автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Динамический анализ и синтез вариаторных приводов

РГБ ОА

Одесский государственный политехнический университет

8 ОКТ Ш6

На правах рукописи

АРХАНГЕЛЬСКИЙ ГЕОРГИЯ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И СИНГаЬ БАРИАТОРНЫХ ПРИВОДОВ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Одесса - 1996

Работа заполнена на кафедре "Прикладная механика" в Одесской государственной академии пилевых технологий.

диссертация является рукописью.

О^иц/алышз оппоненты - доктор технических наук, профессор

Воробьев Николай Степанович; доктор технических наук, профессор КиницкиЯ Ярослаз Тимо£еевкч; доктор технических наук, профессор ¡4еккк Борис Михайлович.

Ведущая организация - Украинский институт краностроения

(Одесса).

Басита состоится "/J> " f)(Tï I-Ьь.г. в 14 часов

s аудитории 157 ГУН на заседании специадкзкрор.а.;з!ого соьета Д Oli.Oô.ОХ при Одесско?.: государственном политехническом университете по адресу: 270044, Одесса, пр.Левченко, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в. библиотеке Одесского государственного политехнического университета.

Автореферат разослан

ваш отзиь в одном экземпляре, заверенной печати, прссн:.; направить по указанному адресу.

Ученый секретарь с пециялизиро ваш юго с о ве таг, доктор технических наук, профессор

«./..¿слочонеч

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Подъем материального и культурного уровня народа неразрывно связан с совершенствованием производства, эффективное развитие которого требует всестороннего изучения, развития и внедрения средств автоматизации.

Вариаторы, представляющие собой бесступенчато-регулируемые передачи, позволяют изменять скоростной или силовой режим работы машины, что приводит к улучшению качественных характеристик многих технологических и транспортных средств.

Применение вариаторов в современных машинах позволяет: повысить производительность труда, улучшить качество выпускаемой продукции, снизить энергозатраты, наиболее полно использовать мощность двигателя, вести технологические процессы на оптимальных режимах и т.д. '•..••„"

В развитых странах запада различные типы вариаторов выпускаются большими сериями специализированными фирмами, а многие мотоциклы, мотороллеры и мототранспортные средства (мини-тракторы, мотоблоки и др.) имеют автоматические клиноременные вариаторы (АКВ). В странах СНГ налажено производство мелкими партиями цепных, управляемых клиноременных и простейших импульсных непланетарных вариаторов.

Среди различных типов бесступенчатых передач особое место занимают управляемые планетарные импульсные и автоматические клиноременные вариаторы, которые могут работать в режиме трансформа-, тора враыаотего момента либо стабилизатора угловой скорости. Указанные типы вариаторов обладают>рядом достоинств и-недостаточно изучены, что мешает их широкому внедрению.

Многочисленные исследования в области вариаторов были выполнены учеными Украины, стран СНГ и дальнего зарубежья, которые внесли значительный вклад в развитие науки о бесступенчатых механических передачах. Однако недостаточное вникание уделялось изучении управляемых планетарных "импульсных и автоматических клиноременных вариаторов, динамические свойства которых влияют на их работоспособность, надежность к долговечность. На важность исследований' в области бесступенчато-регулирувмых передач указывают зледующие факты. Данное научное'направление входило в координаци-

онные планы АН СССР научно-исследовательских работ по проблеме "Теория механизмов и машин" на 1981-85 гг., пункт 1.11.1.3 и на 1986-90 гг., пункт.!.II.1.5. Только в Украине с конца пятидесятых годов было проведено семь Всесоюзных конференций по вариаторам. ' .

' Публикации исследователей и фирм по. вариаторам "в западных развитых странах носят, в основном, описательный характер, а результаты, которые могут быть использованы для расчета, проектирования и улучшения свойств, являются секретами фирм и не публикуются. ;

Цель и основные задачи работы. Основная цель работы комплексная и -заключается в развитии традиционных методов механики машин применительно к системам с управляемыми планетарными импульсными и автоматическими хлиноременными вариаторами; в создании научно обоснованных методов динамического анализа и синтеза вариаторов указанных типов; повышении их динамических характеристик и разработке в рамках этих исследований некоторых направлений проблемы управления рабочими процессами и машинами с помощью вариаторов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи: •

' I. Разработка обобщающего математического описания движения систем с изучаемыми типами вариаторов.

2. Обобщавшие исследования по определению для,стационарного режима работы расчетных динамических нагрузок, которые необходимы для прочностного расчета наиболее нагруженных звеньев вариаторов.

3. Изучение влияния процесса управления на величину динамических нагрузок.

4. Анализ влияния параметров вариатора на динамические нагрузки и ^разработка рекомендаций и мероприятий по снижению нагрузок.

5. Исследование динамической устойчивости систем с импульсными вариаторами.

6. Определение величины движущего момента в системах с импульсными вариаторами.

?. Разработка обобщающего математического описания процессов управления агрегатом посредством вариатора независимо от го-лономности либо неголономности связи, используемой в нем, и оты-

знание оптимальных по быстродействию законов управления и движения.

8. Разработка .обобщенной методики синтеза параметров регуляторов АКБ и построения его внешней характеристики.

9. Исследования на базе обобщенных уравнений движения разгона агрегата с АКБ и разработка мероприятий по улучшению динамиче-зких свойств АКБ.

10. Изучение малых колебаний в системе АКВ.

IX. Особенности использования полученных результатов применительно к системам стабилизации угловой скорости.

Автор защищает научные методы динамического анализа и синтеза рассматриваемых вариаторов и повышения их динамических характеристик как систем, обеспечивающих изменение силового и окоро-зтного режимов работы машины.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика математического описания движения агрегатов с исследуемыми вариаторами.

2. Результаты качественной и количественной оценок динамических нагрузок, действующих на звенья импульсных вариаторов и ШВ.

3. Методика эффективного снижения динамических нагрузок в дапульсном вариаторе.

4. Результаты оценки влияния процесса управления на динами-1еские нагрузки, действующие на звенья импульсногд.вариатора при зучном управлении и с помощью электродвигателя.

5. Теоретическое обоснование выбора величины движущего мо-1внта для агрегата с импульсным вариатором. • •

6. Теоретические разработки по выявлению зон динамической «устойчивости систем о импульсными вариаторами.

7. Теоретические разработки нахождения оптимальных по быст-юдействию управлений и движений в кинематически управляемых раз-ч>нных оистемах.

8. Разработка обобщенного метода динамического овнтеза пара-¡етров регуляторов АКВ.

9. Теоретические иооледования по определению внешней харак-•еристики АКВ.

10. Теоретические исследования демпфирующих овойств АКВ.

11. Результаты качественного улучшения динамических овойств

АКБ и методы раочета параметров регуляторов, повышающих динамические свойства АКВ.

Методы исследований. В работе для решения указанных теоретических задач использованы методы аналитической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний, теории автоматического регулирования и оптимального управления, численные методы решения дифференциальных уравнений.

Адекватность математических моделей проверялась сравнением теоретических результатов.с экспериментальными, полученными на физических моделях.

Научная новизна работы. К наиболее важным'и новым результатам исследований и разработок в диссертации можно отнести следующие: выполнено математическое описание агрегатов с управляемыми планетарными импульсными вариаторами и автоматическими клиноре-менными; используя предложенный метод линеаризации упругой характеристики механизмов свободного хода ШСХ), впервые получено аналитическое выражение, определяющее наибольшие динамические нагрузки на МСХ как в стационарном режиме, так и при управлении для любых типов импульсных управляемых вариаторов; впервые выявлено влияние жесткости ЫОХ, его демпфирующей способности, кинематического возмущения и передаточных функций преобразующего механизма на величину динамических нагрузок; предложены меры, направленные на снижение динамических нагрузок, к числу которых относится разработка упругой муфты с расширенным участком квазинулевой жесткости; выявлен эФбект-возникновения параметрического резонанса и существенного отличия условий динамической неустойчивости систем с импульсными вариаторами по сравнению с известными системами о релейным изменением жесткости; разработан метод определения движущего момента для систем о импульсными вариаторами; предложен новый метод решения задач оптимизации движения систем с вариаторами, что позволило установить независимость типа вариатора на быстродействие и найдены новые условия оптимального по быстродействию разгона транспортного средства с вариатором; показано, что АКВ представляет собой систему о голономной и не-голономной связями, причем их действие взаимообусловлено; получено уравнение, определяющее условие автоматического изменения передаточного . отношения АКВ,и на его основе разработана обобщенная методика синтеза параметров регуляторов; впервые получена акали-

тическая зависимость для внешней характеристики АКВ; выявлен эффект демпфирующего свойства АКВ, обусловленного неголокомкостыз связи; дана оценка.наибольших динамических нагрузок в ремнэ как наиболее слабом звене AHB; предложены различные способы улучшения динамики разгона систем с АКВ на основе разработанной модернизации расчета параметров АКВ, работавших в режиме стабилизации угловой скорости.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований и разработок в области динамического анализа и синтеза импульсных вариаторов и АКВ доведены до уровня, пригодного для практического применения,и использованы при разработке: АКВ мотороллера в ПО "Тулмашзавод"; планетарного импульсного вариатора для главного привода вертикально-сверлильного станка из новой гаммы в Одесском специальном конструкторском бюро специальных станков.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Одесского технологического института пищевой промышленности им. Л.В.Ломоносова; на У1 Всесоюзном совещании по основным проблемам 1Ш (Ленинград, 1971); Первом Всесоюзном съезде по ТКМ (Алма-Ата, L977); Всесоюзных конференциях: по вариаторам и передачам гибкой :вязью (Одесса, 1972, 1976, 1980, 1986), по инерционно-импульсным «еханизмам, приводам и устройствам (Челябинск, 197?, 1982); на :еминаре по теории колебаний при МВТУ им.Баумана (Москва, 1977); ia У1 Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике Ташкент, 1986); на заседаниях Одесского филиала Всесоюзного се-шнара по 1ММ АН СССР (Одесса, 1972, 1976, 1978, 1981, 1986); есоюзной конференции по вибрационной технике (Кабулети, 1987).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных абот, из них 6 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 219 стра-ицах машинописного текста, содержит 73 рисунка, список литера-уры включает 172 наименования. Общий объем работы 295 страниц.

Во .введении обоснована актуальность темы диссертации, пред— гавлены основные концепции работы,, отрагсаотие ее научную новиз-:г и практическую ценность, сформулированы выносимые на задиту элоасения.

В первой главе дан обзор и анализ исследуемых типов вариато-

>в.

Во второй главе проведены теоретические исследования динамики агрегата о планетарными импульсными вариаторами. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В третьей главе рассмотрена динамика оптимального по быстродействию управления агрегатом с помощью вариаторных приводов.

'В четвертой главе исследуется динамика систем с АКБ. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований.

В конце каждой главы излагаются основные результаты, выводы и даются рекомендации.

В приложении представлены сведения о практическом использовании материалов настоящей диссертации.

Содержание работы

На основе описания и анализа импульсных вариаторов и АКВ, используемых в современной техника,чвыявлены особенности и общие свойства, что необходимо для исследований.

Широкое внедрение управляемых импульсных вариаторов в различные отрасли современной техники ограничено надежностью МЗХ, которые являются наиболее слабым звеном вариатора и подвержены действию значительных динамических нагрузок. Одной из причин, ограничивающих надежность и долговечность МСХ, является неправильное определение расчетных динамических нагрузок на МОХ. Поэтому основные исследования планетарных импульсных вариаторов направлены на определение наибольших динамических нагрузок на МСХ и разработку мер по их снижению.

Показано, что управляемый импульоный вариатор является системой о голономной нестационарной связью, что отличает его от вариаторов неимпульсного действия, представляющих системы с него-лономной связью. Установлено, что характерной особенностью агрегата с импульсным вариатором являетоя релейное изменение суммарной жесткости С0> как при наличии явления выбега, в оистеме вариатора С0 • Сн « 0, Сд я Си - рис.Х, так и при его отсутствии С0 « С„, 50 • 23ц - рис.2, 3, где См - жесткость одного МСХ.

На рис. 1-3 обозначено: (/>- угол поворота ведущего звена преобразующего механизма (ПМ>; ф и у - углы поворота ведущего и ведомого звена МСХ; <Р - ф( <р ), а при управлении Ф -^['Р; *?(£)_ Ъ ~ длина звена управления Ш; индекс £ отно-

сится к параметра механизмов, оканчиваших рабочий цикл, а ¿ -вступающим в работу; Л У- участок работы одного ГШ, +

- участок, где С0 » См; - участок, где См *» 0 либо

Сс = 2 V

В планетарных импульсных вариаторах водило может быть ведущим звеном - рис.4, ведомым либо свободным. В системе вариатора МСХ является наиболее податливым звеном (свыше 60 % обшей податливости вариатора) и поэтому з первую очередь исследовалась двух-массовая динамическая модель - рис.5 агрегата с вариатором о цель» изучения основных динамических процессов. Выли получены независимо от схем вариатора обобщенные дифференциальные уравнения движения как при наличии выбега, так и при ого отсутствии. Показано, что если агрегат представлен многокассовой системой, то в полученных уравнениях двияущий момент Мд_ . и момент сил сопротивления Мс следует заменить упругими моментами и- к этим уравнениям добавить дифференциальные уравнения соответствующий цепей.

Установлено, что при фиксированном передаточной отношении вариатора наибольенэ динамические нагрузки на 1'ЛХ созшксэт при максимальной скорости ведомого звена, когда осноеньм возмущением является кинематическое Вн » ф2 (р" , в котором функцию (Р" (рис.б, кривая X) удобно аппроксимировать прямой 2, где ^ /д(р. Для получения приближенных реаониЛ, огоюыпиоаих процесс, заклинивания МСХ вариатора з двухмассоеой система, введена-линеаризован-' ная жесткость,КСХ. С0, что позволило выделить малое возмущенна

)«С<;а, где - . <р - <р ; I 6 Л ^ 1,5 . Линеаризованную жесткость С0 НСХ предложено определять при « = "^ках из условия равенства упругих моментов Са

С » Дьс™ Сс ■ С ^¡^а'к * У1ШТЫЕая кратковре-

изннооть переходного процесса (сотые доли секунды) возрастания^ от нуля до , на основе мэтодоз нелинейной механики най-

дены прибдигоинш решения, а затем получено аналитическое выражение для ¿¿тал » позвояяазео определять наибольшие динамические нагрузки

где

J , Zc+Zo PWO - .

a) J (2) B0 u) = fro); Ъ^ГГо); 'u„s?

д % = % - %; % » ; ;

JfJc uy b'. Jn '

. 1 ; ^ -

Be=u„ ^сгД; ty'j

Mp-M3(o)] Ко -McfoJ; Jn = Jn(ü<j;

осредненное по в пределах рабочего цикла ПМ передаточное отношение вариатора; i¿ - передаточное отношение зубчатой пары центральное колесо-сателлит; р - ооредненное по (f значение р в пределах рабочего цикла Ш; Sfif. - момент инерции ведомого вала вариатора. Верхний знак соответствует враиению ведущего и ведомого валов вариатора в одну сторону, когда Ug > О , нижний - в противоположные, когда ilf^O

Зависимость (I) позволяет вычислить CQ с учетом динамических параметров системы, после чего находится ' Анализ выражений (I) и (2) показывает, что для снижения

следует уменьшать жесткость 1.Í3X, увеличивать число ПМ использовать низкоскоростные двигатели. Так. как динамические нагрузки на UQX определяются, в основном, кинематическим возмуще-

нием, то электромагнитные процессы в двигателе в малой отепени влияют на них.

Решения исходных нелинейных дифференциальных уравнений на ЭШ показывают, что значения на I ... II % ниже, чем

полученные на основе зависимости (I). Используя метод возмушений, было получено выражение, определяющее ^тах 0 Учетом демп-фирузпшй способности МСХ, которая считалась пропорциональной

где Ь - осредненный по у в пределах рабочего цикла ГШ коэффициент ~ « содержащий коэффициент вязкости £

для МСХ.

Зависимость (I) получена для случая линейной аппроксимации в пределах рабочего цикла ПМ, что имеет место при расположении экстремума ^ = (<РЭ) примерно посередине рабочего' цикла. В случае сушественного смешения относительно середины рабо-

чего цикла *Р (<р) необходимо аппроксимировать двумя участками прямых. Найдено выражение для и изучено влияние смешения ^ ка

При отсутствии явления выбега смещение точки ¿2, / начала заклинивания МОХI относительно точки О. , где -может быть влево - рис.2 либо вправо - рис.З. Впервые* получены аналитические.зависимости, определявшие углы Л{ п Л^ совместной работы двух МСХ и начала заклинивания МСХ

4,-

Найдены решения» огшсываюяие процесс изменения ^ при отсутствии выбега и разработан.алгоритм нахождения • Впер-

вые получены условия, связывавшие параметры агрегата и вариатора, при которых может иметь место явление выбега либо отсутствовать.

Особенностью агрегата с импульсный вариатором является то, что интервалы ^ п % » в пределах которых жесткость системы соответственно равна 2 Сц и Сц, переменны и зависят от ее динамического состояния, что вносит отличия в определение зон

динамической неустойчивости по сравнению о известной задачей, где ^ и 1р2 постоянны. В результате исследований получено условие неустойчивости агрегата

~ О, <4>

которое существенным образом отличается от условия неустойчивости в задаче Мейснера. -

В импульсных вариаторах передача энергии от двигателя к ведомому валу осуществляется через механизм о нелинейной функцией положения - П# (Ф^ - рис.5, что вносит свои особенно-

сти в определение момента, который должен развивать двигатель. На основе полученных решений = ) бша найдена зависимость, устанавливавшая связь между величиной движущего момента Мц и динамическими параметрами системы.

Показано, что все полученные вше результаты являются наиболее общими и справедливы для импульсных вариаторов непланетарного типа,

В период управления вариаторо^ возникает кинематическое возмущение регулирования д>р-Л «р £ ^ +2Г+ Ъг . где

. Были подробно проанализированы члены, входящие в £>р , и показано, что членами 7 к 22 ^ можно пре-

небречь по сравнению со слагаемым ¿у>? . Измены в пределах рабочего цикла ГШ законы изменения функции - рис.7, где кривая X соответствует 2 =• Ъмлх , 2 - возрастанию по линейному закону длины от до , а кривая с индекоом 0 соответствует Z » 0. Проведен анализ различных законов изменения и показано, что наиболее опасным с точки зрения возникновения наибольших динамических нагрузок является линейный закон изменения % « 10 +

' Введены понятия "быстрого" и "медленного" регулирования. При .

' т&'/мо)!*1

погулирование вчитается "медленным".

На основе методов нелинейкой механики было построено реше-

те ^- ) при управлении вариатором и найдено выражение для с учетом возмущения регулирования. Показано» что

при "медленном" регулировании возмущение Bp не оказывает существенного влияния на , в то время как при "быст-

ром" -. ото влияние значительное. При регулирован!® на повышение1 угловой скорости динамические нагрузки больше, чем при регулировании на понижение.

Расчеты My/пах с помошыз Э Ш на основе исходных нелинейных дифференциальных уравнений и сравнение с результатами, полученными из аналитических зависимостей для » показы-

вают, что в период управления превышение Мутссх иа 0011056 аналитических формул составляет 3...I2 %.

Репена задача определения динамических нагрузок на МСХ, когда регулирование вариатора осуществляется с помоаью управляемого электродвигателя, мощность которого является ограниченной. В результате исследований получено выражение для ^ с учетом момента> управляемого двигателя ^tnay • пеР®°й передаточной функции /7г кинематической цепи от двигателя к управляемому звену ПМ, приведенного момента инерции ' маховых масс указанной цепи.

Планетарные импульсные вариаторы используются в системах стабилизации угловой скорости ^ - рис.4, 5 ведомого вала, когда угловая скорость tj> ' ведушего мозет изменяться по любому закону. В результате проведенного анализа дифференциального уравнения для установлено, что наибользео значение

будет принимать, когда кинематическое возцуиенне будет максика-льно возможным. ! ■ •

Рассмотрена динамика заклинивания МСХ, когда на ведущем либо ведомой валах вариатора установлена упругая муфта. Составлены обобщенные дифференциальные уравнения и разработан алгоритм построения приближенных ревенпй как при фиксированном передаточном отношении, таи и при регулирования. Показано, что введение упругой муфты снияает динамические нагрузки на !'ЗХ. На основе методов теории автоматического регулирования получено аналитическое выражение для аесткооти упругой цуфты,.когда Мущл/ будет предельно акияенным, Однако во многих случаях эту жесткость на представляется возможным реализовать, и авгорои предложена муфта с DacnupoHHKM участком квазинулевой псоткостп. В результате про-

веденных исследований установлено, что муфта за счет участка квазинулевой жесткости может существенно (на 40 %) снижать динамические нагрузки.

Рассмотрено движение звеньев вариатора на участке выбега. Показано, что за счет звеньев планетарного механизма между ведущей и ведомой системой имеет место динамическая связь, что отличает его от непланетарных.

Были проведены экспериментальное исследования планетарного импульсного вариатора с целью определения действительных динамических нагрузок на МСХ. Экспериментальный стенд включал асинхронный электродвигатель, вариатор, выполненный по схеме - рис.4, тормозное устройство фрикционного типа и сменные маховики на валу тормозного диска. Ведомый вал вариатора и вал тормозного устройства связаны посредством муфты. При использовании жесткой крестовой муфты установку можно представить двухмассовой динамической моделью. Для измерения динамических нагрузок, возникающих при заклинивании ЫСХ, на ведомом валу были наклеены тензодатчики.

В результате анализа опытных данных установлено, что максимальные значения упругого момента на МСХ, полученные экспериментально, ка 12...19 % ниже значений, вычисленных теоретически. Использование упругой муфты с торообразной оболочкой позволило на 23 % снизить динамические нагрузки на МЗХ при максимальном среднем передаточном . отноыении Ш по сравнению со ^случаем использования жесткой крестовой муфты. Уменьшение . 9с привода? к снижению эффекта использования упругой муфты.

При изучении процессов управления агрегатом с помощью вариатора податливостью звеньев можно пренебречь. Получены дифференциальные уравнения двигения агрегата с импульегсгм вариатором как с учетом неравномерности движения, создаваемой вариатором,- так и без нее, когда-линеаризуется функция полокения =Ц.4(4.).

Показано, что нахождение оптимальных по быстродействию управлений осложняется вырожденностью функционала и нелинейностью уравнения. Для придания единой формы записи уравнениям двигения агрегата с различными, типами управляемых вариаторов и устранения указанных трудностей реаения движение агрегата было представлено системой уравнений с реакциями Мщ , связей

где

Для ведомой части агрегата, совершающей оптимальный переход из одного .состояния вдругое, реакция может быть принята

за управление и = ^¿я • Данный метод использования реакции связи в качестве управления для разгонных систем, у которых Мс я = М0 ^ + ¿'¥>гг (где А/0 , а, , ё - постоянные), позволил решить две вариационные задачи и найти в конечном виде законы движения ведомой части агрегата при оптимальном по быстродействию переходе как о учетом ограничения на управление /Ь*/-

£ [Г0 , так и на ускорение ц)г/7 ведомой части. При

такой записи уравнений движения наглядно видно, что оптимальный переходне зависит от типа вариатора. Имея оптимальное управление и0 и законы движения ™ (£>■> » исподьзова-ние условия идеальности связи и уравнения связи позволяет из первого уравнения системы (б) найти = после чего определяются законы оптимального управления вариатором 11°={¡¿о ^ ^) • Предложенный метод позсодпл решить вааную ■для практики задачу разгона транспортного средотва о вариаторов и показать, что разгон при постоянной мощности не будет наиболее интенсивным, как это считалось ранее.

Клиноременные вариаторы, содержащие центробежный регулятор и регулятор по моменту, выполненный в виде механизма ёинт-гайка -рис.8, позволяют автоматически в зависимости от чаототн вращения . двигателя и момента нагрузки Мц изменять передаточное II отношение, что производится под действием оил К^ и ,

развиваемых центробежным регулятором и регулятором по моменту. Грузовые звенья I центробежного регулятора могут совераать поступательное - рис.8 либо вращательное - рис.9 движение. На основе анализа различных типов центробежных регуляторов, попользуеиых в АКВ, разработана обобщенная модель.•

При изучении процессов управления агрегат о АКВ представлен двухыассовой системой, моменты инерции СТд , Ос которой связаны с ведущим и ведомым валшхи. вариатора. Впервые показано, что АКВ представляет собой оистему о неголоноыной и голономной связями, действие которых взаимообусловлено. Получены обобщенные дифференциальные уравнения движения агрегата с АКВ, которые спра-

ведливы для различных типов центробежных регуляторов. Показано, что распорные усилия Qf , Q? , создаваемые ремнем на ведущем и ведомом шкивах, являясь реакциями связей, не удовлетворяют условию идеальности и поэтому должны быть учтены в дифференциальных уравнениях. Проведен анализ полученных уравнений, в который для практических расчетов можно пренебречь малыми слагаемыми в коэффициентах, после чего они имеют вид

Мы = Мс *Z &;.Уг = Ус ; ^-fa^/Ofa; X-cfyj; а* ; % -fa-%■;

(pg , Хр^ - углы поворота ведомого вала и ведомого шкива: У , Х- осевые перемещения подвижных дисков ведущего и ведомого шкивов; А2 - обиая масса грузовых звеньев центробежного регулятора; tf , - усилия прукин ведущего и ведомого шкивов;

- момент инерции ведомого шкива; ¿? » 2(J/J - координата, определяющая расстояние от оси шкива до центра тяжести С грузовых звеньев регулятора; J& - угол наклона винтовой линии регулятора по моменту к плоскости вращения шкива; - расстояние от оси шкива до точки взаимодействия элементов регулятора по моменту.

Второе уравнение системы (?) показывает соотношение наяду основными усилиями, действующими на подвижные диски, при которых имеет место автоматическое изменение передаточного отношения АКБ. Е основу обобщенной методики расчета параметров регуляторов положено указанное .уравнение и соотношения, обсспечивашие передачу •

движения за счет сил трения' на ведущем и ведомом шкивах,!а также условие минимизации среднеквадратичного отклонения параметров регуляторов, соответствующих работе двигателя на внешней и начальной частичной характеристиках. Показано, как на основе обобщенной методики определять параметры конкретных типов центробежных регуляторов.

В результате исследований получена аналитическая зависимость, позволяющая построить характеристику АКВ как при одном регуляторе по моменту на ведомом шкиве, так и при двух.

Изучено отклонение массы грузовых 'звеньев центробежного регулятора от расчетной на динамику разгона агрегата с АКВ.

Рассмотрены малые колебания в системе агрегата с АКВ. На основе линеаризованных уравнений впервые обнаружен демпфирующий эффект, который проявляется при изменении-передаточного отношения АКВ, а коэффициент демпфирования . /2 зависит от кинематических и геометрических параметров

: 2 п. - - и) ¿о^ /

где ■ и) - постоянная составляющая угловой скорости двигателя;

¿-'/и; %¿'-¿М- < -

Обнаруженное демпфирование названо кинематическим по аналогии с кинематическим возбуждением. Изучено влияние параметров регуляторов на характер переходного процесса, вызванного изменением нагрузки.

Проанализировано второе уравнение системы (7) при работе двигателя на частичной характеристике. Показано, что двигатель оказывается недогрузеиным в силу того, что центробепшй регулятор создаст недостаточное осовое усилие, а это отрицательно ска- '. зывается на динамике разгона. Предложены Ьаркантц устранения указанного отрицательного явлетая за счет, конструктивного изменения центробежного регулятора. В первом случае рассмотрен: вариант подпруяиниванкя опорного диска. Во втором случаз - рг.о .10 - корректировка оссеого усилия Ад» производится в .зависимости от частота вращения вкива за счет изменения положения центра тяжести грузовых звеньев. На основном грузов ел звекз I расположено

дополнительное подпружиненное грузовое звено 2. Чем меньше угловая скорость ведущего шкива, тем меньше плечо центробежной силы ; >х дополнительного грузового звена. А так как сила и центробежная сила ¡с основного грузового звена создают относительно точки В> вращающие моменты противоположных знаков, то при работе двигателя на частичных характеристиках осевое усилие Ко, будет больше по сравнению со случаем отсутствия дополнительного грузового звена. Данные конструктивные решения защищены авторскими свидетельствами. Для указанных выше случаев улучшения характеристики центробежного регулятора разработаны методики синтеза их параметров, а расчеты на ЭВМ подтвердили улучшение динамики разгона агрегата с АКВ.

Решена задача обеспечения необходимого закона изменения при прямолинейной, рабочей поверхности звена I - рис.11, выполняющего роль кулачка, за счет расположения центров тяжести С^ , С^ масс грузового звена. Б работе рассмотрен целый класс модификаций данного типа регулятора. Разработана обобщенная методика расчета параметров указанного типа регуляторов с учетом работы двигателя на различных характеристиках. '

Предложен ведомый шкив АКВ, позволяющий осуществлять торможение двигателем.

Составлены дифференциальные уравнения движения агрегата с АКВ с учетом податливое ги ремня. Получены приближенные решения-нелинейных дифференциальных уравнений,и на базе этих решений найдено выражение, определяющее наибольшие динамические усилия в ремне, возникающие в процессе изменение передаточного отношения.

Рассмотрены АКВ о одним регулятором: только по моменту либо центробежным. В последнем олучае вариатор служит для стабилизации угловой скорости и является частным случаем рассмотренных вше. Приводится методика синтеза параметров центробежного регулятора.

Проведены экспериментальные исследования динамики разгона агрегата о АКВ. Лабораторная установка включала электродвигатель постоянного тока, АКВ, выполненный по схеме - рис.8, и тормозное устройство. В результате исследований установлено, что время разгона, полученное теоретически на основе решения дифференциальных уравнений движения, на 9...17 % меньше определенного экспериментально, что объясняется влиянием сил трения. Меньшие отклонения

времени способствуют большим скоростям двигателя, а большие -меньшим.

Заключение

На основе проведенных исследований осуществлены теоретические обобщения в решении научной проблемы динамического анализа и синтеза указанных бесступенчатых передач.

Предложенный метод линеаризации упругой характеристики МОХ и нахождения приближенных решений позволил впервые получить аналитическую) зависимость, определяющую наибольшие динамические нагрузки на MCJX и являвшуюся справедливой для различ!шх типов управляемых- импульсных вариаторов при схематизации агрегата з виде двух-массовой динамической модели.

Изучено влияние процесса регулирования, демпфирующей способности ЫСХ и других параметров системы на величину наибольших динамических нагрузок.

Разработаны меры снижения динамической нагруженности МОХ, среди которых весьма эффективны:.! является использование предло- . генной упругой ir/фтц с расширенным участком ксазкнулевой жестко-' сти.

На основе указанных приблиденных решений впервые получена аналитическая зависимость, позволявшая определить величину дви-яуоего момента для привода с импульсным вариатором.

Изучены особенности возникновения паракетричесгсих колебаний в системе агрегата с импульсным вариатором и гi-явлек эффект изменения зон динамической неустойчивости по сравнении с известными параметрическими системами. . .

Метод использования в кинематически управляемых агрегатах реакций связи з качестве управления для разгонных систем позволил получить независимо от типа вариатора обобшаеткэ аналитические решения для оптимальных по быстродействию движений и предложен, алгоритм нахождения оптимальных по быстродействие управлений вариатором. Данный метод позволил установить независимость типа вариатора на быстродействие системы.

На основа разработанного обобаазмзего математического описания движения агрегата с AIS впервые получено ураЕкенке, определя-¡огеэ условия автоматического изменения передаточного отнезешет и

позволявшее найти аналитическую зависимость для характеристики АКБ. Предложенная методика расчета параметров регуляторов АКБ дает возможность производить расчеты с учетом различных режимов работы двигателя.

Обнаружена особенность АКБ, проявляющаяся в создании демпфирующего эффекта при управлении за счет неголономности связи.

Разработаны методы улучшения динамики разгона систем с АКБ, определены наибольшие динамические нагрузки в: ремне.

Установлены особенности расчета параметров центробежного регулятора АКБ, работающих в системе стабилизации скорости.

. Диссертационная работа выполнена в научном направлении, сформулированном следующим образом: качественное и количественное описание динамических процесоов в вариаторных приводах, обеспечивающее развитие теоретических представлений об этих процессах, и разработка научно обоснованных методов динамического анализа и синтеза планетарных импульсных и автоматических клиноре-менньос вариаторов.

Материалы диссертации могут быть использованы в учебных курсах.

Содержанке работы отражено в следующих основных публикациях:

1. Архангельский Г.В. Некоторые вопросы динамики импульсного вариатора //Теория механизмов и машин. <- 1976. - Вып.21. - С.82-88. - - '

2. Архангельский Г.В. Некоторые вопросы динамики импульсивных вариаторрв при регулировании //Теория механизмов и машин. -1977. - Вып.23. - С.122-128.' '

3. Архангельский Г.В. О наибольших динамических нагрузках на механизмах свободного хода управлявшее- импульоных вариаторов //Тезиоы докладов Второй Воеоовзной научной конференции по инерционно-импульсным кехакнзмаы, приводам и устройствам. - Челябинск. - 1977. - С.100.

4. Архангельский Г.В. О динамических нагрузках на механизмах свободного хода импульсивных вариаторов при регулировании //Теория механизмов и машин. - 1978. - Вып.24. - С.127-133.

5. Архангельский Г.В. О наибольших динамических нагрузках на механизмах свободного хода импульсивных вариаторов о учетом упругой нелинейности механизмов свободного хода //Теория механизмов и машин. -1978. - Вып.25. - С.99-107,

.6, Архангельский Г.В. О наибольших динамических нагрузках на еханизмах свободного хода.импульсивных вариаторов //Динамика и рочность машин. - Х978. - Вып.28. - С.140-146. •

7. Архангельский Г.В. 0 динамичеоких нагрузках на механизмах вободного хода импульсивных вариаторов //Теория механизмов и ма-ин. - 1979. - Вып.26. - С.104-109.

8. Архангельский Г.В. 0 динамике управляемого импульсивного гриатора при регулировании и оптимальном управлении //Теория не-шизмов и машин. - 1979. - Вып.26. - С.109-114.

9. Архангельский Г.В., Федунец П.Д., Филин Г.Д. Оптимизация юцессоз быстродействующего управления машинным агрегатом с ва-ттором с помощью принципа максимума //Тезисы докладов первого ;есоюзного съезда по теории механизмов и машин. - Алма-Ата. -)77. - С.28.

10. Архангельский Г.В., Поздняков Ю.П. Вопросы динамики ма-[нного агрегата о вариатором автоматического типа //Теория меха-змоэ и машин. г 1980. - Выл,29. - С.92-98.

11. Архангельский Г.В. 0 характеристике автоматических кли-рсменных вариаторов //Теория механизмов и машин. - 1981. -

л.30. - С.82-86.

12. Архангельский Г.В.' Обобщенные дифферешдеальные уравнения ихония машинного агрегата с. автоматическим кдинорсмешым вар паром //Теория механизмов и мошки. - 1982. - Вып.32. - 0.70-75.

13. Архангельский Г.В. Автоматический клиноременный вариатор к сто тема автоматического регулирования //Теория механизмов и пин. - 1982. - Вып.33. - С.12-17.

14. Архангельский Г.В., Горин М.П. Оптимизация процесса раз--¡а транспортного средства с бесступенчатой передачей //Бессту-гсато-регулируемыэ передачи. - Ярославль. - 1982. - 0.71-74.

15. Архангельский Г.В., 5иаим Г.Д. Вопросы управления ншин-I агрегатом с помощью импульсивного вариатора //Тезисы докладов' ¡тьей Всесоюзной научной конференции по инерционно-импульсным •.анизиам, приводил и устройствам. - .Челябинск. - 1982. - С.176.

16. Архангельский Г.В. Вопросы стабилизации угловой скорости инного агрегата с помощью управляемого импульсивного вариатора 'езисы докладов Третьей Всесоюзной научной конференции по инер-кно-импульсным механизмам, приводам и устройствам. - Челябинск. 982. - С.180.

17; Архангельский Г.В. Об оптимизации процесса разгона машинного агрегата с вариатором //Теория механизмов и машин. -

1983. - Вып.34. - С.40-46.

18. Архангельский Г.В. Об использовании реакций связей для отыскания оптимальных управлений в кинематически управляемых системах //Теория механизмов и машин. - 1983. - Вып.35. - С.26-28.

19. Архангельский Г.В. Одна задача оптимизации управления движением с помощью вариатора //Теория механизмов и машин. -

1984. - Вып.36. - С.66-70.

20. Архангельский Г.В. О динамических свойствах автоматического клиноременного вариатора о упругими элементами центробежного регулятора //Теория механизмов и машин. - 1984. - Вып.37. -С.91-96.

21. Архангельский Г.В. Вопросы силового расчета автоматического клинореыенного вариатора //Теория механизмов и машин. -

1985. - Вып.39. - С.92-97;

22. Архангельский Г.В. Динамика планетарного импульсивного вариатора в системе стабилизации угловой скорости //Теория механизмов и машин., - 1986. - Вып.41. - С.64-70.'

23. Архангельский Г.В. 0 снижении динамических нагрузок на механизмах свободного хода управляемых импульсивных вариаторов //Динамика и прочность.машин. - 1986. -Вып.44. - С.23-29.

24. Архангельский Г.В.Вопросы силового расчета автоматического клиноременного вариатора //Детали машин. - ¿986. - Вып.42. - С.43-46.

25. Архангельский Г.В.', Рачек И.Ю. Исследование динамики ро-бототехнических систем о использованием реакций связей //Тезисы докладов У1 Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. - Ташкент. - 1986. - С.53.

26. Архангельский Г.В. 0 динамических нагрузках на механизмах свободного хода импульсивных управляемых вариаторов //Теория механизмов и малиЦ.- 1987. - Вып.43. - С.44-49.

27. Архангельский Г.В. 0 динамических свойствах автоматических клиноременныхвариаторрв транспортных средств //Теория механизмов и машин.- - ¿988, - Вып.44. - С.64-69.

28. Архангельский Г.В. 0 динамических нагрузках в ремне автоматических клинороменных вариаторов //Теория механизмов и машин. - 1988. - Вып.45^ - С.95-100.

.29. Архангельский Г.В.' Периодические колебания упругого мо мента на механизмах свободного хода импульсных вариаторов //Теория механизмов и машин. - 1989. - Вып.46. - С.124-131. |

30. Архангельский Г.В. Колебательные явления в системе привода токарного станка с автоматическим клиноременнш вариатором //Теория механизмов и машн. - 1989. - Вып.47. - С.59-55.

31. Архангельский Г.В. 0 влиянии демпфирования на динамические нагрузки на механизмах свободного хода управляемых.импульс, вних вариаторов //Теория механизмов и машин.-1989. - Вып.46. -C.II3-II8. " • -

32.-Архангельский Г.В. Колебательные явления в системе привода токарного станка с автоматическим клинорекенным вариатором //Технология и автоматизация машиностроения. - I98S. - Вып.44. -С. 10-15. V

33. Архангельский Г.В. Об оценке динамических нагрузок в си стеме импульсивного вариатора в случае управления с помошью электродвигателя //Теория механизмов и машин. - 1990. - Выл.48. -

С.72-78. ' ,

34. Архангельский Г.В.Динамика малинных агрегатов с автомата ческими клиноремеиными вариаторами. Деп. в УзгрНИйНТИ. - 18.01.90,

- № 56. - Ук.S0. - 78 с.

35. Архангельский Г.В., Дубинец А.И. Об использовании автоматического клиноременного вариатора в приводе сверлильных станков //Технология и автоматизация машиностроения. - ISS0. - Выл.45. -C.9-I3.

36. Архангельский Г.В. Динамика импульсных вариаторов //Новое в технике автоматизированного электропривода. - К.: В>:са пк.

- 1990. - Вып.19. - G.59-103. - -

- 37. Архангельский Г.В. Динамика мототранспортных средстз с автоматическими клкноременными вариаторами. Деп. в УкрКШШТИ. -18.02.92. - !* 217. - Ук.92. -.75 с. , ^

38. Архангельский Г.В. Об особенностях хлнноременных вариа-тороа как. систем со связями //Детали машин. - 1992. - Еып.54. -С.58-61.

39. A.c. II32087. Импульсный вариатор /Г.В.'Архангельский, Р.В.Амбарцумянц, М.Я. Тальянкер. - IS84. - Бал. v 48.

40. A.c. 1335646. акиз клкноременного вариатора /Г.В.Архангельский. - 1983. - Вод. 14.

41. A.c. I58007I. Упругая муфта /Г.В.Архангельский. - 1990. - Бюл. № 27.

42. A.c. 1744353. Шкив автоматического клиноременного варив тора /Г.В.Архангельский, Ю.П.Поздняков, Е.Н.Щербаков. - 1992. -Бюл. » 24.

43. A.c. № I79I652. Шкив клиноременного вариатора /Г.В.Архг нгельский.' - 1993. - Еюл. № 4.

44. A.c. № 1796830. Ведомый шкив автоматического клинореме! ного вариатора /Г.В.Архангельский, Ю.П.Поздняков. - 1993. - Бил, №7.

. 45. Архангельский Г.В. Вопросы снижения динамических нагрузок машин за счет муфт с участком квазинулевой жесткости //Teopi механизмов к мшин, - К.: HÜK ВО, 1993.

АННОТАЦИЯ

Архангельский Г.В. Динамический анализ и синтез вариаторны приводов. Диссертация на соискание ученой степени доктора техни ческих наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение. Одесская государственная академия пиаевых технологий; Работа посЕгшена разработке методики динамического анализа и синтеза .вариаторных приводов о планетарными импульсными вариаторами и автоматически клиноременными, содержавши центробежный регулятор к регулятор'; моменту. Разработаны и обоонованы мероприятия по улучшению дина иичееккх качеств указанных вариаторов. Рассмотрено бкстродейстг агрегата с управляемым вариатором. Получены обобиения по быстрс действию для определенного класса 'агрегатов. Приведены результ£ экспериментальных исследований.

АКОТДОЯ

V

Архангельский Г.В. Динан!чний енал!з i синтез вар!аторни привод!в. Дяовр1ац1я на вдобуия наукового с*упеня доктора тех в!чних назк ъ фах? 05.02.02 - Кзвинознавсгво. Одеська державна акад«ы!я харчових т!хнолог1Я. Робога присвячана роэробц} иагодики дннам1чного аиал1зу t сайту вар1аюриюс привод!в з плане га рикии fипэльснЕмв sapfaiopata t автатачниия клинопасови» як! utomsb в1дцв85ровай ре rj ля тор I "регулятор в монангз. Fosj

блвн!' га обгурюван! заходи, олряиован! на покращвння динам!чних якоохвй вказавих Bapfaiopiiu Разглянута.пвидкод1я агрегату з кэ-рованим вар!атором. Одержан! уэагалмвиня э швидкод!Т для озна-чвного клаоу агрегаг!в. Наведен! результата вкспвриуенталышх

50СЛ11ЖЗНЬ. ____________..... .......... .

SUMMARY

Arkhangelsky G.V. Dynamical analysis and synthesis Variable-Speed drives. Thesis for doctor's degree of technical sciences in speciality 05.02.02 -Machinery. Odessa state Academy of food technologies. The paper is devoted to working out of a method of dynamical analysis and synthesis planetary impulsive variable-speed drives and automatic V-Belt variablespeed drives which have centrifugal and torque regulators. Measures on . improvement dynamical qualities indicated above variable-speed drives were worked, out and based. Quick action of the unit with wariable-speed drive was considered. General conclusions on ,quick action for definite class of unit was obtained. Results of experimental reseach were given.

' Ключов! олова: Кзрован! планвгарн! 1ыпульсн! вар!агори, авгомагичн! яопаоов! sapiaiopw /АКБ/, изхан!зм в!лького ходу /МВХ/, в!дцен-тровий регуля!ор, регулягор за аоавчтоа, голоноаяа пов"язь, не-голоноина пов"язь, швидкод!йн!сгь saptaropa, к!нвыагично каровая! розПяя! систем, первдагна функц!я пврзгворювального ue-хан!эау, к!н8иатичнв эбурання, д!лянна кгаэинульово? жорсткост! прунно? муфгя, релейна 8ы!на жорсгкосг! оиогвии, дэмлфувальна здатн!сгь МВХ, к!нвиа1ичав двцпфувашгя АКБ.

Рис, î

VI

Pilc.2

L 9 ,

Y

Рис.З

Рис. 5

г

Рас. 6

о -¿

-♦i

-6

<р

А Ч>

So

loo

íSO % 4fAd

Рис. 7

\ i ni Y \\

H to > » i

Л. »♦н т f^ h.

Pùlc.8

i \ßi

Рис. S

Pce. 40

PLLC.H