Синтез кинематических схем планетарных коробок передач со сдвоенными сателлитами для перспективных гусеничных машин

Развитие конструкций автомобилей, тракторов и быстроходных гусеничных машин направлено на повышение их производительности, экономических и экологических показателей и улучшение условий труда водителя. Решение вышеуказанных задач непосредственно связано с совершенствованием конструкции их трансмиссий.

Трансмиссия транспортной машины представляет собой совокупность устройств, осуществляющих передачу мощности двигателя машины к ведущим колесам. Двигатель (в большинстве случаев двигатель внутреннего сгорания (ДВС)) имеет ограничения по диапазону изменения рабочих оборотов и величине крутящего момента, в то время как требуемый диапазон скоростей движения машины изменяется в широких пределах и требуемые моменты на ведущих колесах многократно превышают момент двигателя. Поэтому трансмиссия должна не просто передавать мощность, но и трансформировать при этом ее составляющие таким образом, чтобы сформировать необходимые тягово-скоростные качества машины. Необходимым элементом трансмиссии, позволяющим осуществить эти преобразования, является коробка передач. Чем больше число передач, тем более полно используется мощность двигателя, и при этом он работает в более узком диапазоне, что способствует повышению тягово-скоростных и топливно-экономических показателей. Но требование обеспечения простоты конструкции и массово-габаритных показателей накладывает ограничения на увеличения числа передач. Из бесчисленного количества возможных схемных решений обеспечивающих при выбранном двигателе и заданной массе машины, желаемые тягово-скоростные характеристики, конструктор должен отобрать и реализовать в конструкции один, наиболее полно удовлетворяющий совокупности таких показателей как высокий коэффициент полезного действия (КПД), минимальные габариты и масса, надежность и долговечность, технологичность изготовления, простота обслуживания, низкая стоимость. Решение этой задачи достигается на стадии схемного проектирования трансмиссии, включающего в себя выбор типа и разработку кинематической схемы трансмиссии и отдельных ее частей. (В частности — коробки передач.).

Подбор силовой передачи, с учётом повышения её эффективности, имеет целью оптимизировать топливную экономичность машины путём определения наилучшей совокупности параметров силовой передачи [113], удовлетворяющих всем заданным требованиям. Повышение топливной экономичности сопряжено с усовершенствованием коробки передач.

На сегодняшний день существует множество типов и различных схем коробок перемены передач транспортных машин, каждой из которых присущи свои достоинства и недостатки. Коробки передач по способу изменения передаточного числа подразделяют на ступенчатые, бесступенчатые и комбинированные.

Ступенчатые коробки передач по числу ступеней переднего хода делятся на трех-, четырех-, пятии многоступенчатые, а по положению осей — на коробки передач с неподвижными осями валов с вращающимися осями валов (планетарные) и комбинированные. Коробки передач с неподвижными осями валов подразделяют на двух-, трехи многовальные. По способу управления коробки передач могут быть с автоматическим, полуавтоматическим, преселек-торным, командным и непосредственным управлением [20, 104, 127].

К коробкам передач предъявляют следующие требования:

• обеспечение необходимых динамических и экономических качеств транспортной машины путем правильного выбора передаточных чисел и числа передач;

• создание условий для возможности длительного отсоединения двигателя от трансмиссии при нейтральном положении;

• обеспечение простоты и удобства управления;

• создание условий для бесшумной работы;

• обеспечение высокого КПД.

Кроме того, к коробкам передач предъявляют требования, общие для. большинства механизмов машины, — надежность работы, простота обслуживания, малые габаритные размеры и масса, а также невысокая стоимость.

Ступенчатые коробки передач имеют высокий КПД и при передаче полной мощности Г| = 0,96 -ь 0,98. К числу важнейших факторов, оказывающих влияние на КПД ступенчатых коробок передач, относятся правильный выбор кинематической схемы, от которой зависит число пар зубчатых колес, находящихся в зацеплении при передаче момента (т.к. в зависимости от цепочки соединения на каждую зубчатую пару уходит 2% мощности) [1,104], а также частота вращения, передаваемая мощность, эффективность смазочной системы, точность изготовления зубчатых колес и деталей картера. Наибольшее распространение получили трех-и двухвальные коробки передач.

Увеличение числа ступеней приводит к повышению степени использования мощности двигателя, топливной экономичности, средней скорости движения и как результат — к повышению производительности транспортной машины, снижению себестоимости перевозок. С другой стороныувеличение числа передач усложняет и утяжеляет конструкцию коробки передачвозрастают ее размеры, стоимость, усложняется управление.

К достоинствам ступенчатых коробок передач можно отнести относительную простоту конструкции, изготовления и управленияпростота ремонта и обслуживания, высокая прочность и меньшая стоимость по сравнению с бесступенчатыми. Недостатками считаются меньшие возможности перед другими видами коробок передач по диапазону передаточных чисел, массе, габаритам, опасности перегрузки двигателя, сложности при выборе оптимального варианта управления машиной [5, 25, 31].

Главными преимуществами гидромеханических коробок передач является бесступенчатое изменение передаточного числа без разрыва потока мощности, достаточно высокая энергоёмкость, простота механической части конструкции, надёжность в работе, почти все их элементы практически не подвержены износу. Долговечность двигателя и силовой передачи вследствие этого значительно возрастает. Существенно упрощается и облегчается управление. Наличие гидротрансформатора в современной трансмиссии существенно повышает проходимость машины по слабым грунтам. В гидромеханической трансмиссии исключена возможность самопроизвольной остановки двигателя. Вследствие плавного разгона без разрыва в тяге. и демпфирующего действия главного элемента узла — гидротрансформатора — повышается комфортабельность машины. Основной недостаток — низкий КПД. В некоторой степени указанный недостаток исправляется возможностью эксплуатации двигателя на экономичных режимах, но такие недостатки, как большие габариты, масса и стоимость, рассчитанных на передачу полной мощности двигателя, остаётся. В настоящее время гидромеханическими коробками оборудуют 98% выпускаемых в США легковых автомобилей. Для Японии эта цифра равна 60%, для Германии — 30% [2, 9, 19,20, 36].

Из анализа развития конструкций зарубежных транспортных машин [118, 119] и их трансмиссий можно выделить определяющие тенденции роста числа объёмных гидропередач. В простейшем исполнении объёмная гидропередача (ГОП) представляет собой совокупность однотипных объёмных гидромашин: одного насоса и одного или нескольких гидродвигателей. Подобнаяпередача позволяет раздельно размещать на машине насос и гидродвигатели. Для большинства машин ГОП является наиболее перспективными среди других типов непрерывных передач, вследствие следующих её достоинств: имеют достаточно большой диапазон регулирования передаточного числа, обладают по сравнению с другими бесступенчатыми передачами небольшими габаритами и весом и могут передавать большие мощности. ГОП не являются саморегулируемыми и поэтому позволяют изменять передаточные отношения по любому выбранному закону, защищает двигатель от перегрузок.

К недостаткам ГОП можно отнести следующие: более низкий ••¦ КПД по сравнению с другими видами трансмиссий (КПД серийных ГОП составляет 0,7 н-0,85), большие габариты и вес при малых давлениях (10 — 15 МПа) и трудность уплотнения при больших давлениях (28 — 35 МПа), высокая стоимость и сложность производства [90, 104].

В трансмиссиях транспортных машин применяются электрические и электромеханические передачи. В простейшем электроприводе в качестве электромашин используется генератор и электродвигатель. Электромеханические передачи имеют следующие преимущества: высокий коэффициент приспособляемости, достигающий 4−5, в то время как для асинхронного электродвигателя переменного тока он не превышает 2,5, для газовой турбины — 2,5, а для поршневого ДВС — 1,3- простыми средствами осуществляется плавный пуск (трога-ние машины с места) — реверсирование, использование электродвигателя в качестве тормоза-замедлителя, а также дистанционное питание и управление.

Наряду с этими" положительными особенностями электропередаче присущи значительные недостатки: большие размеры и масса, необходимость для изготовления дорогостоящих материалов (медь), низкий КПД, который даже на оптимальных режимах не превышает 75%. Областью применения элекропере-дач являются многоприводные транспортные машины и многозвенные автопоезда с активными прицепами. В этих случаях электропередачи сравнимы с механическими и объемными гидропередачами [20, 25, 115].

Из механических коробок передач наиболее перспективными являютсяпланетарные коробки передач (ПКП). Они обладают меньшими габаритами и массой при том, что значительно увеличивают диапазон передаточных чисел, высокий КПД передачи при отсутствии в? ней циркулирующей мощности. Переключение передач в ПКП осуществляется с помощью фрикционов и тормозов, что даёт возможность переключать передачи без разрыва потока мощности, подводимой к ведущим колёсам, и легко автоматизировать управление. Срок службы и бесшумность работы планетарной передачи при одинаковых условиях выше, чем у коробки передач с неподвижными валами, вследствие менее напряжённой работы зубчатых колёс. К недостаткам планетарных передач следует отнести сложность их изготовления и сборки, а также потери на трение в выключенных фрикционах и тормозах, которые заметно снижают, КПД передачи.

Анализ тенденций развития трансмиссий показывает, что на абсолютном большинстве современных и перспективных транспортных машинах применяются гидромеханические коробки передач основу которых составляет планетарная коробка передач. По-видимому, такое положение сохраниться ещё длительное время, пока не будут существенно улучшены характеристики бесступенчатых трансмиссий. Таким образом, исходя из сложившихся в машиностроении традиционных конструкторских решений и учитывая перспективы их развития, первым шагом решения поставленной задачи является оптимальное управление режимами работы двигателя путём переключения передач трансмиссии и изменения скоростного режима двигателя.

Проектированию планетарных коробок передач для транспортных машин посвящена обширная учебная, научная и справочная литература, но проектирование ПКП на практике встречает затруднения уже на стадии выбора вида ПКП из-за отсутствия системы критериев оценки преимуществ и недостатков одного вида перед другими, а также из-за отсутствия современного метода синтеза одного из наиболее перспективных видов — ПКП на основе сложного планетарного механизма (СПМ) (планетарной передачи с двойным сателлитом, у которого число задействованных полюсов зацепления больше двух). Проблема состоит в том, что для заданных передаточных чисел (полученных после выполнения тягового расчёта машины) можно построить большое многообразие схем планетарных коробок передач. При этом эти схемы будут существенно отличаться между собой по сложности, величине КПД и целому ряду показателей, влияющих на технический уровень вновь разрабатываемой конструкции. Проектирование любого механизма начинается с проектирования его схемы. Последующие расчеты на прочность, конструктивное оформление звеньев и кинематических парвыбор материалов и другие этапы проектирования, как правило, уже не могут существенно изменить основные свойства: механизма. При" проектировании схемы ПКП по заданным свойствам решается задача синтеза схемного решения. Не владея принципами проектирования ПКП практически, невозможно построить все возможные схемы, реализующие заданные передаточные числа, и тем более выбрать из всего многообразия существующих схем наиболее рациональную.

Таким образом, разработка современных методов синтеза кинематических схем и исследования возможностей планетарных коробок передач со сдвоенным сателлитом для перспективных и существующих трансмиссий многоцелевых транспортных машин является актуальной задачей.

В связи с изложенным, целью диссертационной работы является совершенствование конструктивных и повышение мощностных показателей агрегатов трансмиссии (коробки передач), достигаемых путем разработки новых методов синтеза и анализа схемных решений планетарных коробок передач со сдвоенным сателлитом для перспективных и существующих машин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— Разработаны методики синтеза кинематических схем ПКП со сдвоенным сателлитом. Методики позволяют оценить величину необходимой коррекции заданных передаточных чисел для возможности построения схемы ПКП.

— Разработаны математическая модель ПКП на основе сдвоенного сателлита в виде совокупности структурных формул и методика инженерного расчета КПД, кинематических и силовых характеристик передачи со сдвоенным сателлитом.

— Разработана программа синтеза кинематических схем ПКП на основе сложного пятизвенного механизма (СПМ), дающая возможность по заданной гамме передаточных чисел в автоматическом режиме осуществлять поиск рациональной схемы. Впервые предложена возможность существенно расширить диапазон варьирования внутренних передаточных чисел, вследствие чего возрастает вероятность попадания передаточных чисел необходимых для реализации в область существования определенных схемных решений.

— Сравнительный анализ наиболее распространенных разновидностей ПКП с новым видом ПКП на основе СПМ позволяет сделать предпочтение в отношении последнего, относительно массово-габаритных показателей и величине КПД.

Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемые методики синтеза позволяютво-первых, определить совокупность параметров схемы для ее структурной реализации, для исключения нерациональных схемных вариантов, с заведомо худшими кинематическими возможностями, во-вторых, разобрать функциональные схемы управления, в-третьих, методом моделирования подобрать наиболее приемлемую гамму передаточных чисел и оценить величину коррекции и работоспособность схемы на стадии проектирования. Это способствует сокращению времени и средств при разработке и испытаниях планетарных коробок передач.

Данная работа состоит из 4 глав, содержит 50 рисунков и 4 приложения.

В первой главе анализируется современное состояние вопроса, рассматриваются перспективы применения ступенчатых коробок передач в различных схемных вариантах. Особое значение уделено роли выбора схемы, перечисляются труды предшественников. Дается обоснование преимуществ и недостатков коробок передач (КП) с неподвижными осями, с различным расположением валовприводятся расчетные зависимости для определения передаточных чисел. Определяются максимальныедиапазоны и КПД КП. Приводится классификация ПКП, определяется цель и задача работы по совокупности известных требований и технических решений.

Во второй главе рассматривается сравнительный анализ видов планетарных коробок передач, в частности — видов планетарных рядов, входящих в состав коробок передач, а также приводятся вопросы синтеза ПКП с двумя и тремя степенями свободы по уравнениям кинематики, построение схемы ПКП аналитическим и графическим методом. Исследуется вопрос выбора схемного решения из большого числа возможных вариантов. Излагается методика назначения величины передаточных чисел ПКП и выбор числа передач, описан синтез ПКП с планетарным рядом на входе и выходе.

В третьей главе приводится разработка математической модели ПКП на основе СПМ. Целью исследований является оценка эффективности технических решений (в виде структурной схемы) для обеспечения совокупности требований к системе, из которых рассматриваются наиболее важные. Во-первых, в качестве динамической модели ПКП на основе СПМ рассматривается коробка передач состоящая из пяти звеньев и имеющая в своем составе сдвоенный сателлит. В качестве независимых целевых функций выступают заданные передаточные числа, получаемые в результате решения системы уравнений, представляющих собой аналитические зависимости кинематики движения. Наиболее полно возможности ПКП рассматриваются при структурном синтезе СПМ. Во-вторых, приводится номографический метод синтеза схемы ПКПНомограммы — области существования > ПКП на основе СПМ. В третьих, исследуется графический метод синтеза ПКП на основе СПМ, суть которого заключается в использовании плана линейных скоростей, который строится по заданным передаточным числам. Приводится методика инженерного расчета КПД, кинематических и силовых характеристик передачи со сдвоенным сателлитом. Вчетвертых, излагается программа синтеза кинематических схем ПКП на основе СПМПрограмма позволяет существенно расширить диапазонварьирования внутренних передаточных чисел.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям, проводимым с помощью программы синтеза схем ПКП на основе СПМ, суть которых состоит в возможности построения схемы реализующей заданные передаточные числа. Из полученных вариантов осуществляется выбор схемы с рациональными параметрами. Адекватность теоретических расчетов и аналитических зависимостей, используемых в алгоритме программы синтеза, была проверена решением этой же задачи графическим методом синтеза. Исследования имитационноймодели, ПКП (редукторная часть домкрата установки РСД-10) подтвердили справедливость теоретических предпосылок представленных в методике определения КПД ПКП на основе СПМ. Относительная простота схемных решений ПКП со сдвоенным сателлитом обеспечивает простоту конструкций и малые габариты при высоком КПД.

Диссертация выполнена на кафедре «Автоматические установки» Волгоградского государственного технического университета и является частью исследований по проектированию и совершенствованию трансмиссий транспортных и тяговых машин, проводимых под руководством к.т.н., доцента В.Ф. Зуб-кова. В работе использованы идеи В. Ф. Зубкова. Автор выражает признательность научному руководителю, заведующему кафедрой «Автоматические установки», д.т.н., профессору В. М. Труханову за помощь, оказанную при выполнении настоящей работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Исследования, проведенные в представленной работе, позволили сравнить существующие методы синтеза схемных решений ПКП с разработанными и дополненными методами синтеза одного из перспективных видов ПКП на основе СПМ. Оценена возможность построения схемы с рациональными параметрами по заданной гамме передаточных чисел для разных видов ПКП.

2. Разработана инженерная методика расчета кинематических и силовых характеристик двухстепенных ПКП на основе СПМ по критериям внутренних передаточных чисел и по передаточной гамме чисел.

3. Разработана программа синтеза схем ПКП на основе СПМ, дающая возможность по заданной гамме передаточных чисел в автоматическом режиме осуществлять поиск рациональной схемы. Впервые предложена возможность существенно расширить диапазон варьирования внутренних передаточных чисел, вследствие чего возрастает вероятность попадания передаточных чисел необходимых для реализации в область существования определенных схемных решений. Расчет кинематических и силовых характеристик полученных вариантов проводится в инженерной методике.

4. Представлена методика расчета коэффициента полезного действия планетарных коробок передач со сдвоенным сателлитом. Особенностью расчета КПД для рассматриваемых планетарных коробок передач состоит в том, что аналитические выражения для передаточных чисел содержат параметры элементарных рядов, а работа планетарной коробки передач-происходит часто с использованием двухвенцовых рядов, внутренние передаточные числа которых (параметры), отличаются от внутренних передаточных чисел элементарных рядов.

5. На практике подтверждено, что возможности предложенного программного метода синтеза позволяют решать задачи из области современной проблематики выбора схем и определения предпочтительных возможных конструктивных решений при их разработке и модернизации. Адекватность математической модели программы синтеза установлена графическим методом синтеза ПКП на основе СПМ.

6. Полезность для практики выполненных теоретических и экспериментальных исследований несомненна, т.к. созданы различные методики и программа синтеза и расчета ПКП на основе СПМ, а также разработаны технические решения (в виде эскизных проектов ПКП), что отражено актами их внедрения на ведущем предприятии.

7. Результаты данной работы могут быть использованы при разработке и проектировании отдельных узлов трансмиссий (в частности коробки передач), позволяющих повысить тягово-скоростные и топливо-экономические показатели транспортного средства.