BUDAPESTI MŰSZAI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM DOTORI TÉZISFÜZETEI GÉPÉSZMÉRNÖI AR DOTORI TANÁCSA Írta: Nguyen Quang Hung Okleveles gépésmérnök SÚRLÓDÓ TENGELYAPCSOLÓ DINAMIAI MODELLEZÉSE című témakörből amellyel a Ph.D. fokoat elnyerésére pályáik Témaveető: Dr. Tóth Sándor PhD Gépelemek Tansék Budapest 007.
. utatások előménye Mechanikus hajtásláncnak neveük a motor hajtómű munkagépből, mechanikai energiát előállító veető és felhasnáló elemekből álló rendsereket. Mivel a munkagép energiasükséglete és a motor által jó hatásfokkal előállítható mechanikai energia köött akár mogási sebesség, akár mogásforma serint is jelentős eltérés lehet, eért a hajtóműnek át kell alakítani a mechanikai energiát, a munkagép igényeihe illestve at. A hajtáslánc áttételének megváltotatása, a energiafolyam útjának megsakítása vagy össekapcsolása céljából tengelykapcsolókat alkalmanak, amelyek fő funkciója a teljesítmény veetése mellett, a hajtás mogásállapotának sabályoása is feladata. A leggyakoribb tengelykapcsoló típus erre a célra a súrlódó tengelykapcsoló. A sabályoási funkciót a tengelykapcsoló megcsúsási nyomatékának irányított megváltotatásával lehet megvalósítani. Alkalmaási terület serint a legátfogóbb legalaposabb kutatások a járműipar területén fedehetők fel, ahol annak ellenére, hogy a energiafolyam illestésénél a folytonos sabályoás lenne a legjobb megoldás, mégis séles körben lépcsőetesen váltotatható áttételű fogaskerekes hajtóműveket alkalmanak elsősorban a jó mechanikai hatásfok, a nagy terhelhetőség és a megbíható működés miatt. A lépcsőetes áttételek köötti átmenetet, a sebesség-váltást tengelykapcsolók, több sabadságfokú hajtóművekben, mint például a bolygóműves sebességváltókban, tengelykapcsolók és fékek működtetésével valósítják meg. A sebességváltás során a energiafolyam útvonala váltoik meg, a induló áttételnek megfelelő útvonalról a céláttételnek megfelelő útvonalra kerül. A kölekedési rendőr serepét a tengelykapcsolók és fékek töltik be, elárva és megnyitva a energiafolyam útját. A tengelykapcsolóknak három különböő üemállapota léteik:. Teljesen nyitott állapot. Csúsási állapot. Teljesen árt állapot A első két állapot valójában egynek tekinthető, mert ebben a állapotban a tengelykapcsoló nyomatéka a működtető mechanimus által kifejtett sorítóerőtől és súrlódási tényeőtől függ, míg a. állapotban a tengelykapcsoló nyomatékát a hajtáslánc pillanatnyi terhelés és gyorsulásállapota határoa meg. A továbbiakban eért két állapotot különbötetünk meg, a csúsási állapotot és a merev tengelykapcsoló állapotot. A csúsási állapotot tribológiai kutatási módserekkel sámos kutató []-[8] elemete. Feltárták a bekapcsolási folyamat kedeti, folyadéksúrlódási állapotának törvényserűségeit mind elméleti, mind kísérleti módserekkel [], [] és []. A kísérleti munkáho sinte sabványosnak tekinthető SAE# visgálóberendeést hasnáltak [], amellyel a tengelykapcsoló kapcsolási karakteristikájának, amely alatt a tengelykapcsoló súrlódási nyomatékának időfüggvényét értjük, kísérleti ellenőrését végeték el. A elméleti kutatások területén kedetben a matematikai módserek domináltak, így a adott instacioner áramlástani feladatra felírt Reynolds egyenlet módosított formáinak megoldása, napjainkban előtérbe kerültek a sámítógépes numerikus módserek, amelyekkel egyre több sajátosságot- így a felületi hullámosságot [] vagy akár a súrlódó felületeket tagoló olajveető hornyok hatását is elemeni tudták []. A tengelykapcsolókban hasnált súrlódó anyagok olajos környeetben másként viselkednek különböő olajáterestő képesség mellett. E a jellemő a kapcsolási karakteristikát döntően befolyásolja. Vegyes súrlódási állapotban a súrlódási tényeő kísérleti meghatároása a leglényegesebb kutatási irány. El-Sherbiny és Newcomb [] ajánlása serint a súrlódási tényeő mind a
olajhőmérsékletnek, mind a relatív sögsebességnek a függvénye. Más kutatók megelégednek a súrlódási tényeő sebesség függésével. Saját méréseink serint, amelyet papíralapú súrlódó tárcsákon a BME Gépserkeettani Intéetének laboratóriumában végetünk [s5], a súrlódási tényeő sebességfüggését nem, visont a hőmérsékletfüggését sikerült kimutatni. A tengelykapcsolók irányíthatósága érdekében a súrlódó anyagok kutatásának egyik kérdése olyan anyagössetételek és serkeet előállítása, amelynél a súrlódási tényeő séles tartományban köel állandó. Össefoglalva a elvégett és publikált tribológiai kutatások eredményei fontosak a tengelykapcsolók méreteése sempontjából, aonban nyilvánvalóan nem elegendőek, mert a tengelykapcsoló viselkedését és igénybevételét csak a teljes hajtásrendserrel együtt lehet modelleni. A teljes hajtásrendser modelleésében a tengelykapcsoló is egy elem, amelynek felépítésében fontos tényeő a megcsúsási határnyomaték. A tribológiai kutatások ennek a kisámításáho adnak módsert és adatokat. A tengelykapcsolók terhelését teljesen árt állapotban a hajtásrendser, a beépítési környeet pillanatnyi terhelés és gyorsulásállapota határoa meg, míg csúsási állapotban a tengelykapcsoló diktál: a környeetének két oldalára a csúsási nyomatékát köli. A tengelykapcsolókat tartalmaó hajtásrendsereket eért különválastva visgálják, megkülönbötetve a csúsó és árt tengelykapcsoló állapotot. A rendsert leíró mogásegyenletek cseréjével követhető hajtásrendser mogásállapota [9],[], aonban e a kisámítási algoritmusok felépítésénél egyediséget jelent. A egyenletek cseréjével nem valósítható meg a átmeneti állapotok visgálata, amely pedig éppen aért kiemelt jelentőségű, mert itt lépnek fel aok a gerjestések, amelyek jelentős gyorsulás és terhelésingadoást okonak. A hajtásrendserek visgálata és fejlestése napjainkban sámítógépes simulációval történik. A hajtásrendsert kis sakasokból álló elemekre bontják, majd eek egymásho kapcsolásával építik fel a rendsert. A egyserűbb hajtáselemek, mint a tengelyek, fogaskerekes kapcsolatok, forgó tárcsák, vonóelemek toriós vagy lineáris rugóként, forgó vagy haladó tömegekként esetenként sebességfüggő csillapítási tagokkal kiegésítve jelennek meg a rendserben (. ábra). C e (t) motor nyomaték, Flywheel - lendkerék, Clutch assembly - tengelykapcsoló egység, Gearbox - hajtómű Backlash and tooth stifffness foghéag és fogmerevség, Gear crown - tányér fogaskerék, Differential - kiegyenlítőmű, Wheel - járműkerék, ½ Vehicle inertia - Jármű tehetetlenségi nyomaték fele, Drag torque - súrlódási nyomaték. ábra. Jármű dinamikai modellje [6]
A tengelykapcsoló egység modelleése teljesen árt állapotban, mint a. ábra is mutatja, Coulomb súrlódásos csillapítással rendelkeő toriós rugóból és forgó tömegből épül fel. A tengelykapcsoló ebben a állapotában csak akkor válik érvényessé, ha a csúsási állapot megsűnt. A csúsási állapot modelleésére e a modell nem alkalmas. Crowther és Zhang [] toriós véges elemes és nem lineáris numerikus modelleési módsert dolgoott ki járművek hajtásláncának dinamikai visgálatára. A súrlódó tengelykapcsolók modelleésére a. ábra serinti megoldást javasolták. A tengelykapcsoló modellje, amelyet a ábrán sürke sínnel tüntettem fel, két forgó tömegből és egy csúsó tagból áll. A csúsó tag nyomatéka Coulomb súrlódási törvényének felel meg: csúsás esetén a súrlódási nyomatékkal egyeik meg, egyébként a terhelő nyomatékkal egyenlő. θ, ϕ s θ, ϕ θ, ϕ s θ, ϕ T T m c T g -T c k k. ábra. Tengelykapcsoló modellje [] serint T nyomaték, θ tehetetlenségi nyomaték, ϕ sögelfordulás, s rugómerevség, k csillapítási tényeő Indexek: m motor, c tengelykapcsoló, g hajtott gép Mogásegyenletek a. ábrán látható hajtáslánc sakasra: T m θ & ϕ s ϕ ϕ ) k ( & ϕ & ϕ ) 0, () s ( = ( ϕ ϕ ) + k( ϕ & ϕ ) θ & ϕ Tc 0 θ & ϕ s( ϕ ϕ ) k( & ϕ & ϕ ) = 0 ϕ ϕ ) + k ( ϕ & ϕ ) θ & ϕ T 0 &, () = T c, () s &, () ( g = ahol a fent pont jelés a idő serinti első-, fent két pont a idő serinti második deriváltat jelenti.. A tengelykapcsoló T c nyomatékára minden időlépésben sükség van. Csúsáskor a tengelykapcsoló működtető mechanimusa által leadott sorítóerő és a súrlódási tényeő ismeretében ki is sámítható, tehát ismertnek tekinthető. Zárt helyetben Crowther és Zhang iterációs köelítő módsert javasol. Felhasnálva a előő időlépésben sámított sögsebességeket, megoldják a egyenleteket a T c egy megköelítő értékével ( T INT ). A átvitt nyomaték a -es koordinátára írt egyenlet segítségével: T = θ & ϕ + k ϕ ϕ ) + c ( & ϕ & ϕ ) (5) INT ( t ) ( ( t) ( t) ( t) ( t) a -as koordinátára írt egyenlet segítségével: T = θ & ϕ k ϕ ϕ ) c ( & ϕ & + + ϕ ) (6) INT ( t ) ( ( t) ( t) ( t) ( t) T INT A (5) és (6)- ből kapott értékek átlagolásával: θ & ϕ = θ && ϕ + k( ϕ( t) ϕ( t) ) + c ( & ϕ( t) & ϕ( t) ) + k( ϕ( t) ϕ( t) ) + c( & ϕ & ( t) ϕ( )), (7) ( t ) ( t ) t ahol a indexben sereplő (t-) a t időpont előtti időlépést jelenti.
A sámítási módser bionytalan abban a környeetben, ahol T INT határoa meg a rendser állapotát. A időlépték csökkenése alapvetően fontos annak érdekében, hogy a sámított értékek különbsége minimális legyen. Een túlmenően sükség van egy állapotfigyelő algoritmusra, amely jeli a csúsási állapot megsűnését, vagy bekövetkeését. A csúsási állapot megsűnésekor jelentős nyomatéklengésre lehet sámítani. Fischer és Salecker tanulmányában rámutatott erre a jelenségre [0]. A. ábra tanulsága serint a hajtó n m és hajtott n j fordulatsám átmetsődésekor a addig együttfutó T m és T k nyomatékfüggvény sétválik, a T k csillapodó lengése követkeik be. Nyomaték [Nm] 00 50 00 50 T Ts T m k 0-50 0 Idő [s] Fordulatsá m [ /min] 000 500 nm 000 nh 500 nj 000 500 0-500 0 Idő [s] Gyorsulás [g] 0,5 0, 0, 0, 0, 0,0 a j -0, 0 Idő [s]. ábra. apcsolási diagramok [0] T nyomaték, n fordulatsám, a gyorsulás Indexek: m motor, s csúsási nyomaték, k tengelykapcsoló nyomaték, h hajtómű, j jármű A csúsás megsűnésekor jelentkeő lengéseket Berger E. és serőtársai méréssel is meghatároták [8]. A. ábrán a mérési eredményekből is látsik, hogy egy forgó tömeg nullára lassítását végeték köel állandó 50 Nm súrlódási (fék-) nyomatékkal.
. ábra. Mért nyomatékfüggvény [8] Torque nyomaték, Time idő, Experimental Data kísérleti adatok A leálláskor jelentkeő nyomatéklengések leírására is alkalmas tengelykapcsoló dinamikai modellt a általam fellelt és áttanulmányoott sakirodalmi forrásokban nem találtam.. Célkitűések, elért eredmények A váltoó mogásegyenletekkel való modelleés alapfeltevése, hogy a hajtásrendsert külön kell visgálni attól függően, hogy a egyes tengelykapcsolók éppen a csúsási vagy árási állapotban vannak-e. A hajtásláncok dinamikai eleméséhe, annyi dinamikai modell sükséges, ahány csúsási-árási állapot léteik. A mogásegyenletek felírása ilyen módon csak egyedi megoldás lehet, különböő topológiai elrendeésű rendserek simulációjára különböő sámítási algoritmust kell felállítani egyedi módon. önnyen belátható, hogy n darab tengelykapcsoló esetén a elvileg lehetséges modellek sáma n, mivel kapcsolónként két modell lehetséges. Hagyományos módon egy hajtáslánc simulációját végrehajtó sámítógépi programnak tehát mindig tartalmania kell egy megfigyelő algoritmust, amely rögíti a kapcsolók pillanatnyi csúsási-árási állapotát és a kapcsolók állapotváltoásait a sögsebességek és a nyomatékkapacitás alapján, jelet ad a sámítást végő algoritmusnak, hogy mely mogásegyenletek serint kell végrehajtani a sámítást [9], [], []. A simulációs módser fejlődésének kedeti sakasában a sámítógépi programokat egyedi módon késítették, kéel felírt mogásegyenletek alapján. A ipari igények növekedése vetette fel, hogyan lehet megalkotni olyan simulációs rendsert, amellyel a hajtásláncok modellje hasonlóan a véges elemek módseréhe gyorsan felépíthető a rendserben rendelkeésre álló blokkserű elemekből, a simulációt végő mérnöknek ne kelljen foglalkoni a elemek belső viselkedésével, olyan résletekkel, mint a egyedi megfigyelő- és a egyedi sámítási algoritmusok. Célul tűtem ki olyan eljárások, módserek kidolgoását, amelyek segítségével egyserűbb, átláthatóbb simulációs programot lehet elkésíteni kevesebb programoási hibalehetőséggel. A eljárások kulcseleme a súrlódó tengelykapcsoló modelleése, eért dissertációmban ennek kiemelkedő hangsúlyt senteltem. Alkalmas tengelykapcsoló modellel ugyanis megtakarítható mind a mogásegyenletek egyedi felírása, mind a tengelykapcsolók állapotfigyelése. utatómunkám kedeti fáisában a meglévő sámítási - modelleési eljárások hatékonyságának javításával is foglalkotam. Dissertációmban a itt elért, általam téis értékűnek ítélt, eredményeimről is besámolok (..-. fejeet). 5
.. Váltoó mogásegyenletek mátrixgenerálással Olyan eljárást dolgotam ki, amely a váltoó mogásegyenletek automatikus generálását lehetővé tesi. A eljárásho a alábbi tételt állítottam fel: A tengelykapcsoló egységek és a állandó áttételű hajtások bármilyen topológia serint össekapcsolt rendserének behajtó és kihajtó tengelyére a mogásegyenletek a követkeő alakban felírhatók: * T s ω& = a T + b T c (8) + * T s ω& = a T + b T c (9) + ahol a -es ill. a -es index a behajtó ill. a kihajtó tengelyre utal, a * jel a vektor transformáltját jelenti, T s a nyomaték-kapacitási vektor, a, b paraméterek, c paramétereket tartalmaó vektor. A paraméterek a tengelykapcsoló-állapotoktól függenek. Tengelykapcsoló állapot: csúsási vagy árt állapot. A tételt teljes indukcióval bionyítottam. A tétel lehetővé tette a hajtásrendser általam definiált tengelykapcsoló egységekből való felépítését és a mogásegyenletek automatikus generálását... Sámítások váltoatlan mogásegyenletekkel Legtöbb hajtáslánc egy vagy két rétegvonallal kinematikailag meghatároott alrendserekre bontható, amelyek mogásállapotának leírására egyetlen tengelyük sögsebességének ismerete elegendő. A 5. ábrán egy automata sebességváltó válata serepel a [] tanulmányból. E a hajtómű látsólagos bonyolultsága ellenére is csak két rétegű. A mogásegyenletek: n ω& = A + a i T ci, (0) i= n ω& = A + a, () i= n i= it ci ω& = A + a, () it ci ahol a a i, a i és a i állandók, T ci a i-edik tengelykapcsoló nyomaték, amely lehet a T si csúsási-, vagy ismeretlen T i árt tengelykapcsoló nyomaték. A egyenletrendser lineáris tulajdonsága miatt a ismeretlen T i árt tengelykapcsoló nyomaték(ok) a általam javasolt metséspont-módserrel meghatároható(k). Eel a söggyorsulások váltoatlanul a (0)-() egyenletekből sámíthatók ki. A metséspont-módser előnye, hogy a sámítási folyamat átláthatóbb, mint a hagyományos módseré. A sámításokho ugyanaokat a össefüggéseket hasnálhatjuk, mind a tengelykapcsolók nyitott, mind lehetséges árt állapotában. A tengelykapcsoló állapotokat meghatároó algoritmus váltoatlanul sükséges maradt. 6
7 6 R 8 9 5 5 0 5. réteg. réteg 7 6 θ ω θ θ ω ω 5. referencia tengely. referencia tengely 5 9 8 R 6 0 7. referencia tengely 5. ábra. étrétegű hajtáslánc (W5A 80 típusú sebességváltó).. Integrált tengelykapcsoló modell iindulva Crowther és Zhang []. ábrán bemutatott modelljéből, a tengelykapcsoló árási állapotában a rendser sabadságfoka eggyel csökkent, a tengelykapcsoló nyomatékot meghatároó serepe eltűnik. A () és () egyenlet továbbra is érvényes marad, de ismeretlen a tengelykapcsoló nyomaték, mivel a rendser környeete határoa a átvivő nyomatékot (5) vagy a (6) egyenlettel. Ha a tengelykapcsoló tárcsáinak a tehetetlenségét elhanyagoljuk, akkor a tengelykapcsoló nyomaték mindig egyenlő a tengelyek csavaró nyomatékával. Mivel a tengelykapcsoló nyomatéka nem lépheti át a megcsúsási nyomatékhatárt, sükség van egy modellbeli nyomatékhatároló tagra, amelynek a átvihető nyomatéka a időfüggő nyomaték-kapacitással egyenlő. A általam javasolt un. integrált tengelykapcsoló modellt a 6. ábra mutatja, ahol k a tengelyek, fogaskerekek és esetleges tangenciális rugók rugalmasságára jellemő redukált toriós rúgó, a T s a tengelykapcsoló időfüggő csúsási nyomatéka, és c a elemek belső és külső súrlódására jellemő redukált csillapítási tényeő. 7
T m θ, ϕ θ, ϕ s ϕ Nyomaték határoló T g k T c max = T s 6. ábra. Integrált tengelykapcsoló modell Ilyen semléletben a rendser váltoatlanul két sabadságfokú. Mogásegyenletei: = Tm Tc & ϕ () θ T - ϕ = c T & g () θ Zárási állapotban ( & ϕ & ϕ ) fennáll a követkeő egyenlet: T c t) = sϕ ( t) + k( & ϕ & ϕ ), (5) ahol ( t 0 t t ϕ ( t) = ϕ + ( & ϕ & ϕ ) dt, (6) Tc T s(t), t- t a t időpont előtti időlépés. ϕ 0 a toriós rugó kedeti sögfordulása, ϕ a toriós rugó pillanatnyi sögelfordulása: ϕ = ϕ ϕ (7) A árási állapot feltétele akkor sűnik meg, ha a T c kapcsoló nyomaték eléri a T s megcsúsási határt, a tengelykapcsoló csúsási állapotba kerül. Csúsási állapotban a kapcsoló nyomaték egyenlő a csúsási nyomatékkal, előjelét a relatív sögsebesség határoa meg: T = sign( & ϕ & ϕ ) T ( ) (8) c s t épeletben a toriós rugót felhúák a csúsási nyomatékkal, a pillanatnyi ϕ sögelfordulása: Ts ( t) ϕ = sign( & ϕ ) & ϕ. (9) s A csúsási állapot feltétele akkor bomlik fel, ha Ts ( t) ϕ 0 = sign( & ϕ & ϕ) (0) s kedeti sögelfordulással a (5) össefüggés olyan nyomatékot ad, amelynek absolút értéke kisebb, mint T s (t) nyomaték-kapacitás. A általam megalkotott 6. ábra serinti modellel össe tudjuk árni a tengelykapcsolót egy különálló integrált tengelykapcsoló elem algoritmusba, egy képelt fekete doboba, amelynekϕ a egyetlen állapotváltoója, és T s nyomaték-kapacitás a üemi állapotot képviselő paramétere. A modell felhasnálásával eltűnik a bonyolult tengelykapcsoló állapotvisgáló algoritmus, amely a.. és.. pontban ismertetett eljárások sükségserű eleme. A modell 8
felépítése miatt különösen alkalmas objektumorientált sámítógépes programokban való felhasnálásra. Megjegyem, hogy a integrált tengelykapcsoló modell fékekre is hasnálható, amelyek ϕ = 0 esetnek felelnek meg. Rámutatok arra is, hogy a modell T s = behelyettesítésével csillapítással rendelkeő rugalmas tengelysakas, illetve rugalmas tengelykapcsoló modelljéhe veet, amelyet séles körben hasnálnak dinamikai rendserek elemése során [],[5], []... ísérleti visgálatok A előő fejeetben válatosan ismertetett kutatási eredmények kísérleti alátámastására a [8] tanulmány.ábra serinti mérési eredményei is hasnálhatók. A tanulmányban hasnált mérőberendeés dinamikai modelljét felépítve, a dinamikai modellben a integrált tengelykapcsoló modellt felhasnálva a 7. ábra serinti diagramot kaptuk, amely sinte tökéletesen egyeik a. ábra serinti mérési diagrammal. 7. ábra. Simulációs eredmények a integrált tengelykapcsoló modellel A dinamikai rendser egyserűsége lehetővé tette a feladat analitikus megoldását is. A felállított másodrendű inhomogén differenciálegyenletet megoldottam. A kapott nyomatékfüggvényt a idő függvényében ábráolva a 8. ábra serinti diagramot kapjuk, amely sintén egye- Sámított nyomaték 00 50 Nyomaték [Nm] 0-50 -00 0 0, 0, 0,6 0,8,, idő [s] 8. ábra. Analitikusan sámított nyomatékfüggvény a tengelykapcsoló árása után 9
ést mutat mind a. ábrán sereplő mérési, mind a 8. ábrán sereplő dinamikai simulációval, a integrált tengelykapcsoló modell felhasnálásával kapott diagrammal. Eel a integrált tengelykacsoló modell jóságát kétségbevonhatatlanul igaoltnak tekinthetjük. A integrált tengelykapcsoló modell össetett rendserben való viselkedését a Budapesti Műsaki és Gadaságtudományi Egyetem Gépserkeettani Intéet hajtástechnikai laboratóriumában felállított mérőberendeésen végett mérések eredményeinek és a teljes mérőberendeés komplex simulációjából kapott eredmények össehasonlításával mutatom be. A komplex jelőre aért van sükség, mert a mechanikai rendser dinamikai simulációval párhuamosan a elektromos sabályoási rendser simulációját is el kellett végenem. A mérőberendeés egy különleges hajtáslánc, amelynek megterveése a intéet munkatársainak kollektív munkája, a 9. ábrán látható elvi válaton. A elvi válaton a főbb résegységeket folyó sorsámoással láttam el. A egyedi terveésű hajtóműbe beépített (9) tengelykapcsoló behajtó oldalát egy háromfáisú, fordulatsám sabályoott () indukciós motor hajtja a,0 áttételű (8) fogaskerékpáron át. A tengelykapcsoló kihajtó tengelyét a hajtó motorral aonos típusú, de fékként működő () generátor fékei a () fogas síjon és (0) fogaskerékpáron kerestül. A tengelykapcsoló hidraulikus működtetésű, vagyis a súrlódó lemeeket hidraulikus munkahengerrel sorítjuk össe. A olaj a hidraulikus tápegységből egy elektronikus veérlésű () proporcionális selepen kerestül jut a munkahenger csonkjáho. A tengelykapcsoló belső alkatréseihe kenőanyagként a hidraulikus tápegység egy másik sivattyúja jutatja a olajat a tengelykapcsoló belső kenő furatrendserén kerestül. Sámítógép Motor és Generátor Sabályoó Egység Adatgyüjto kártya Interfés Egység 6 5 0 9 7 8 Hidraulikus Tápegység 9.ábra. A mérőberendeés elvi válata : Hajtó motor, : Fékeő generátor, : Sögadó a hajtó tengelyen, : Sögadó a fékeő tengelyen, 5: Nyomatékmérő a hajtó tengelyen, 6: Nyomatékmérő a fékeő tengelyen, 7: -es lendkerék a hajtó tengelyen, 8: Fogaskerékpár, 9: Hidraulikus működtetésű tengelykapcsoló egység, 0: Fogaskerékpár, : -es lendkerék : Fogassíj, : Elektronikus nyomás érékelő, : Elektronikus veérlésű proporcionális hidraulikus selep. A berendeéssel több különféle mérést végetünk. Eek egy rése a súrlódó anyag tulajdonságainak, így különösen a súrlódási tényeő hőmérséklet, illetve sebességfüggését hivatott meghatároni. Másik rése, amelyek tematikáját én állítottam össe a tengelykapcsoló modell helyességének visgálatára solgált. Eek során a hajtó motort beállított fordulatsámra felpör- 0
gettük, majd a súrlódó tengelykapcsolót ártuk. A motor fordulatsáma lecsökkent, a hajtott generátor fordulatsáma megnőtt. A két fordulatsám találkoása után a rendser valamennyi eleme együtt gyorsult a beállított fordulatsámra a beállított nyomatékterhelés mellett. A mérési eredményeket a 0. ábrán semléltetem. 0. ábra. Mérési eredmények n a behajtó tengely fordulatsáma [/min], n a kihajtó tengely fordulatsáma [/min], T a behajtó oldalon mért nyomaték [Nm], T a kihajtó oldalon mért nyomaték [Nm], p a mért működtető olajnyomás [kpa]. A mérőberendeés dinamikai modelljét a integrált tengelykapcsoló modell felhasnálásával építettem fel. ábra serint. A modellben a valóságos visonyokho képest egyserűsítéseket hajtottam végre, tehetetlenségi nyomatékok össevonásával, illetve bionyos nagy merevségű sakasok tökéletesen merevként modelleésével. Mint a mérési és a simulációs eredmények össehasonlítása mutatja, a elhanyagolások megengedhetők, annál is inkább, mert a acél tengelyek merevsége és a hajtósíj merevsége köött nagyságrendi eltérés van. Motor Integrált tengelykapcsoló Fogass íj rugalmasság Generátor θm+ θ, ωm s θ, ω s θ, ω ϕ T m T c i i T g k -T c -es lendkerék k Fogassíj áttétel. ábra. A mérőberendeés dinamikai modellje
A dinamikai simulációt a MathWorks SIMULIN programjának felhasnálásával végetem el. A kapott eredményeket a. ábra mutatja..ábra. Simuláció eredményei. n a behajtó tengely fordulatsáma [/min], n a kihajtó tengely fordulatsáma [/min], T a behajtó oldalon mért nyomaték [Nm], T a kihajtó oldalon mért nyomaték [Nm], p a működtető olajnyomás [kpa]. A mért és sámított diagramokat össehasonlítva megállapítható, hogy a simuláció eredményei sinte teljesen megegyenek a mért eredményekkel, ami igaolja a modell helyességét és a módser alkalmasságát a további kutatásokban.. Alkalmaási és továbbfejlestési lehetőségek A általam megalkotott integrált tengelykapcsoló-modellt sámos esetben alkalmatuk köúti járművek hajtásrendserének dinamikai simulációjára konkrét megbíás alapján. Eek konkrét bemutatására ipari érdekek miatt termésetesen nincs lehetőségem. A probléma áthidalására járműkatalógusban illetve ipari sabadalomban leírt serkeeteket válastottam alkalmaási példaként. A simulációval kapott fordulatsám diagramok jól követik a hasonló kategóriájú járművek sebességváltáskor mért diagramjait, aa a integrált tengelykapcsoló modell een alkalmaásoknál is hasnálható. A bolygóműves sebességváltók simulációjával kapott eredményeink igaolják a tengelykapcsoló modell alkalmasságát fékek esetére is. Továbbfejlestési lehetőségként a alkalmaások kibővítését lehet elsősorban figyelembe venni. A mechanikus hajtásláncok terhelése alkalmaási területtől függően, de a járműiparban mindenképpen, jelentősen váltohat. A sebességváltáskor tehát, amely a motor és a tengelykapcsolók illetve fékek össehangolt működtetését jelenti, minden egyes terhelési állapotra más és más váltási stratégiát kell kidolgoni.
A integrált tengelykapcsoló modell algoritmiálási hatékonyságának kösönhetően lehetőség van a váltási helyet előetes értékelésére és a adott helyethe legjobban illeskedő váltási stratégia kiválastására a hajtáslánc simultán üemelése mellett.. Téisek. A hajtásláncok tengelykapcsolóinak beépítésénél alapelemként a ábra serinti elemi tengelykapcsoló egységet definiálok. A elemi tengelykapcsoló egységek soros, vagy párhuamos kapcsolásával a hajtásláncok felépíthetők akár eek követlen kapcsolata, vagy velük sorba-kapcsolt áttételeket repreentáló elemekkel. T i θ i T si θ i T i A elemi tengelykapcsoló egységek és a állandó áttételű hajtások bármilyen topológia serint össekapcsolt rendserének behajtó és kihajtó tengelyére a mogásegyenletek a követkeő alakban felírhatók [s]: * T s ω& = a T + b T c, + * T s ω& = a T + b T c, + ahol ω& a söggyorsulás, T a nyomaték, a,b konstansok, c konstansokat tartalmaó vektor, T s a csúsási nyomaték vektor, a -es és a -es index a behajtó ill. a kihajtó tengelyre utal, a * jel a vektor transponáltját jelenti.. Tengelykapcsolós sebességváltós hajtásláncok össekapcsolt tengelykapcsolói által átvitt kapcsoló nyomaték ismeretlen értékének meghatároására metséspont módsert dolgotam ki, amely a tengelykapcsoló nyomaték rendsermogásra való lineáris hatásán alapul.. Tengelykapcsolós sebességváltós hajtásláncok dinamikai modelleésére gyorsulási mátrix módsert dolgotam ki, amellyel a rendser mogását leíró egyenletek automatikusan generálhatók. [s]. Matematikailag árt új dinamikai tengelykapcsoló-modellt alkottam, amely képes leírni a tengelykapcsoló valamennyi üemállapotát: a csúsási- és árási állapotot, eek átmenetét. A modell radikálisan leegyserűsíti a hajtásláncok dinamikai modelleését aal, hogy hasnálatakor nem sükséges a tengelykapcsoló üemállapotokat figyelő algoritmus. [s], [s], [s] 5. A általam megalkotott modell alkalmas mechanikus sebességváltós járművek hajtásláncának dinamikai modelleésére beleértve a bolygóműves sebességváltók fékjeinek modelleését is. [s]
5. A téispontokho kapcsolódó saját kölemények s.. Nguyen Quang Hung: Súrlódó tengelykapcsolók forgótömeges dinamikai modellje a hajtásláncok simulációjában. Járművek, Építőipari és Meőgadasági Gépek, 998, 9 o. s.. Nguyen Quang Hung: Dynamic modelling of friction clutches and application of this model in simulation of drive systems. Periodica Politechnica,. Mech. Eng. /, 69 80 pp. s.. Nguyen Quang Hung: Dynamic modelling of friction clutches applied for simulation of drive systems. Gépéset 98 onferencia, 998, 6 66 o. s.. Nguyen Quang Hung: Új tengelykapcsoló modell sebességváltók dinamikai simulációjáho. Járművek, Építőipari és Meőgadasági Gépek, 998, -8 o. 6. További saját publikációk Nemetköi konferencia-kiadványban megjelent idegen nyelvű előadások s.5. Dr Tóth S - Nguyen Quang Hung: Test rig to investigate friction clutches. The 8-TH Symposium on mechanisms and mechanical transmissions, 9- october 000, Timisoara Romania, Vol II. 8-90 pp. Magyar nyelvű folyóiratcikkek s.6. Nguyen Quang Hung: Súrlódó betét visgáló berendeés dinamikai simulációja alkalmava a rugalmas tengelykapcsoló modellt. GÉP, LII. évfolyam, Gépterveők és Termékfejlestők XVII. Orságos Semináriuma, 00/0-., -8 o. Magyar nyelvű konferencia-előadások s.7. Nguyen Quang Hung: Súrlódó betét visgáló berendeés dinamikai simulációja alkalmava a rugalmas tengelykapcsoló modellt. Gépterveők és Termékfejlestők XVII. Orságos Semináriuma, 00.nov.8-9., Miskolci Egyetem.
7. Irodalom. Dr. Terplán Zénó - Nagy Géa - Herceg István, Mechanikus tengelykapcsolók. Műsaki könyvkiadó, Budapest, 966.. El-Sherbiny, M. G., and Newcomb, T. P., Numerical Simulation of the Engagement Characteristics of a Wet Clutch, Oil- Immersed Brakes and Clutches, 977, Mechanical Engineering Publications Limited for the Institute of Mechanical Engineers, New York.. Natsumeda, S., and Miyoshi, T., Numerical Simulation of Engagement of Paper Based Wet Clutch Facing, Journal of Tribology, 979, Vol. 6., pp. - 7.. Berger, Edward J. (Univ of Cincinnati), Sadeghi, F., rousgrill, Charles M., Finite Element Modeling of Engagement of Rough and Grooved Wet Clutches, Journal of Tribology, Jan 996, Vol.8, pp 7-6. 5. Risbet, A., Vogel, P, Crolet, M. H., and Nicholas, D., Engagement of Automobile Clutches: Experiments and Theory, 98, Proceedings of 9 th Leeds- Lyon Symposium on Tribology, pp. 59-8. 6. Fish, R., Using the SAE# Machine to Evaluate Wet Clutch Drag Losses, SAE International 9080, 99. 7. Miyoshi, T., Friction Characteristics of a Paper-Based Friction Materials, Japanese Journal of Tribology, 99. Vol. 6, pp. 85-90. 8. Berger, Edward J. (Univ. of Cincinnati); Sadeghi, F., rousgrill Charles M Torque transmission characteristics of automatic transmission wet clutches: Experimental results and numerical comparison, Tribology Transactions, v 0, n, Oct, 997, p 59-58 9. ragelskij - Mihin, Gépserkeetek súrlódás- és kopássámítása. Műsaki önyvkiadó, 987. 0. Anderson, A. E., Friction and wear of paper type wet friction elements, SAE Paper 705, National Automobile Engineering Meeting, May, 97.. Froslie, L. E., Milek, T., and Smith, E.W., Automatic Transmission Friction Elements, 97, Design Practices-Passenger Car Automatic Transmissions, Society if Automotive Engineers, Inc., New York.. Smith, G. R., Ross, W. D., Silbert, P.L., and Herndon, W. B., Putting Automatic Transmission Clutch Friction Researchers on Speaking Terms, 97, Design Practices- Passenger Car Automatic Transmissions, Society of Automotive Engineers, Inc. New York.. Jullien, A., Berthier, Y., Mcnard, D., and Meurisse, M. H., Behavior of Wet Clutches Operating Under Continuous Running Conditions with a New Carbon Based Material, Proc. 7 th Leed-Lyon Symposium: Vehicle Tribology, 99, pp. 0-. 5
. Wu, H., Squeee Film Behavior of Porous Annular Discs, Journal of Lubrication Technology, 970, Vol. 9, pp. 59-596. 5. Wu, H., The Squeee Film Between Rotating Porous Annular Plates, Wear, 97, Vol. 8, pp. 6-70. 6. Wu, H., An analysis of the Engagement of Wet Clutch Plates, Wear, 97, Vol., pp. -. 7. Wu, H., A review of Porous Squeee Films, Wear, 978, Vol. 7, No., pp. 7-85. 8. Ting, L. L., Engagement Behavior of Lubricated Porous Annular Disks, Part I: Consolidating Contact Phase- Poroelastic Effects, Wear, 975, Vol., pp. 59-7. 9. Ting, L. L., Engagement Behavior of Lubricated Porous Annular Disks, Part II: Consolidating Contact Phase- Poroelastic Effects, Wear, 975, Vol., pp. 7-8. 0. Bear, J., Dynamic of Fluids in Porous Media, Elsevier, New York, 97.. Prakash, J., and Vij, S.., Effect of Velocity Slip on the Squeee Film Between Rotating Porous Annular Discs, Wear, 976, Vol. 8, pp. 77-85.. Patir, N., and Cheng, H. S., An Average Flow Model for Determining Effects of Three-Dimensional Roughness on Partial Hydrodynamic Lubrication, Journal of Lubrication Technology, 979. Vol. 00, pp.-7.. Patir, N., and Cheng, H. S., Application of Average Flow Model to Lubrication Between Rough Sliding Surfaces, Journal of Lubrication Technology, 979, Vol. 0, pp.0-9.. Dowson D., A Generalied Reynolds Equation for Fluid-film Lubrication, Int. J. Mech. Sci. Pergamon Press Ltd. 96. Vol., pp 59-70. 5. Zadrodki, P., Numerical Analysis of Temperature Fields and Thermal Stresses in the Friction Discs of a Multidisc Wet Clutch, Wear, 985, Vol. 7, No., pp 55-7. 6. Zadrodki, P., Analysis of Thermo mechanical Phenomena in Multidisc Clutches and Brakes, Wear, 990, Vol. 0, pp. 9-08. 7. Mansuori, M., Holgerson, M., honsari, M.M., Aung, W., Thermal and dynamic characteriation of wet clutch engagement with provision for drive Torque, Journal of Tribology, v, n, April, 00, pp. - 8. Gao Hong (Oakland University, Dept. of Mechanical Eng.); Barber Gary C., Engagement of a rough, lubricated and grooved disk clutch with a porous deformable paper-based friction material, Tribology Transactions, V.5, N., October, 00, pp. 6-70 9. Friederich raft, Zugkraftschaltungen in automatischen Fahreuggetrieben, Diss. Universitöt arlsruhe. 97. 6
0. Dr. Techn. R. Fischer und Dr. Ing. M. Salecker, Strategien ur upplungsansteuerung, VDI Berichte, 996. pp. 69-76.. Sándor Tóth, Die dynamische simulation der planetenbetriebenen, automatischen wechselgetriebe, Periodica Polytechnica Ser. Mech. Eng. Vol. 0, No., pp. 5-9, 996.. Jo Han-Sang, Park Yeong-Il, Lee Jang-Moo; Jang Wook-Jin; Park, Jin-Ho; Lim, Won-Sik; Study on the improvement of the shift characteristics for the passenger car automatic transmission, International Journal of Vehicle Design, v, n -, 000, pp. 07-8. ulkarni Manish, Shim Taehyun, Zhang Yi, Shift dynamic and control of dual-clutch transmissions, ScienceDirect Mechanism and Machine Theory. Vol.. Feb. 007. pp. 68-8.. Jacobson B., Berglund, S., Optimiation of Gearbox Ratios Using Techniques for Dynamic Systems, SAE International 9560, 995. 5. Hwang Sheng-Jiaw, Chen Jer-Shi, Liu Li, Ling Ching-Chung, Modeling and simulation of a powertrain-vehicle system with automatic transmission, International Journal of Vehicle Design, V., N.-, 000, pp. 5-59 6. Couderc Ph., Callenaere J., Hagopian J. Der, Ferraris G., Vehicle driveline dynamic behaviour: experiment and simulation, Journal of Sound and Vibration 8 () (998) pp. -57. 7. Ishihara T. and Emory R.I. Torque converter as vibration damper and its transient characteristics. SAE Technical Paper No. 66068. (966) 8. Tsanganides M. C. and Tobler W.E. Dynamic behavior of a torque converter with centrifugal bypass clutch SAE Technical Paper No. 8506. (985) 9. Park, Y.I. A study on shifting transients of automotive power transmissions PhD Thesis. Seoul National University, Seoul, 99. 0. Lim, W.S. A study on the analysis/design of a torque converter and analysis of the dynamic characteristics of automatic transmissions. PhD Thesis. Seoul National University, Seoul, 995.. Crowther A. R., Zhang N., Torsional finite elements and nonlinear numerical modeling in vehicle powertrain dynamics, Journal of Sound and Vibration 8, 005, pp. 85-89.. Hillenbrand, H. Das neue 5-Gang-automatikgetriebe W5A 80 für die neu A- lasse von Mercedes VDI Berichte 9 Getriebe in Fahreugen 98. Halás Sándor, Automatiált villamos hajtások, Tankönyvkiadó, Bp., 989.. Steihilper, W.-Sauer, B. onstruktionselemente des Maschinenbaus Springer-Verlag Berlin Heidelberg 006 5. Offenlegungsschrift DE 0796 A, BRD DEUTSCHES PATENTAMT 7