Эффект продольных колебаний кузова при трогании транспортного средства

С момента появления первых транспортных средств и по настоящее время трансмиссии прошли большой путь развития, связанный прежде всего с повышением эффективности, увеличением комфорта, а также с совершенствованием параметров тягово-динамической характеристики машин. Существенный рывок связан с появлением гидромеханических трансмиссий, нашедших применение как в машинах, эксплуатируемых в особо трудных условиях (тягачи Минского и Курганского заводов колёсных тягачей, машины специального назначения), так и в пассажирских транспортных средствах. С внедрением электронных систем управления появилась возможность более гибких способов управления изменением режимов работы трансмиссий. Благодаря этому появилось множество их разновидностей – автоматизированные, вариаторные, трансмиссии с двойным сцеплением и прочие. Перспективным направлением развития является создание гибридных (электромеханических) трансмиссий. В частности, специалистами ВНИИТМ [1, 2] показана эффективность создания трансмиссии такого типа для быстроходной гусеничной машины. Однако для всех указанных типов трансмиссий во время трогания и при изменении режимов работы повсеместно применяются многодисковые фрикционные муфты. Даже в случае трансмиссий с силовыми установками на электротяге для экономии запасов энергии стремятся вывести их работу в зону наибольшего коэффициента полезного действия, что часто приводит к появлению редукторов для электродвигателей с двумя или даже тремя передачами, в которых также применяются фрикционные муфты. Кроме того, несмотря на появление электротяги в современных электромеханических, электрических и гибридных трансмиссиях, разработчики часто оставляют классический способ трогания транспортного средства, то есть используют фрикционный элемент для начала движения и при остановке. Причиной этого является возможная несогласованность системы управления и механической системы, которая приводит к возбуждению колебательных процессов как на переходных режимах, например при трогании и переключении передач, так и на установившихся режимах. Первому посвящены работы А.В. Климова [3]. Иллюстрация второго приводится на рис. 1. Видно, что крутящий момент электромашины автомобиля с гибридной силовой установкой возбуждает колебательный процесс в трансмиссии на собственных частотах крутильной системы. Вместе с тем электрификация трансмиссий пока ещё находится на начальном этапе развития, поэтому возможны случаи возникновения колебательных процессов на нерасчётных режимах, к примеру, при разряженной батарее, при увеличившейся нагрузке на холостых оборотах и т. п. Таким образом, комфортабельность большинства перспективных трансмиссий тесно связана с управлением как силовой установкой, так и многодисковыми фрикционными муфтами.

Рис. 1. Иллюстрация процесса возбуждения колебаний в трансмиссии гибридной установки крутящим моментом электромашины при замкнутой передаче

Fig. 1. The process of excitation of oscillations in the hybrid transmission by the torque of an electric machine in engaged gear

Известные производители гидромеханических планетарных трансмиссий всё чаще отказываются от гидротрансформатора, заменяя его электрической машиной. Например, компания ZF (Zahnrad Fabrik) в конце 2022 года заявила о состоявшейся постройке завода по изготовлению линейки гибридных трансмиссий, в которых уже интегрированы электропривод и силовая электроника [4].

При разработке гибридной трансмиссии параллельного типа (двигатель внутреннего сгорания связан с электромашиной и входным валом коробки передач непосредственно без размыкающих элементов), включающей 9-ступенчатую планетарную коробку передач без применения гидро- трансформатора, выполняемую в рамках государственной программы по разработке автомобилей представительского класса, было обнаружено явление низкочастотных колебаний, ухудшающее комфортабельность транспортного средства и обусловленное функционированием фрикционных элементов управления. Схема трансмиссии объекта исследования приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема гибридной трансмиссии объекта исследования

Fig. 2. Hybrid transmission diagram of the research object

Для более детального изучения обнаруженного явления была разработана программа испытаний, в ходе выполнения которой изучалось отдельное влияние различных факторов, предположительно влияющих на возникновение проблемного явления: состояние коробки передач (замкнута передача или буксует), номер передачи, с которой происходит трогание, состояние привода (полный, задний), применяемый алгоритм управления стартовым фрикционом и др. Воспроизведение явления осу- ществлялось в составе транспортного средства категории М1 на горизонтальном асфальтированном участке и при движении на подъём, что соответствовало полученным жалобам от пассажиров при возникновении проблемы. Выполнялись многократные трогания на едином участке с контролем недопущения перегрева стартового пакета, при которых варьировалось ограничение крутящего момента двигателя. Это позволяло обеспечить различную длительность буксования фрикционного пакета и длительность движения до замыкания передачи.

Объект испытаний был оснащён измерительным оборудованием для измерения следующих показателей работы: крутящий момент на приводных валах, давление в стартовых элементах управления, продольное ускорение кузова, перемещение точек кузова вблизи опор, акустическое давление в трансмиссионном тоннеле и салоне, виброускорения на картерных деталях. Также фиксировались некоторые измеряемые показатели работы узлов и агрегатов по штатным датчикам трансмиссии (частоты вращения валов, температуры жидкостей, положение исполнительных устройств и др.), а также вычисляемые и алгоритмические параметры, обеспечивающие управление агрегатами (номер передачи, состояние фрикционных элементов, запрашиваемые давление и моменты, состояние привода и др.).

При проведении испытаний фиксируются ощутимые продольные колебания автомобиля во время начала движения при буксовании стартового пакета на первой, второй передачах и на передаче заднего хода (рис. 3).

Частота фиксируемых колебаний зависит от параметров автомобиля (масса, комплектация, давление в шинах и др.), номера передачи в коробке передач, состояния привода (только задний или полный) и может составлять около 4,5 Гц (включён задний привод) и около 6,5 Гц (подключен полный привод). Результаты заездов показали, что объективно возникновение колебаний можно отслеживать по превышению значения продольных ускорений автомобиля при колебательном характере с частотой 4,5–6,5 Гц с амплитудой свыше 0,030–0,040 м/с2. В то же время при начале движения со второй передачи в некоторых случаях возможно возникновение шумов в силовом агрегате. Кроме того, при определённых сочетаниях условий проведения эксперимента и состава силового агрегата можно наблюдать продольные покачивания транспортного средства при остановленном автомобиле при подведении поршня гидроцилиндра к пакету фрикционных дисков стартового элемента управления.

В связи с этим целью настоящей работы является повышение комфортабельности транспортного средства в процессе трогания с места разработкой научно-обоснованных путей исключения продольно-угловых колебаний, возникающих при буксовании в элементах управления планетарной коробки передач.

Рис. 3. Экспериментальное воспроизведение рассматриваемого явления при трогании на задней передаче:

1 – момент ДВС; 2 – момент электромашины; 3 – суммарный момент силовой установки; 4 – продольное ускорение кузова; 5 – скорость вращения переднего приводного вала; 6 – скорость вращения заднего приводного вала; 7 – момент на заднем приводном валу; 8 – момент на переднем приводном валу

Fig. 3. Experimental reproduction of the phenomenon under consideration when launch in reverse gear: 1 – ICE torque; 2 – electric machine torque; 3 – total torque of the power unit; 4 – longitudinal acceleration of the body; 5 – front drive shaft speed; 6 – rear drive shaft speed; 7 – rear drive shaft torque; 8 – front drive shaft torque

Обзор литературных источников

Исследованиям работы фрикционных элементов управления трансмиссий транспортных машин посвящены труды многих исследователей. В первую очередь внимание уделяется тепловой нагруженности поверхностей трения. В основном рассматриваются двухмассовые математические модели либо системы с большим числом масс [5–9], которые описывают крутильное поведение при выравнивании скоростей соединяемых звеньев.

Большая часть трудов посвящена работе сцеплений трансмиссий, которые оснащаются механическими коробками передач как наиболее широко распространённые в отечественном машиностроении. Известны труды В.М. Шарипова о работе пар трения сцеплений тракторных агрегатов. Затронуты вопросы возникновения автоколебаний в сцеплениях этих транспортных машин [10].

Труды В.П. Тарасика затрагивают особенности управления фрикционными многодисковыми муфтами гидромеханических трансмиссий. В работе [11] приводятся результаты анализа влияния изменяющегося коэффициента трения между рабочими поверхностями и его влияние на динамические нагрузки в трансмиссии и удельную работу и мощность буксования.

Работы В.Б. Держанского и соавт. посвящены вопросам динамической нагруженности трансмиссий транспортных машин различных классов и назначений. Разработан способ гашения низкочастотных колебаний в трансмиссиях машин по окончании стадии выравнивания угловых скоростей соединяемых звеньев во время переключения передач [12].

В настоящее время особое внимание уделяется комфортабельности и виброакустическому поведению агрегатов транспортных машин, что является ключевым фактором при оценке качества потребителями не только автомобилей представительского класса, но и транспортных средств общего и специального назначения, различных видов сельскохозяйственной техники и дорожностроительных машин. Когда размах колебаний момента в трансмиссии или силовой установке превышает некоторое пороговое значение, величина колебаний, передающихся на кузов транспортного средства, становится достаточной для того, чтобы человек мог её почувствовать. Влияние вибрации на человека зависит от её спектрального состава, направления, места приложения, продолжительности воздействия, а также индивидуальных особенностей человека. Суммарная качественная оценка субъективных ощущений представляется в виде областей равного восприятия [13]. По результатам исследований установлено, что вибрационные воздействия в диапазоне 2-27 Гц оказывают наиболее вредное влияние на человека [14].

В ходе изучения литературных источников авторы работы пришли к заключению, что существующие способы прогнозирования комфортабельности транспортных машин и методика рас- чёта многодисковых фрикционных элементов управления недостаточно затрагивают и не принимают во внимание возбуждение динамического колебательного процесса при трогании автомобиля. Не учитывается возможность возбуждения механической системы вследствие несогласованной работы электронных систем управления при буксовании фрикционной муфты. Существующие на данный момент работы не рассматривают функционирование многодисковых фрикционных муфт в составе новых типов трансмиссий на основе планетарных механизмов без гидропередачи с учётом всех существенных параметров, характеризующих колебательный процесс. Динамические процессы рассматриваются по большей части для замкнутых передач или для переходных процессов во время переключений передач. Требуется разработка подхода к обнаруженному явлению, которая учитывает переменность структуры трансмиссии на установившихся и переходных режимах работы с учётом несогласованности систем управления, которые могут формировать возбуждающие колебательные воздействия, и свойств механической системы.

Анализ литературных источников и осмысление наблюдений за объектом испытаний позволили сделать предположение, что изучаемая проблема тесно связана с процессом буксования стартовых фрикционных элементов, а сам колебательный процесс может возникать по нескольким причинам. Одна из основных связана с формированием фрикционных автоколебаний. Исследование фрикционных автоколебаний лежит на стыке теории колебаний механических систем и теории динамики машин с трибологией. Такие колебания возникают в условиях, когда динамический коэффициент трения становится меньше статического коэффициента трения. И.В. Кра-гельский определяет такие колебания как неплавность скольжения в условиях трения твёрдых тел при постоянной силе тяги, которая может сопровождаться или не сопровождаться более или менее периодическими остановками [15]. Однако для случаев работы фрикционных дисков в масле с низкой скоростью буксования в современных типах трансмиссий данный процесс недостаточно освещён в отечественной литературе. В [16] выполнено исследование подобных явлений для сцеплений легковых автомобилей с механической коробкой передач. Как указано в [17], в последнее время ведутся интенсивные работы по созданию расчётных методов для моделирования низкочастотной вибрации, однако эти методы ещё настолько не совершенны, что не позволяют получать адекватные экспериментальным результаты. В области низкочастотной вибрации подходы к моделированию только обозначены.

Обзор иностранной литературы [6, 18–21] показывает, что есть упоминания о близком проявлении продольных колебаний в других типах трансмиссий, например, при блокировке гидротрансформатора в гидромеханических трансмиссиях и при работе трансмиссий с двойным сцеплением. Для оценки склонности к подобным проявлениям проводится тест по стандарту SAE J2490 SAE No. 2 Friction Test Machine µPVT Test, в результате которого делается вывод об увеличении или понижении коэффициента трения при изменении скорости буксования фрикционного элемента управления в различных условиях. Считается, что повышение коэффициента трения по мере завершения буксования во фрикционном пакете нежелательно и может привести к описанным выше проблемам. Однако, как показывает практика и уже упомянутые зарубежные источники, выполнение этого условия не является гарантией отсутствия подобных проблем при работе фрикционных элементов в составе агрегата.

Разработка имитационной модели процесса трогания транспортного средства

Для изучения рассматриваемой проблемы и воспроизведения условий её возникновения разработана соответствующая модель транспортного средства. Транспортная машина представляет собой совокупность множества функциональных систем и узлов, которые находятся в динамической взаимосвязи между собой. Конструктивные параметры этих элементов и их выходные характеристики влияют на выходные характеристики транспортного средства в целом, к которым относятся скоростные, динамические, экономические показатели, нагруженность систем и звеньев. В процессе движения автомобиль находится под непрерывно меняющимися воздействиями внешней среды, системы управления и водителя. При проектировании следует учитывать влияние различных вариантов исполнения конструкции и параметров элементов автомобиля на выходные характеристики его функционирования. Для этого все элементы и узлы автомобиля должны рассматриваться в единой системе – модели, в которой учитывается взаимосвязь изменений отдельных входных воздействий и выходных характеристик отдельных элементов и узлов [22].

В каждом конкретном случае расчетная схема должна соответствовать задачам исследования. Работа над изучаемой проблемой не допускает значительных упрощений расчетной схемы, так как необходимо определять все внутренние и внешние динамические процессы, изменение скорости и ускорения автомобиля, должны учитываться изменения угловых скоростей, ускорений и крутящих моментов звеньев трансмиссии.

Для подтверждения предположения о взаимосвязи возникающих продольно-угловых колебаний корпуса автомобиля вследствие проявления колебательных процессов в элементах управления коробкой передач была разработана соответствующая имитационная модель транспортной машины, общий вид которой представлен на рис. 4. Разработанная модель позволяет анализировать:

• -    крутильные колебания трансмиссии: вращение валов, маховика и других инерционных масс J, взаимосвязанных через упругие к и диссипативные c связи;

• -    динамику силового агрегата: поступательные x, y, z и угловые перемещения корпусных деталей 0х , 0у, 0z , массы m и инерции силовой передачи Jх, J y,Jz, установленной в опорах с соответствующей жёсткостью Хх , Уу , кz и демпфированием сх , су, с z;

• -    колебания кузова: обобщённые координаты поступательного перемещения центра масс и угловые перемещения в продольной плоскости.

Рис. 4. Общий вид модели транспортного средства

Fig. 4. General view of the vehicle model

Для описания движения использованы общепринятые зависимости, многократно изложенные в различных изданиях, основанные на системах дифференциальных уравнений второго порядка для поступательно и вращательно движущихся масс. Такой подход нашёл своё развитие в работах А.С. Антонова, В.Л. Вейца, А.Е. Кочуры, Г.С. Белоутова, А.Н. Гришкевича, И.С. Цито-вича, В.Б. Альгина, М.Д. Генкина и др. и был положен в основу отраслевых стандартов и методик. В матричной терминологии эти уравнения записываются в виде

• [ М]{Х}+[К]{Х} + [С]{х} = {П,                                                       (1)

где [М] - матрица масс; [^] - матрица демпфирования; [С] - матрица жесткости; {/} - вектор внешних сил; {х} - вектор перемещений.

Реализация модели выполнена в одном из современных программных продуктов, использующих для решения методы Рунге – Кутта. Такая модель описывает работу основных узлов трансмиссии, обеспечивающих трогание, и позволяет принять во внимание переменность структуры трансмиссии автомобиля. Разработанная модель позволяет учесть и отрабатывать типовые режимы функционирования автомобиля. Чрезмерное усложнение модели без достижения обос- нованного существенного результата лишено смысла. По этой причине выполнена различная детализация модели для сравнения результатов и сопоставления с результатами экспериментально проведённых измерений:

• -    рассмотрена модель с учётом только крутильных параметров трансмиссии;

• -    модель дополнена податливыми элементами подвески;

• -    модель дополнена опорами силового агрегата.

Результаты расчетов имеют схожие, но не идентичные значения. Незначительная разница наблюдается в частотах колебаний: для более сложной модели с большим числом упругих связей наблюдаются наиболее низкие значения частоты, как и амплитуды.

На основе моделирования представляется возможным изучить рассматриваемую проблему. Выполнена серия моделирований для воспроизведения условий возникновения продольных колебаний, наблюдаемых при проведении экспериментального исследования. Для этого работа стартового фрикционного элемента управления при моделировании задана с учётом характеристик коэффициента трения, соответствующих условию возбуждения фрикционных автоколебаний. Таким условием является поведение коэффициента трения для фрикционного материала, которое характеризуется проявлением эффекта Штрибека, означающего, что коэффициент трения изменяется с относительной скоростью между буксующими поверхностями. Возникновение эффекта Штрибека характеризуется зависимостью

отн) = нач+( кон- нач)⋅  -   ∣ отн где /лкон - коэффициент трения в конце процесса буксования при О)отн ^0; /лнач - коэффициент трения в начале процесса буксования при больших &)отн; а - параметр, определяющий крутизну спада. Особенно такой эффект проявляется, если коэффициент трения уменьшается по отношению к относительной скорости скольжения (рис. 5). Такой эффект приводит к нестабильному поведению системы и формированию автоколебательных процессов.

Частота скольжения

Рис. 5. Различная зависимость коэффициента трения от частоты скольжения: 1 – не склонная к возбуждению колебаний в системе; 2 – нейтральная; 3 – склонная к возбуждению колебаний в системе

Fig. 5. Different dependence of the friction coefficient on the sliding frequency: 1 – not prone to excitation of oscillations in the system; 2 – neutral; 3 – prone to excitation of oscillations in the system

Пример сопоставления результатов моделирования с замерами, полученными при экспериментальном исследовании изучаемого явления, представлен на рис. 6. Можно увидеть, что с помощью разработанной модели удаётся воспроизвести возникновение колебательных процессов при трогании транспортного средства. Видно совпадение количественных показателей, характеризующих работу трансмиссии: крутящий момент, деформация в опорах, изменение частоты вращения валов. Кроме того, совпадают частоты возникших колебательных процессов при трогании, а также при выполнении типового манёвра при резком нажатии и отпускании педали акселератора на замкнутой передаче.

a)

b)

d)

Рис. 6. Результаты моделирования и сопоставление с экспериментом: а – экспериментальная запись параметров работы трансмиссии при трогании; b – воспроизведение колебательного процесса при трогании транспортного средства на расчётной модели; c – экспериментальная запись режима резкого нажатия и сброса педали акселератора (Tip in / Tip Out); d – моделирования типового режима резкого нажатия и сброса педали акселератора (Tip in / Tip Out)

Fig. 6. Simulation results and comparison with experiment: a – experimental measurement of transmission operating parameters during launch; b – reproduction of the oscillatory process during launch of the vehicle using the mathematical model; c – experimental measurement of fast press and release of the accelerator pedal (Tip in / Tip out); d – simulation of a typical mode of fast press and release of the accelerator pedal (Tip in / Tip out)

Результаты выполненной работы и планы по её продолжению

На основе анализа результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    Причиной возникающих продольно-угловых колебаний транспортного средства в процессе трогания с места являются фрикционные автоколебания, возникающие в стартовом пакете трансмиссии объекта исследования, что существенно снижает комфортабельность транспортного средства и ухудшает ездовые свойства. Установлено, что фиксируемые частоты продольноугловых колебаний находятся в области частот, оказывающих вредное влияние на организм.

• 2.    Выполненный обзор отечественной и зарубежной литературы показал недостаточную изученность исследуемой проблемы в зарубежной и особенно отечественной литературе для рассматриваемого типа трансмиссий и транспортных машин с повышенными требованиями к комфортабельности. Проблема актуальна для вновь разрабатываемых транспортных средств.

• 3.    Разработана методика дорожных испытаний для идентификации, воспроизведения и изучения продольно-угловых колебаний при трогании машины с места. В ходе выполнения испытаний удалось воспроизвести эффект возникновения автоколебаний в стартовом пакете объекта исследования.

• 4.    Разработана и верифицирована комплексная имитационная модель транспортного средства, включающая элементы и взаимосвязи, являющиеся существенными для исследуемой проблемы, позволяющая менять входные параметры (податливости, моменты инерции, коэффициенты трения и др.), алгоритмы управления и выполнять оценку эффективности предлагаемых технических решений. Построенная имитационная модель позволяет комплексно анализировать крутильные резонансы в трансмиссии с учетом жесткости опор силового блока, оценивать влияние вариации значений коэффициента трения, алгоритмов управления агрегатами автомобиля на его комфортабельность.

• 5.    Дальнейшее исследование рассматриваемой проблемы возникновения продольно-угловых колебаний кузова требует оценки влияния различных физических параметров и конструктивных факторов на возникающие колебания, что позволит сформулировать способы устранения и предотвращения колебательного процесса. Среди таких факторов следующие:

• –    температура компонентов фрикционного элемента управления;

• –    геометрические параметры фрикционных узлов: неравномерность толщины фрикционных дисков и расположение неровностей дисков относительно друг друга;

• –    параметры возвратной пружины гидроцилиндра и её работа при подведении поршня к фрикционным дискам;

• –    состав трансмиссионной жидкости, омывающей фрикционные диски стартовых элементов управления.

Кроме того, необходимо исследовать влияние различных факторов на предмет возбуждения продольно-угловых колебаний автомобиля, к которым можно отнести:

• –    колебания давления масла в управляющих контурах АКП;

• –    геометрические параметры стартового элемента управления;

• –    неравномерность работы силовой установки.