Известно, что первые самоходные транспортные средства приводились в движение за счет крутящего момента, развиваемого паровой машиной. Характеристика такой машины была близка к гиперболической и позволяла обойтись одной передачей в трансмиссии. С появлением двигателей внутреннего сгорания (ДВС), обладающих небольшим диапазоном изменения угловой скорости выходного вала и малым коэффициентом приспособляемости по моменту, возник вопрос о создании передачи, которая смогла бы обеспечить на движителе транспортного средства подобную характеристику, позволяющую максимально использовать мощность силовой установки. Такая передача должна быть бесступенчатой и обладать внешней характеристикой, близкой к гиперболической [44].
При создании бесступенчатых передач возникли сложности в обеспечении надежности и высокого значения КПД, что привело к поиску альтернативных решений. В качестве одного из таких решений широкое применение нашли механические ступенчатые коробки передач, которые достаточно просты в изготовлении, надежны и обладают КПД, близким к единице. Недостатком ступенчатых коробок передач является то, что они не позволяют реализовать всю мощность силовой установки при движении, что приводит к ухудшению динамических и топливно-экономических характеристик транспортных средств. Таким образом, пока в качестве силовой установки будет использоваться ДВС, идея создания надежной бесступенчатой трансмиссии, которая могла бы с успехом конкурировать со ступенчатой коробкой передач, будет чрезвычайно актуальной. Очевидно, что такая трансмиссия должна быть чисто механической, так как преобразование энергии из одного вида в другой всегда сопровождается потерями и не позволяет получить высокое значение КПД.
По принципу действия механические бесступенчатые передачи (БП) можно разделить на непрерывные и импульсные [12].
У непрерывных БП или, как их часто называют, фрикционных вариаторов на стационарных режимах скорости всех звеньев постоянны. Основным недостатком таких передач является наличие кинематического скольжения между рабочими поверхностями деталей при высоких контактных напряжениях. Так, например, при работе стальных поверхностей в масле коэффициент трения принимают равным 0,04−0,05 [29], следовательно, нормальные силы должны быть в 20−25 раз больше тангенциальных.
В импульсных БП скорости отдельных внутренних звеньев являются периодическими функциями времени. Благодаря этому свойству удается избавиться от главного недостатка непрерывных передач — наличия скольжения между рабочими телами под нагрузкой. Непременными составными элементами импульсных передач были механизмы свободного хода (МСХ). Чаще других применялись роликовые МСХ, которые показывали достаточную надежность при использовании в различных приводах в качестве обгонных муфт. Но при использовании в импульсных передачах МСХ любых конструкций оказывались элементами с наиболее низкой надежностью.
Для обеспечения надежности импульсной механической бесступенчатой передачи кроме механического выпрямителя также необходимо решить проблему больших динамических нагрузок.
На основании опыта многолетних исследований проф. A.A. Благонравовым была предложена кинематическая схема механической импульсной многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком (МБП) [9], в которой удалось обеспечить работу всех кинематических пар в условиях, аналогичных условиям их работы в ступенчатых коробках передач. Для таких условий расчетные методики обеспечения прочности и долговечности отработаны.
Для решения проблемы надежности МСХ было предложено использовать механические выпрямители нового типа — осевые выпрямители с дополнительными рабочими поверхностями [8].
Введение
упругих элементов в кинематическую цепь бесступенчатой передачи [9] позволило ограничить максимальные динамические нагрузки, но при этом значительно усложнился расчет ее внешней характеристики, в ходе которого приходится решать уравнения с интегралами, пределы которых зависят от выбранного режима. В выполненных расчетах [17] для получения решения в первом приближении использовалась упрощенная модель с гармоническим генератором колебаний. В этом случае изменение пределов интегрирования в зависимости от режима удавалось определить достаточно точно. Потом по рекомендациям [21−23] вводились поправки, учитывающие отличие кинематики эксцентрикового преобразователя, являющегося генератором колебаний в передаче [9], от генератора гармонических колебаний. Эти поправки вводились в виде коэффициентов к углу и угловой скорости. Дальнейшие исследования показали, что введение поправок не обеспечивает необходимой точности.
Существующие методики для расчета кинематики эксцентрикового преобразователя, например, [40], базируются в основном на графоаналитических методах, обладающих большой трудоемкостью и приводящих к значительным погрешностям при расчете аналогов скоростей и их производных из-за малого (не более 20) количества расчетных точек. Если при анализе конкретной конструкции такие методы применимы, то при синтезе, когда требуется рассмотреть несколько конструктивных вариантов, их использование затруднительно.
На основании кинематической схемы [9] под руководством проф. A.A. Благонравова был разработан проект экспериментальной многопоточной бесступенчатой передачи на мощность 195 л.с. При разработке этого проекта автором диссертационного исследования решались следующие задачи: задача синтеза параметров МБП по заданным требованиям к ее трансформирующим свойствамисследовалось взаимное влияние параметров элементов кинематической цепи МБП на ее внешнюю характеристикурассчитывалась характеристика совместной работы МБП с двигателем внутреннего сгорания, необходимая для тягового расчета проектируемого транспортного средства. Также решалась задача устранения ударных импульсов при перекладке зазоров в суммирующем редукторе МБП.
Особое внимание было уделено вопросу обоснования надежности осевых выпрямителей. Проведенные ранее испытания экспериментальной механической бесступенчатой передачи с такими выпрямителями показали, что они обладают хорошими техническими характеристиками [20]. В ходе этих испытаний ставилась задача исследования бесступенчатой трансмиссии в целом, а не самого рабочего процесса выпрямителей. Поэтому задача экспериментального исследования работы осевых механических выпрямителей в бесступенчатой передаче с целью обоснования их достаточной надежности осталась нерешенной.
Таким образом, целью диссертации является разработка методики выбора параметров механической многопоточной бесступенчатой передачи с точки зрения обеспечения требуемых трансформирующих свойств и с точки зрения обеспечения безотказности и долговечности как основных составляющих надежности.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
— разработка методики расчета уточненной внешней характеристики многопоточной механической бесступенчатой передачи с учетом особенностей кинематики реального эксцентрикового преобразователя;
— разработка методики расчета характеристики совместной работы двигателя внутреннего сгорания и многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком;
— разработка методики выбора параметров конструкции многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком и исследование влияния параметров отдельных элементов кинематической цепи на ее внешнюю характеристику;
— разработка методики расчета параметров устройства для устранения колебаний в суммирующем редукторе многопоточной бесступенчатой передачи;
— экспериментальное исследование динамики включения механического выпрямителя осевого типа с дополнительными рабочими поверхностями с целью решения вопроса о его надежности.
Расчет характеристик бесступенчатой передачи ведется методами векторной и аналитической механики [1, 25]. Кинематические зависимости для эксцентрикового преобразователя получены методом векторных контуров [3]. Методика выбора параметров многопоточной бесступенчатой передачи разработана на основе параметризованной модели ее конструкции с использованием компьютерного моделирования. Исследование процессов перекладки зазоров в суммирующем редукторе МБП проводилось с учетом положений теории удара [43].
В проводимом исследовании впервые получены уточненные внешние характеристики многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком при разной угловой скорости входного вала. Также получены характеристики совместной работы многопоточной бесступенчатой передачи и двигателя внутреннего сгорания при разном положении педали подачи топлива. Разработанная методика выбора параметров конструкции, в отличие от предложенного ранее метода проб и оценок [17], позволяет достаточно точно обеспечить заданную кинематику и трансформирующие свойства бесступенчатой передачи, при этом учитываются компоновочные ограничения реальной конструкции.
На основании впервые проведенных экспериментальных исследований динамики включения осевого выпрямителя с дополнительными рабочими поверхностями сделан вывод о его потенциальной надежности при работе в бесступенчатой передаче.
Разработанные методики могут быть использованы при проектировании многопоточной бесступенчатой передачи для транспортных средств. На их основе может быть выполнен расчет тяговой и топливно-экономической характеристик машины. На основе результатов экспериментальных исследований могут быть выбраны параметры осевых выпрямителей из условия обеспечения их надежности.
Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
— на Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2003» (Санкт-Петербург, 2003);
— на Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» (Курган, 2003) — на Международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (Волгоград, 2003);
— на Юбилейной XV Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва: ИМАШ РАН, 2003).
По результатам работы над диссертацией опубликовано 10 печатных работ [15, 16,48−55].
Работа является законченной. В результате ее выполнения были разработаны и реализованы в виде программ для ЭВМ конкретные расчетные методики, позволяющие разработать многопоточную бесступенчатую передачу практически для любого транспортного средства и обеспечить ее надежность.
На защиту выносятся:
— методика расчета уточненной внешней характеристики многопоточной механической бесступенчатой передачи и методика расчета характеристики совместной работы двигателя внутреннего сгорания и передачиметодика выбора параметров конструкции многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком;
— методика расчета колебаний в суммирующем редукторе многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком и методика расчета параметров устройства для устранения этих колебаний;
— результаты экспериментального исследования динамики включения механического выпрямителя осевого типа при работе на разных режимах в составе бесступенчатой передачи.
Основные положения диссертации изложены в пяти главах. В первой главе проведен анализ состояния вопроса и уточнены задачи исследования. Во второй главе приведена методика расчета уточненной внешней характеристики МБП и характеристики совместной работы с ДВС. Методика выбора параметров конструкции МБП изложена в третьей главе диссертации. Также здесь приведена методика расчета колебаний в суммирующем редукторе МБП и методика выбора параметров устройства для их устранения. Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию динамики включения осевого выпрямителя с дополнительными рабочими поверхностями. В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования динамики осевого выпрямителя и уточнена методика расчета внешней характеристики МБП с учетом зазора в выпрямителе.
Выводы.
В главе 5 диссертационной работы была поставлена цель экспериментального исследования. Приведено описание экспериментального стенда, его электрическая и кинематическая схемы. Проведенное сравнение экспериментальной записи, полученной при работе передачи под нагрузкой, и теоретических графиков подтвердило полученные ранее результаты теоретического исследования динамики осевого выпрямителя. На основании этого сравнения был сделан вывод, что даже при не разогретом масле и отсутствии люфтовыбирающей пружины передача работает нормально: заклинивание по дополнительным поверхностями осевого выпрямителя происходит мгновенно и буксования между ними под нагрузкой нет.
Сделанный в гл. 4 по результатам теоретического исследования динамики выпрямителя вывод о смещении момента заклинивания выпрямителя по сравнению с теоретическим из-за выборки зазора был подтвержден экспериментально. Анализ записей, сделанных при разной температуре масла в картере передачи, показал, что с ростом температуры условия выборки зазора улучшаются. При установке на выпрямитель люфтовыбирающих пружин удалось обеспечить предварительную выборку зазора даже при не разогретом масле. Время выборки зазора при этом значительно уменьшалось.
Для количественной оценки влияния времени выборки зазора на внешнюю характеристику многопоточной бесступенчатой передачи были составлены уточненные уравнения для определения углов заклинивания и расклинивания выпрямителей. С помощью этих уравнений была получена уточненная функция угла раскрытия эксцентриков и построены внешние характеристики передачи с учетом зазора в выпрямителе. Анализ этих характеристик показал, что наличие зазора в выпрямителе может привести к значительному снижению максимального передаточного отношения трансмиссии и момента на выходном валу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В процессе работы над диссертацией были получены следующие результаты:
— разработана и реализована в виде программного обеспечения (ПО) для ЭВМ методика расчета уточненной внешней характеристики многопоточной механической бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком с учетом особенностей кинематики эксцентрикового преобразователя;
— разработана и реализована в виде ПО для ЭВМ методика расчета характеристики совместной работы двигателя внутреннего сгорания и многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком;
— разработана и реализована в виде ПО для ЭВМ методика расчета колебаний в суммирующем редукторе многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком и методика расчета параметров устройства для устранения этих колебаний;
— разработана и реализована в виде ПО для ЭВМ методика выбора параметров конструкции многопоточной бесступенчатой передачи со свободным эксцентриком и исследовано влияние параметров отдельных элементов кинематической цепи на внешнюю характеристику передачитеоретически исследовано влияние зазоров в механическом выпрямителе осевого типа на внешнюю характеристику многопоточной бесступенчатой передачи;
— впервые экспериментально исследована динамика заклинивания осевого механического выпрямителя с дополнительными рабочими поверхностямиопределены граничные условия обеспечения самоторможения в таком выпрямителе;
— доказано отсутствие проскальзывания между дисками механического выпрямителя осевого типа под нагрузкой, что гарантирует долговечность и безотказность работы осевого выпрямителя в бесступенчатой передаче.
На основе разработанных в ходе исследований методик можно выбрать параметры многопоточной бесступенчатой передачи практически для любого транспортного средства. В качестве исходных данных для синтеза необходимы те же параметры, что и при расчете ступенчатых коробок передач. Расчетные методики реализованы в виде пакета программ для ЭВМ. С их помощью также можно по заданным параметрам конструкции рассчитать уточненную внешнюю характеристику бесступенчатой передачи и характеристику совместной работы двигателя и передачи.
На основе экспериментальных данных о работе механических выпрямителей нового типа — осевых с дополнительными рабочими поверхностями — было показано, что при выполнении условия самоторможения проскальзывание между дисками выпрямителя отсутствует. Следовательно, впервые получено доказательство возможности создания надежной механической бесступенчатой передачи. Некоторое уменьшение момента на выходном валу по сравнению с теоретическим значением, обнаруженное в ходе экспериментальных исследований, вызвано наличием зазоров в выпрямителе и может быть учтено при проектировании на основе предложенной уточненной расчетной модели.
