автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Динамическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором с учетом неидеальности ремня

На правах рукописи

Власенко Сергей Александрович

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ЛЕГКОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С АВТОМАТИЧЕСКИМ КЛИНОРЕМЕННЫМ ВАРИАТОРОМ С УЧЕТОМ НЕИДЕАЛЬНОСТИ

РЕМНЯ

Специальности: 05.05.03 — Колесные и гусеничные машины; 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С Л

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре «Детали машин и подъемно транспортные устройства» Московского государственного технического университета «МАМИ»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Баловнев Н. П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гулиа Н. В.;

кандидат технических наук, профессор Селифонов В. В.

Ведущее предприятие

ФГУП НИЦИАМТ

Защита диссертации состоится 19 октября 2006 г. в 16°° на заседании диссертационного совета Д212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023. г. Москва, ул. Б. Семеновская. 38. МГТУ «МАМИ». ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «14 » сентября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор С. В. Бахмутов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день особенно заметно повысился интерес потребителей к транспортным средствам с двигателями малой мощности и автоматическими клиноременными вариаторами (АКВ): мотороллерам, мокикам, снегоходам и т.д. Это хорошо видно по их разнообразию и количеству на дорогах. К сожалению, практически все они импортного производства. Однако в России также ведется разработка транспортных средств с автоматическим клиноременным вариатором, например, на заводах ОАО "Завод имени В.А. Дегтярёва", АО ВПМЗ "МОЛОТ" и других.

Потенциал роста Российского рынка мототранспортных средств огромен, по оценкам специалистов к 2010 году по объему продаж этот сегмент рынка может вырасти более чем в 10 раз. Отечественным производителям мототехники необходимо не упустить время, требуется срочное обновление модельного ряда и доведение потребительских качеств до уровня импортной техники. Основным препятствием к быстрому внедрению транспортных средств новой конструкции с автоматическим клиноременным вариатором является отсутствие достаточно точной и в тоже время универсальной методики оценки динамических свойств проектируемого транспортного средства на стадии проектирования и доводки. Это в первую очередь связано с недостаточной изученностью процессов взаимодействия клинового ремня с дисками шкивов автоматического клиноременного вариатора. Еще одним препятствием является отсутствие компактного испытательного оборудования, позволяющего производить испытания не только в лабораторных условиях, но и в реальных условиях эксплуатации, а также отсутствие методики для достаточно быстрого получения результатов, оценки преимуществ и недостатков конструкции.

Цель работы. Целью работы является разработка динамической модели прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором с учетом неидеальности ремня и создание малогабаритного оборудования для проведения испытаний легких транспортных средств в стендовых и дорожных условиях.

Объекты исследований — легкие транспортные средства с автоматическим клиноременным вариатором с объемом двигателя 50-125 см'.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании методов сопротивления материалов, аналитической механики, теории движения автомобиля и математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились на стенде и в дорожных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана динамическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором с учетом неидеальности ремня;

- предложена математическая модель клинового резиноармированного ремня автоматического клиноременного вариатора легкого транспортного средства, в которой учтены основные физико-механические свойства реального клинового ремня;

- уточнен расчетный приведенный модуль упругости клинового ремня при изгибе, учтено влияние на его величину начальной кривизны ремня.

Практическая значимость. Предложенная динамическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором с учетом неидеальности ремня позволяет получать графические зависимости: динамической характеристики, разгона транспортного средства по времени и по топливной экономичности и др. На основе этих зависимостей предложена методика сравнения на этапе проектирования различных транспортных средств или вариантов их конструктивного исполнения между собой. Разработана аппаратура для проведения стендовых и дорожных испытаний легких транспортных средств, методика и программа обработки получаемых результатов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- динамическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором с учетом неидеальности ремня;

- математическая модель клинового резиноармированного ремня автоматического клиноременного вариатора легкого транспортного средства с учетом физико-механических свойств реального клинового ремня;

- методика сравнения различных транспортных средств или вариантов их конструктивного исполнения между собой по ряду графических зависимостей, в том числе динамической характеристики, разгона транспортного средства по времени и по топливной экономичности;

- аппаратура для проведения стендовых и дорожных испытаний легких транспортных средств и комплекс программного обеспечения, позволяющий обрабатывать получаемые результаты испытаний;

- зарегистрированная программа УапоБе!, в которой реализован расчет прямолинейного движения легкого транспортного средства с АКВ с учетом неидеальности ремня.

Реализация результатов работы. Динамическая модель легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором и малогабаритное регистрирующее оборудование используются на заводе ОАО "Завод имени В.А. Дегтярёва" при разработке программ-методик по испыта-

ниям легких мототранспортных средств и в учебном процессе МГТУ «МА-МИ».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на девятой международной научно-технической конференции по динамике и прочности автомобиля (г. Москва, 2005 г.), на международном научном симпозиуме, посвященном 140-летию МГТУ «МАМИ» (г. Москва, 2005 г.) и на кафедре «Детали машин и подъемно транспортные устройства» МГТУ «МАМИ» (2003 - 2006 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 169 страницах машинописного текста, включая 63 рисунка, 7 таблиц, библиографический список из 95 наименований и 1 приложение на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и сформулирована ее основная цель.

В первой главе проведен анализ существующих работ, посвященных динамическим моделям легких транспортных средств и описанию клиновых резиноармированных ремней автоматических клиноременных вариаторов.

Разработке методов оценки динамических свойств легких транспортных средств с автоматическим клиноременным вариатором посвятили свои работы С.А. Андреев, Г.В. Архангельский, Н.П. Баловнев, С.С. Михеев, А.Н. Нарбут, В.В. Селифонов, В.А. Умняшкин и др. Клиновыми резиноармиро-ванными ремнями, их свойствами и описанием взаимодействия ремней с дисками шкивов вариатора занимались Р.В. Вирабов, P.C. Галаджев, В.К. Мартынов, Ю.М. Мартыхин, М.С. Петров, Б.А. Пронин, Г.Д. Тамулевич, и др.

Проведенный анализ литературных источников показал, что на сегодняшний день не существует точного и в то же время универсального метода оценки динамических свойств легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором на этапе конструирования. Кроме того, не существует единой модели клинового ремня, включающей основные свойства реального клинового ремня.

Изложенное выше позволило сформулировать основные задачи данной работы, приведенные ниже.

1. Разработать динамическую модель прямолинейного движения легкого транспортного средства, включающую модель неидеального клинового резиноармированного ремня.

2. Разработать математическую модель клинового резиноармированного ремня автоматического клиноременного вариатора легкого транспортного средства с учетом физико-механических свойств клинового ремня, таких как масса, приведенные модули упругости при продольном растяжении (сжатии), поперечном сжатии, изгибе, и с учетом того, что коэффициенты трения пары шкив-ремень в покое и скольжении не равны между собой.

3. Провести экспериментальные исследования ремней для оценки адекватности математической модели реальным клиновым ремням.

4. Создать аппаратуру для проведения стендовых и дорожных испытаний легких транспортных средств, методику и программу обработки получаемых результатов.

5. Провести стендовые и дорожные испытания образцов мототранспортных средств с автоматическим клиноременным вариатором для проверки и уточнения математической модели прямолинейного движения легкого транспортного средства.

6. Разработать методику сравнительной оценки эксплуатационных свойств легких транспортных средств с автоматическим клиноременным вариатором на этапе конструирования.

Во второй главе рассмотрена динамическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноремённым вариатором с учетом неидеальности клинового резиноармированного ремня.

Обобщенная схема мототранспортных средств, на основе которой разрабатывалась динамическая модель, представлена на рис. 1. В динамической модели легкое транспортное средство приводится в движение двигателем внутреннего сгорания 1, чаще всего одноцилиндровым двухтактным, от двигателя энергия передается на центробежное сцепление 2 или сразу на ведущий шкив 3 (зависит от частной конструкции), снабженный центробежным регулятором 4. Далее через клиновой ремень 5 на ведомый шкив 6, снабженный пружинным 7 и винтовым 8 (может отсутствовать) нажимными устройствами. От ведомого шкива посредством центробежного сцепления 9 и конечной передачи 10 мощность передается на ведущее колесо 11. В частных кинематических схемах используется только одно сцепление из двух, т. е. либо центробежное сцепление, установленное на ведущем валу вариатора, либо центробежное сцепление, установленное на ведомом валу вариатора. Чаще всего сцепление может передавать вращение только в направлении от двигателя к колесу, но существуют кинематические схемы, в которых сцепление представляет собой сумму двух центробежных сцеплений и может пе-

редавать вращение также в обратном направлении. Конечная передача может быть выполнена в виде цилиндрической, планетарной или цепной передачи.

Рис. 1. Обобщенная схема мототранспортных средств малой мощности с автоматическим клиноременным вариатором

При разработке динамической модели приняты следующие допущения:

1. Валы, диски шкивов, зубчатые колеса и т.д. являются абсолютно жесткими;

2. Силы трения между подвижными дисками ведущего, ведомого шкивов и направляющими ступиц, между центробежными грузами и опорными поверхностями отсутствуют;

3. Коэффициенты трения сцепления и скольжения для материалов пар трения в центробежном сцеплении являются постоянными;

4. Взаимодействие ведущего колеса с опорной поверхностью происходит без проскальзывания, радиус колеса является постоянным;

5. Коэффициенты сцепления и сопротивления движению ведущего колеса являются постоянными.

Динамическая модель легкого транспортного средства с АКВ была приведена к трехмассовой модели с целью проведения анализа процессов включения центробежного сцепления и работы АКВ. Рассмотренные варианты модели легкого транспортного средства представлены на рис. 2 в виде отдельных блоков.

2 4 3

1

а б

Рис. 2. Варианты блочной модели транспортного средства в виде отдельных блоков а - динамическая модель транспортного средства с центробежным сцеплением, установленным между ведомым шкивом и конечной передачей (ведущим колесом); б - динамическая модель транспортного средства с центробежным сцеплением, установленным между двигателем и ведущим шкивом

На рис. 2, а приняты следующие обозначения:

^ - суммарный момент инерции двигателя и ведущего шкива; 12 -суммарный момент инерции ведомого шкива и ведущей части центробежного сцепления; .13 - суммарный момент инерции ведомой части центробежного сцепления, конечной передачи, ведущего колеса и транспортного средства, приведенные к ведомому валу сцепления; (0[ - угловая скорость вращения двигателя и ведущего шкива; а>2 - угловая скорость вращения ведомого шкива и ведущей части сцепления; 03 - угловая скорость вращения ведомой части сцепления; М1 - момент двигателя; Мр1 - момент сопротивления на ведущем шкиве со стороны ремня; Мр2 - движущий момент на ведомом шкиве со стороны ремня; М^ - момент трения, передаваемый центробежным сцеплением; Мс - момент сопротивления, приведенный к ведомой части центробежного сцепления.

На рис. 2, б приняты следующие обозначения:

,1[ - суммарный момент инерции двигателя и ведущей части сцепления; 32 - суммарный момент инерции ведомой части сцепления и ведущего шкива; - суммарный момент инерции ведомого шкива, конечной передачи, ведущего колеса и транспортного средства, приведенные к ведомому шкиву; С0| - угловая скорость вращения двигателя; и2 - угловая скорость вращения ведущего шкива; Ю3 - угловая скорость вращения ведомого шкива; М] - момент двигателя; М^ - момент трения, передаваемый центробежным сцеплением; Мр1 - момент сопротивления на ведущем шкиве со стороны ремня; Мр2 - движущий момент на ведомом шкиве со стороны ремня; Мс - момент

сопротивления, приведенный к ведомому шкиву.

Для описания движения динамической трехмассовой модели легкого транспортного средства, представленной на рис. 2, а, использована система из трех дифференциальных уравнений:

M,=Ji-^-+Mpl>

Mp2=J2-^-+M1T), (1)

мтр =J3 "7Г +Me-

dí

dcü3

В предложенной динамической модели клиновой ремень обладает приведенными модулями упругости при растяжении Ер пр, сжатии Ес пр и изгибе Еи пр, коэффициентом трения покоя f и скольжения fc. При этом передаточное отношение Uv зависит, дополнительно к указанным свойствам ремня, от величины коэффициента тангенциального скольжения ремня на ведущем е\ и ведомом е2 шкивах. Учет физико-механических свойств ремня привел к тому, что в предложенной модели на передаточное отношение Uv оказывают влияние следующие процессы: скольжения ремня, искривления и растяжения свободных дуг ремня, поперечного сжатия частей ремня, касающихся шкивов, и др. При этом уравнение связи имеет следующий вид: d<P\ =dp2-Uv(t,<pl,ip2,d(pltdUd<P2/dt,Ep_up,Ec_np,Ea_llp,f,fc>£l'e2) (2)

где <р\, <Р2 - углы поворота ведущего и ведомого шкивов соответственно; d<p\/dt, dq>2ldt - угловые скорости вращения ведущего и ведомого шкивов соответственно.

Решить систему уравнений с учетом такого уравнения связи аналитическими методами не представилось возможным. Для её решения были использованы численные методы. В работе предложена следующая методика - все три уравнения системы рассматриваются независимо друг от друга. Каждое уравнение включает только одну из переменных d<p\ / dt, dq>2 / di и dip^ / dt. Изменение угловых скоростей coj, и а>з в зависимости от времени определяется с некоторым шагом путем решения этих уравнений. При решении уравнений все моменты Mj, Mpj, Мр2, Мтр и Мс считаются определенными на каждом шаге расчета. Таким образом, задача решения системы уравнений существенно упрощена и сведена к нахождению величины всех моментов. Для определения неизвестных моментов Мр[ и Мр2 была разработана модель клинового ремня.

Для динамической модели легкого транспортного средства, представленной на рис. 2, б, уравнение связи (2) останется неизменным, а система дифференциальных уравнений (1) примет вид:

с1а)1 с1й)?

¿(Оз

1Г

Дпя расчета разгона транспортного средства была разработана программа Уапове! [11]. В программе предусмотрены справочники основных элементов легких транспортных средств, таких как двигатели, центробежные сцепления, АКВ, клиновые ремни и т.д., которые могут пополняться по мере появления дополнительной информации. Первоначально программа использовалась для отработки и проверки модели клинового ремня, в ней предусмотрен режим расчета произвольного нагружения ремня.

В третьей главе разработана математическая модель клинового ремня вариатора легкого транспортного средства, состоящая из элементов трех типов.

Анализ известных уравнений для определения приведенных модулей упругости клиновых ремней показал, что существующие методики расчета приведенного модуля упругости при изгибе не учитывают влияние кривизны ремня. С учетом кривизны ремня величина расчетного приведенного модуля упругости при изгибе была записана в следующем виде:

Е =-! И_ПР

J , (3)

где п - количество слоев в ремне; - момент инерции I слоя; I - мо-

1

мент инерции ремня; Е; - модуль упругости материала в 1 слое; тк =-

1 + у;/г

- переменный по высоте сечения ремня коэффициент приведения I слоя; у; -расстояние от ! слоя до нейтральной линии; г - расстояние от центра кривизны элемента ремня до нейтральной линии.

Учет в уравнении (3) коэффициента г), позволил снизить величину погрешности при расчете приведенного модуля упругости при изгибе на 3...5 %.

На рис. 3 представлена модель клинового ремня в свободном состоянии. В этой модели ремень разбит на элементы трех типов. При разработке этой модели были приняты следующие допущения:

1. Ремень представляет собой сложный объект, состоящий из большого количества слоев с различными физико-механическими свойствами, количество слоев может быть различным и зависит от конструкции конкретного ремня;

2. Недеформированное состояние ремня круговое, как для ремней котловой вулканизации;

3. Ремень обладает массой;

4. Ремень обладает приведенными модулями упругости при поперечном сжатии, продольном растяжении, изгибе, искривлении поперечного сечения, они не зависят от величины напряжений или деформаций, возникающих в сечении ремня, постоянны по величине и в процессе работы не изменяются;

5. Коэффициенты трения покоя и скольжения пары трения ремень -шкив материала постоянные, не зависят от того, при каких условиях протекает взаимодействие трущихся поверхностей;

6. Давление со стороны дисков шкивов распределяется равномерно по высоте ремня, и не зависит от величины деформации каждого слоя;

7. Сечением ремня всегда является трапеция, основания которой могут сжиматься, а углы между боковыми сторонами и основаниями не изменяются.

Данная модель состоит из множества элементов трех типов. Каждый тип имитирует отдельные свойства реального клинового ремня.

Элементы первого типа испытывают продольное растяжение, сжатие, а также изгиб.

Элементы второго типа имитируют массу клинового ремня и воспринимают внешние и неуравновешенные внутренние силы. Элементы третьего обеспечивают взаимосвязь клинового ремня с дисками шкивов АКВ, они могут сжиматься в поперечном сечении ремня.

Рис. 3. Общий вид модели клинового ремни в свободном состоянии 1 — элементы ремня первого типа; 2 — элементы ремня второго типа; 3 — элементы ремня

третьего типа

Для описания состояния равновесия элементов ремня первого типа предложена следующая система уравнений:

- И? ■ соБ(аР) + • соБ(а1') - О? • Бт(аР) - С?!1 • 5т(а;п) = О, -ЫР •БтСлРЬЫ!1 -БтСа^+рР • со5(аР) — <3™ • соз(а" ) = О, МР - М? - М? • ЬпР + Л" • Ьп" + О? • ЬЧР + О" • Ья?1 = О,

1пр>

где 1 - порядковый номер элемента; N и С? - продольные и поперечные силы соответственно; М - изгибающий момент, Ьп и 1к1 - плечи действия продольных и поперечных сил соответственно относительно центра элемента; а! - угол между осью X локальной системы координат и касательной в начале и конце элемента; р и п — индексы, соответствующие параметрам в начале и конце элемента соответственно.

Система (4), преобразованная в матричный вид, решена методом Крамера с учетом следующих дополнительных уравнений:

М? =-(-'--—)-Еи пр-'. р! ро

М,п =-(-!- )"ЕИ р" А)

ЫР+Кп=2.^1.Ер_пр.Апр,

где ро - радиус кривизны элемента в недеформированном состоянии; - текущий радиус кривизны элемента; <18; - текущая длина элемента; Апр

- площадь приведенного сечения.

На элементы второго типа действуют следующие внешние силы:

- сила аэродинамического сопротивления;

- центробежная сила;

- сила Кориолиса.

При этом ускорение, с которым элемент будет двигаться в пространстве равно:

ЫР; + Ыв; + (3Р; + (?В;

а — — ,

т ш

где т - масса элемента; Кр, и (Зр; - разница между внутренними продольными и поперечными силами соответственно, действующих со стороны элементов первого и третьего типа; Ыв; и - продольная и поперечная составляющие от внешних сил соответственно.

Элементы третьего типа могут находиться в трех состояниях — свободном (элемент не касается дисков шкивов), в состоянии покоя (элемент касается дисков шкивов и неподвижен относительно них) , в состоянии скольжения (элемент касается дисков шкивов и подвижен относительно них). Эле-

мент может находиться в состоянии покоя не только при реализации полной силы трения, но и только ее части.

В процессе расчета известными силами, действующими на элементы третьего типа, являются силы: вдавливающая О, сдвигающая Р и сжимающая Рсж элемент.

Для элемента третьего типа в состоянии покоя возможно три случая: Сила <3 больше либо равна нулю. При этом нормальная составляющая силы трения всегда будет меньше нуля. Все силы находятся по общеизвестным зависимостям.

Сила О меньше нуля, вертикальная составляющая от силы N увеличивается быстрее, чем вертикальная составляющая от нормальной силы трения.

Сила <3 меньше нуля, вертикальная составляющая от силы N увеличивается медленнее, чем вертикальная составляющая от нормальной силы трения.

В первом случае для того, чтобы элемент находился в состоянии покоя

необходимо и достаточно выполнение двух условий: р > рп

гтр — гтр>

F

I

р 2_рп2 гтр гтр

2 >

где Р-тр - сила трения; Р^, - нормальная составляющая силы трения;

Р^р - тангенциальная составляющая силы трения.

Во втором случае элемент будет находиться в равновесии (см. рис.4), если нормальная сила N, необходимая для реализации силы сжатия Рсж, будет находиться между точками и При этом величина силы Р не

должна превышать нереализованную часть силы трения.

На графике по оси абсцисс отложена нормальная сила N, действующая на элемент со стороны дисков шкивов вариатора. По оси ординат отложены все остальные силы как функции от силы N.

Третий случай полностью аналогичен второму случаю с той лишь разницей, что клиновой элемент будет находиться в равновесии под действием только вертикальной силы <3, если нормальная сила N будет больше либо

равна . Точки N2 на графике не будет, так как рост вертикальной составляющей сил трения опережает рост вертикальной составляющей нормальных сил.

В случае, если элемент не находится ни в свободном состоянии, ни в

состоянии покоя — он находится в состоянии скольжения. Так как клиновой

элемент скользит, то вместо коэффициента трения покоя Т в расчетах необ-

е

ходимо использовать коэффициент трения скольжения с. На рис. 5 отложены силы, действующие на элемент ремня третьего типа в зависимости от нормальной силы N.

А

Рис. 4. График сил для клинового элемента, находящегося в состоянии покоя 2 ■ N • sin(a) - проекция на вертикальную ось нормальных сил; 2 • F-jp - cos(o:) - проекция на вертикальную ось сил трения; - Q - вертикальная сила; N ■ eos (а) - f ■ N • sin(a) - сила сжатия на участке от 0 до Nj ; N ■ cos(a) - сила сжатия без учета действия силы трения; N • cos(ar) + f • N • sin(a) - сила сжатия на участке после NÍ¡

В состоянии скольжения возможно два случая.

1. Сила Q больше либо равна нулю. График действующих сил отличается от графика приведенного на рис. 5. На нем не будет точки Ng и нормальная составляющая силы трения не меняет свой знак. В остальном все зависимости остаются прежними.

2. Сила Q меньше нуля. График действующих сил приведен на рис. 5. В точке Nq сила Q полностью уравновешена вертикальной составляющей от нормальных сил N. Таким образом, в точке Ng сила трения скольжения Fjp равна своей тангенциальной составляющей F^,, а нормальная составляющая F-fj, равна нулю.

Для обоих случаев был разработан алгоритм и составлены уравнения, позволяющие определить все неизвестные силы.

Для определения величины внутренних сил и моментов во всех элементах клинового ремня в процессе расчета важно знать текущую форму элементов ремня первого типа. В работе был опробован и показал свою работоспособность следующий метод — радиус кривизны элемента определяется как среднее между радиусом, полученным по точкам начала предыдущего элемента, начала и окончания текущего элемента, и радиусом, полученным по точкам окончания следующего элемента, начала и окончания текущего элемента.

жения F™ = fс • N; 3 - нормальная составляющая силы трения скольжения F^J,; 4 - тан-

генциальная составляющая силы трения скольжения F^p; 5 — сила сжатия только от нормальной силы N FC5K = N • cos(a); 6 - сила сжатия с учетом действия нормальной составляющей силы трения скольжения FCyK = N • eos (а) - F^, • cos(a); 7 - величина горизонтальной силы F

Найденные силы, действующие между элементами клинового ремня третьего типа и дисками шкивов АКВ, позволили определить неизвестные моменты Mpi и Мр2, необходимые для расчета в динамической модели

прямолинейного движения легкого транспортного средства. При этом каждый из этих моментов определяется по формуле:

1=1

где n — количество элементов третьего типа, касающихся дисков шкива; F^pj - тангенциальная составляющая силы трения, действующей между ¡элементом и дисками шкива; Rj - расстояние от i элемента ремня третьего типа до оси шкива.

Перед расчетом для модели клинового ремня необходимо выбрать максимальное перемещение любого элемента ремня за один цикл и количество элементов, на которое разбит клиновой ремень. От этих параметров существенно зависит точность расчета. В результате серии расчетных экспериментов был сделан вывод о том, что для клиновых ремней, применяемых в настоящее время в АКВ легких транспортных средств, максимальный шаг расчета не должен превышать 0,001 мм, а количество элементов должно быть не менее 100.

Таким образом, разработанная математическая модель клинового ремня позволяет учесть физико-механические характеристики реального клинового ремня при его взаимодействии с дисками шкивов АКВ.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования, целью которых являлись: оценка точности разработанной математической модели ремня и справедливости принятых допущений, проверка адекватности общей динамической модели транспортного средства с включенной в нее математической моделью клинового ремня вариатора.

Точность разработанной математической модели ремня и справедливость принятых допущений оценивалась по результатам сравнения экспериментальных данных с расчетными. Сравнение проводилось в несколько этапов. Испытаниям подвергались клиновой ремень транспортного средства ЗиД-50 и широкий клиновой ремень фирмы Dayco. На каждом этапе контролировались размеры а и b - максимальная длина и ширина ремня соответственно.

На первом этапе клиновой ремень вариатора подвергался растяжению силами, приложенными в двух противоположных точках. Это позволило оценить правильность принятой методики расчета внутренних сил и совпадение граничных условий на концах элементов ремня. Одновременно такой нереальный вид нагружения показал работоспособность модели в предельных условиях. Образец ремня растягивался силами в 30,55 и 61,14 Н.

На втором этапе клиновой ремень вариатора нагружался силами, распределенными по дугам обхвата двух цилиндров. Этот случай соответствует плоскоременной передаче, которая является частным случаем клиноремен-ной (при угле профиля канавки шкива 180°). Он позволил проверить правильность определения сил нормального давления на поверхности цилиндров и исключить влияние поперечной жесткости ремня на изгибную и продольную жесткости. Образец ремня растягивался силами в 49,22 и 64,27 Н.

На третьем этапе клиновой ремень подвергался растяжению силами, приложенными к двум шкивам собственно вариатора, лабораторная установка показана на рис. 6. Т.е. на этом этапе реализовывался реальный случай на-

гружения ремня в статике, позволивший оценить достоверность метода расчета ремня как объекта, обладающего реальными физическими свойствами, т.е. неидеального ремня. Образец ремня растягивался силами в 98,10; 196,20; 294,30; 392,40 и 490,50 Н.

Рис. 6. Внешний вид лабораторной установки

В результате проведенных испытаний образцов ремней был сделан следующий вывод по разработанной математической модели клинового ремня -предложенная модель позволяет с заданной точностью моделировать не только клиновые, но и плоские ремни в процессе статического нагружения. На рис. 7 представлена оценка погрешности определения контура клинового ремня в зависимости от прикладываемого усилия. Из представленных рисунков видно, что отличие формы контура образца клинового ремня от его расчетной формы контура увеличивается с ростом нагрузки незначительно. В какой-то мере это можно объяснить тем, что в математической модели клинового ремня модули упругости являются постоянными и не зависящими от условий нагружения и формы элементов ремня.

На рис. 7 приняты следующие обозначения:

о и □ — зависимости погрешностей расчетных величин а и Ь соответственно в зависимости от растягивающей силы.

Кроме вышеуказанных исследований ремней были проведены стендовые испытания транспортного средства ЗиД-50 с АКВ (компоновка испытательного стенда, объекта испытаний и регистрирующего оборудования пред-

ставлена на рис. 8) и дорожные испытания транспортного средства Се11у .1Ь50(}Т-15. Целью их проведения было проверка адекватности общей динамической модели транспортного средства с включенной в нее математической моделью клинового ремня вариатора. Стендовые и дорожные испытания проводились с использованием разработанного регистрирующего оборудования. В разработке оборудования принимал непосредственное участие Семин И.Н. Обработка результатов испытаний проводилась с помощью специально разработанного программного обеспечения, которое преобразует информацию о времени прохождения меток на деталях вращения под датчиками в частоту вращения.

а б В

Рис. 7. Зависимость погрешности размеров контура клинового ремня от прикладываемой нагрузки

а - на первом этапе испытаний; б - на втором этапе испытаний; в - на третьем этапе испытаний

При проведении стендовых испытаний фиксировались и в дальнейшем сравнивались с расчетными следующие параметры:

- частота вращения ведущего шкива вариатора (двигателя)

«вщ =/(');

- частота вращения ведомого шкива вариатора ивм = /(<);

- частота вращения ведомой части центробежного сцепления "сц =/(');

- скорость транспортного средства V = /(<);

- время буксования сцепления

- время разгона транспортного средства до максимальной паспортной скорости Iраз .

Стендовые испытания позволили оценить, правильно ли в модели учтено взаимодействие ремня и дисков шкивов вариатора, а также погрешность, привносимую принятыми допущениями и упрощениями.

На рис. 9 приведено сравнение частоты вращения ведущего и ведомого шкивов АКВ, ведомой части центробежного сцепления мотороллера ЗиД-50, полученных в результате стендовых испытаний и расчета.

Анализ полученных зависимостей частот вращения показал, что буксование центробежного сцепления длилось 2,17±0,01 сек и 1,8±0,01 сек, была достигнута максимальная скорость в 50,9±0,1 км/ч и 52,6±0,1 км/ч, время

разгона до скорости в 50 км/ч составило 32,74 и 31,75 сек, по результатам эксперимента и расчета соответственно. Максимальная относительная погрешность между экспериментальными и расчетными данными по времени составила всего 1,1 %, а по частоте вращения не превысила 3,5 %. Если же сравнивать относительную погрешность между ключевыми точками, то максимум соответствует 7,7 % - точка начала регулирования АКБ.

Рис. 8. Компоновка испытательного стенда, объекта испытаний и регистрирующего

оборудования

Сравнение результатов дорожных испытаний мопеда Селена, полученных Баловневым Н.П., с результатами расчетов подтвердили высокую точность предложенной динамической модели прямолинейного движения легкого транспортного средства с учетом неидеальности клинового резиноармиро-ванного ремня. Максимальная относительная погрешность предложенной динамической модели при расчете только в области регулирования АКВ составила 2 %.

Проведенные дорожные испытания мотороллера Се11у ,1Ь50<ЗТ-15 подтвердили работоспособность разработанного регистрирующего оборудования вне стенда. В результате этих испытаний были получены зависимости частот вращения двигателя, ведущего и ведомого колес мотороллера. Время разгона до скорости в 51,0±0,1 км/ч составило 25,97±0,01 сек.

п, мин 7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

О 5 10 15 20 25 30 I сек

Рис. 9. Сравнение результатов проведения испытаний с результатами расчета на

этапе разгона

1, 2, 3 — расчетные зависимости частот вращения ведущего и ведомого шкивов, ведомой части центробежного сцепления соответственно; 4, 5, 6 - экспериментальные зависимости частот вращения ведущего и ведомого шкивов, ведомой части центробежного сцепления

соответственно

В пятой главе предложена методика сравнительной оценки эксплуатационных свойств легких транспортных средств с АКВ на этапе проектирования, основанная на результатах расчета предложенной динамической модели прямолинейного движения легкого транспортного средства.

Была произведена сравнительная оценка двух вариантов конструкции мотороллера ЗиД-50 с двигателем ЗиД 50-21 и с двигателем ЗДК 2101.

Для первого варианта полное включение сцепления произошло при частоте двигателя около 3600 мин"1, частота двигателя в конце разгона около 6400 мин"1. Из ВСХ двигателя следует, что точка максимального момента соответствует частоте двигателя 4500 мин"1, точка максимальной мощности 6500 мин"'.

Для второго варианта полное включение сцепления произошло при

частоте двигателя около 3400 мин'1, частота двигателя в конце разгона около 6300 мин"1. Из ВСХ двигателя следует, что точка максимального момента соответствует частоте двигателя 5000 мин"1, точка максимальной мощности 5750 мин"1.

В результате анализа полученных данных был сделан вывод - второй вариант с двигателем ЗДК 2101 лучше, чем первый вариант с двигателем ЗиД 50-21.

Предварительный анализ выявил, что для обеспечения условия полного включения центробежного сцепления в точке максимального момента двигателя на транспортном средстве с двигателем ЗиД 50-21, следует уменьшить массу грузов центробежного сцепления на 25 %. Однако расчетные эксперименты показали, что транспортное средство с такими грузами обладает худшими тягово-динамическими показателями по сравнению с исходным вариантом. Время разгона до максимальной скорости увеличилось на 6,8 %. Связано это с тем, что параметры центробежного сцепления и нажимных устройств вариатора должны быть согласованны, т. е. при существенном изменении параметров центробежного сцепления следует одновременно менять параметры нажимных устройств АКВ.

Уменьшение массы грузов центробежного сцепления на 10 %, наоборот, позволило улучшить тягово-динамические свойства транспортного средства. Время разгона до максимальной скорости сократилось на 0,5 %, а полное включение центробежного сцепления происходит при частоте 4000 мин'1.

Таким образом, можно сделать вывод, что существует возможность дальнейшего улучшения тягово-динамических свойств варианта транспортного средства с двигателем ЗиД 50-21 путем оптимизации и согласования параметров центробежного сцепления и нажимных устройств АКВ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором, в которой, в отличие от известных, уточнено влияние на динамику легкого транспортного средства автоматического клиноременного вариатора и процессов, возникающих при взаимодействии клинового резиноармированного ремня с дисками шкивов вариатора. Учет свойств клинового ремня позволяет уменьшить погрешность модели в сравнении с известными с 6,7 % до 2 %. Модель позволяет описать поведение легкого транспортного средства не только в режиме разгона при полностью открытой дроссельной заслонке, но и в режиме свободного выбега, т.е. учитывает влияние сопротивления двигателя на изменение скорости легкого транспортного средства.

2. Разработана математическая модель клинового резиноармированного ремня с учетом приведенных модулей упругости при продольном растяжении (сжатии), при поперечном сжатии и при изгибе. Проведенные лабора-

торные и стендовые испытания подтвердили ее соответствие реальным объектам и высокую точность (расхождение расчетной формы контура ремня от экспериментальной не превышает 0,5 %).

3. Разработано оборудование для проведения стендовых и дорожных испытаний легких транспортных средств, обладающее низкими весогабарит-ными параметрами, высокой точностью и возможностью регистрации до 32 параметров одновременной с частотой до 400 кГц.

4. Разработана методика обработки сигналов, полученных при проведении дорожных и стендовых испытаний. Создана программа, автоматизирующая процесс обработки полученных сигналов.

5. На основе разработанной математической модели клинового резино-армированного ремня и усовершенствованной математической модели легкого транспортного средства создана программа УапоБе^ Программа позволяет моделировать процесс нагружения клинового ремня точечной нагрузкой и распределенной нагрузкой, приложенной к дискам или шкивам. В процессе моделирования программа фиксирует параметры системы в целом с последующей возможностью построения графиков: тягового баланса; динамической характеристики, ускорений и обратных ускорений, разгона транспортного средства по времени и по пути, мощностного баланса, топливной экономичности.

6. Проведены стендовые испытания опытного образца мотороллера ЗиД-50 с автоматическим клиноременным вариатором. Сравнение полученных результатов с расчетными показало, что разработанная математическая модель транспортного средства описывает поведение реального объекта с погрешностью не превышающей 3,5 %.

7. Разработана методика сравнения различных транспортных средств или вариантов их конструктивного исполнения между собой по графическим зависимостям динамической характеристики, разгона транспортного средства по времени и по топливной экономичности.

8. При расчете клиноременного вариатора следует учитывать физико-механические свойства клинового ремня и особенности его взаимодействия с дисками шкивов, без этого учета невозможно провести полный геометрический и силовой анализ конструкции.

9. В настоящее время и в ближайшие десятилетия применение вариа-торного привода останется актуальным, т.к. он, особенно для недорогих транспортных средств, обеспечивает наиболее оптимальные возможности реализации высоких экономических и динамических показателей.

10. Разработанная динамическая модель легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором и учетом неидеальности ремня позволяет уже на стадии проектирования оценить основные характеристики транспортного средства, отработать элементы трансмиссии, в частности автоматический клиноременный вариатор.

11. На мотороллер ЗиД-50 рекомендовано установить двигатель ЗДК 2101 вместо ЗиД 50-21, т.к. эта модификация обладает лучшими тягово-динамическими показателями.

12. В результате проведения серии расчетных экспериментов для транспортного средства ЗиД-50 с двигателем ЗиД 50-21 было установлено, что для обеспечения полного включения центробежного сцепления в точке максимального момента двигателя необходимо уменьшить массу центробежных грузов на 10 %. При этом время разгона транспортного средства до скорости 50 км/ч сократится на 0,5 %.

13. В результате проведенного анализа разработанной модели клинового ремня рекомендовано задавать шаг расчета не более 0,001 мм, а количество участков, на которое разбивается ремень, принимать не менее 100.

14. При расчете приведенного модуля упругости клинового ремня при изгибе следует учитывать начальный радиус кривизны ремня, при этом погрешность расчета снижается в среднем на 3...5 %, в зависимости от типоразмера ремня.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Баловнев Н. П., Власенко С. А. Геометрическое скольжение ремня в процессе регулирования вариатора// Сб. избр. трудов 4-го международного научного симпозиума «Современное автотракторостроение и высшая школа «России»». - М.: МГТУ «МАМИ», 2005. - С. 39-49.

2. Баловнев Н. П., Власенко С. А. К вопросу моделирования клинового ремня вариатора // IX международная научно-техническая конференция по динамике и прочности автомобиля. Материалы конференции. М.: МГТУ "МА-МИ", 2005. - С. 26-30.

3. Баловнев Н. П., Власенко С. А. Методика расчетно-экспериментальной оценки механических характеристик клинового ремня вариатора// Сб. избр. трудов 4-го международного научного симпозиума «Современное автотракторостроение и высшая школа «России»». — М.: МГТУ «МА-МИ», 2005. - С.50-59.

4. Баловнев Н. П., Власенко С. А. О методике экспериментальной оценки механических характеристик клинового ремня // Международный научный симпозиум, посвященный 140 - летию МГТУ "МАМИ". М.: МГТУ "МАМИ", 2005.

5. Баловнев Н. П., Власенко С. А. О скольжении ремня в процессе регулирования вариатора II Международный научный симпозиум, посвященный 140 - летию МГТУ "МАМИ". М.: МГТУ "МАМИ", 2005.

6. Баловнев Н. П., Власенко С. А. Оценка погрешности регистрации частот вращения при испытаниях транспортного с вариатором // Международный научный симпозиум, посвященный 140 - летию МГТУ "МАМИ". М.: МГТУ "МАМИ", 2005.

7. Баловнев Н. П., Власенко С. А., Мартыхин Ю. М., Мартыхин М. Ю., Семин И. Н., Андреев С. А., Воркуев С. А., Сергеев Ю. С., Михеев С. С. Универсальное малогабаритное оборудование для испытаний легких транспортных средств. Межвузовский сборник научных трудов «Колесные и гусеничные машины» Вып. 1.-М.: МГТУ "МАМИ", 2004 г. - С. 372-376.

8. Баловнев Н. П., Власенко С. А., Чихачева О. А., Фазлулин Э. М. Ременные передачи с натяжением ремня реактивным моментом. Межвузовский сборник научных трудов «Колесные и гусеничные машины» Вып. 1. - М.: МГТУ "МАМИ", 2004 г. - С. 428-432.

9. Баловнев Н. П., Семин И. Н., Власенко С. А. Сравнительная оценка передач с различными способами натяжением ремня. Московский государственный технический университет «МАМИ»

10. Власенко С. А. Центробежное нажимное устройство. Патент на изобретение № 2258851

11. Власенко С. А. УапоБе! Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612575

Власенко Сергей Александрович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Динамическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором с учетом неидеальности ремня» Лицензия ЛР №021209 от 31 декабря 2000 г.

Подписано в печать Заказ Объем 1,2 п.л. Тираж 80

Бумага типографская Формат 60*90/16

МГТУ «МАМИ», 107023, Москва, Б. Семеновская ул., дом. 38

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Обзор конструкций автоматических трансмиссий легких транспортных средств и их основных элементов.

1.2. Динамические модели легких транспортных средств с автоматическим клиноремённым вариатором.

1.3. Модели клинового ремня и его основные характеристики.

1.4. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ЛЕГКОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С АВТОМАТИЧЕСКИМ КЛИНОРЕМЁННЫМ ВАРИАТОРОМ С УЧЕТОМ НЕИДЕАЛЬНОСТИ КЛИНОВОГО РЕЗИНОАРМИРОВАННОГО РЕМНЯ.

2.1. Обобщенная схема легких транспортных средств с автоматическим клиноремённым вариатором.

2.2. Математическая модель легкого транспортного средства с автоматическим клиноремённым вариатором и центробежным сцеплением, установленным после ведомого шкива.

2.3. Математическая модель легкого транспортного средства с автоматическим клиноремённым вариатором и центробежным сцеплением, установленным перед ведущим шкивом.

2.4. Схемы легких транспортных средств, принятых для расчетов.

2.5. Алгоритм программы расчета разгона легкого транспортного средства.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛИНОВОГО РЕМНЯ ВАРИАТОРА ЛЕГКОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С УЧЕТОМ ЕГО НЕИДЕАЛЬНОСТИ.

3.1. Определение приведенных характеристик клинового ремня.

3.2. Математическая модель клинового ремня вариатора легкого транспортного средства.

3.2.1. Элемент ремня первого типа.

3.2.2. Элемент ремня второго типа.

3.2.2.1.Внешние силы, действующие на элемент ремня второго типа.

3.2.3. Элемент ремня третьего типа.

3.2.3.1.Состояние покоя элемента ремня третьего типа.

3.2.3.2.Состояние скольжения элемента ремня третьего типа.

3.3. Определение формы контура клинового ремня.

3.4. Модель взаимодействия клинового резиноармированного ремня с дисками шкивов автоматического клиноремённого вариатора легкого транспортного средства.

3.5. Выбор точности расчета.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Лабораторные испытания на первом и втором этапах.

4.2. Лабораторные испытания на третьем этапе.

4.3. Результаты проведения лабораторных испытаний и их оценка.

4.4. Стендовые испытания.

4.4.1. Методика обработки полученных сигналов и результаты проведения испытаний

4.4.2. Сравнение результата стендовых испытаний с данными, полученными расчетным путём

4.5. Сравнение результатов дорожных испытаний с данными, полученными расчетным путём

4.6. Дорожные испытания.

4.7. Выводы.

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЛЕГКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С АВТОМАТИЧЕСКИМИ КЛИНОРЕМЕННЫМИ ВАРИАТОРАМИ НА ЭТАПЕ КОНСТРУИРОВАНИЯ

В настоящее время в России машиностроительные заводы по производству мототехники не работают на полную проектную мощность. Они еще не успели приспособиться к тем конкурентным условиям, которые сложились на рынке. Им сложно конкурировать с новой и подержанной импортной техникой, имея в своем арсенале небольшой ассортимент отечественных образцов, как правило, уже устаревших конструкций и не имея необходимой рекламной и маркетинговой поддержки. Тем временем объем импортной подержанной мототехники с каждым годом только увеличивается, что в немалой степени обусловлено несовершенством законодательства РФ, которое неэффективно защищает собственных производителей. В связи с этим наиболее актуальными задачами по развитию производства различного рода мотоциклетной техники являются:

- проектирование и внедрение в производство новых механизмов и машин, обладающих повышенными технико-эксплутационными показателями;

- разработка и усовершенствование конструкций мототехники на основе собственных патентных наработок, которые по своему уровню были бы не ниже мировых аналогов;

- совершенствование существующих и создание новых методик конструирования и расчета;

- расширение ассортимента выпускаемой мототехники, улучшение ее дизайна и потребительских качеств;

- рекламная и маркетинговая поддержка выпускаемой продукции;

- совершенствование законодательства РФ, направленное на ограничение импорта подержанной мототехники.

На сегодняшний день в сегменте рынка мототехники особенно заметно повысился интерес потребителей к транспортным средствам (ТС) с двигателями малой мощности и автоматическими клиноременными вариаторами (АКВ) -мотороллерам, мокикам, снегоходам и т.д. Это хорошо видно по их разнообразию и количеству на дорогах. К сожалению, практически все они импортного производства. В России также ведется разработка транспортных средств с автоматическим клиноременным вариатором, например, на заводах ОАО «Завод имени В.А. Дегтярёва», АО ВПМЗ «МОЛОТ» и других.

Повышенный интерес потребителей к транспортным средствам с двигателями объемом до 50 см и автоматическими клиноременными вариаторами объясняется тем, что на подобные транспортные средства не надо иметь водительское удостоверение на право вождения. Управление такими средствами максимально простое - отсутствует необходимость переключать передачи и управлять сцеплением (если в конструкции используется автоматическое центробежное сцепление или его функции выполняет вариатор). Транспортное средство разгоняется более плавно, без резких рывков, которые возникают при переключении передач на транспортных средствах со ступенчатой коробкой передач. Даже неопытный водитель, который до этого не имел опыта езды на мототехнике, может достаточно быстро освоить управление подобным транспортным средством.

Использование автоматического клиноременного вариатора в мототранспорте, кроме облегчения управления, позволяет значительно упростить конструкцию трансмиссии транспортного средства, понизить величину динамических нагрузок в ней в процессе движения, повысить проходимость транспортного средства, повысить его экономичность (для сравнения у китайского мотороллера Gelly JL50QT-15 с двигателем 49,9 см , автоматическим клиноременным вариатором и массой 80 кг расход топлива составляет всего 2 литра бензина на 100 км1, в то время как у мокика ЗиД-50 Пилот с двигателем такого же объема, но с трехступенчатой механической коробкой передач и меньшей мае-сой расход топлива составляет 2,2 литра бензина на 100 км). Вариатор позво

1 Данные с сайта производителя - http://www.geely.com/english/moto/pro/jl50qt-15.htm

2 Данные с сайта производителя - http://www.zid.ru/ru/products/moto/zid504t.html ляет реализовать бесконечное количество передаточных отношений между максимальным и минимальным значениями, а оптимальная система управления вариатором обеспечивает наиболее эффективное использование мощности двигателя.

Первым изобретателем клиноременного вариатора можно назвать Леонардо да Винчи. Он в конце XV века сделал эскиз, на котором была изображена схема бесступенчато-регулируемой передачи. Его идеи долгое время не были востребованы, только спустя 400 лет клиноременный вариатор впервые был сделан в металле. По своей конструкции это была передача с двумя раздвижными шкивами и резиновым клиновым ремнем. Прошли десятилетия, прежде чем передачи данного типа стали применяться в качестве узлов трансмиссий серийно выпускаемых транспортных средств.

Наиболее успешно использовали клиноременный вариатор братья Ван Дорн. Они открыли свое собственное дело в 1928 году, первоначально их завод DAF был направлен на производство железнодорожных вагонов, но в конце 50-х годов на заводе было запущено производство автомобилей. Отличительной особенностью автомобилей DAF было наличие бесступенчато-регулируемой передачи, называемой Variomatic. В начале 70-х успешное сотрудничество с компанией Volvo завершилось выпуском автомобиля DAF 66, который затем, с небольшими изменениями, стал автомобилем Volvo 66. Эти автомобили стали прототипами более совершенного автомобиля Volvo 343, выпущенного в 1976 году. Об успешности использования братьями Ван Дорн идеи клиноременного вариатора в своих автомобилях можно судить хотя бы потому, что за период с 1975 по 1980 года модель DAF 66 была продана в количестве 106000 шт., а весь период выпуска автомобилей DAF с передачей Variomatic составляет 32 года. Клиноременный вариатор Variomatic был первой в мире передачей такого типа, успешно выпускаемой в промышленных масштабах3.

3 Данные с сайта - http://www.volvocIub.org.uk/profcvt.shtml

На мототехнике впервые клиноременный вариатор применила американская фирма Сальсбури Корпорейшн, выпустив в 1949 году мотороллер «Куш-ман». Через 20 лет количество фирм, выпускающих мототранспортные средства с клиноременным вариатором, исчислялось десятками, в среднем на каждую фирму приходилось по 3 различных модели. Первоначально клиноременный л вариатор устанавливался на мототехнику с объемом двигателя не выше 50 см , это было связано с низкими тяговыми качествами клиновых ремней того времени. Достижения в области конструирования и производства клиновых ремней позволили существенно повысить эксплуатационные свойства ремней и использовать их на мототехнике с большими объемами двигателя. Примерами таких мототранспортных средств являются отечественный снегоход «Буран», скутеры таких известных фирм, как Yamaha, Kawasaki, Honda и т.д.

В настоящее время потенциал роста Российского рынка мототранспортных средств огромен, по оценкам специалистов к 2010 году по объему продаж этот сегмент рынка может вырасти более чем в 10 раз. Отечественным производителям мототехники чрезвычайно важно не упустить время. Необходимо срочное обновление модельного ряда и доведение потребительских качеств до уровня импортной техники. Одним из препятствий к быстрому внедрению транспортных средств новой конструкции с автоматическим клиноременным вариатором является отсутствие точной и в то же время универсальной методики оценки динамических свойств проектируемого транспортного средства на стадии конструирования. Это, в первую очередь, связано с недостаточной изученностью процессов взаимодействия клинового ремня с дисками шкивов автоматического клиноременного вариатора. Еще одним препятствием является отсутствие надежного и компактного испытательного оборудования, позволяющего производить испытания не только в лабораторных условиях, но и в реальных условиях эксплуатации, позволяющих достаточно быстро получить результаты и оценить преимущества и недостатки конструкции.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором, получение более точной методики оценки динамических свойств транспортного средства, учитывающей ряд сложных явлений, происходящих при взаимодействии клинового ремня с дисками шкивов вариатора. Для экспериментальных исследований требуется разработка компактного измерительного оборудования, которое позволит проводить дорожные испытания и не будет существенно влиять на условия нагружения транспортного средства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель прямолинейного движения легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором, в которой, в отличие от известных, уточнено влияние на динамику легкого транспортного средства автоматического клиноременного вариатора и процессов, возникающих при взаимодействии клинового резиноармированного ремня с дисками шкивов вариатора. Учет свойств клинового ремня позволяет уменьшить погрешность модели в сравнении с известными с 6,7 % до 2 %. Модель позволяет описать поведение легкого транспортного средства не только в режиме разгона при полностью открытой дроссельной заслонке, но и в режиме свободного выбега, т.е. учитывает влияние сопротивления двигателя на изменение скорости легкого транспортного средства.

2. Разработана математическая модель клинового резиноармированного ремня с учетом приведенных модулей упругости при продольном растяжении (сжатии), при поперечном сжатии и при изгибе. Проведенные лабораторные и стендовые испытания подтвердили ее соответствие реальным объектам и высокую точность (расхождение расчетной формы контура ремня от экспериментальной не превышает 0,5 %).

3. Разработано оборудование для проведения стендовых и дорожных испытаний легких транспортных средств, обладающее низкими весогабаритными параметрами, высокой точностью и возможностью регистрации до 32 параметров одновременной с частотой до 400 кГц.

4. Разработана методика обработки сигналов, полученных при проведении дорожных и стендовых испытаний. Создана программа, автоматизирующая процесс обработки полученных сигналов.

5. На основе разработанной математической модели клинового резиноармированного ремня и усовершенствованной математической модели легкого транспортного средства создана программа VarioSet. Программа позволяет моделировать процесс нагружения клинового ремня точечной нагрузкой и распределенной нагрузкой, приложенной к дискам или шкивам. В процессе моделирования программа фиксирует параметры системы в целом с последующей возможностью построения графиков: тягового баланса; динамической характеристики, ускорений и обратных ускорений, разгона транспортного средства по времени и по пути, мощностного баланса, топливной экономичности.

6. Проведены стендовые испытания опытного образца мотороллера ЗиД-50 с автоматическим клиноременным вариатором. Сравнение полученных результатов с расчетными показало, что разработанная математическая модель транспортного средства описывает поведение реального объекта с погрешностью не превышающей 3,5 %.

7. Разработана методика сравнения различных транспортных средств или вариантов их конструктивного исполнения между собой по графическим зависимостям динамической характеристики, разгона транспортного средства по времени и по топливной экономичности.

8. При расчете клиноременного вариатора следует учитывать физико-механические свойства клинового ремня и особенности его взаимодействия с дисками шкивов, без этого учета невозможно провести полный геометрический и силовой анализ конструкции.

9. В настоящее время и в ближайшие десятилетия применение вариатор-ного привода останется актуальным, т.к. он, особенно для недорогих транспортных средств, обеспечивает наиболее оптимальные возможности реализации высоких экономических и динамических показателей.

10. Разработанная динамическая модель легкого транспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором и учетом неидеальности ремня позволяет уже на стадии проектирования оценить основные характеристики транспортного средства, отработать элементы трансмиссии, в частности автоматический клиноременный вариатор.

11. На мотороллер ЗиД-50 рекомендовано установить двигатель ЗДК 2101 вместо ЗиД 50-21, т.к. эта модификация обладает лучшими тягово-динамическими показателями.

12. В результате проведения серии расчетных экспериментов для транспортного средства ЗиД-50 с двигателем ЗиД 50-21 было установлено, что для обеспечения полного включения центробежного сцепления в точке максимального момента двигателя необходимо уменьшить массу центробежных грузов на 10 %. При этом время разгона транспортного средства до скорости 50 км/ч сократится на 0,5 %.

13. В результате проведенного анализа разработанной модели клинового ремня рекомендовано задавать шаг расчета не более 0,001 мм, а количество участков, на которое разбивается ремень, принимать не менее 100.

14. При расчете приведенного модуля упругости клинового ремня при изгибе следует учитывать начальный радиус кривизны ремня, при этом погрешность расчета снижается в среднем на 3.5 %, в зависимости от типоразмера ремня.

151

1. Абдулсамад А.Х. Идентификация упруго - диссипативных свойств клиноременных передач сельхозмашин: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Ростов-н/Д., 1991.-24 е.: ил.

2. Аверьянов С.С. Центробежное нажимное устройство. Патент на изобретение № 2137961

3. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. 2-е изд. испр. - М.: Высш. Шк., 2000. - 560 е.: ил.

4. Андреев А.В. Передача трением. М., "Машиностроение", 1978. 215 с.

5. Андреев С.А., Рябов Г.К. Автоматический клиноременный вариатор Патент на изобретение № 2186271

6. Анкудинов Д.Т. Расчет приводных клиноременных передач: Учеб. пособие / Анкудинов Д.Т., Калентьев В.А., Кулиничев А.Ф. Екатеринбург, 1997.- 115 е.: ил.

7. Артоболевский И.И., Зиновьев В.А., Умнов И.В. Уравнения движения машинного агрегата с вариатором. ДАН СССР, 173, №5,1967.

8. Архангельский Г.В. Динамика машинных агрегатов с автоматическим клиноременным вариатором. Деп. в УкрНИИНТИ-18.01.90-№56-Ук.90-1990. -78 с.

9. Архангельский Г.В. Динамический анализ и синтез вариаторных приводов: Автореф. дис. докт. техн. наук. Одесса, 1995. -29 с.

10. Афанасьев Б.А., Бочаров Н.Ф., Жеглов Л.Ф. и др. Проектирование полноприводных колесных машин: В 2 т. Т. 1. Учеб. для вузов/ Под общ. ред. А.А. Полунгяна М.: Издательство МГТУ им. П.Э. Баумана, 1999. - 488 с.

11. Афанасьев Б.А., Бочаров Н.Ф., Жеглов Л.Ф. и др. Проектирование полноприводных колесных машин: В 2 т. Т. 2. Учеб. для вузов/ Под общ. ред. А.А. Полунгяна М.: Издательство МГТУ им. П.Э. Баумана, 2000. - 640 с.

12. Баженов С.П., Куприянов М.П. "Динамическая нагруженность трансмиссии трактора" Липецк: Липецкий Государственный Технический Университет, 1995. - 103 с.

13. Балакин П.Д. Механические автовариаторы: Учебное пособие / Ба-лакин П.Д. Омск:Изд-во ОмГТУБ 1998. - 146 е.: ил.

14. Баловнев Н.П. Исследование динамики автоматического клиноременного вариатора мототранспортного средства: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1979.-22 с.

15. Баловнев Н.П., Власенко С.А. Геометрическое скольжение ремня в процессе регулирования вариатора// Сб. избр. трудов 4-го международного научного симпозиума «Современное автотракторостроение и высшая школа «России»». -М.: МГТУ «МАМИ», 2005. С.39-49.

16. Баловнев Н.П., Власенко С.А. К вопросу моделирования клинового ремня вариатора // IX международная научно-техническая конференция по динамике и прочности автомобиля. Материалы конференции. М.: МГТУ "МАМИ", 2005. С. 26-30.

17. Баловнев Н.П., Власенко С.А. О методике экспериментальной оценки механических характеристик клинового ремня // Международный научный симпозиум, посвященный 140 летию МГТУ "МАМИ". М.: МГТУ "МАМИ", 2005.

18. Баловнев Н.П., Власенко С.А. О скольжении ремня в процессе регулирования вариатора // Международный научный симпозиум, посвященный 140 летию МГТУ "МАМИ". М.: МГТУ "МАМИ", 2005.

19. Баловнев Н.П., Власенко С.А. Оценка погрешности регистрации частот вращения при испытаниях транспортного с вариатором // Международный научный симпозиум, посвященный 140 летию МГТУ "МАМИ". М.: МГТУ "МАМИ", 2005.

20. Баловнев Н.П., Семин И.Н., Власенко С.А. Сравнительная оценка передач с различными способами натяжением ремня. Московский государственный технический университет «МАМИ»

21. Бесступенчатые фрикционные трансмиссии автомобилей / Есенов-ский Дашков Ю.К., Баранов В.В., Раскин В.Е., Меламед К.Б. - М., 1990. - 47 е.: ил. - (II, Легковые автомобили и автобусы. Обзор, информ. / МАМИ, НИИ стандарт.)

22. Верницкий В.В. Исследование нагрузочной способности ременных передач различных типов с учетом упругих характеристик ремней: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1977. -23 с.

23. Вирабов Р.В. Тяговые свойства фрикционной передачи. М.: Машиностроение, 1982. - 264 е.: ил.

24. Вирабов Р.В., Чепурной С.И. Тяговые свойства клиноременной передачи. Вестник машиностроения, № 4,1981.

25. Власенко С.А. Центробежное нажимное устройство. Патент на изобретение № 2258851

26. Власенко С.А. VarioSet Свидетельство об официальной регистрации пограммы для ЭВМ № 2005612575

27. Галаджев Р.С. Исследование деформаций клинового ремня методом электротензометрирования. Труды НПИ. т. 153. 1964.

28. Гаркунов Д.Н. Триботехника: Учебник для студентов втузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 327 е.: ил.

29. Геронимус Я. Л. Уравнения движения машинного агрегата при наличии неголономных связей. Сб. "Механика машин", вып. 45, "Наука", 1974.

30. Грантмахер Ф.Р. Лекции по аналитической механике: Учебное пособие для вузов/ Под ред. Е.С. Пятницкого.- 3-е изд.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. -264 с.

31. Гришкевич А.И. "Проектирование трансмиссий автомобилей" М.: Машиностроение, 1984. - 268 с.

32. Гулиа Н.В. Бесступенчатая коробка передач на основе дискового вариатора. "Автомобильная промышленность", № 10, 1994.

33. Гутьяр Е.М. К исследованию клиноременного вариатора. Труды МИМЭСХ том X, 1959. С. 29-46.

34. Давыдов А.Д. Исследование процесса торможения автомобиля двигателем на скользкой дороге: Дис. канд. техн. наук. М., 1979. 163 с.

35. Дерунов Г.П. Установление параметров и характеристик автоматических клиноременных вариаторов обеспечивающих повышение их работоспособности (на примере снегоходных машин): Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1984.- 18 с.

36. Жуковский Н.Е. О скольжении ремня на шкивах, полное собр. соч., т. VIII, ОНТИ, 1937.-С. 19

37. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. 4-е изд., стер. СПб.: Издательство "Лань", 2002. - 592 с.

38. Капустина В.В. Скольжение клинового ремня // ВИСХОМ. 1958. -Вып. 21.- 16 с.

39. Кожевников С.Н., Ткачук А.И. Моделирование динамических процессов в приводе машины с фрикционным вариатором скорости// Прикладная механика. 1987. т. 23. - С. 52-60.

40. Кухтенко А.И. Об одном классе механизмов с неголономными связями. Труды института машиноведения. Семинар по ТММ, т. 15, вып. 58, 1955.

41. Логутенок Э.П. и др. Сфера применения и особенности конструкции зарубежных малогабаритных тракторов. "Тракторы и сельхозмашины", № 1,1981.-С. 30-32.

42. Лукьянов А.С. Методы выбора и оценки характеристик вариатора транспортного средства: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 2001. 27 с.

43. Лукьянов А.С., Петров М.С., Мартыхин Ю.М. Регулируемый шкив клиноременного вариатора. А. с. № 1618969 от 8 сентября 1990 г.

44. Мавлютов P.P. Исследование и расчет быстроходных ременных передач станков: Дис. канд. техн. наук. М., 1953.

45. Мартынов В.К. Исследование динамики автоматического клиноременного вариатора мототранспортного средства: Дис. . канд. техн. наук. М., 1979.-204 с.

46. Мартынов В.К. Прикладная теория передач трением гибкой связью. «Проблемы машиностроения и автоматизации», 3-4,1993. С. 21 - 32

47. Мартыхин Ю.М. Клиноременные вариаторы мототранспортных средств.//Труды ВНИИМОТОпрома, -Серпухов, вып. 8, 1973 89 с.

48. Мартыхин Ю.М. Методика тягово-динамического расчета мототранспортного средства с автоматическим клиноременным вариатором в силовой передаче.-Серпухов: ВНИИмотопром, 1975. 18 с.

49. Мартыхин Ю.М. Осевые усилия на шкивах клиноременных передач. Труды ВНИМОТОпрома. Серпухов, вып. 10,1975. - 60 с.

50. Мартыхин Ю.М, Мартыхин М.Ю. Автоматические центробежные сцепления мототранспортных средств: Препринт Серпухов, 2004. - 211 с.

51. Баловнев Н.П., Власенко С.А., Чихачева О.А., Фазлулин Э.М. Ременные передачи с натяжением ремня реактивнным моментом. Межвузовский сборник научных трудов «Колесные и гусеничные машины» Вып. 1. М.: МГТУ "МАМИ", 2004 г. - С. 428-432.

52. Михеев С.С. Конструкция и оптимизация параметров автоматического клиноременного вариатора мототранспортных средств: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Владимир, 1998.-23 с.

53. Нарбут А.Н., Шапко В.Ф., Архипов А.И. Механизмы плавного переключения передач в трансмиссиях автомобилей: М.: НИИНавтопром, 1982. -38 е.: ил.

54. Панин B.C. Оценка работоспособности клиноременного вариатора, выполняющего функции муфты сцепления: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1983.-23 с.

55. Петров М.С., Лукьянов А.С., Баловнев Н.П., Туравинов А.Б. Бесступенчатая трансмиссия транспортного средства. А. с. № 1614944 от 12 августа 1990 г.

56. Петров М.С., Лукьянов А.С., Туравинов А.Б. Бесступенчатая трансмиссия транспортного средства. А. с. № 1614944 от 12 августа 1990 г.

57. Петров Н.П. Влияние трения при работе упругим ремнем, «Известия СПБ Технологического института», 1983.

58. Пилюгин В.В. Выбор схемы и оптимизация параметров системы автоматического управления бесступенчатой трансмиссии с клиноременным вариатором: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1991. -22 с.

59. Поляков B.C. Клиноременные передачи. М.: МАШГИЗ, 1947.

60. Пронин Б.А. Клиноременные и фрикционные передачи и вариаторы М.: МАШГИЗ, 1960. - 334 с.

61. Пронин Б.А., Петров М.С., Баловнев Н.П. Уравнения движения автоматического клиноременного вариатора мототранспортного средства // Автомобильная промышленность, № 9,1979. С. 15-18.

62. Пронин Б.А., Петров М.С., Мартыхин Ю.М., Рождественский В.В. Характеристики автоматических трансмиссий с клиноременным вариатором. Автомобильная промышленность, N 7,1978. С. 21-23.

63. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы) 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1967.-404 с.

64. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы) 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 320 с.

65. Раевский В.Н. Выбор характеристики автоматического сцепления при применении в трансмиссии транспортного средства механизма свободного хода: Дис. канд. техн. наук. М., 1984.

66. Разработка теории, методов расчета и испытание новых конструкций элементов трансмиссии мототехники. Отчет о НИР, № 01.9.40002017, -Ковров, 1996. 103 с.

67. РД 37.034.001-86 Проектирование автоматических вариаторов трансмиссий легких моторизованных транспортных средств. Руководящие материалы, г. Серпухов, 1986.

68. Розин JT.A. Метод конечных элементов// Соросовский Образовательный Журнал, 2000. том 6, № 4. С. 120-127.

69. Роскошный Г.К. Комплексный расчет бесступенчатых регулируемых передач. Сб. "Передаточные механизмы". М., "Машиностроение", 1963.

70. Рябов Г.К., Гуржов С.В., Михеев С.С., Заплаткин А.А. Автоматический клиноременный вариатор Полезная модель № 6420

71. Сайлер, Брайан, Споттс, Джефф Использование Visual Basic 6. Специальное издание.: Пер. с англ.-М.; СПб.; К.: Издательский дом "Вильяме", 2001.-832 е.: ил.

72. Селифонов В.В., Есеновский-Лашков М.Ю. Перспективные направления развития автоматических трансмиссий автомобилей: М.: НИИНавтопром, 1986.-46 е.: ил.

73. Синякова Э.Н. Изменение геометрии и натяжения в ременной пер-даче под влиянием изгибной жесткости ремня. Изв. Высших учебных заведений, № 10 М.: Машиностроение, 1979.

74. Синякова Э.Н. Исследование тяговой способности ременных передач сложных схем с закрепленными валами: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Пенза, 1982.-26 с.

75. Снакин Р.Ф. Исследование, выбор схемы и определение основных параметров бесступенчатой передачи для автомобиля особо малого класса: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1982.-23 е.: ил.

76. Снегоходы (мотонарты). Автоматические клиноременные вариаторы. Проектирование, испытание, доводка. Методические рекомендации. АПОМ, Андроповский дизельный завод, 1984. 76 с.

77. Соколовская Ф.М., Тамулевич Г.Д. Клиновые ремни. М.: Издательство "Химия", 1979. 160 с.

78. Тамулевич Г.Д., Бобылев Г.Г. Приводные ремни. М.: Издательство "Химия", 1990. 168 с.

79. Цедров B.C. Основы механики гибкой нити,- М., "Машгиз", 172 с.

80. Чепурной С.И. Исследование механизма взаимодействия клинового ремня со шкивами: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1981. 16 с.

81. Шакуров Д.К Разработка методик расчета и проектирования клино-ременного вариатора для транспортных машин с двигателями малой мощности: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ижевск, 2004. 27 с.

82. Butler K.L. A MATHLAB-based modeling and simulation package for electric and hybrid electric vehicle design. IEEE Transactions on vehicular technology, vol. 48, issue 6, pp. 1770-1778,1999.

83. Hung Y.H., Hong C.W. Dynamic modeling and powertrain management of a hybrid electric scooter. AVEC 00, Michigan, USA, 2000.

84. James I.B. The driveability of vehicles with continues variable transmissions. Report No 31/95, University of Bath, Sch. of Mech. Eng., 1995.

85. James I.B., Vaughan N.D. Dynamic modeling and validation of the regime change characteristics of a split power, infinitely variable transmission. -IMechE International Seminar S540,1997.

86. Nashat J. A rule-based energy management strategy for a series hybrid vehicle. American control conference, 1997.

87. Patterson M. Transmission stability investigation. Internal report-Torotrak (Development) Ltd Nov. 1993.

88. Richard F. Stieg, Wm. Spencer Worley Belt driven CVT is 85 % efficient. "Automotive Engineering", 90, № 7,1982. - p. 36 - 40

89. Snowmobile service manual. Techical pubbications div. P.O. Box 12901, 1079, s.376.

90. Tilley D.G., Richards C.W., Tomlinson S.P., Burrows C.R. Role of simulation in the design of fluid power systems. IFAC Symp CAD in control systems, 1991.

91. Weeks R.W., Moskwa J.J. Automotive engine modeling for real-time control using MATHLAB/SIMULINK. SAE 950417,1995.160