Метод прогнозирования технического ресурса инерционной гидродифференциальной автоматической передачи мобильных машин

Множество выпускаемых в настоящее время типов машин, различающихся между собой по назначению, например, дорожные, транспортные и др., является следствием большого разнообразия видов деятельности и потребности человека.

В автотракторостроении обычно применяется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Действительно, несмотря на его недостатки, до настоящего времени никакие другие двигатели не могут составить ему конкуренцию. Причиной этого является большая удельная мощность ДВС по сравнению с другими типами двигателей.

Характеристики ДВС далеки от оптимальных, а его мощностные и топ-ливно-экономические показатели существенно зависят от режима работы. В процессе движения нагрузка на двигатель зависит от скорости и ускорения транспортного средства, количества пассажиров и массы перевозимого груза, качества дорожного покрытия и других факторов. Для каких-либо заранее известных условий движения можно подобрать оптимальное передаточное число трансмиссии, при котором двигатель будет работать на желательном режиме. Однако, в процессе эксплуатации мобильных машин, условия движения все ^ время меняются, и требуется непрерывное изменение скоростного и силового факторов.

С этой целью в трансмиссии автомобиля или трактора необходимо иметь устройство, способное изменять её передаточное число, и таким образом, в случае необходимости преодоления повышенных сопротивлений движению повышать вращающий момент на ведущих колесах. Эту функцию и выполняет коробка передач.

Существует два принципиальных способа изменять передаточные числа трансмиссии при движении автомобиля — последовательный выбор дискретных А" значений передаточных чисел или бесступенчатое изменение передаточного числа трансмиссии в диапазоне от максимального до минимального.

Применение бесступенчатых передач п трансмиссии при автоматическом регулировании передаточных чисел является одним из средств дальнейшего повышения производительности и улучшения основных эксплуатационных качеств транспортных машин.

Накопленный опыт эксплуатации автоматических трансмиссий (главным образом гидромеханических) позволил сформулировать законодательные и эксплуатационные требования к автоматическим коробкам передач.

К эксплуатационным требованиям следует отнести экономическую эффективность применения, бесшумность в работе, возможность прямого замыкания для повышения коэффициента полезного действия трансмиссии, компактность, запуск двигателя буксировкой и т. д.

При оценке эффективности автоматических передач необходимо выявлять и социальные результаты. В этом плане автоматическая коробка передач обеспечивает значительное упрощение управления автомобилем, что ведет к уменьшению утомляемости водителя и повышает безопасность движения.

Автоматическая трансмиссия, обеспечивающая оптимальный режим работы двигателя, — важный фактор в вопросе экономного расхода топлива. Необходимо отметить, что применение автоматических бесступенчатых передач улучшает стабильность рабочих процессов двигателя и содействует снижению вредных примесей в выхлопных газах, снижению динамических нагрузок и повышает долговечность транспортного средства.

Из числа известных в настоящее время механических бесступенчатых передач инерционно-импульсные передачи могут считаться перспективными для применения в силовых приводах самоходных машин в силу ряда присущих им преимуществ таких, как автоматичность и бесступенчатость регулирования скорости и крутящего момента на ведущих колёсах машины в широком диапазоне при высоком коэффициенте полезного действия, возможность защиты двигателя от перегрузок, простота и удобство управления. В связи с этим, наблюдается постоянный интерес к использованию инерционного трансформатора вращающего момента (ИТВМ) в автоматических приводах различных машин. Потенциальные возможности таких передач, заложенные изначально фн-Y) зической сущностью происходящих процессов в ИТВМ, и малый опыт их применения в конструкциях колесных машин диктует актуальность и важность этой проблемы в перспективе как с научной, так и практической точки зрения.

Большой вклад в развитие теории и создание инерционно-импульсных передач внесли работы А. С. Антонова, М. Ф. Балжи, С. П. Баженова, А.А. Бла-гонравова, Г. Г. Васина, С. Н. Кожевникова, Н. К. Куликова, А. И. Леонова, В. Ф. Мальцева, В. А. Умняшкина.

Проведённые исследования касаются вопросов кинематики и динамики различных инерционных передач, отдельных узлов и их механизмов. Однако до сих пор эти передачи не получили широкого применения в промышленности по причине низкой надёжности выпрямителя инерционного момента, состоящего из двух механизмов свободного хода (МСХ). МСХ работают с большой частотой включения при больших динамических нагрузках, что предъявляет повышенные требования к их конструктивным и технологическим параметрам. Теоретически и экспериментально исследованы выпрямители момента различного принципа действия и конструктивного исполнения, в том числе роликовые, пластинчатые, микрохраповые, эксцентриково-клиновые с кинематической связью в виде кулисно-крестовой муфты и внутреннего зубчатого зацепления, ку-^ лайковые, пружинные.

Однако передачи такого типа не получили широкого применения в промышленности вследствие выхода из строя выпрямителя инерционного момента по причине износа и разрушения тел заклинивания механизмов свободного хода. С целью повышения надежности передачи разработаны оригинальные схемы гидродифференциального выпрямителя момента (пат. РФ № 1 028 924, 2 106 554 и др.) в конструкции которых, в качестве тела заклинивания, применена гидравлическая жидкость, а обе гидромашины закреплены стационарно благодаря использованию дифференциального ряда, что значительно упрощает конструкцию гидравлической арматуры. ^ Таким образом, введение гидравлических звеньев в конструкцию инерционного трансформатора в качестве элементов, передающих силовой поток, или служащих опорными звеньями при передаче последнего механическим путем переносит такую передачу в разряд гидромеханических. В связи с этим рассмотрено семейство объёмных гидромеханических передач с целью выявления наиболее рациональной конструкции автоматической бесступенчатой передачи. Проведён обзор работ Л. Ф. Андреева, Т. М. Башты, В. Л. Васильченко, Б.А. Гав-риленко, Ю. А. Данилова, ЮЛ. Кирилловского, Ю. Г. Колпакова, В. А. Петрова, К. Д. Шабанова.

В специальной и технической литературе приведены математические зависимости, позволяющие определить основные параметры гидромашины, рассчитать статическую характеристику клапанов, определить сопротивление гидросистемы, но получение заданных динамических свойств представляет определённые трудности. Эти свойства определяются моментом инерции вращающихся масс, связанных с ведущим валом гидромашины, зазорами между шестернями и стенками корпуса гидромашины, массой клапана, жёсткостью его пружины, законом увеличения открытия щели, рабочим давлением, присущими гидроаппарату силами демпфирования.

В различных гидросистемах, обладающих различными объёмами, длинами труб и характеристиками гидродвигателей, характеристики переходных процессов одного и того же гидроаппарата различны. Поэтому оценка применимости гидроаппарата для определённой гидросистемы или получение динамических характеристик вновь разрабатываемого гидроаппарата возможна только в результате исследования его поведения в условиях, близких к эксплуатационным либо экспериментальным путём, либо путём моделирования переходных процессов на ЭВМ.

Возможность применения инерционного гидродифференциального трансформатора вращающего момента в трансмиссии мобильной машины всецело зависит от обеспечения механизмом требуемого технического ресурса.

Цслыо работы является повышение технического ресурса инерционной гидродифференциальной передачи мобильных машин.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

— разработана обобщенная математическая модель инерционной бесступенчатой автоматической гидродифференциальной передачи с учетом утечек рабочей жидкости в гидро-МСХ;

— разработаны методы математического моделирования рабочего процесса ИГТВМ с учетом утечек рабочей жидкости по мере износа гидро-МСХ;

— на базе разработанных алгоритмов и программ методами математического моделирования проведены теоретические исследования влияния степени износа гидро-МСХ на рабочий процесс ИГТВМ;

— разработана методика и проведены экспериментальные исследования влияния степени износа гидро-МСХ на рабочий процесс ИГТВМ;

— выполнено сравнение результатов имитационного математического моделирования и экспериментальных исследований;

— разработана методика прогнозирования технического ресурса ИГТВМ, пригодная для использования как на стадии проектирования, так и для оценки долговечности выполненных конструкций.

Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие результаты, имеющие научную новизну, которые выносятся на защиту:

— обобщенная математическая модель ИГТВМ, отличающаяся от известных учетом утечек рабочей жидкости по зазорам силовых гидро-МСХ;

— методы математического моделирования рабочего процесса ИГТВМ, отличающиеся от известных учетом и моделированием утечек рабочей жидкости в гидро-МСХ по мере их износа;

— особенности динамических явлений механизмов переменной структуры с переменным моментом инерции и циклическим рабочим процессом с учетом износа силовых элементов гидро-МСХ;

— методика прогнозирования технического ресурса инерционного бесступенчатого автоматического гидродифференциального трансформатора вращающего момента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Наиболее подходящими, для использования в качестве МСХ, являются шестеренные гидромашины с конструктивно улучшенными узлами радиальной и торцевой герметизации. Объёмный КПД таких машин достигает значения 0,98, а механический — 0,94. В свою очередь, шестеренные гидромашины характеризует их конструктивная простота, малый вес и наименьшие габаритные размеры, при всех прочих равных условиях в сравнении с другими типами гидромашин.

2. Износ рабочих поверхностей шестеренного насоса приводит к росту внутренней утечки Qym рабочей жидкости, вследствие чего может нарушиться протекание рабочего процесса и произойти снижение КПД ИГТВМ.

3. Основные характеристики рабочей жидкости — вязкость, модуль упругости, а также максимальное рабочее давление должны выбираться исходя из конкретных условий эксплуатации. Однако, вязкость жидкости в любом случае не должна быть менее 80 мм /с, во избежание падения объемного КПД шестеренной гидромашины. Повышение вязкости ведет к увеличению момента сопротивления прокручиванию гидро-МСХ на холостом ходу.

4. Разработана обобщенная математическая модель, описывающая рабочий процесс инерционной бесступенчатой автоматической гидроднфференци-альной передачи, которая представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка с переменными коэффициентами, имеющих различный вид в каждом такте рабочего цикла ИГТВМ. Она позволяет графически представить характер движения звеньев передачи, изменение величины вращающих моментов, а также динамику корпусного и выходного гидро-МСХ, в зависимости от изменения величины радиального зазора шестеренной гидромашины.

5. В результате математического моделирования рабочего процесса инерционной передачи на ЭВМ исследовано влияние степени изношенности гидро-МСХ на основные характеристики ИГТВМ и величину общего КПД на разных режимах работы.

6. В результате экспериментальных исследований была установлена фактическая работоспособность ИГТВМ с разной степенью изношенности гидро-МСХ. По мере степени износа шестерен гидромашины общий КПД инерционной передачи падает и при достижении величины радиального зазора до значения 300.400 мкм составляет 60 — 53%. Замена гидро-МСХ целесообразна при значении радиального зазора 150—180 мкм, при КПД передачи не менее 75%.

7. Разработанная методика прогнозирования, использующая марковский процесс с кусочно-линейной апроксимацией, позволяет с достаточной степенью точности определить изменение радиального зазора шестеренного насоса во времени и определить работоспособность гидродифференциалыюго выпрямителя момента в тот или иной момент времени.

8. Анализ результатов прогнозирования технического ресурса гидродифференциалыюго выпрямителя момента свидетельствует о том, что при величине радиального зазора в пределах 110 — 150 мкм, технический ресурс транспортного средства со средней скоростью 14 м/с составит 200 — 300 тыс. км. пробега.

9. С целью повышения износостойкости шестерен гидромашин и, как следствие из этого, увеличения ресурса гидродифференциального выпрямителя момента, необходимо применять новые методы упрочняющей обработки рабочих поверхностей. В частности, применение лазерной закалки позволяет повысить микротвёрдость в зоне обработки с 650 — 800 до 850 — 1100 HV, при этом глубина упрочненной зоны достигает 200 мкм.

10. Расхождение теоретических и экспериментальных данных находится в пределах 8. 17%. Это даёт основание считать, что разработанная математическая модель достаточно полно описывает рабочий процесс инерционной передачи такого типа с учётом основных определяющих факторов.