автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств фрикционных устройств механических трансмиссий лёгких гусеничных машин с большой удельной мощностью

005049892

Крыхтин Юрий Иванович

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФРИКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ МЕХАНИЧЕСКИХ ТРАНСМИССИЙ ЛЁГКИХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН С БОЛЬШОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ

05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

71 ФЕВ 2013

Волгоград-2013

005049892

Работа выполнена на кафедре «Автоматические установки» в Волгоградски государственном техническом университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Труханов Владимир Михайлович.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Тескер Ефим Иосифович доктор технических наук,, профессор, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Автомобиле-и тракторостроение», профессор;

Листопад Михаил Павлович, кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный аграрный университет, кафедра «Ремонт машин и технология конструкционных материалов», доцент.

ФГБОУ ВПО Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), г. Челябинск.

Защита диссертации состоится 1 марта 2013 г. в 12.00 на заседании диссертаци онного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническое университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государствен ного технического университета.

Автореферат разослан 31 января 2013 г.

Учёный секретарь ^ /

диссертационного совета [/>/—^ Ожогин Виктор Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Существенное влияние на подвижность и живучесть гусеничных машин (ГМ), наряду с высокой энерговооружённостью и совершенством системы подрессоривания, оказывают характеристики трансмиссии, которые во многом определяются совершенством фрикционных узлов. Муфты и тормоза сухого трения трансмиссий ГМ не обеспечивают межремонтного пробега без замены элементов трения.

Учитывая тенденции развития ГМ, связанные с увеличением масс и скоростей движения, проблема создания_высокоэффективных и надёжных остановочных тормозов приобретает всё большую актуальность. Не менее актуальна задача совершенствования фрикционных узлов сухого трения трансмиссий ГМ.

Повышение эксплуатационных свойств фрикционных устройств механических трансмиссий лёгких ГМ с большой удельной мощностью является актуальной задачей.

Целью исследования является повышение эксплуатационных свойств фрикционных устройств механических трансмиссий лёгких ГМ с большой удельной мощностью за счёт разработки и применения новых элементов трения.

Объекты исследования. Фрикционные устройства механических трансмиссий легких ГМ с большой удельной мощностью.

Задачи исследования:

1. Выбрать и обосновать применение и эксплуатацию новых фрикционных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами для комплекса дисковых и ленточных узлов сухого трения - главный фрикцион, бортовой фрикцион, ленточный тормоз, дисковый тормоз (ГФ, БФ, ЛТ,ДТ) механических трансмиссий лёгких и особо лёгких ГМ с большой удельной мощностью — свыше 30 л.с./тс, работающих в экстремальных условиях.

2. Разработать новые пары дисковых и ленточных узлов сухого трения (ГФ,БФ,ЛТ,ДТ) с повышенными эксплуатационными свойствами для этих тяжелонагруженных фрикционных узлов, работающих в широком диапазоне быстротечного изменения нагрузок, методики сравнительных стендовых и эксплуатационных испытаний новых фрикционных устройств.

3. Разработать математические модели, методы и методики расчёта эксплуатационных характеристик фрикционных элементов трансмиссии.

4. Разработать обоснованные рекомендации по выбору фрикционных пар с учётом возможностей производства материалов трения и их расчётной оценки.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Решена научно-техническая задача по оснащению фрикционных устройств сухого трения механических трансмиссий легких ГМ с большой удельной мощностью новыми спеченными материалами на железной основе типа СМК с повышенными эксплуатационными свойствами, средний ресурс эксплуатации которых увеличился в 2-3 раза.

2. Разработана математическая модель расчёта эксплуатационных характеристик комплекса фрикционных устройств - ГФ, БФ, ЛТ, ДТ, синхронизатор КП, механической трансмиссии ГМ.

3. Предложена методика учёта при расчетах тяговых характеристик ГМ с балансом мощности при повороте, результатов исследований на изделии нагруженности элементов трансмиссии, статистических данных эксплуатации по количеству и времени включения агрегатов для оценки влияния режимов нагружения элементов на эксплуатационные свойства фрикционных узлов трансмиссий лёгких ГМ с большой удельной мощностью

4. Разработана методика комплексной оценки режимов работы всех агрегатов трансмиссии одновременно на основе применения статистических данных эксплуатации по количеству и времени включений агрегатов.

5. Сформулированы математическая и физическая модели работы узлов сухого трения трансмиссии лёгкой ГМ с большой удельной мощностью и обоснована модель стендовых испытаний дисковых и ленточных устройств трансмиссии на одномассовом инерционном электростенде, проведены сравнительные стендовые испытания по определению зависимости

коэффициента трения от удельной мощности трения и зависимости износа от нарабоп устройств с новыми парами трения и выбор пар трения с улучшенными эксплуатационнь» свойствами с учётом комплексного критерия эксплуатационных свойств.

6. Разработана методика определения триботехнических характеристик двухдисково) остановочного тормоза (ОТ) при работе в условиях инерционного дизельного стенда постоянной массой - ротор с редуктором, при скоростях скольжения на фрикционном контакт до 65 м/с, и определены триботехнические характеристики пары СМК 80 -сталь 45Х и чугл СЧ18-36. ■ ' *

7. Предложена методика определения и исследования тепловой напряжённости детал« двухдискового ОТ на инерционном дизельном стенде на различных режимах с использование 72 термопар на четырёх деталях на разных уровнях, разных радиусах и в разных зонах г окружности поверхности трения и определены тепловые поля на нажимных дисках корпусных деталях ОТ, нагреваемых до 400° С.

8. Представлены методики оценки и расчёта долговечности новых фрикционнк устройств сухого трения по износу дисков, тормозных лент и барабанов в зависимости с параметров нагружения по результатам стендовых и эксплуатационных исптытаний.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1.Результаты исследований внедрены в тяжелонагруженных узлах сухого трения транс миссий легких ГМ с большой удельной мощностью с металлокерамическими материалами я основе железа типа СМК, с новыми парами трения.

2. Разработанные методики и методы стендовых исследований позволяют на практике высокой достоверностью и минимальными затратами определять требуемые характеристик пар трения в широком диапазоне изменения параметров нагружения.

Методология и методы исследования.

При анализе комплекса фрикционных устройств механической трансмиссии, режимов р; боты и нагруженности узлов трения использованы расчётно-теоретические методы, основанны на теоретической механике, дифференциального и интегрального исчисления, применялис прикладные методы вычислительной математики.

Режимы работы и нагруженность узлов сухого трения ГМ с большой удельной мощне стью определяются экспериментальной проверкой на серийном изделии с применением тензе метрирования и на основе применения статистических данных по количеству и времени вклк чения агрегатов.

При создании и исследовании свойств новых спеченных материалов использован мето сравнительных трибометрических испытаний на модельных образцах на машинах трения с от бором лучших для дальнейшей реализации в элементах трения узлов.

При опытно-конструкторских работах по созданию фрикционных устройств с новым элементами трения использован метод сравнительных испытаний и исследований эксплуатаци онных свойств устройств на стендах на натурных образцах в лабораторных условиях, прибли женных к реальной эксплуатации, по специальным методикам и в условиях полевой штатно эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель расчета эксплуатационных характеристик комплекса дисковы и ленточных фрикционных устройств, методика расчетной оценки их нагруженности.

2. Методика комплексной оценки режимов работы всех агрегатов трансмиссии ГМ одно временно на основе применения статистических данных эксплуатации по количеству и времен] включения агрегатов.

3. Методика проведения на машинах трения комплексных триботехнических испытан» новых материалов трения.

4. Методики определения триботехничесих характеристик и тепловой напряженности О' при работе в условиях инерционного дизельного стенда при скоростях скольжения на фрикци онном контакте до 65 м/с, выбор пар трения с повышенными эксплуатационными свойствами.

5. Методики оценки и расчета долговечности работы новых фрикционных устройств.

Апробация результатов работы. Отдельные результаты диссертации доложены на 10 научно-технических конференциях в регионах СССР, России и Беларуси и на научных конференциях Волгоградского государственного технического университета — 34(1997г.), 37(2000г), 38(2001 г), 39(2002 г) , 41 (2004г.), 46(2009г), 47(2010г.).

По научно-техническим конференциям оформлены 13 рефератов в сборниках.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано: 25 статей в отраслевых журналах, рекомендованная ВАК РФ, монография, 2 учебника для ВУЗов.

Результаты исследований, рекомендации по выбору материалов фрикционных пар, методики расчётной оценки износостойкости элементов новых пар трения использованы при разработке, доводке и модернизации:

1. Опытных фрикционных устройств ГМ массой 7-8 т (ГФ, БФ, JIT, синхронизатор КП);

2. Серийных дисковых ОТ ГМ массой 13+18 т;

3. Опытных дисковых ОТ изделий ВТ-130, ВТ-130К, ГМ массой 16+17 т ;

4. Фрикционных устройств семейства серийных машин на базе ГМ массой 14 т (ГФ, БФ, JIT), выпущена техническая документация на модернизацию трансмиссии, а также при создании технической документации на новые фрикционные порошковые материалы — разработаны предприятием совместно с ИПМ шесть ТУ.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, приложения и содержит стр., 103 таблицы, и 156 рисунков. Список литературы включает

124 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, дана краткая характеристика состояния проблемы, поставлена цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов исследований, приведены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе представлены анализ конструктивных особенностей комплекса фрикционных узлов сухого трения механических трансмиссий лёгких ГМ с большой удельной мощностью и оценка степени их влияния на эксплуатационные свойства трансмиссии.

Обобщен опыт создания механических трансмиссий легкой и особо легкой категории по массе быстроходных ГМ с большой удельной мощностью.

Для лёгких плавающих ГМ, в которых накладываются ограничения на массу, в выполненных конструкциях масса трансмиссий т-^ в зависимости от массы машины шм находится ориентировочно на прямой:

77!^= тк tg30°. (1)

Произведен анализ конструктивных особенностей 2-х вальных однопоточных и двухпоточных трансмиссий, а также многовальных трансмиссий и комплекса фрикционных устройств: главный фрикцион и синхронизатор КП, механизм поворота, остановочный тормоз — см. рис. 1, механических трансмиссий быстроходных легких ГМ с большой удельной мощностью с учетом кинематических, силовых и массовых показателей и изучены предъявляемые к ним требования, приведены характеристики трансмиссий.

Эти трансмиссии многофункциональные, имеют ограниченные габариты и массу, в узлах сухого трения применяются традиционные асбофрикционные, стальные, чугунные пары трения.

Рис. 1. Структурная схема однопоточной механической трансмиссии ГМ массой 7-8 т 1 - двигатель внутреннего сгорания; 2 - главный фрикцион; 3 - коробка перемены передач, двух-вальная, с синхронизаторами III -IV передач; 4 -механизм поворота - бортовой фрикцион; 5 - остановочный тормоз, ленточный; б - бортовая передача планетарная; 7 - ведущее колесо

По результатам опытной и штатной эксплуатации ГМ проведена оценка влияния фрикци о иных узлов сухого трения на эксплуатационные свойства трансмиссий легких ГМ и машины целом.

Долговечность фрикционных узлов определяется их конструкцией, материалами napi трения и режимами нагружения. Фрикционные пары оцениваются рядом показателей функцис нирования и надёжности (коэффициенты: трения покоя, трения скольжения, стабильности тре ния, износостойкость и тд.), значения которых существенно зависит от конструкций и нагрузок

Установлены критерии оценки эксплуатационных свойств узлов сухого трения лёгких ГЛ с большой удельной мощностью, их связь с определяющими нагрузочными факторами. Дл дисковых фрикционных устройств моменты трения скольжения и покоя при фактической пло щади контакта Aai определяются выражениями:

. X = при V ф 0, дя ф О

X = ЧаАаlMcpZ При V = 0, qa = COHSt' (2

где qa - удельное давление на поверхности трения, цск - коэффициент трения скольжения, ц0 -коэффициент трения покоя, Rc? - средний радиус трения, Z- число пар трения. Из формул (2) видно, что для ФУ с выбранными нагрузочными и геометрическими параметра ми моменты трения скольжения Мт и покоя Мто однозначно определяются соответствующим! значениями коэффициентов трения цС1! и ц0 и, следовательно, применяемыми фрикционным1 материалами. Материалы трения определяют и допустимый уровень давлений на рабочих по верхностях элементов.

При пластическом контакте жесткого шероховатого тела с гладким деформируемым те лом и сферической модели шероховатостей зависимость износа:

ЕНК„

(3

где 'уд ~ удельный износ деформируемого тела на пути трения dr, Е -относительное сближение

поверхностей, Нта!- наибольшая высота неровностей профиля, dr — средний диаметр пятна кон такта, пп - число циклов фрикционного взаимодействия, приводящих к разрушению деформи руемого объема, v - параметр кривой опорной поверхности.

Применяемые в настоящее время в трансмиссиях асбофрикционные, стальные и чугунньк фрикционные материалы сухого трения, работающие по стальному контртелу при большие скоростях скольжения и температурах, не отвечают современным требованиям по эффективности, долговечности и надежности фрикционных устройств ГМ с большой удельной мощностью.

Повышенные требования по подвижности, большая удельная мощность легких ГМ требуют нового подхода к разработке методических основ формирования требований к создании: и выбору новых фрикционных материалов с заранее заданными повышенными свойствами, новых фрикционных пар и использованию прогрессивных методов их оценки.

Показана необходимость проведения оценки и исследования режимов работы и нагру-женности фрикционных узлов и на основе этих исследований для всего комплекса фрикционных узлов - ГФ и синхронизатор КП, механизм поворота (МП), ОТ, дать рекомендации для создания новых фрикционных материалов и элементов сухого трения с повышенными свойствами для узлов трансмиссий ГМ с большой удельной мощностью, а также для оценки и выбора новых пар трения по комплексному критерию эксплуатационных свойств, охватывающему век совокупность определяющих показателей свойств.

Во второй главе дана оценка и проведены исследования режимов работы и нагруженно-сти узлов сухого трения ГМ с большой удельной мощностью.

Для оценки тяговых качеств ГМ с большой удельной мощностью и сравнения с другими машинами проведены расчеты тяговых характеристик с балансом мощности при повороте - зависимость динамического фактора /д от скорости машины V для равномерного прямолинейного движения и коэффициента потребной мощности f, от радиуса поворота R на горизонтальном участке пути нескольких легких ГМ массой 7...20 тс с различными механическими трансмиссиями, имеющими разные механизмы поворота.

Баланс мощности при повороте ГМ описывается уравнением ЛГД = ЛГ0 + ЛГТ + Л^, где Д, - мощность внешних сопротивлений; - мощность, потерянная на буксование в механизмах поворота; Л^™ - мощность, потерянная в трансмиссии; 7УД - мощность, потребная от двигателя.

СУ

Каждая из указанных мощностей (в л.с.) выражается через величину N = ^^, где в - вес ГМ,

Ко - скорость прямолинейного движения машины, Т1 - кпд машины при прямолинейном движении. Таким образом, /дДГ; Щ = М; К = }ТЫ\ Л^ = ЛрЛГ; /д> /о, /т, /п> - коэффициенты соответствующих мощностей.

Сила тяги Р, которая может быть получена при данной мощности двигателя Л'д и движении ГМ с данной скоростью К и определённым ускорением х будет:

V к

где г) - кпд ГМ, в - вес ГМ, 8 - коэффициент условного приращения массы ГМ.

Ускорение на первом этапе разгона ГМ (с момента трогания ГМ с места до окончания буксования ГФ) на г передаче:

(м,--/,с) или хи = -§-(р/дм,-/.).

¡к а„т а0

где р - коэффициент запаса ГФ, т - масса машины,/е - коэффициент суммарного сопротивления, Ра шах - максимальная сила тяги на данной передаче по сцеплению, /а шах - максимальная удельная сила тяги, 80 = 5.

Работа буксования ГФ на первом этапе разгона ГМ. Для расчёта тепловой напряжённости ГФ, а также для оценки износостойкости устройства можно определить работу буксования за время одного включения:

"И

ст„ в

1-

14Й-

РМ

(4)

Из формулы (4) следует, что работа буксования уменьшается: при увеличении коэффициента запаса фрикциона р, при уменьшении момента инерции двигателя при уменьшении суммарного сопротивления движению /с или увеличении удельной силы тяги тах, т.е. удельной мощности ГМ.

Увеличение общего передаточного числа г',, или уменьшение радиуса ведущего колеса Явк приводит к уменьшению работы буксования. Уменьшение кпд ГМ способствует увеличению работы буксования.

Разработана математическая модель расчета на ЭВМ эксплуатационных свойств комплекса фрикционных устройств механической трансмиссии ГМ. Произведен расчет устройств с серийными фрикционными материалами и определены условия их работы.

Приведены результаты экспериментальных исследований на изделии нагруженности элементов трансмиссии ГМ массой 7,2 т. с большой удельной мощностью и с серийными фрикционными элементами сухого трения на различных режимах работы, которые показывают необходимость повышения эксплуатационных свойств трансмиссий - при испытаниях крутящий момент МК на ведущей конической шестерне (ВКШ) КП при движении в тяговом режиме с полной нагрузкой ДВС достигает на III передаче при лд, = 1500 об/мин 180 кгс-м, при трогании с места на II передаче на горизонтальных участках местности и подъемах с помощью БФ - при быстром отпускании рычагов управления - 270 кгс-м при пдв = 2250 об/мин.

Для оценки и исследования режимов работы элементов трансмиссии предложено учитывать тяговые характеристики ГМ, результаты исследований на изделии нагруженности элементов трансмиссии, статистические данные эксплуатации по количеству и времени включения агрегатов трансмиссии.

Разработана методика комплексной оценки режимов работы всех агрегатов трансмиссии ГМ одновременно на основе применения статистических данных эксплуатации по количеству

и времени включения агрегатов.

Разработана и изготовлена конструкция устройства для сбора статистических данных эксплуатации по количеству и времени включения агрегатов - см. рис. 2, устанавливаемого в систему управления механической трансмиссии.

Рис. 2. Кинематическая схема привода включения микровыключателей коробок. Исходное положение (—), конечное положение (- - -), 1 - продольная тяга, 2 - вертикальная тяга, 3 - рычаг, 4 - плита, 5, 8 - шарниры, б - неподвижная ось, 7 - тяга, 9 - ползун, 10 - корпус коробки микровыключателей, 11 - микровыключатель, а- угол наклона тяги, а, Ь, с, оГ - конструктивные параметры, х - ход продольной тяги, у - перемещение ползуна, А, В, С, В - точки механизма в исходном положении,/*', В', С', £>'-точки механизма в конечном положении, ^ К, I, VМ -расчетныеточки.

Количество включений агрегатов трансмиссий ГМ при пробеговых испытаниях на сухой грунтовой дороге - см. табл. 1.

Ресурс машины, км Масса машины, т Удельная мощность машины, лс/тс Максимальная скорость машины, км/ч Скоростной диапазон двигателя Тип трансмиссии Количество переключений передач в КП на 1 км Количество поворотов на 1 км Количество полных торможений ОТ на 1 км

«<ЯР

10 000 7,2 33,3 61 1,65 Механ. с 4-х скоростной КП, с БФ и ЛТ сухого трения 1+1,5 0,3 0,83 0,2

16 000 18 23,3 69 1,64 Механ. с 5-ти ско-рост-ной КП, с 2-х поточными МП в масле, ДТ сухого трения. 1-2 0,55 1,4 0,2

ности комплекса фрикционных узлов сухого трения трансмиссии ГМ массой 7,2 т с учетом динамической модели движения ГМ на местности и статистической модели условий эксплуатации и проведен расчет на ЭВМ характеристик нагруженности комплекса фрикционных узлов с ме-таллокерамическими элементами.

Характеристики процессов трогания и переключения передач - см. табл. 2

Вид Пе- Фрикци- /« 'б. <7ч» йо, „„,,,

режима ре- онный с вт/см МПа Нм кНм

дача узел

Трогание машины с места II ГФ 0,167 2,34 123,5 0,243 1692,2 1,39

Переключение передач 1-И ГФ 0,08 0,788 35,2 0,170 90,7 1,40

режиме на входном валу трансмиссии.

Характеристика процесса поворота - см. табл. 3

Режим Фрикц. узел /=« Он, ° Дер, м 'б, с ли вт/см •7сР, МПа йо, Нм пив кНм

Поворот на II передаче /„ = 3,8 с угн= 17,1 км/ч Яф БФ 0,108 235 1,2 0,128 33,1 0,161 17,6 1,62

ОТ 0,965 56,3 0,205 114,0

Характеристика процесса торможения - см. табл. 4

__Таблица 4

Режим /с. <4. м/с Утн, км/ч Ртю км/ч 'б, с .Ууд, вт/см <7сР, МПа йо, Нм

Торможение ОТ 0,06 4 58,8 0 3,04 204,7 0,265 2433,6

на IV передаче 6 2,5 58,6 26,5 3,39 107,2 0,093 940,0

Выполнено формирование режимов работы трансмиссии ГМ массой 7,2 т с фрикционными металлокерамическими элементами сухого трения на стенде при имитации длительной эксплуатации ГМ.

Учитывая результаты расчетов и экспериментальных исследований серийных фрикционных узлов поставлена задача провести сравнительные испытания по определению коэффициентов трения и износных характеристик для различных материалов в пределах изменения параметров нагрузок в узлах трения ГМ.

В третьей главе исследования посвящены созданию новых спеченных материалов сухого трения для накладок и колодок узлов трансмиссий лёгких ГМ с большой удельной мощностью, разработке конструкций дисковых и ленточных фрикционных узлов трансмиссий с учётом характеристик новых материалов.

По техническим заданиям предприятия в Институте проблем материаловедения АН Украины совместно с предприятием были созданы методом прессования и спекания под давлением новые спеченные фрикционные материалы на железной основе типа СМК: СМК 80, СМК105, СМК 137, СМК137П, СМК249П, СМК 007, СМК 013 и др., с повышенными эксплуатационными свойствами для комплекса фрикционных узлов трансмиссий легких ГМ с большой удельной мощностью. Характеристики этих материалов приведены в исследовании.

Получены и представлены в исследовании характеристики альтернативного по условиям производства нового спеченного материала ФМК-79ДГП, изготовленного по прогрессивной технологии динамического горячего прессования (ДГП).

Разработана и апробирована методика проведения на модельных образцах на машинах трения МТ-68 комплексных триботехнических испытаний в условиях непрерывного трения новых материалов сухого трения типа СМК при скоростях скольжения до 30 м/с и удельных давлениях до 1,5 МПа.

Исследованы триботехнические свойства новых материалов сухого трения для фрикционных муфт трансмиссий легких ГМ, приводятся результаты испытаний. Лучшие результаты показали материалы СМК 137 и СМК 137П .

Изучены и исследованы особенности триботехнических свойств новых материалов сухого трения для дисковых и ленточных остановочных тормозов трансмиссий легких ГМ, приводятся результаты испытаний. Лучшие результаты показали материалы СМК 137 и МПФ 1005-1.

На базе серийных фрикционных устройств разработан комплекс конструкций дисковых и ленточных фрикционных узлов трансмиссий легких ГМ с большой удельной мощностью с учетом характеристик новых спеченных материалов сухого трения, их применения и минимальной доработки серийных конструкций (с серийными контртелами), приводятся характеристики новых фрикционных узлов.

Выбраны рациональные конструктивные элементы фрикционных устройств, в конструкциях заложены перспективные пары трения.

Определены коэффициенты трения срыва в ГФ, ЛТ, синхронизаторе КП с новыми фрикционными материалами на стендах по специально разработанным методикам на натурных образцах:

1. ГФ. Пара трения материал СМК 07 по стали - цср = 0,246

2. ЛТ. Пара трения материал СМК 013 по стали - цср = 0,266

3. Синхронизатор КП. Пара трения: напыленный состав 11Х18МВД по стали 20Х2НЧА -цср = 0,0705, напыленный состав на основе хромистых сталей по стали 20Х2НЧА - (1ср = 0,0617.

Поставлена задача исследовать характеристики новых материалов в разработанных фрикционных устройствах в стендовых условиях, разработать методы и методики их исследований, произвести выбор пар трения с улучшенными эксплуатационными свойствами.

В четвертой главе приведены результаты исследования свойств новых спеченных материалов в стендовых условиях на натурных образцах и выбора пар трения с улучшенными свойствами для фрикционных узлов трансмиссий лёгких ГМ с большой удельной мощностью.

Представлены математическая и физическая модели работы узлов сухого трения трансмиссии легкой ГМ с большой удельной мощностью.

Приведены условия адекватности процессов буксования узла в трансмиссии ГМ и на стенде, обоснована модель стендовых испытаний дисковых и ленточных устройств трансмиссии на одномассовом инерционном стенде - см. рис. 3.

J 2

СО j

)

м.

6)

Рис. 3. Элементарные приведенные динамические схемы систем, включающих тормоз (а) и муфту (б). М\, М2, Ji,

J-i-приведенные к ФУ крутящие моменты и моменты инерции; - фрикционные моменты; о)!, и>2 - угловые скорости вращения.

Разработаны и использованы стенды для экспериментальных исследований — электрические инерционные стенды для испытания фрикционных элементов.

Сравнительные испытания на инерции-онном электростенде по определению зависимости коэффициента трения от удельной мощности трения и зависимости износа от наработки (на функционирование и износостойкость) новых спеченных материалов, изготовленных: а) по традиционной технологии прессования и спекания под давлением - СМК80, СМК137, СМК 137П; б) по новой технологии динамического горячего прессования - ФМК-79ДГП, МКВ-50 ДТП; в) по новой технологии с использованием метода прокатки - МПФ 1005-0, МПФ 1005-1, и работающих со стальными контртелами на режимах ГФ, БФ, JIT, ДТ в новых фрикционных устройствах, показали, что новые спеченные материалы, новые фрикционные элементы и новые фрикционные устройства имеют высокие эксплуатационные показатели —см. рис. 4-6.

¡ООЛ^Мш3 Ы

J

I

Л

\ V

ха гя v BiW fti

• » M C) к 300 M9 MOM*

\

s k'

V

Рис. 4. Зависимость среднего за процесс буксования коэффициента трения ц от удельной мощности Л^д

для пар трения:

а-МПФ1005-0 — сталь 45Х; 6-МПФ1005-1 — сталь 45Х;; в - СМК137 —- сталь 45Х; г— СМК137П — сталь 45Х; 1,2- нижняя и верхняя границы измерения соответственно. Результаты сравнительных стендовых испытаний дисков трения с порошковыми материалами сухого трения в объёме, эквивалентном 4000 км пробега ГМ см. в табл. 5

Рис. 5. Зависимость среднего за процесс буксования коэффициента трения ц от удельной мощности трения NуД для пар трения сталь 45Х — фрикционный материал: а - ФМК-79 ДГП-П; б - ФМК-79 ДТП-1; в - МКВ-50А ДГП; г - СМК 137П при удельной работе трения 135 (•), 465 («) и 1030 (о) Дж/см2

и IX

3

Л '1

И

1 <

>

4

а) б)

Рис. 6. Зависимость среднего суммарного износа дисков тормоза Л от наработки, эквивалентной пробегу машины Ь, для пар трения:

а и б-пары трения, изготовленные по разным технологиям: а) 1 -МПФ 1005-0 — сталь 45Х; 2 - МПФ 1005-1 — сталь 45Х; 3 - СМК 137 - сталь 45Х; 4 - СМК 137П — сталь 45Х; б) Сталь 45Х — фрикционный материал СМК 137П (1); ФМК-79 ДГП-Н (2), ФМК-79 ДГП-1 (3); МКВ-50АДГП-1 (4)

Таблица 5.

Фрикционный материал Износ пары трения за пробег, мкм

1000 км 1000 км 1000 км 1000 км Суммарное значение за 4000км Среднее значение за 1000км

СМК 137П 155 355 216,5 278 1004,5 251

ФМК-79ДГП 227 230 251 192 904 226

Результаты испытаний тормозной ленты ОТ с асбофрикционными колодками на электростенде на режимах работы тяговой ГМ массой 8 т приведены в табл. 6.

Таблица 6.

Фрикционный Износ, мм (наиболее изнашиваемой колодки) Средняя интенсивность

материал 1000 цикл 2000 цикл 3000 цикл 4 ООО цикл изнашиваний а^ мкм/цикл

304-38 0,845 1,786 2,89 4,043 0,956

Ст 45Л 0,057 0,097 0,175 0,241 0,057

Средний коэффициент трения для ленты с колодками из материала 304-38 на базе 413 циклов составил 0,27+0,387, который с увеличением базы испытаний до 2145 циклов торможения увеличился и находился в дальнейшем в интервале 0,342+0,426 при коэффициенте стабильности момента трения 0,7+0,93. В диапазоне температур 50+300°С коэффициент трения составлял 0,27+0,426.

Сравнительные испытания ленточных тормозов с асбофрикционными колодками из материала фрител, колодками из спецчугуна и металлокерамическими колодками из материала СМК 107, СМК 137 на инерционном электростенде ИПМ ИС-1 при удельной работе трения 100 кгс'м/см2, начальной скорости торможения 50 м/с, удельном давлении 9 кгс/см2и стальном контртеле, показали преимущества металлокерамических колодок по износостойкости в 3...4 раза и по среднему значению коэффициента трения в 1,4 раза ( в сравнении с чугунными колодками).

Результаты испытаний тормозных лент на стенде ИС-1 см. в табл. 7.

Таблица 7.

ьс о 6 1 5 3 | II г" ¿с э"п В з Ё ^ г Ям § 5' Время торможения, с 2 я Износ, мкм/торм

Пара трения Число коле ленты л Г* 3 " § * ё § Работа тре) КГСМ Р г •Э 5 я Нач. скоро торможени м/с г а 1 ® 3 я и и е- §1 !§§«* й! ё * з § о. в О ч 8 9 « 3. § 5 5 я о- К О ? 2 ев о 2 Я о, о >» а м Фрикц. материала Контртела

Фрител-Сталь45 15 675 0,48 67500 100 50 390 0,88 8,55 0,28 2,9 34,5 . 19,4 -0,51

Спецчугун -Сталь 45 17 650 0,46 67500 104 50 322 0,34 11,4 0,18 6,2 17,0 13,1 +3,3

СМК 107— Сталь45 15 675 0,48 67500 100 50 370 0,72 9,0 0,25 3,2 31,3 4,9 -0,88

Разработан и изготовлен дизельный инерционный стенд с постоянной инерционной массой, перед которой установлен двухскоростной редуктор, для проведения комплексных испытаний тормозных устройств.

Разработана методика определения триботехнических характеристик ОТ при работе в условиях инерционного дизельного стенда при скоростях скольжения на фрикционном контакте до 65 м/с.

Для дискового ОТ с механическим приводом с серводействием в механизме типа «слёзки» при установке нажимного диска на упор и гидроусилением момент трения на валу тормоза (динамический) определялся по формуле:

УгЦГ-м^

'редЛ

(5)

5,8

ц-4,6 = 0,

(б)

где / - включённая передача в МПП, Ур - момент инерции ротора индукторного тормоза (инерционная масса); Е^ст - среднее значение замедления ротора индукторного тормоза при торможении на передаче в МПП, /РеД - передаточное число повышающего редуктора, т) - кпд повышающего редуктора, Мсопг - момент сопротивления МПП при свободном вращении ротора индукторного тормоза.

Приравнивая уравнения для определения осевого усилия, создаваемого рабочим давлением гидроцилиндра, передаваемого через шарики в «слезках», и осевого усилия, необходимого для создания тормозного момента с учетом серводействия упоров, передаваемого через шарики и подставляя численные значения получим:

(р-£Ар>900" 0,152 М^

где (р - ^ Др) - рабочее давление в полости гидроцилиндра с учетом потерь при различных давлениях на входе.

Подставляя соответствующие значения [р - Ар)и М-^, находим ц = цу.

Определены триботехнические характеристики ОТ с парой трения - спеченный материал СМК 80 по комбинированному контртелу - сталь 45Х и чугун СЧ 18-36.

Среднее значение коэффициента трения динамического получено при лабораторных испытаниях на дизельном инерционном стенде = 0,23...0,28. Среднее значение коэффициента трения срыва цср = 0,25.. .0,27.

Разработана методика определения и исследования тепловой напряженности дискового ОТ на инерционном дизельном стенде с использованием 72 термопар, установленных на 4-х деталях трения 2-х дискового ОТ на разных уровнях, разных радиусах и разных секторах нагрева детали. Определены тепловые поля на нажимных дисках и корпусных деталях ОТ, нагреваемых до 400°С- см. рис. 7.

На основе методики расчетной оценки комплексного критерия эксплуатационных свойств фрикционных пар и результатов стендовых испытаний произведен выбор пар трения с улучшенными эксплуатационными свойствами для дисковых и ленточных фрикционных узлов трансмиссий легких ГМ с большой удельной мощностью, которые рекомендованы для опытной

Рис. 7. Максимальные температуры на крышке тормоза.

При Рт = 8 кгс/см2 (<?= 1,36 кгс/см2) = 2400 об/мин после 1 = 9 торможения на разных передачах в МПП, — средний, — максимальный радиусы поверхности трения, а — угол расположения термопар, Гич - 100 °С. Торможения: 1,2, 3 - 1 передача, 7, 8,9 - III передача: а - поверхность трения; б - 1,5 мм от поверхности трения; в - 3 мм от поверхности трения А, мкм

проверки в условиях экспериментальной и штатной эксплуатации на изделиях - материалы СМК 80, СМК 137, СМК 137П, ФМК-79ДГП.

В пятой главе представлены результаты испытаний и исследований эксплуатационных свойств дисковых и ленточных фрикционных устройств механических трансмиссий лёгких ГМ с новыми спеченными материалами сухого трения в условиях опытной и штатной эксплуатации, выданы рекомендации по внедрению в производство фрикционных устройств с новыми спеченными материалами.

Приведены результаты испытаний разработанных фрикционных устройств с новыми материалами пар трения в пробегах на изделиях и исследованы их эксплуатационные свойства: функциональные, износные - см. рис 8-9, изменение геометрии трущихся деталей.

Определены путь и время торможения ГМ массой 7+18 т с металлоке-рамическими колодками и накладками в узлах с новьми материалами трения, которые показали их высокую эффективность и соответствие заданным требованиям.

Среднее значение одностороннего износа «А» на максимальном радиусе трения опытной тормозной накладки малогабаритного ОТ со спеченным фрикционным материалом изделия массой 13,2 т составил: СМК 80 - 0,001 мм; СМК 105 - 0,0046 мм; СМК 137 - 0,003 мм; СМК 137П - 0,003 мм; СМК 249П -0,0068 мм за одно полное торможение при движении ГМ с максимальными скоростями.

Износ «А» контртсл при работе со спеченными фрикционными материалами 0,001...0,003 мм за одно полное торможение.

Среднее значение двухстороннего износа 2«Ь> на максимальном радиусе трения опытной тормозной накладки дискового ОТ, работающего со скоростями скольжения до 100м/с, изделия массой 17т составил: СМК 80 - 0,0015 мм, спецчугун -0,009 мм, асбофрикционный материал 145-40-69 - 0, 04 мм за одно полное торможение при движении ГМ с максимальными скоростями. Существенных износов контртел, изменений геометрии трущихся деталей не обнаружено.

Разработана технология нанесения газотермических покрытий на конус синхронизатора КП, выбраны составы покрытий и исследованы их свойства.

л____.

А. < 1

1*0 167,5

180 К.ым = 190

Рис. 8. Зависимость среднего значения одностороннего износа поверхностей дисков трения ГФ с накладками со спеченным фрикционным материалом при работе по стали всухую и максимального одностороннего износа поверхности диска ведущего из стали 65Г при работе всухую с дисками трения с накладками со спеченным фрнкциопным материалом = 47,8 м/с, дт11Х = 0,15 МПа) от радиуса трения К: 1,2- диски трения с материалом СМК 07, пробный комитет- накладок, после пробега изделия в 9580 км пути; 3, 1 - диски трения с материалом СМК-07, основной ком-шект накладок, после пробега изделия в 5700 км пути; 5, > - ведущий диск после пробега изделия в 9580 км и 5700 :м пути соответственно

ь,

ш

юоо

500

\ л Л /

V \ / «

14 15

Рис. 9. Зависимость величины среднего износа А поверхности колодок тормозных лент со спеченным фрикционным материалом СМК 013 при работе по стали Ст. 5 от угла обхвата лентой барабана а, пробег изделия 3600 км пути; К™* =73 м/с, =0,853 МПа, =0,134 МПа; Л-левая, П - правая ленты; 1 - 17тормозиые колодки, 1 - сбегающий конец тормозной ленты

Показаны результаты эксплуатационных испытаний на изделиях массой 7-8 т синхронизаторов КП, работающих при переключении передач совместно с ГФ, в которых применяются на рабочих поверхностях конуса синхронизатора, работающего по стальному контртелу - сталь 20Х2НЧА, НИС > 58, газотермические покрытия: стальные - сталь 40X13, сталь 11Х18МВД, бронзовые БрАЖ9-4 (57С); молибденовые - Мо. наносимые методом плазменного напыления на рабочие поверхности. Лучшие результаты получены с покрытием 40X13, при пробеге ГМ 6000-40000 км износ поверхностей

трения 0,2-Ю,24 мм.

Представлены методики оценки и расчёты долговечности работы фрикционных устройств сухого трения по износу дисков, тормозных лент и барабанов, результаты расчёта показателей эксплуатационных свойств, в первую очередь долговечности, в новых дисковых и ленточных элементах трения фрикционных материалов на основе железа в зависимости от параметров нагружения.

При работе всухую дисков с накладками из металлокерамики МКВ-50А по сопряжённые стальным дискам износ одной пары трения за одно включение выражается зависимостью:

=0,8-10'2К,КгА1аЩ^, мкм,

(7

где Луд и Л^.д ср - удельная работа трения и средняя за процесс буксования удельная мощност! трения, Кс - коэффициент, учитывающий материал поверхности трения диска, сопряжённого ( металлокерамическими дисками; Кг - коэффициент, учитывающий геометрические размерь поверхности трения и способ крепления металлокерамических накладок к стальной основе.

При работе всухую тормозных лент с колодками из металлокерамики типа СМК 80, МКВ 50А и др. по стальному барабану износ пары трения: каждая колодка-тормозной барабан, за од но включение можно выразить зависимостью:

Ь„=/{аКсКгАуХ*Л мкм, (8.

где а, Ь, Кс, Кг - опытные коэффициенты, определяемые на стенде. Кс - коэффициент, учиты ваюхций материал контртела, Кг - коэффициент, учитывающий геометрические размеры поверх ностей трения и способ крепления металлокерамических колодок к ленте.

Для повышения долговечности и надёжности работы трансмиссии рационально« сочетание фрикционных материалов и режимов нагружения, установленное на основ! известной методики и полученных на стенде и в пробегах изделий экспериментальных данных обеспечивается применением в комплексе узлов сухого трения ГМ следующих пар трения пр! уровне удельной работы трения и максимальной скорости скольжения:

Для ГМ массой 7,2 т

1. ГФ: СМК 137, СМК 137П, СМК 07, СМК 013 - сталь 40Х, сталь 45Х, сталь 65Г ЛуЛ = 4-12 кгс-м/см2, Кгаах = 45 м/с.

2. БФ: СМК 137, СМК 137П - сталь 65Г: Ауд = 0,4+2кгс-м/см2, = 70 м/с

3. ЛТ (0325 мм): СМК 137, СМК 137П, СМК 013 - сталь Ст5;Луд = 105-110кгс-м/см2, Ктах = 75 м/с

Для ГМ массой 13 + 18т - дисковый тормоз:

1. 0330 мм: СМК 137, СМК 137П, ФМК-79ДГП - сталь 45Х, сталь 35Л; Ауд = 82-85 кгс-м/см' ^тах = 60 М/С.

2. 0370 мм: СМК 80 - сталь 45Х, сталь 35Л; Ауд = 90 - 95кгс-м, Утех = 96-100 м/с.

Для фрикционных плоских накладок рекомендуется выполнять стальные каркасы с плавающим креплением толщиной 2мм при толщине металлокерамики 2-3 мм, для фрикционных криволинейных колодок каркасы толщиной 3 мм при толщине металлокерамики 5 мм.

В синхронизаторе КП перспективно применять на рабочих поверхностях конуса синхронизатора при работе по стальному контртелу газотермические покрытия - стальные, бронзовые, молибденовые, наносимые методом плазменного напыления на рабочие поверхности, с целью улучшения технологии изготовления детали и повышения долговечности и надежности узла.

Даны рекомендации по использованию новых спеченных фрикционных материалов СМК80, СМК 137, СМК 137П, ФМК-79ДГП и др. в высокоэффективных, малогабаритных и надёжных фрикционных устройствах трансмиссии лёгких ГМ с большой удельной мощностью и внедрению их в производство.

Использование новых фрикционных материалов СМК 80, СМК 137, СМК 137П, ФМК-79ДГП и др. позволяет решить проблему создания высокоэффективных, малогабаритных и надёжных фрикционных устройств различного назначения трансмиссий ГМ с большой удельной мощностью, средний ресурс эксплуатации которых увеличивается в 2+3 раза в сравнении с серийными конструкциями.

Разработанные конструкции новых фрикционных элементов дают возможность создавать и модернизировать узлы трения для повышения эксплуатационных свойств с минимальными доработками серийных узлов.

Предложен альтернативно, как дублирующий, высокопроизводительный способ изготовления новых порошковых накладок и колодок сухого трения с использованием динамического горячего прессования (ДГП) вместо традиционного метода прессования и спекания под давлением, приведены физико-механические и триботехнические свойства материалов, изготовленных методом ДГП, а также нормы расхода основных материалов для их изготовления из шихты ФМК-79 ДГП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Для оценки и исследования режимов работы элементов трансмиссии предложено учитывать тяговые характеристики ГМ с балансом мощности при повороте, результаты исследований на изделии нагруженности элементов трансмиссии, статистические данные эксплуатации по количеству и времени включений агрегатов трансмиссии.

2. Разработана методика комплексной оценки режимов работы всех агрегатов трансмиссии ГМ одновременно на основе применения статистических данных эксплуатации по количеству и времени включений агрегатов и разработана конструкция устройства для сбора статистических данных эксплуатации, получены данные по эксплуатации.

3. Созданы и исследованы новые спеченные фрикционные материалы на железной основе типа СМК: СМК 80, СМК 105, СМК 137, СМК 137П, СМК 249П, СМК 007, СМК 013 и другие с повышенными эксплуатационными свойствами для различных узлов трансмиссий лёгких ГМ с большой удельной мощностью.

4. Разработаны математическая и физическая модели работы узлов сухого трения трансмиссии лёгкой ГМ с большой удельной мощностью и обоснована модель стендовых испытаний дисковых и ленточных узлов сухого трения трансмиссий на одномассовом инерционном электростенде. Разработаны и использованы стенды для экспериментальных исследований (дизельный и электрический инерционные стенды для испытаний фрикционных элементов).

5. Разработаны методики определения триботехнических характеристик и тепловой напряженности двухдискового ОТ на дизельном инерционном стенде.

6. Проведенные сравнительные стендовые и эксплуатационные испытания на функционирование и износостойкость новых спеченных материалов сухого трения с серийными контртелами в новых дисковых и ленточных устройствах различного назначения подтвердили высокие показатели этих устройств.

7. Для повышения долговечности и надёжности работы трансмиссии лёгкой ГМ с большой удельной мощностью установлено рациональное сочетание фрикционных материалов и режимов нагружения, обеспечивающее применение в комплексе узлов сухого трения

различного назначения трансмиссии ГМ пар трения с материалами типа СМК при соответствующем уровне удельной работы трения и максимальной скорости скольжения, приведенном в исследовании. 8. Разработаны новые фрикционные изделия по новой технологии ДГП с высокими эксплуатационными свойствами и новые газотермические покрытия для рабочих поверхностей конуса синхронизатора КП.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

В журналах, включённых в «Перечень российских рецензируемых научных журналов», рекомендованных ВАК РФ:

1. Шабалин A.B., Крыхтин Ю.И., Даниленко В.А., Колотило А.Д., Медюх P.M. Испытания конусных синхронизаторов с бронзовым и молибденовым газотермическим покрытием. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1992, №10, стр. 30-31.

2. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Испытания конусных синхронизаторов со стальными газотермическими фрикционными покрытиями. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1993, №7, стр. 28-32.

3. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Исследование триботехнических материалов сухого трения для остановочных тормозов трансмиссий гусеничных машин. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1993, №8, стр. 33-35.

4. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Триботехнические свойства материалов сухого трения для фрикционных муфт. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1993, №10, стр. 33-35, 38.

5. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Разработка и испытания главных фрикционов с металлокерамиче-скими дисками сухого трения. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1995, №5, стр. 24-28.

6. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Разработка бортовых фрикционов с металлокерамическими дисками сухого трения. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1995, №10, стр. 27-31.

7. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Ленточные тормоза с металлокерамическими колодками сухого трения: разработка и испытания. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1995, №11, стр. 15-20.

8. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Дисковые остановочные тормоза с металлокерамикой. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1997, №5. стр. 30-32.

9. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Испытания новых порошковых материалов. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1997, №8, стр. 32-33.

10. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Малогабаритные дисковые тормоза с металлокерамикой. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2000, №3, стр. 14-16.

11. Крыхтин Ю.И., Шабалин A.B. Новые порошковые материалы в дисках сухого трения остановочных тормозов. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1999, №10, стр. 40-43.

12. Труханов В.М., Крыхтин Ю.И., Патер А.И. Физические основы разработки фрикционных накладок сухого трения с использованием прокатки. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2008, №5, стр.2 6-31.

13. Труханов В.М., Крыхтин Ю.И Патер А.И.Повышение надёжности и износостойкости фрикционных накладок и колодок сухого трения путём совершенствования технологии изготовления. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2008, №8, стр. 16-20.

14. Труханов В.М., Крыхтин Ю.И., Патер А.И. Исследование надёжности и эксплуатационных характеристик фрикционных накладок сухого трения. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2008, №9, стр. 14-19.

15. Труханов В.М. Крыхтин Ю.И.Технологические основы разработки и изготовления заготовки конуса синхронизатора с бронзовым газотермическим покрытием для работы в масле в узлах трансмиссий транспортных машин. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2010, №8, стр. 12-17.

16. Труханов В.М. Крыхтин Ю.И. Физические основы разработки заготовки конуса синхронизатора с бронзовым газотермическим покрытием для работы в масле в узлах трансмиссий транспортных машин. Упрочняющие технологии и покрытия, 2011, №10, стр. 45-48.

В монографии

17. Труханов В.М., Зубков В.Ф., Крыхтин Ю.И., Желтобрюхов В.Ф. Трансмиссии гусеничных и колесных машин.- М.: Машиностроение, 2001, стр. 735.

Подписано в печать 3 ff. ff-f. 2013 г. Заказ № . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28, корп. 7.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ-РОСУ ДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИРГУНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201355117

Крыхтин Юрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФРИКЦИОННЫХ

УСТРОЙСТВ МЕХАНИЧЕСКИХ ТРАНСМИССИЙ ЛЁГКИХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН С БОЛЬШОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ

Специальность 05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Труханов В.М.

Волгоград 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КОМПЛЕКСА ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ СУХОГО ТРЕНИЯ И ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИХ ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ

СВОИСТВАМЕХАНИЧЕСКИХ ТРАНСМИССИИ ЛЕГКИХ ГМ С БОЛЬШОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ....................................................................................................................................................16

1 1 Конст ктивные особенности механических трансмиссий легких ГМ с большой сдельной мощностью и перспективы их развития 16

1 2 констру ктивные особенности фрикционных злов трансмиссий легких ГМ предъявляемые к ним требования 30

1 3 Оценка влияния фрикционных % злов о хого трения на эксплуатационные свойства трансмиссий легких ГМ и машины в целом 37

1 4 влияние ма1 ери алов i рения и режимов н а] ру жения злемен1ов н а экспл\ а1 ационныь свойс 1 в а фрикционных узлов 42

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ И РАСЧЕТ НАГРУЖЕННОСТИ УЗЛОВ СУХОГО ТРЕНИЯ ГМ С БОЛЬШОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ..............................................................................................53

2 1 Тяговые и динамические характеристики движения легких ГМ ^ловия работы фрикционных устройств ГМ 53 2 2 Оценка и исследования режимов раылы а1 ры аюв 1рансмиссии ГМ на основе применения статистических данных эксплу атации 87 2 3 Методологические основы расчетной оценки н агруженности злов сухого трения тр ансмиссии легкой ГМ и расчет характеристик нат женности комплекс а фрикционных злов с металлокерамическими элементами 108

2 4 формирование режимов работы трансмиссии с фрикционными металлокерамическими элементами о хого трения, н \ стенде при имитации длительной эксплл. атации гм 113

Выводы 115

ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НОВЫХ ДИСКОВЫХ И ЛЕНТОЧНЫХ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ С УЧЁТОМ ХАРАКТЕРИСТИК НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ............................117

3 1 Создание новых спечеппых фрикционных материалов о хого трения для ^ злов трансмиссий лёгких ГМ с большой сдельной мощностью 117 3 2 Методологические основы проведения на машинах трения триботехнических испытаний новых

м атери алов с\ хого трения методика проведения н а машин ах трения 1 риботехнических испытаний фрикционных м атери алов 123

3 3 Исследование триботехнических свойств новых материалов о'хого трения для фрикционных

фт трансмиссий лёгких ГМ 125

3 4 Из\"чение и исследование особенностей триботехнических свойств новых м атери алов сухого трения для дисковых и тенточных остановочных тормозов трансмиссий легких ГМ 129

3 5 Исследование и Разработка констт^ кций дисковых и ленточных фрикционных узлов трансмиссии легких ГМ с большой сдельной мощностью с \ четом x ар актеристик новых спеченных материалов о хого трения 131

Выводы 161

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НОВЫХ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТЕНДОВЫХ УСЛОВИЯХ НА НАТУРАЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ И ВЫБОР ПАР ТРЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ ТРАНСМИССИЙ ЛЁГКИХ ГМ С БОЛЬШОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ.........................................................................................................................163

4 1 формиров шие м \тем \тической и физической модели р уботы г злов сухого трения в трансмиссии легкой ГМ с большой удельной мощностью 163

4 2 Оьоснованиь модели с 1 ендовы\ испы i алий дисковых и лен 1 очных узлов о х01 о i рения трансмиссий, разработка стендов для экспериментальных исследований 165

4 3 Сравнительные стендовые испытания н а фу нкционирование и износостойкость новых

спеченных материалов о хого трения в дисковых и ленточных фрикционных устройствах 169

4 4 Определение и исследование на инерционном дизельном стенде триботехнических

характеристик пар трёния итрпловой напряженности ОТ с новым спеченным материалом сухого трения на накладках, работающих со скоростями скольжения до 100М/с 186

4 5 Методика расчетной оценки комплексного критерия эксплуатационных свойств фрикционных пар и ее использование в раыл1ё 200

4 6 Выбор пар трения с улучшенными эксплуатационными свойствами для дисковых и ленточных фрикционных у злов трансмиссий легких ГМ с большой vдeльh0й мощностью 203

ГЛАВА 5. ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФРИКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ С НОВЫМИ СПЕЧЕННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ В УСЛОВИЯХ ШТАТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ, МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ УСТРОЙСТВ ВЫДАЧА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВНЕДРЕНИЮ ИХ В ПРОИЗВОДСТВО..................................................................210

5 1 испытания и исследования эксплуатационных с войств фрикционных устройств с новыми спеченными материалами в условиях штатной эксплуатации 210 5 2 Методики оценки и расчёт долговечности работы фрикционных устройств с новыми спеченными матери алами су хого трения 248 5 3 Проверка методов расчетной оценки долговечности фрикционных у стройств и сопоставление

резу льтатов стендовых и эксплу атационных испытаний, корреляция результатов рекомендации по внедрению в производство фрикционных устройств с новыми спеченными материалами 253

5 4 Разработка нового порошкового материала прогрессивного технологического процесса и регл амент л промышленного изготовления н укладок и колодок методом дин уу1ического горячего прессования (ДТП) 256

ВЫВОДЫ 259

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..................................................................262

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................................................................266

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................................................................276

1 Износы деталей фрикционных устройств механической трансмиссии ГМ массой 7 2т после штатной эксплу атации 276

2 Расчет коушлекса фрикционных у стройств легкой ГМ массой 7 2т 283

3 Результаты экспериментальных исследований режимов работы лёгкой ГМ у|ассой 7 2т 296

4 Свойства новых спеченных м атери алов сухого трения тип а СМК для фрикционных у стройств транс У1иссий ГМ разработанных по техническим з аданияу) ОКБ ВгТЗ 300

5 Результаты триботехнических испытаний 302

6 Результаты определения тепловой напряженности ДТГМ м ассой 17т (графики тепловых полей на 4-х деталях ДТ) 307

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

____Развитие конструкций быстроходных гусеничных машин _(ЕМ)_направле- - ______

но на повышение их производительности, долговечности, надёжности, экономических и экологических показателей и улучшение условий труда водителя. Решение вышеуказанных задач непосредственно связано с совершенствованием конструкций их трансмиссий.

Трансмиссия транспортной ГМ представляет собой совокупность устройств, осуществляющих передачу мощности двигателя машины к ведущим колёсам гусеничного движителя. [66, 69, 70, 80, 81]

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, а требуемые моменты на ведущих колёсах гусеничного движителя многократно превышают моменты двигателя. Поэтому трансмиссия должна не просто передавать мощность, но и трансформировать при этом её составляющие таким образом, чтобы сформировать необходимые тягово-скоростные качества машины. [21]

Необходимым элементом трансмиссии, позволяющим осуществить эти преобразования является коробка передач (КП), имеющая на входе управляемую фрикционную муфту и устройство для переключения 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 увеличение 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 коэффициент полезного действия (КПД), минимальные габариты и масса, надёжность 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 её частей.

Подбор силовой-передачи-с учётом-повышения её-эффективности имеет* ---

целью оптимизировать топливную экономичность машины путём определения наилучшей совокупности параметров силовой передачи [75], удовлетворяющих всем заданным требованиям.

Повышение топливной экономичности сопряжено с усовершенствованием КП. На сегодняшний день существует множество типов и различных схем КП транспортных машин, каждой из которых присущи свои достоинства и недостатки. На лёгких ГМ применяются простые механические ступенчатые КП.

К достоинствам ступенчатых КП можно отнести: относительная простота конструкции, изготовления и управления; простота ремонта и обслуживания, высокая прочность и меньшая стоимость в сравнении с бесступенчатыми передачами.

Недостатками считаются меньшие возможности перед другими видами КП по диапазону изменения передаточных чисел, массе, габаритам, опасности перегрузки двигателя, сложности при выборе оптимального варианта управления машиной [3,12].

Из анализа развития конструкций зарубежных транспортных машин [82, 83] 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 несколько гидромоторов. Подобная передача позволяет раздельно размещать на машине гидронасос и гидромотор.

Для большинства машин ГОП является наиболее перспективными среди непрерывных передач вследствие следующих их достоинств: имеют достаточно большой диапазон регулирования передаточного числа, обладают по сравнению с другими бесступенчатыми передачами небольшими габаритами и массой и могут передавать большие мощности. ГОП не являются саморегулируемыми и поэтому позволяют изменять передаточные отношения по любому выбранному закону, защищают базовый двигатель от перегрузок.

К недостаткам ГОП можно отнести следующие: более низкий КПД по сравнению с другими видами трансмиссий ( КПД серийных ГОП составляет 0,7 - 0,85), большие габариты и массу при малых давлениях (10-15 МПа) и труд-

ность уплотнения при больших давлениях (28 - 35МПа), высокая стоимость и сложность производства [63, 66].

В совокупности с простой механической ступенчатой КП ГОП использу-

---- -ется во втором-потоке для обеспечения поворота-РМ-с-кинематическими-радиу-

сами поворота, что повышает среднюю скорость движения машины, упрощает и облегчает управление машиной при повороте.

Повышение подвижности быстроходных ГМ требует увеличения их максимальных и средних скоростей движения как передним, так и задним ходом, способности совершения быстрого маневра, а также высокой надёжности всех узлов и элементов шасси. [84]

Существенное влияние на подвижность и живучесть ГМ, наряду с высокой энергонасыщенностью и совершенством системы подрессоривания, оказывают характеристики трансмиссии, которые во многом определяются совершенством трансмиссионных фрикционных узлов.

A.A. Благонравовым, A.A. Дмитриевым, С.Е. Бурцевым и др. показано, что техническая средняя скорость ГМ, особенно на неустановившихся режимах движения, в значительной степени зависит от её тормозных свойств. Аналогичный вывод о влиянии функциональных свойств тормозов на техническую среднюю скорость также сделан B.C. Кожевниковым. Наряду с функциональными свойствами важную роль в обеспечении подвижности и живучести ГМ играют свойства, характеризующие надёжность фрикционных узлов.

Эксплуатационные свойства, охватывающие совокупность указанных свойств, совместно с объёмно-массовыми показателями фрикционных узлов определяют уровень совершенства их конструкций.

Узлы сухого трения трансмиссий ГМ, находящихся в эксплуатации, характеризуются недостаточно высокими эксплуатационными свойствами. Остановочные тормоза большей части ГМ, находящихся в эксплуатации, не обеспечивают их межремонтного пробега (без замены элементов трения) и требуемых замедлений быстроходных ГМ в процессе торможения.

При создании перспективных образцов ГМ с увеличенной массой и повышенной мощностью двигателя проблема разработки эффективных и надёжных ОТ становится ещё более острой. Недостаточно высокие эксплуатационные свойства ОТ, имеющихся в эксплуатации, всё возрастающая энергонагру-женность тормозов разрабатываемых быстроходных ГМ в сочетании с жёсткими ограничениями по объёмно-массовым показателям делают актуальными

исследования, направленные на создание эффективных и надёжных ОТ модернизируемых и вновь разрабатываемых ГМ.

Не менее актуальна задача повышения эксплуатационных свойств муфт сухого -трения-различного- назначения—трансмиссий ГМу находящихся~в экс~ плуатации. Как показывает многолетний опыт эксплуатации ГМ, а также статистические исследования отказов фрикционов этих машин, средняя наработка на отказ главных фрикционов с металлической парой сухого трения составляет менее половины межремонтного пробега при значительной дисперсии, свидетельствующей о достаточно высокой вероятности внезапного отказа даже при малой наработке фрикциона.

В настоящее время перед промышленностью стоит задача по модернизации трансмиссий транспортных ГМ с целью повышения их технических характеристик до современного уровня. При этом увеличение мощности двигателя и массы ГМ ещё более усложняет решение задачи обеспечения работоспособности трансмиссионных узлов без увеличения их габаритов.

Проблеме повышения надёжности узлов сухого трения посвящён ряд известных работ. А.Ф. Петрухиным собран и обобщен большой по объёму статистический материал по отказам ГФ ГМ со стальными парами сухого трения, проанализированы факторы, влияющие на работоспособность стальной пары трения, даны рекомендации по повышению долговечности ГФ с сохранением пары трения путём модернизации механизма включения.

М.А. Андреевым исследованы пути повышения работоспособности ГМ со стальными парами сухого трения и рекомендованы к использованию в их конструкции дисков трения с металлокерамикой на бронзовой основе и механизма плавности включения.

Наиболее полные и систематизированные исследования узлов сухого трения ГМ выполнены И.М. Зельцерманом, Д.М. Каминским и А.Д. Онопко. В работе [22] приведены экспериментальные данные по показателям эксплуатационных свойств различных металлических и асбополимерных пар трения, полученные при испытаниях модельных образцов, однако, отсутствуют рекомендации по обоснованному выбору фрикционных пар и методы расчетной оценки долговечности элементов трения.

Л.Р. Надирьянцем проведены исследования по повышению эксплуатационных свойств дисковых узлов сухого трения трансмиссий ГМ за счет рационального сочетания фрикционных материалов и режимов нагружения [20, 62],

разработаны методики оценки и выбора пар сухого трения для фрикционных элементов ГМ на базе предложенного комплексного критерия, а также методики оценки износостойкости пар сталь-металлокерамика на железной основе фрикционных элементов^сухого-трения -различного-назначения,—Получены и систематизированы лабораторные экспериментальные данные по показателям эксплуатационных свойств нескольких вариантов различных пар сухого трения в широком диапазоне изменения скоростей скольжения, нормальной нагрузки, удельной работы и мощности трения.

Обоснована предпочтительность применения пар сухого трения сталь-металлокерамика на железной основе и доказана неперспективность применения пар трения металл по металлу и сталь по асбополимеру для существующих, модернизируемых и перспективных ГМ.

Установлены параметрические зависимости характеристик пар трения с металлокерамикой на основе железа от трех или четырех нагрузочных факторов, а также функциональная связь между линейным износом и нагрузочными факторами с учетом физико- механических свойств и характеристи�