Практическая работа № 8

Системы автоматического управления трансмиссией.

Цель работы

Изучить назначение, основные принципы работы и конструктивные элементы электронных систем автоматического и электронного управления трансмиссией.

1. Теоретическая часть.

Сцепление служит для разъединения двигателя и силовой пе­редачи при переключении передач и постепенного увеличения крутящего момента, передаваемого от двигателя на колеса при трогании. Сцепление позволяет соединять быстровращающийся вал с неподвижными колесами.

Автоматизация управления сцеплением упрощает работу води­теля при трогании и переключении передач. В настоящее время применяются автоматизированные и автоматические системы уп­равления. В первом случае в привод прямого действия устанавли­вают различного рода усилители для снижения усилия на педали сцепления. Во втором случае в сцеплении или приводе применя­ют систему автоматического управления. При этом отпадает необ­ходимость в педали сцепления и, следовательно, в традиционном приводе. Автоматическое сцепление должно обеспечить возмож­ность трогания с места с различной скоростью, осуществлять пе­реключение передач без рывков и т.д.

При переключении передач сцепление необходимо выключать бы­стро. Сигналом на выключение сцепления в выполненных конструкци­ях является прикосновение водителя к рычагу переключения передач. Одновременно водитель снимает ногу с педали управления двигателем. По сигналу с рычага переключения передач при любых оборотах дви­гателя сцепление быстро выключается. По этому сигналу осуществля­ется воздействие на регулятор давления, вызывающее быстрое измене­ние давления, а следовательно уменьшение усилия на нажимном диске сцепления и его выключение.

Рис.1. Функциональный состав системы автоматического управ­ления сцеплением.

Таким образом, в состав любой системы автоматического управле­ния сцеплением входят следующие обязательные элементы (рис. 1):

- исполнительное устройство 1, воздействующее на привод выжимного подшипника сцепления;

- измерительно-преобразующее устройство 2, обеспечивающее преобразование параметра задающего воздействия (угловой скорости вала двигателя или перемещения педали управления двигателем) в сиг­нал воздействия на регулятор давления;

- регулятор давления 3, обеспечивающий изменение давления ра­бочего тела в исполнительном устройстве в зависимости от изменения параметра задающего воздействия;

- контактное устройство 4, встроенное в рычаг переключения пе­редач;

- устройство 5 изменения давления в приводе управления сцепле­нием при переключении передач;

- источник давления 6 рабочего тела в приводе управления сцепле­нием

Примером дальнейшего совершенствования систем автомати­ческого управления сцеплением является микропроцессорная си­стема управления сцеплением легкового автомобиля, управляю­щая подсистема которой приведена на рис. 2.

Управляющая подсистема содержит индукционные датчики частоты вращения коленчатого вала Д_{ч в}, частоты вращения ведо­мого вала сцепления Д_сц, частоты вращения ведомого вала короб­ки передач Д_кп, потенциометрический датчик положения дрос­сельной заслонки Дп.д.з, двухпозиционный датчик положения ры­чага переключения передач Д_пр.

Сигналы с частотных датчиков через соответствующие согласую­щие устройства (информационные преобразователи ИнП1...ИнПЗ и преобразователи частота —код ПЧК1...ПЧКЗ) поступают через устройство ввода (порт 1) в микропроцессор МП. Сигнал с датчика Дпдз в аналого-кодовом преобразователе АКП преобразуется в код и подается в МП. Сигнал с двухпозиционного датчика Д_п..р. яв­ляется одноразрядным двоичным кодом и поступает непосредствен­но в МП. Микропроцессор выполняет функции микроконтролле­ра (устройства управления и обработки информации). Сформиро­ванные в микроконтроллере команды в виде кодовых сигналов поступают на усилители мощности УМ1, УМ2 и далее на элект­ромагниты Yl, Y2 клапанов B1, В2. Исполнительным механизмом системы является вакуумная камера ВЗ с мембраной, шток кото­рой через рычаг воздействует на механизм переключения сцепле­ния, выполняющий функции рабочего органа. Дополнительная энергия для исполнительного вакуумного мембранного механиз­ма поступает из выпускного коллектора двигателя, соединенного через обратный клапан В4 с вакуумным ресивером ВР. Устрой­ства, стоящие на выходе МП, выполняют функции энергетического преобразователя и преобразуют кодовые электрические сиг­налы в аналоговый пневматический сигнал, который вакуумной камерой преобразуется в усилие, передаваемое на сцепление.

Энергетический преобразователь работает следующим образом. При срабатывании электромагнита Y1 открывается клапан В1 и вакуумный ресивер ВР соединяется с внутренней полостью ваку­умной камеры ВЗ. При закрытии клапана В1 связь вакуумной ка­меры В3 с ВР прерывается. При срабатывании электромагнита Y2 открывается клапан В2, что приводит к соединению вакуумной камеры ВЗ с атмосферой. При закрытом клапане В2 эта связь пре­рывается.

Таким образом, при открытии клапана В1 увеличивается раз­режение в полости вакуумной камеры ВЗ, а при открытии клапа­на В2 давление повышается. Когда оба клапана закрыты, давление в полости камеры остается неизменным.

Давление в камере определяется временем включения клапа­нов. В зависимости от разрежения (давления) в полости камеры изменяется положение ее штока и соответственно нажимное уси­лие и момент, передаваемый сцеплением.

Основной задачей системы управления является регулирова­ние по заданному закону момента сцепления М_си в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, частоты вращения ко­ленчатого вала, его ускорения (замедления) и включения в ко­робке передач, той или иной передачи.

Обработка информации, получаемой от всех датчиков, выпол­няется микропроцессором. В ППЗУ микропроцессора записывается программа, обеспечивающая выполнение алгоритма управления. ОЗУ микропроцессора используется для промежуточных вычисле­ний текущих значений измеренных величин и других данных, тре­буемых для функционирования микропроцессорной системы.

Рис. 2. Структурная схема микропроцессорной системы управления сцеплением автомобиля

Работает система в реальном масштабе времени. Для выдачи в определенное время команд управления и организации распреде­ления команд во времени используется таймер микропроцессора. Сформированные команды в виде широтно-импульсных сигна­лов через устройства вывода поступают на усилители мощности и управляют работой клапанов В1 и В2.

Команду на принудительное выключение сцепления в процес­се переключения передач МП вырабатывает при поступлении сиг­нала от датчика положения рычага переключения передач, кон­такты которого замыкаются, когда водитель прикладывает усилие к рычагу.

Алгоритм функционирования системы заключается в следую­щем. Перед троганием автомобиля с места водитель воздействует на рычаг переключения передач. При этом срабатывают контакты датчика положения рычага. По этому сигналу включается элект­ромагнит клапана В1. Клапан открывается, полость вакуумной ка­меры В4 соединяется с вакуумным ресивером ВР. Сцепление вы­ключается.

После включения передачи водитель снимает руку с рычага переключения передач и плавно нажимает на педаль управления двигателем. Сигнал с датчика положения дроссельной заслонки Дп.д.з увеличивается. Пропорционально углу поворота дроссельной заслонки МП формирует сигнал заданной частоты вращения вала двигателя п₃. Заданная частота вращения сравнивается с вычис­ленным значением фактической частоты вращения вала двигате­ля п_кв , в результате чего определяется сигнал ошибки управления ε = п₃-п_кв. С использованием сигнала ошибки управления и вы­числяемого сигнала скорости изменения ошибки управления, а также положения дроссельной заслонки формируется управляю­щий сигнал, который преобразуется в последовательность импуль­сов тока, подаваемых на электромагниты Y1 и Y2. При ε > 0 общая продолжительность открытого состояния клапана В2 оказывается меньше общей продолжительности открытого состояния клапана В1, в силу чего момент М_сп, передаваемый сцеплением, умень­шается, нагрузка на двигатель снижается и частота вращения вала двигателя увеличивается, и, наоборот, при ε < 0 общая продолжи­тельность открытия атмосферного клапана оказывается больше общей продолжительности открытия вакуумного клапана, вслед­ствие чего момент М_сц увеличивается, нагрузка на двигатель рас­тет, частота вращения коленчатого вала двигателя уменьшается. Для улучшения качества процесса регулирования и уменьшения общего времени включения сцепления в начале хода дроссельной заслонки, несмотря на то что ε >0, принудительно на 0,15 с вклю­чается электромагнит В2, управляющий атмосферным клапаном, за счет чего сцепление частично включается. В результате этого ис­ключается резкое увеличение частоты вращения коленчатого вала.

Таким образом, за счет автоматического регулирования момен­та, передаваемого сцеплением, частота вращения коленчатого вала двигателя поддерживается на заданном уровне. Одновременно в микропроцессоре определяется разность частот вращения веду­щих и ведомых частей сцепления ε_сц = п_кв.- п_сц. Рассматриваемая система управления является системой автоматического регули­рования по отклонению истинной частоты вращения от заданной. Причем последняя является функцией угла открытия дроссель­ной заслонки.

По мере уменьшения ε_сц увеличивается общее время включе­ния атмосферного клапана. При ε_сц = 0 подается сигнал на блоки­ровку сцепления, т.е. включается только атмосферный клапан, что вызывает перемещение штока в крайнее правое положение, соответствующее полному включению сцепления. Это уменьшает износ узлов привода сцепления.

Темп включения сцепления при переключении на высшие и низшие передачи различный. При переключении на высшие пере­дачи разность ε_сц>0 и имеет небольшую величину, поэтому сцеп­ление включается быстро. При переключении на низшие переда­чи ε_сц< 0 и достигает большой величины, особенно если переклю­чение осуществляется через передачу. В этом случае темп включе­ния сцепления замедляется.

Увеличение частоты вращения вала двигателя при воздействии водителя на педаль управления двигателем приводит к уменьше­нию разности частот вращения ведущей и ведомой частей сцепле­ния. При ε_сц = 0 включается атмосферный клапан, что приводит к полной блокировке сцепления. Наличие в системе датчика часто­ты ведомого вала коробки передач позволяет в МП по соотно­шению частот вращения ведомых частей сцепления и выходного вала коробки передач определить, какую передачу включил во­дитель, и в зависимости от этого корректировать темп включе­ния сцепления.

Для плавного изменения момента М_сп при его регулировании, осуществляемом открытием и закрытием клапанов В1 и В2, дол­жны быть исключены значительные колебания разрежения в по­лости вакуумной камеры ВЗ. В рассматриваемой системе управле­ния это достигается за счет непрерывно повторяющегося откры­тия и закрытия данных клапанов на короткие периоды. При этом увеличение момента М_сп реализуется за счет того, что общая про­должительность открытого состояния клапана В1 оказывается боль­ше общей продолжительности открытого состояния клапана В2. Если же необходимо уменьшить момент М_си, то это обеспечива­ется вследствие увеличения общей продолжительности открытого состояния клапана В2 (по сравнению с клапаном В1).

После того как значение М_С11 устанавливается на заданном уров­не, оба клапана закрываются.

Если во время разгона автомобиля водитель постепенно уве­личивает открытие дроссельной заслонки, то это приводит к по­вышению п₃, вследствие чего и частота вращения п _{к в} также воз­растает.

При этом для повышения момента М_сп система управления по мере роста частоты вращения п _кв увеличивает общее время от­крытого состояния воздушного клапана В1, через который по­лость вакуумной камеры соединяется с атмосферой. Работа клапа­нов корректируется также в зависимости от значения ускорений (замедления) коленчатого вала и ведущего вала коробки передач.

По мере увеличения п₃ возрастает продолжительность импуль­сов тока, проходящего через обмотку электромагнита Y2, и умень­шается продолжительность импульсов тока, проходящего через обмотку электромагнита Y1. В результате относительная продол­жительность открытого состояния воздушного клапана возраста­ет, а вакуумного клапана В1 — снижается, что и обеспечивает требуемое увеличение М_сц при повышении и_кв.

В результате поступления в процессор информации от датчи­ков частоты вращения ведущего и ведомого валов коробки пере­дач система управления определяет, какая из передач включена в каждый момент времени. Это позволяет в зависимости от порядка переключения передач реализовать различный темп включения сцепления после окончания переходного процесса. Данная осо­бенность системы управления позволяет после перехода с высших на низшие передачи уменьшить темп включения сцепления, что обеспечивает плавность движения автомобиля в процессе пере­ключения передач.

По приведенному описанию составляется блок-схема алгорит­ма управления, на основе которой разрабатывается программа управления, записываемая в память микропроцессора.

Применение микропроцессорных систем управления позволя­ет реализовать оптимальные алгоритмы управления двигателем и сцеплением. В ранее рассмотренных системах не предусматрива­лось автоматическое воздействие на двигатель в процессе пере­ключения передач. Поэтому процесс переключения передач в та­ких системах во многом определяется квалификацией водителя. Координация управления ДВС и сцеплением позволяет повысить качество управления.

Выравнивание частоты вращения ведущих и ведомых валов сцепления после переключения с высшей передачи на низшую с помощью регулирования ДВС снижает время буксования сцепле­ния и уменьшает вероятность появления в момент блокировки сцепления инерционных нагрузок в трансмиссии.

Для этого определяют разность частот вращения коленчатого вала и ведомого вала сцепления. По этому сигналу формируется управляющее воздействие на привод дроссельной заслонки. В таких системах можно достичь очень небольшого времени буксова­ния сцепления. Однако за время переходного процесса происхо­дит отключение колес от двигателя, что приводит к снижению скорости. Для сохранения скорости на постоянном уровне при вклю­чении сцепления необходимо, чтобы оно передавало момент, рав­ный приложенному к нему моменту сил сопротивления движению автомобиля М_с. Для этого в качестве управляемого параметра необ­ходимо использовать момент вращения. Однако в настоящее время еще не созданы простые и дешевые датчики крутящего момента. По­этому для реализации таких систем используют другие параметры, функционально связанные с моментом на валах агрегатов АТС.

Рис. 3. Гидромеханическая передача (ГМП) с электронным управлением

Гидромеханическая передача (ГМП) с электронным управлением пред­назначена для применения на автобусах. Ее использование облегчает ра­боту водителя, особенно при движении в городских условиях. Применение электронного управления упрощает конструкцию гидравлических и меха­нических элементов передачи, повышает надежность системы в целом и позволяет оптимизировать закон переключения передач, обеспечивая тем самым снижение расхода топлива.

В ГМП входят (рис. 3):

ДС — датчик скорости, вырабатывающий сигнал переменного тока, ча­стота которого пропорциональна частоте вращения выходного вала ГМП;

ДН — датчик нагрузки двигателя, представляющий собой связанный с топливоподающим органом двигателя ступенчатый переключатель на три положения. Первое положение соответствует нагрузке 0... 50 %, второе — 50 ... 100 %, третье — более 100 % (так называемый режим кик-даун);

КУ — контроллер управления — ступенчатый переключатель на пять положений;

ДГ— контактный датчик включения гидрозамедлителя;

БУГМП — электронный блок управления;

ЭМ1, ЭМ2; ЭМЗ, ЭМ "ЗХ", ЭМ "БЛ" — соответственно исполнительные электромагниты включения первой, второй и третьей передач, передачи заднего хода и блокировки гидротрансформатора;

КЛ — контрольная лампа индикации аварийного режима.

Сигнал датчика скорости ДС поступает в ПЧН, где преобразуется в сигнал постоянного тока, напряжение которого пропорционально частоте входного сигнала. Напряжение с выхода ПЧН подается на вход блока компараторов. Этот блок содержит три компаратора, сигнальные входы которых объединены. Опорным сигналом для компараторов является сигнал, формируемый в устройстве сдвига порогов УСП. Каждый из компараторов настроен таким образом, что при увеличении (или уменьшении) скорости автобуса происходит поочередное переключение компараторов. При срабаты­вании первого компаратора формируется команда на включение второй пере­дачи. Второй и третий компараторы соответственно формируют команды на включение третьей передачи и блокировки БЛ гидротрансформатора. Отсут­ствие сигналов на входах компараторов будет свидетельствовать о включении первой передачи. Устройство сдвига порогов изменяет пороги срабатывания компараторов в зависимости от положения датчика нагрузки двигателя. При увеличении нагрузки переключение компараторов будет происходить при больших скоростях движения автобуса.

Команды на переключение передач с выходов блока компараторов поступают на выходы дешифратора. Сюда же подаются командные сигналы с КУ и с ДГ. В зависимости от положения контроллера управления дешиф­ратор обеспечивает автоматическое переключение передач по командам блока компараторов, принудительное включение первой передачи, переда­чи заднего хода или отключение коробки передач ("Нейтраль"). При вклю­чении гидрозамедлителя обеспечивается принудительная блокировка гид­ротрансформатора.

Узел контроля УК обеспечивает защиту от аварийных режимов при коротком замыкании или обрыве в цепи датчика скорости и при непредус­мотренных комбинациях одновременного включения двух электромагни­тов. При возникновении аварийных режимов УК снимает напряжение питания с электромагнитов и включает контрольную лампу КЛ.