PARAMETERS ANALYSIS OF FRICTION COUPLING BETWEEN BELT AND WHEEL IN CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transort, Vol. 13, No. 1 PARAMETERS ANALYSIS OF FRICTION COUPLING BETWEEN BELT AND WHEEL IN CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION Andrzej Bieniek Oole University of Technology ul. St. Mikoajczyka 5, Oole, Poland tel.: , fax: abieniek@o.oole.l Jerzy Jantos Oole University of Technology ul. St. Mikoajczyka 5, Oole, Poland tel.: , fax: jantos@o.oole.l Abstract In automotive continuously variable transmission control of the value of axial thrust force has decisive influence on her work arameters. The use of mathematical model ermits on delimitation the course, difficult to determinable, value of friction couling arameters between belt and transmissions wheel, such how the slide angle as well as friction extension degree In this study the evaluation method of transmission work state, that is based on the value of load coefficient, has been described. The research results of influence of axial thrust force on energetic and ecological roerties of automotive continuously variable transmission were introduced. In the aer there are articularly resented run of load coefficient of gear, the range of the variability of the load coefficient, the deendence between relative angle of the slide and with the confidence coefficient and with the coefficient of the friction develoment, influence of the confidence coefficient and the friction coefficient on the run of the quotient of stress force, as well the value of the quotient of stress forces in UDC and EUDC cycles, the value of load coefficients of the gear in the EUDC and UDC cycles, the fuel consumtion in above cycles and emission levels of harmful comounds of combustion gases at different string stresses. Keywords: vehicle, owertrain, gears, modelling, emission ANALIZA PARAMETRÓW SPRZENIA CIERNEGO CIGNA Z KOEM PRZEKADNI CIGNOWEJ Streszczenie W samochodowej rzekadni cignowej sterowanie wartoci osiowej siy zacisku cigna wywiera decydujcy wyw na jej arametry racy. Zastosowanie modelu matematycznego ozwala na wyznaczenie rzebiegu trudnych do zmierzenia arametrów srzenia ciernego cigna z koem rzekadni takich, jak kt olizgu oraz stoie rozwinicia tarcia. W artykule oisano metod oceny stanu racy rzekadni na odstawie wartoci wsóczynnika obcienia rzekadni. Przedstawiono równie wyniki bada wywu osiowej siy naoru na energetyczne i ekologiczne waciwoci ukadu nadowego samochodu z bezstoniow rzekadni cignow. W artykule rzedstawiono w szczególnoci rzebieg wsóczynnika obcienia rzekadni, zakres zmiennoci wsóczynnika obcienia, zaleno omidzy wzgldnym ktem olizgu a: wsóczynnikiem ewnoci i wsóczynnikiem rozwinicia tarcia, wyw wsóczynnika ewnoci i wsóczynnika tarcia na rzebieg ilorazu si naoru, jak równie wartoci ilorazu si naoru w cyklach jezdnych UDC i EUDC, wartoci wsóczynników obcienia rzekadni w cyklu jezdnym EUDC i UDC zuycie aliwa w cyklach oraz oziomy emisji szkodliwych zwizków salin rzy rónym nareniu cigna. Sowa kluczowe: ojazdy samochodowe, zesoy nadowe, rzekadnie, modelowanie, emisja

2 A. Bieniek, J. Jantos Wykaz oznacze A 1 A a F F 1 i k k t k M l M r r i i w o osiowa sia naoru koa czynnego, koa biernego, rozstaw osi rzekadni cignowej, sia obwodowa w cignie biernym, sia obwodowa w cignie czynnym, rzeoenie rzekadni, wsóczynnik ewnoci, wsóczynnik rozwinicia tarcia, wsóczynnik obcienia, czynna dugo cigna rzekadni, moment reakcyjny na kole rzekadni, romie oasania koa stokowego rzekadni, kt oasania koa rzekadni (i=1 koo czynne, i= koo bierne), kt olizgu, wzgldny kt olizgu, kt soczynku, wsóczynnik konstrukcyjny rzekadni, zastczy wsóczynnik tarcia na styku cigna z bieni koa stokowego, iloraz si naoru. 1. Wrowadzenie W samochodowej bezstoniowej rzekadni cignowej rzenoszenie mocy nastuje dziki srzeniu ciernemu cigna z koem rzekadni. Powstanie srzenia ciernego omidzy cignem a koem rzekadni moliwe jest dziki dziaaniu osiowej siy naoru owodujcej zacisk cigna omidzy dwoma stokowymi tarczami koa rzekadni. Sterowanie wartoci osiowej siy naoru ma istotne znaczenie dla warunków srzenia ciernego. Regulacja wartoci siy naoru oarta jest na ustalonej wartoci zaasu siy tarcia. Poziom wartoci siy naoru owinien uwzgldnia wystienie wszystkich niekorzystnych sytuacji w racy rzekadni. Wsóczesne rzekadnie bezstoniowe dziaaj z tak ustalon nadwyk siy naoru, która ozwala na zaewnienie ich racy bez dugotrwaego olizgu w kadych warunkach obcienia. Polizg cigna rzekadni jest zjawiskiem niekorzystnym znacznie ograniczajcym trwao rzekadni. Z drugiej strony nadwyka siy naoru niekorzystnie wywa na wasnoci energetyczne rzekadni owodujc m.in. sadek jej srawnoci. W wielu oracowaniach oszacowano warto wymaganej nadwyki siy naoru (15%) [8], (5%) [10], (30%) [9]. Porawa wskaników energetycznych moliwa jest dziki zmniejszeniu wartoci nadwyki osiowej siy naoru. Wsóczesne ukady sterowania rzekadni nie wykorzystuj srzenia zwrotnego do regulacji siy naoru. Zamysem autorów jest wyznaczenie takiego arametru racy rzekadni, który ozwoli na identyfikacj wskaników srzenia ciernego cigna z koem, a w rezultacie ograniczenie siy naoru do niezbdnego minimum.. Srzenie cierne cigna z koem Na rys. 1b rzedstawiono schemat cignowej rzekadni bezstoniowej z uwzgldnieniem odstawowych wielkoci geometrycznych i fizycznych. uk oasania koa czynnego 1 (oraz biernego - ) rzekadni odzielono na kt soczynku o i olizgu s. Wyróniono równie siy wzdune dziaajce w cignie czynnym F 1 i biernym F. Pokazano równie romienie oasania koa czynnego r 1 oraz biernego r. 18

3 F 1 F 1 PARAMETERS ANALYSIS OF FRICTION COUPLING BETWEEN BELT AND WHEEL... a) b) koo bierne koo czynne r 1 s o F F a r Rys. 1. Przekadnia CVT: a) widok ogólny b) schemat ideowy Fig. 1. CVT transmission a) general view, b) schematic diagram Zaleno omidzy siami wzdunymi wystujcymi w cignie oisuje równanie Obcienie rzekadni momentem reakcyjnym owoduje zrónicowanie wartoci siy wzdunej midzy stron biern i czynn cigna. Cigno oasuje koo rzekadni na uku o dugoci zalenej od rzeoenia rzekadni. Wartoci kta olizgu i soczynku zalene s od czynników wywajcych na warunki srzenia ciernego cigno koo. Istotny wyw na warunki srzenia ciernego wywouje warto osiowej siy naoru. Determinuje ona wraz z wartoci wsóczynnika tarcia wystujcego omidzy cignem a bieni koa rzekadni warto siy tarcia dziaajc w unktach ich styku. Wzrost siy naoru rzy staej wartoci momentu reakcyjnego owoduje sadek wartoci kta olizgu rzy równoczesnym wzrocie kta soczynku doeniajc uk oasania. Podczas racy rzekadni bez obcienia warto kta olizgu osiga warto =0. Siy tarcia dziaaj na dugoci uku olizgu. Wzrost kta olizgu ozwala na zwikszenie obszaru dziaania si tarcia, co ozwala na rzeniesienie wikszego momentu reakcyjnego rzy staej wartoci wsóczynnika tarcia. W warunkach rzeczywistych wsóczynnik tarcia zmienia si w znacznym zakresie (=0,04-0,11) [1, 5, 6]. Na warto wsóczynnika tarcia omidzy cignem a koem wywa wiele czynników, a jednoznaczne wyznaczenie jego wartoci jest w rzekadni racujcej w samochodowym ukadzie nadowym niemoliwe. Trudno jest wic wyznaczy maksymaln warto momentu reakcyjnego, którym mona obciy rzekadni bez wystienia trwaego olizgu rzy zadanej wartoci osiowej siy naoru. W celu identyfikacji stanu obcienia rzekadni i oszacowania wartoci kta olizgu zaroonowano wykorzystanie dodatkowego arametru racy rzekadni, którego warto we wsóczesnych rzekadniach nie jest uwzgldniana rzy sterowaniu wartoci osiowej siy naoru. 3. Podstawowe zalenoci Zaoenia modelu matematycznego samochodowej rzekadni cignowej rzedstawiono we wczeniejszych oracowaniach [, 3, 4, 7]. Wrowadzenie wsóczynników obcienia i rozwinicia tarcia rzy uwzgldnieniu odziau kta oasania koa na kt olizgu i soczynku ozwolio na uzyskanie oisu matematycznego ozwalajcego na zastosowanie w ukadach sterowania rzekadni. Z rzerowadzonych tam rozwaa wynika, e warto ilorazu si naoru kó rzekadni mona zaisa A A 1 μ α F1 = Fe. (1) 1 e e 1 e 1. (1) 19

4 A. Bieniek, J. Jantos Kt olizgu mona wyznaczy z zalenoci Uwzgldniajc warto wzgldn kta olizgu jako mona zaisa wyraenie na wzgldny kt olizgu 1 ln k e 1 1 t. () w, (3) 1 w ln k e 1 1 t. (4) Warto wsóczynnika obcienia rzekadni otrzymana w wyniku rzerowadzonych bada modelowych wyraona jest zalenoci km (5) w Przebieg wartoci wsóczynnika obcienia w funkcji wzgldnego kta olizgu rzedstawia rys.. B 1.8 w w wsóczynnik obcienia k M A C wzgldny kt olizgu w Rys.. Przebieg wsóczynnika obcienia rzekadni k M Fig.. Course of transmission load coefficient k M Wówczas iloraz si naoru gdzie i 1 k i M, (6) a l a. (7) a l a Przedstawione odstawowe zalenoci ozwalaj na analiz zalenoci omidzy arametrami racy rzekadni. Istotnym arametrem determinujcym rac rzekadni oza wartoci osiowej siy naoru jest iloraz wartoci si naoru. 4. Iloraz si naoru a arametry srzenia ciernego Iloraz si naoru jako istotny arametr racy rzekadni ozwala na identyfikacj warunków srzenia ciernego cigna z koem rzekadni. Informacja o wartoci ilorazu si 0

5 PARAMETERS ANALYSIS OF FRICTION COUPLING BETWEEN BELT AND WHEEL... naoru i rzeoenia kinematycznego rzekadni ozwala wyznaczy wsóczynnik obcienia rzekadni. Pozwala on na ocen obcienia rzekadni za omoc nastujcej zalenoci i k M, (8) i 1 Zaleno omidzy wsóczynnikiem obcienia a ilorazem si naoru rzy zadanym zakresie zmiennoci rzeoenia rzedstawiono na rys. 3 i =,447 i =1,000 wsóczynnik obcienia rzekadni k M i =0, iloraz si naoru Rys. 3. Zakres zmiennoci wsóczynnika obcienia km (i= 0,443,447) Fig. 3. Oerating range of transmission load coefficient km (i= ) Okrelenie wartoci wsóczynnika obcienia ozwala na wyznaczenie wzgldnego kta olizgu z zalenoci owstaej w wyniku rozwizania rzeksztaconej ostaci równania (5). Uzyskujemy wartoci wzgldnego kta olizgu 1 km w. (9) W rzyadku wartoci wzgldnego kta olizgu bliskiej jednoci rzekadnia uzyskuje maksymaln srawno, za wartoci bliskie 0 informuj o znacznej nadwyce osiowej siy naoru (n. rzy maym obcieniu rzekadni). a) b) wsóczynnik ewnoci wsóczynnik rozwinicia tarcia k t wzgldny kt olizgu wzgldny kt olizgu Rys. 4. Zaleno omidzy wzgldnym ktem olizgu a: a) wsóczynnikiem ewnoci (=0,07) b) wsóczynnikiem rozwinicia tarcia (=0,0-0,14) Fig. 4. Deendence between relative sli angle and a) transmission security coefficient (=0. 07) b) friction extension degree (= ) 1

6 A. Bieniek, J. Jantos Wyznaczenie wartoci wzgldnego kta olizgu ozwala na obliczenie wsóczynnika rozwinicia tarcia lub jego odwrotnoci tj. wsóczynnika ewnoci w e 1 k, (10) t e 1 e 1 k. (11) w e 1 Jak wynika z analizy rys. 4b warto wsóczynnika rozwinicia tarcia rzy okrelonej wartoci wzgldnego kta olizgu, istotnie zaley od rzyjtej wartoci wsóczynnika tarcia. Analiza arametrów dziaania rzekadni rzerowadzona w ukadzie wzgldnym (i ) ozwala na okrelenie na ile unkty racy rzekadni odbiegaj od wartoci otymalnych dla uzyskania maksymalnej srawnoci..4. k = 1,3 k = 1,3 k = 1,0 iloraz si naoru Rys. 5. Wyw wsóczynnika ewnoci k i wsóczynnika tarcia na rzebieg ilorazu si naoru Fig. 5. Influence of transmission security coefficient k and friction coefficient at thrust force ratio Lini cig na rys. 5 rzedstawiono rzebieg otymalnych wartoci ilorazu si naoru ze wzgldu na uzyskanie minimalnych strat rzekadni. Jak wynika z rys. 5 zmienna warto wsóczynnika tarcia nie wywa na rzebieg linii otymalnej. 5. Wyniki i analiza bada wasnych rzeoenie kinematyczne i W tyowej rzekadni cignowej sterowanie rzeoeniem rzekadni olega na doborze ilorazu si naoru w jej koach stokowych. Warto ilorazu si naoru nie jest jednak wyznaczana i nie wywa bezorednio na sterowanie rzekadni. Dokonuje si regulacji si naoru, a do uzyskania zadanego ilorazu rdkoci ktowych kó rzekadni. Wyznaczenie wartoci ilorazu si naoru wymaga równolegego omiaru cinienia oleju wywierajcego naór i owstanie siy naoru dla obu kó rzekadni. W standardowej rzekadni, ze wzgldu na omiar cinienia cieczy w obwodzie tylko jednego z kó, uzyskanie informacji o wartoci ilorazu si naoru jest niemoliwe. W celu okrelenia wartoci ilorazu si naoru zamontowano dodatkowy czujnik cinienia w obwodzie koa czynnego. Wasnoci zastosowanego czujnika s odobne jak czujnika montowanego standardowo do omiaru cinienia hydrostatycznego koa biernego. Badaniom oddano samochodow rzekadni bezstoniow Fuji Hyer M6 zastosowan w samochodzie segmentu B. Przerowadzono szeroki zakres bada. W oracowaniu rzedstawiono rzykadowe wyniki uzyskane w cyklach jezdnych UDC (Urban Drive Cycle) i EUDC (Extra Urban Drive Cycle). Przerowadzono badania dla standardowego i zwikszonego o ok. 80% narenia cigna. W wietle danych literaturowych jak i bada

7 PARAMETERS ANALYSIS OF FRICTION COUPLING BETWEEN BELT AND WHEEL... wasnych wykazano znaczn nadwyk osiowych si naoru wystujcych w standardowej rzekadni bezstoniowej. Pooenie unktów w olu ograniczonym liniami uzyskanymi z modelu dla granicznych wartoci wsóczynnika obcienia rzekadni okazano na rys linia modelu k =1, k M =1 linia dla k =,5, k M =max narenie cigna standard narenie cigna zwikszone iloraz si naoru 1. H H H H H H rzeoenie rzekadni i Rys. 6. Wartoci ilorazu si naoru w cyklach jezdnych UDC i EUDC Fig. 6. Value of thrust force ratio at drive cycles UDC and EUDC Analiza ooenia unktów ozwala stwierdzi, e mniejsze wartoci ilorazu si naoru odowiadaj rzekadni racujcej ze zwikszonym nareniem cigna. Otrzymane wartoci ilorazu si naoru ozwalaj na wyznaczenie wartoci wsóczynnika obcienia. Na rys. 7 rzedstawiono rozmieszczenie unktów dla standardowego i zwikszonego narenia cigna. Przerowadzenie bada wg cykli jezdnych zaewnio orównywalny rzebieg obcienia rzekadni racujcej ze standardowym jak i zwikszonym nareniu cigna. Zwikszenie narenia cigna rzy nie zmieniajcych si warunkach obcienia sowodowao sadek wartoci wsóczynnika obcienia, co wiadczy o racy rzekadni w rzedziale w <0,5 (rys. ) Analiza wartoci wsóczynnika obcienia na rys. 7b ozwala wyznaczy wartoci wzgldnego kta olizgu z rzedziau w = 0 0,15 odczas gdy dla standardowego narenia cigna uzyskane wartoci wsóczynnika obcienia mog wiadczy o racy rzekadni zarówno w obszarze w <0,5 jak i obszarze dla w >0,5. Wówczas wzgldna warto kta olizgu wynosi w = 0 1, o czym wiadczy znaczny rozrzut unktów. wsóczynnik obcienia rzekadni km wsóczynnik obcienia km iloraz si naoru iloraz si naoru Rys. 7. Wartoci wsóczynnika obcienia rzekadni obliczone z danych omiarowych cyklu jezdnego EUDC UDC rzy nareniu cigna a) standardowym b) zwikszonym Fig. 7. Value of transmission load coefficient calculated with exerimental data at driving cycles UDC EUDC at a) standard, b) enlarged belt strain 3

8 A. Bieniek, J. Jantos Zadaniem ukadu sterowania jest wic takie sterowanie wartoci ilorazu si naoru aby uzyskujc zadan warto rzeoenia raca rzekadni odbywaa si w obszarze w >0,5 rzy moliwie niewielkiej wartoci wsóczynnika obcienia rzekadni. std zw k zuycie aliwa, dm 3 /100km ,80 9,68 5,79 6,19 6,89 7,47 0 UDC EUDC UDC+EUDC Rys. 8. Zuycie aliwa w cyklach rzy standardowym (std) i zwikszonym (zwk) nareniu cigna Fig. 8. Fuel consumtion at drive cycles at standard (std) and enlarged (zwk) belt strain Wyznaczone metod bilansu wgla zuycie aliwa (rys. 8) okazuje znaczny wyw stonia narenia cigna na wartoci energetyczne rzekadni. Wzrost zuycia aliwa w rzyadku cyklu UDC siga 10%, za rónica dla cyklu UDC+EUDC wynosi 8,4%. Badano równie emisj szkodliwych zwizków salin obserwujc znaczny wzrost masy emitowanych szkodliwych zwizków salin odczas racy rzekadni ze zwikszonym nareniem cigna. Mas wyemitowanych odczas jazdy w cyklu szkodliwych zwizków salin rzy standardowym i zwikszonym nareniu cigna rzedstawiono w tab. 1. Tab. 1. Emisja szkodliwych zwizków salin rzy standardowym i zwikszonym nareniu cigna Tab. 1. Pollutant emission comounds at standard and enlarged belt tension Zwizek szkodliwy Cykl jezdny UDC EUDC UDC+EUDC Emisja g/km, (narenie standard/zwikszone) HC 0,03/0,07 0,01/0,0 0,0/0,04 NO x 0,15/0,6 0,16/0,17 0,16/0,1 CO 1,16/1,71 1,51/,05 1,38/1,93 Najbardziej istotny wzrost masy emitowanych do otoczenia zwizków zarejestrowano dla wglowodorów (wzrost o ok. 100%), za dla NO x i CO odowiednio ok. 30 oraz 40 %. 6. Podsumowanie Przerowadzona analiza i badania samochodowej bezstoniowej rzekadni cignowej wskazuje, e istnieje otrzeba otymalizacji wartoci narenia cigna. Okrelenie stanu obcienia rzekadni w standardowej rzekadni jest utrudnione. Potrzeba zaewnienia ewnoci dziaania rzekadni (uniknicie olizgu cigna) wymaga regulacji osiowych si naoru. Uzuenienie ukadu sterownia rzekadni o czujnik cinienia hydrostatycznego drugiego z kó rzekadni umoliwia wyznaczenie ilorazu si naoru. Jak wykazano analiza wartoci ilorazu si naoru umoliwia ocen stanu racy rzekadni. Zastosowanie matematycznego modelu rzekadni ozwala na okrelenie niedostnych dla ukadu omiarowego arametrów srzenia ciernego omidzy cignem a koem rzekadni. Dziki moliwoci wyznaczenia takich arametrów srzenia ciernego jak kt olizgu, 4

9 PARAMETERS ANALYSIS OF FRICTION COUPLING BETWEEN BELT AND WHEEL... wsóczynnik obcienia oraz wsóczynnik rozwinicia tarcia mona oceni stan obcienia rzekadni. Informacja o stoniu obcienia rzekadni ozwala na tak regulacj si naoru osiowego kó rzekadni, która zmniejsza jej nadwyk. Prowadzi to do orawy wasnoci energetycznych jak i ekologicznych ukadu nadowego samochodu z bezstoniow rzekadni cignow. Przedstawiona w oracowaniu metoda oceny stanu racy rzekadni charakteryzuje si krótkim czasem oblicze i moe by zastosowana do symulacji i sterowania rzekadni. Podzikowania Praca naukowa finansowana ze rodków Komitetu Bada Naukowych w latach jako rojekt badawczy Literatura [1] Beccari, A. Cammalleri, M., Imlicit regulatiion for automotive variators, Proc Instn Mech Engrs 001 Vol 15, Part D, s [] Bieniek A., Danielczok A., Matematyczny model bezstoniowej rzekadni samochodowej VII Seminarium Naukowe Studentów i Modych Inynierów Mechaników, Posty w inynierii mechanicznej Gdask s [3] Bieniek, A., Jantos, J., Modelowanie samochodowej rzekadni cignowej Konmot- Autorogres 004 T1 s [4] Bieniek, A., Jantos, J., Ois matematyczny samochodowej rzekadni cignowej, X Midzynarodowa Konferencja Naukowa Badania symulacyjne w technice samochodowej Kazimierz Dolny 005, Teka Komisji Motoryzacji nr 9-30 s [5] Carbone, G., Mangialardi, L., CVT Behaviour in Sli Mode and Cree Mode Phases, CVT 00 Congress Munich, 7 th /8 th October 00, VDI-Berichte 1709, s [6] Ide, T., Tanaka, H., Contact force Distribution Between Pulley Sheave and Metal Pushing V-Belt, CVT 00 Congress Munich, 7 th /8 th October 00, VDI-Berichte 1709, s [7] Jantos, J., Zintegrowane sterowanie samochodowym, salinowym ukadem nadowym o rzeoeniu zmiennym w sosób cigy, Studia i monografie z. 141 Oole 003. [8] Renius, K. Th., Sauer, G., Otimale Ketteneinsannung stufenloser Umschlingungsgetriebe, 1996 Sonderforschungsbericht 365 Teilrojekt C1, s [9] Srnik, J. Pfeiffer F., Contact Mechanics of CVT Chain Drives, Proceedings of The Society of Engineering Science3nd Annual Meeting, New Orleans USA 1995, s [10] Witsch, A., Faust, H., Homm, M., Teubert, A., Reuschel, M., Lauinger, Ch., Entwicklungsotenziale für stufenlose Getriebe, Automobiltechnische Zeitschrift 7-8/003 s

10