 13 привода рычага 12 сцепления. В этом гидроцилиндре находится датчик 11 положения его штока, который выполняет функции элемента обратной связи (по положению органа привода сцепления).

Рисунок 3 - Система автоматического управления сцеплением ACTS

Управление электромагнитным клапаном регулирования давления обеспечивается по командам, поступающим к нему от электронного (микропроцессорного) блока автоматики 7. Этот блок, в свою очередь, работает как по сигналам датчика положения штока гидроцилиндра 13, так и от датчиков 4. 11, 10, 5 (соответственно частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач, положения педали подачи топлива, контроля включения передач) и выключателя Н, расположенного в рукоятке 9 рычага переключения передач.

В системе ACTS вместо механического привода дроссельной заслонки карбюратора применен привод электромеханический, содержащий электродвигатель 3 постоянного тока. Управляет этим электродвигателем электронный блок 7, обратную связь обеспечивает электрический датчик 6 положения дроссельной заслонки.

Такой привод дроссельной заслонки в сочетании с датчиком частоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач придал новое качество системе управления автомобилем: водитель получил возможность переключать передачи без изменения положения педали подачи топлива. Это означает, что процесс переключения передач сводится только к переводу рычага в желаемое положение. Необходимые в течение процесса включение и выключе­ние сцепления, изменение подачи топлива происходит автоматически. Дело в том, что после перевода рычага в новое положение система управления сопоставляет сигналы, получаемые от датчиков частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач, и в соответствии с ними вырабатывает такие сигналы управления электродвигателем привода дроссельной заслонки и темпом включения сцепления, которые обеспечивают оптимальный режим нагруже-ния трансмиссии автомобиля.

Таким образом, система ACTS обладает достаточно широкими функциональными возможностями, что в определенной мере приближает достигаемый при ее помощи комфорт управления к полностью автоматическим трансмиссиям. Хотя она по своему устройству гораздо проще.

Однако и эта, и ей подобные системы тоже заметно удорожают и усложняют автомобиль. Поэтому их, по всей видимости, будут устанавливать лишь на дорогие модификации автомобилей малого класса и автомобили среднего класса. Тем более что сейчас уже есть системы автоматического управления сцеплением, не требующие оборудования автомобиля дополнительным источником энергии и способные работать в комплексе с бензиновыми и дизельными двигателями (в том числе турбонаддувными). Это системы с электромеханическим приводом сцепления. Типичный пример -- система EKS, разработанная фирмой «Sax» (Германия), для установки на грузовых автомобилях «Mersedes-Benz».

Ее особенность состоит в том, что в составе исполнительного устройства применен реверсивный приводной электродвигатель постоянного тока в сочетании с мощной компенсирующей пружиной, действие которой направлено на выключение сцепления, т. е. противоположно усилию нажимной пружины сцепления. Электродвигатель при его работе нагружается только разностью этих усилий, что позволяет иметь сравнительно небольшую его мощность ( ~50 Вт). При этом он обеспечивает быстрое выключение сцепления, поскольку операция выполняется под воздействием компенсирующей пружины, а не электродвигателя, обладающего значительной инерционностью в работе.

Система EKS относится к числу многопараметрических систем автоматического управления. Формируемые ею законы регулирования крутящего момента, передаваемого сцеплением, вырабатываются на основе сигналов датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач, скорости автомобиля, положения педали подачи топлива, а также положения выключателя в рычаге переключения передач и датчика в самой коробке передач, сигнализирующего об их включении. Электронный блок сравнивает частоты вращения обоих валов и определяет разность частот вращения ведущего и ведомого элементов сцепления, которая и служит одним из параметров управления режимом включения сцепления в процессе разгона автомобиля.

Заключение

Применение данных систем сцепления позволит уменьшить работу водителя и повысить плавность переключения передач. С уменьшением работы буксования сцепления снижается температура нагрева фрикционных накладок ведомого диска сцепления, что приводит к повышению ресурса сцепления автомобиля в целом, а также позволяет снизить нагрузку на трансмиссию. В дополнение к вышесказанному можно добавить следующее. Использование данной системы позволит упростить управление автомобилем, при этом, не особенно повышая цену на транспортную машину, так как система управления при работе использует стандартные датчики, которые имеются на современном автомобиле. Установка же исполнительной части привода сцепления не вызывает трудностей и не предполагает больших изменений в конструкции.

Литература:

1. Науменко Б.С. Бортовые автоматизированные системы управления скоростью транспортных машин. - Ставрополь, 1999. 245 с.

2. Системы управления сцеплением. Тенденции развития / Ю.М. Захарик, О.С. Руктешель, А.П. Ракомсин, В.В. Корсаков, А.М. Захарик // Автомобильная промышленность. 2003. №1. С. 13 - 15.

3. Науменко Б.С., Линёв С.И. Способы автоматизации управления сцеплением автомобилем / Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону // Материалы VII региональной научно-технической конференции Ставрополь: СевКавГТУ. 2003. С. 82.

4. Науменко Б.С., Линев С.И. Система управления двигателем и сцеплением / Современные тенденции развития автомобилестроения в России // Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Том 1. - Тольятти: ТГУ, 2004. С. 251 - 255.

5. Данов Б.А., Титов Е.И. Электронное оборудование иностранных автомобилей: Системы управления трансмиссией подвеской и тормозной системой. - М.: Транспорт, 1998. - 78 с.

Размещено на Allbest.ru