SPIS TRESCI OD AUTORA...5 WYKAZ WANIEJSZYCH OZNACZE...8 1. INFORMACJE PODSTAWOWE O SKRZYNIACH AUTOMATYCZNYCH...10 1.1. Układ sterujcy zmian biegów...16 2. PRZYKŁADY ZASTOSOWA NAPDU HYDROKINETYCZNEGO...20 2.1. Napdy hydrokinetyczne firmy Voith...20 2.2. Skrzynie biegów Voith-DIWA...28 2.3. Automatyczne skrzynie biegów Zahnradfabrik...35 2.3.1. Właciwoci przekładni dla samochodów osobowych...36 2.3.2. Właciwoci przekładni dla samochodów ciarowych i autobusów...40 2.4. Układy napdowe czołgów...46 3. MODEL PRZEKŁADNI HYDROKINETYCZNEJ [43]...55 4. USTALONE STANY PRACY...72 4.1. Charakterystyki statyczne...72 4.2. Weryfikacja modelu przekładni hydrokinetycznej w stanach ustalonych...80 4.3. Optymalizacja parametrów geometrycznych przestrzeni roboczej...89 5. CHARAKTERYSTYKI DYNAMICZNE...100 5.1. Badania symulacyjne...100 5.2. Weryfikacja modelu w stanach nieustalonych...110 6. PODSTAWY PROCESU PRZEŁCZANIA PRZEŁOE...122 6.1. Podstawy doboru przełoe w stopniowej skrzyni biegów...122 6.2. Analiza kinematyczna i dynamiczna układu planetarnego...124 6.3. Podstawy procesu synchronizacji przy zmianie przełoe w konwencjonalnej skrzyni biegów...127 6.3.1. Model procesu załczania synchronizatora...131 6.4. Podstawy procesu przełczania przełoe w skrzyni automatycznej...137 7. STEROWANIE UKŁADU NAPDOWEGO Z AUTOMATYCZN SKRZYNI BIEGÓW...143 7.1. Sterownik silnika...145 7.2. Sterownik stopniowej skrzyni biegów...152 7.3. Wybrane parametry i algorytm sterowania automatycznej skrzyni biegów firmy ZF na przykładzie samochodów BMW...153 7.3.1. Sterowanie przekładni elektroniczno-hydrauliczne...158 7.3.2. Płynno przełcze...160 7.3.3. Parametry punktu przełczenia...161 7.3.4. Funkcje zabezpiecze...161 7.3.5. Funkcje diagnostyczne...163 7.3.6. Programy jazdy...164 7.3.7. Programy szczególne...165 7.3.8. Okres wymiany oleju zaleny od obcienia...166 7.4. Koncepcja sterowania przekładni automatycznej na przykładzie skrzyni W5A330/580 firmy MERCEDES-BENZ...166 7.4.1. Obróbka sygnałów, koncepcja bezpiecze stwa i diagnostyka...168 7.4.2. Logika, program i strategia przełcze...168 3
7.4.3. Predyspozycje kierowcy i stany jazdy...171 7.4.4. Wpływ otoczenia...173 7.4.5. Wymagania odnonie pojazdu i silnika...173 7.4.6. Wymagania przekładni...174 7.4.7. Sterowanie cinienia a jako przełcze...175 7.4.8. Sterowanie sprzgła blokujcego przekładni hydrokinetycznej...179 7.4.8. Układ sterowania od strony kierowcy...181 7.5. Automatyczna skrzynia biegów na przykładzie samochodów Porsche...183 7.6. Koncepcja unifikacji układów sterowania...189 8. DIAGNOSTYKA PRZEKADNI AUTOMATYCZNEJ...191 8.1. Przykładowy raport z analizy danych eksploatacyjnych...196 9. LITERATURA...199 10. PROGRAMY SYMULACYJNE... 203 AUTOMATIC GEARBOX. Basis of operation... 204 4
OD AUTORA Sprzeda samochodów osobowych ze skrzyniami automatycznymi w Europie ronie, jednak nie przekraczała 12% w 1995 r., co stanowiło wyran rónic w porównaniu z USA i Japoni, gdzie wartoci te wynosiły odpowiednio: 90% i 75% [34]. Niemniej te 12% oznaczało zapotrzebowanie na ponad milion skrzy rocznie, a w 2000 roku popyt ten zwikszył si dwukrotnie. W przypadku USA wie si to z tradycjami sigajcymi lat 40. XX w., opanowanych technologii i masowej produkcji, a wic wzgldnie niskimi kosztami. Przypadek Japonii tłumaczy si gstym ruchem ulicznym, w którym prowadzenie samochodu z samoczynnie zmieniajcym si przełoeniem jest duym ułatwieniem. Argument ten zmienił take sytuacj w Europie, gdzie dotychczasowa niech do automatów wizała si z powszechnym stosowaniem na naszym kontynencie silników o mniejszej mocy ni w USA, a wiksza sprawno układu konwencjonalnego pozwalała uzyska odpowiedni moc na kołach pojazdu. Zwikszenie mocy silników, rozwój mikroprocesorowych układów sterujcych, wzrost natenia ruchu w Europie oraz komfort jazdy sprzyjaj wzrostowi zastosowa skrzy automatycznych równie na naszym kontynencie. Naley zauway, e skrzynie automatyczne pod wzgldem budowy i moliwoci rónych algorytmów pracy nale do jednych z najbardziej skomplikowanych zespołów spotykanych w samochodach. Zawsze s bardziej skomplikowane ni o podobnej mocy i momencie skrzynie konwencjonalne, sterowane rcznie. Skrzynia automatyczna składa si z kilkuset czci w torze przenoszenia momentu i kilkuset czci w układzie sterowania. Prawie wszystkie s elementami mechaniki precyzyjnej, precyzyjnej hydrauliki siłowej i sterujcej, powinny by najwyszej jakoci i w idealnym stanie, aby unikn usterek czsto prowadzcych w konsekwencji do powanych problemów w ich działaniu. Sama diagnoza problemów wystpujcych w skrzyni biegów, pomimo wprowadzenia komputerowych układów sterujcych, monitorujcych prac i diagnozujcych usterki podczas eksploatacji skrzyni, jest do trudna, a naprawy i serwis wymagaj znacznej wiedzy, kultury technicznej i czsto specjalistycznego wyposaenia. Naley przy tym zachowa nieufno do informacji o "bezobsługowoci" skrzy automatycznych czy te doywotniej trwałoci rónych elementów i oleju. Skrzynia automatyczna jest układem mechanicznohydrauliczno-elektronicznym i kady jej element podlega zuyciu. Nowoci s skrzynie adaptacyjne, dostosowujce charakterystyk pracy do stylu jazdy uytkownika. Skrzynie te od 1989 roku s wykorzystywane w samochodach m.in. firmy Chrysler, w systemie Ultradrive. Celem tej publikacji jest przyblienie czytelnikowi podstaw do zrozumienia zasad działania złoonego mechanizmu mechatronicznego, jakim jest skrzynia automatyczna oraz wyposaenie w narzdzia pozwalajce na podjcie współpracy z inynierami o wskiej specjalnoci, by w efekcie opracowa poprawnie działajcy układ napdowy. Monografia swoim zakresem tematycznym obejmuje podstawowe informacje pomocne przy analizie działania, konstruowaniu i sterowaniu automatycznych skrzy biegów. Oryginalnymi elementami niniejszego opracowania s: Zweryfikowany, nieliniowy model przekładni hydrokinetycznej pozwalajcy okreli własnoci zarówno w stanach ustalonych, jak i nieustalonych oraz procedura okrelenia strat energii w przekładni w oparciu o badania stanowiskowe. Podstawowe zalenoci okrelajce kinematyk, rozkład momentów obrotowych oraz warunki konstrukcyjne złoonej przekładni planetarnej. Przedstawion metod mona 5
uproci do pojedynczego szeregu planetarnego bd rozszerzy dla przekładni wieloszeregowej. Model układu napdowego w ujciu automatyki, z którego wynikaj przepływy sygnałów midzy poszczególnymi członami (podzespołami) oraz moliwoci realizacji rónych koncepcji sterowa całym układem. Propozycja wielokryterialnej procedury optymalizacyjnej niezbdnej np. przy opracowywaniu konstrukcji przestrzeni roboczej przekładni hydrokinetycznej, czy te sterowaniu silnikiem spalinowym, z uwzgldnieniem rónorodnych parametrów, jak: zuycie paliwa i składniki szkodliwe spalin. Okrelenie obszaru pracy silnika spalinowego przez oddziaływanie zastosowanej przekładni: bezstopniowej (hydrokinetycznej, hydrostatycznej, elektrycznej, CVT) oraz stopniowej z uwzgldnieniem sterowania według rónych algorytmów, np. jazda ekonomiczna lub sportowa. Opis stanowiska do bada podzespołów układu napdowego zarówno o stałej, stopniowej, jak i zmiennej, bezstopniowej zmianie przełoenia. Na stanowisku zastosowano maszyny elektryczne: napdzajc i hamujc połczone wspóln szyn napicia DC, dziki czemu wykorzystano zjawisko mocy krcej w roboczym układzie napdowym, ograniczajc ilo energii z zewntrznej sieci elektrycznej do pokrycia strat wewntrznych, tj. do około 10% mocy uywanej w badaniach. Własne oprogramowanie, załczone do monografii, pozwalajce lepiej pozna i prawidłowo zaprojektowa automatyczn skrzyni biegów sterowan mikroprocesorowo. Mam nadziej, e przytoczone przykłady przyczyni si do podniesienia wartoci dydaktycznej tej pracy. Nowe technologie w sterowaniu mikroprocesorowym s podstaw rozwoju i cigle rozszerzaj jego funkcje, równie w przypadku skrzy automatycznych. Najwiksze korzyci dało przejcie od hardware u do software u przez: dopasowanie charakterystyk przełcze z mniejsz tolerancj do rónorodnych wymaga, wiksz liczb analizowanych i opracowywanych wielkoci, redukcj nakładów na urzdzenia sterujce i połczenia mechaniczne, podwyszenie komfortu przełcze dziki równoczesnemu wysterowaniu silnika na prac blisk biegowi jałowemu, podczas przełczania skrzyni biegów, wybór programu dla rónorodnych przypadków zastosowania, wikszy potencjał dalszego rozwoju. Podstaw powyszej wymienionych zada układu sterowania jest umiejtno budowy modeli dynamicznych podzespołów i układów napdowych oraz ich weryfikacja. Na ich podstawie mona opracowywa strategie sterowania ju na etapie powstawania prototypu. Std wydawało si właciwe, aby wieloletnie prace teoretyczne i dowiadczalne zostały zebrane w jednym opracowaniu, które moe okaza si pomocne dla inynierów i studentów interesujcych si podobn tematyk. W spisie literatury zamieszczono tylko najwaniejsze pozycje, dostpne w bibliotekach. Wikszo informacji to wynik prac własnych oraz licznych czstkowych publikacji naukowych, materiałów katalogowych i opracowa konferencyjnych. Szczególnie gorce podzikowanie pragn złoy Recenzentom ksiki, Panom: prof. zw. dr hab. Wacławowi Kollekowi, prof. dr hab. Andrzejowi Mrukowi oraz prof. zw. dr hab. Leonowi Prochowskiemu za bardzo wnikliwe i yczliwe recenzje wydawnicze oraz wskazanie rozwinicia pracy. Ich opinie miały znaczcy wpływ na treci zawarte w tej monografii. 6
Profesor Wacław Kollek zauwaył, e Praca obejmuje zagadnienia mało opisane w literaturze, wic ksika wypełnia literatur przedmiotu i w czasie gdy mechatronika rozwija si dynamicznie, jest to znakomity przyczynek do ilustracji mechatronicznego napdu i sterowania. Profesor Andrzej Mruk w swojej recenzji podkrelił, e niniejsza monografia jest pierwsz na rynku polskim pozycj ksikow, która tak szeroko omawia zagadnienia zwizane z budow i sterowaniem automatycznych skrzy biegów. Profesor Leon Prochowski stwierdził, e Automatyczne układy napdowe s na etapie intensywnego rozwoju, duej zmiennoci i w zasadzie dopiero zakrelaj moliwoci ich zastosowania. S to systemy i urzdzenia bdce rezultatem integracji urzdze mechanicznych i elektronicznych, uzupełnionych układami pneumatyki i hydrauliki oraz techniki komputerowej. Mam nadziej, e ksika ta pozwoli praktycznie wykorzysta zawarte w niej informacje. Z góry dzikuj za wszelkiego rodzaju uwagi i sugestie. Łód, marzec 2010 Autor 7