автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Методы оценки нагруженности инерционных синхронизаторов в коробке передач трактора с фрикционными муфтами

На правах рукописи

005045183

Крючков Виталий Алексеевич

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАГРУЖЕННОСТИ ИНЕРЦИОННЫХ СИНХРОНИЗАТОРОВ В КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРА С ФРИКЦИОННЫМИ МУФТАМИ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ' :.;ЛП 2и",2

Москва-2012

005045183

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательском институте стали»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шарипов Валерий Михайлович

Официальные оппоненты: Лужнов Юрий Михайлович - доктор

технических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта»

Верещагин Сергей Борисович -кандидат технических наук, доцент, доцент ФГБОУ ВПО «Московского государственного автомобильно-дорожного университета»

Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО «Московский государсвен-

ный индустриальный университет»

Защита состоится 21 июня 2012 г. в 14°° 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 библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технического университета «МАМИ».

Автореферат разослан 16 мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ю'СЩетинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инерционные синхронизаторы (СХ) широко применяются в коробках передач (КП) автомобилей и в последние годы получают все большее распространение в КП тракторов. СХ используются в классических схемах КП в качестве механизмов переключения передач с разрывом потока мощности или в качестве механизмов подготовки включаемой передачи в преселекторных КП, обеспечивающих безразрывное переключение передач. Преселекторные КП представляют наибольший интерес для тракторостроения, так как объединяют в себе функциональность КП с фрикционными муфтами (ФМ) с гидроподжатием и относительно высокий КПД классической схемы КП.

Одним из важнейший параметров, определяющих работоспособность СХ в КП, является удельная работа буксования его выравнивающего элемента в процессе включения передачи. В современных схемах тракторных КП с ФМ и СХ в выключенных ФМ возникают поводковые моменты, снижающие КПД КП и дополнительно нагружающие СХ.

Существующие методики расчета работы буксования выравнивающего элемента СХ и времени его синхронизации не учитывают влияния поводковых моментов от выключенных ФМ в КП, а также реальную характеристику срабатывания привода включения СХ. Эти обстоятельства не позволяют с достаточной точностью определять работу буксования СХ и время его синхронизации в КП трактора. Достоверное определение этих параметров позволит при проектировании тракторных КП оценить нагруженносгь СХ и сделать выбор их конструктивных параметров более обоснованным с учетом места установки СХ и ФМ в КП.

Целью работы является разработка методов оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) в КП трактора с одной и более выключенными ФМ.

Объекты исследований - ФМ и СХ в КП трактора, процесс синхронизации при включении или подготовке передачи в КП с учетом влияния на работу СХ поводкового момента от выключенной ФМ.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании методов аналитической механики и теории движения колесных и гусеничных машин. Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, имитирующей работу преселекторной КП с использованием натурных образцов ФМ и СХ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса включения и буксования выравнивающего элемента СХ с учетом реального срабатывания привода управления и поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- проведена экспериментальная оценка величины поводкового момента в выключенной ФМ в КП, определен вид его характеристики и динамика поведения в зависимости от абсолютных и относительных частот вращения дисков;

- разработан аналитический метод расчета работы буксования СХ и времени синхронизации, учитывающий характер изменения момента трения СХ при включении передачи и влияние поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- разработана обобщенная методика оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) и на ее основе даны рекомендации по выбору места установки ФМ и СХ в кинематических схемах КП при совместной работе ФМ с гидроподжатием и СХ.

Практическая значимость. Универсальная математическая модель процесса включения СХ, учитывающая такие дополнительные факторы, как поводковый момент со стороны выключенной ФМ и характеристику привода включения, позволяет на стадии проектирования КП, содержащей в своей конструкции ФМ и СХ, достоверно оценить работу буксования СХ и время его синхронизации, что позволит сделать более обоснованным выбор параметров СХ. Предложенный аналитический метод расчета работы буксования СХ и времени его синхронизации позволяют упростить и ускорить выбор нужных параметров СХ, обеспечивая достаточную степень точности расчетов. Разработанная обобщенная методика оценки нагруженности СХ и на ее основе рекомендации по выбору места установки ФМ и СХ в кинематических схемах КП при совместной работе ФМ с гидроподжатием и СХ позволяют на стадии проектирования КП выбирать наиболее рациональные места их взаимного расположения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- математическая модель процесса включения и буксования выравнивающего элемента СХ с учетом реального срабатывания привода управления и поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- результаты экспериментальных исследований по оценке величины поводкового момента в выключенной ФМ, вида его характеристики и динамики поведения в зависимости от абсолютных и относительных частот вращения дисков;

- аналитический метод расчета работы буксования СХ и времени синхронизации, учитывающий характер изменения момента трения СХ при включении передачи и влияние поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- обобщенная методика оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) и рекомендации по выбору места установки ФМ и СХ в кинематических схемах КП при совместной работе ФМ с гидроподжа-тием и СХ.

Реализация результатов работы. Математическая модель процесса включения СХ в КП и аналитический метод расчета их работы буксования и времени синхронизации при использовании различных схем КП с ФМ внедрены в учебный процесс в МГТУ «МАМИ» и используются в ОАО «НАТИ» при разработке новых конструкций КП, содержащих СХ и ФМ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях научно-технического совета ОАО «НАТИ» (2007 - 2011 гг.) и ОАО «НИИ стали» (2012 г.), кафедры «Колесные и гусеничные машины» МГТУ «МАМИ» (2010 - 2012 гг.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, 2008 г.), на научно-технической конференции, посвященной 100-летию начала инженерной подготовки по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2009 г.), на международной научно-технической конференции АИИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (г. Москва, 2008, 2010, 2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, среди которых 1 патент на полезную модель и 3 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 189 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков, 12 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и сформулирована ее основная цель.

В первой главе проведен анализ конструкций КП с ФМ и СХ, факторов, определяющих работоспособность СХ и методов их расчета.

Анализ литературных источников показал, что нагруженность СХ зависит от комплекса взаимосвязанных факторов. Основным фактором, влияющими на работоспособность выравнивающего элемента СХ, является его удельная работа буксования, которая может существенно изменяться в зависимости от выбранной кинематической схемы КП и характеристики привода включения.

Исследованию процессов включения СХ в КП посвящены работы В.И. Белокоскова, М.М. Белоуса, A.A. Дадамухамедова, В.В. Егоркина, В.А. Ковалева, В.И. Красненысова, А.П. Недялкова, Д.В. Постникова, И.М. Ховано-ва, A.A. Церени, Г. Зайферта, 3. Яскевича и др. При этом в подавляющем большинстве работ отмечается, что основным фактором, определяющим нагруженность, а следовательно, и работоспособность СХ является работа буксования его выравнивающего элемента, а точнее - ее удельная величина (удельная работа буксования). Превышение допустимой величины работы буксования СХ и уменьшение времени синхронизации при переключении передачи в КП увеличивает температуру поверхностей трения его выравнивающего элемента, что может привести к необратимым изменениям в структуре его фрикционных материалов и снижению долговечности самого СХ.

Существующие методы расчета работы буксования СХ и времени его синхронизации при переключении передачи в КП подробно рассмотрены в работах А.И. Гришкевича, П.П. Лукина, АЛ. Полунгяна, К.А. Талу, В.М. Шарипова и др.

Исследованиями величины поводковых моментов от выключенной ФМ, работающей в масле, занимались В.Ф. Бялоцкий, М.Д. Гирко, Ю.С. Гущин, К.К Ивлиев, Г.И. Кутняков, К.Я. Львовский, В.Э. Малаховский, Т.Н. Рыбакова, В.П. Тарасик и др. Эти работы показали существенность величины данного поводкового момента при определенных условиях работы КП. В современных конструкциях тракторных КП, где переключение передач осуществляется ФМ и СХ, эти поводковые моменты будут оказывать влияние на работу СХ.

Однако в настоящее время отсутствуют математические модели процесса включения СХ в КП и методы расчета работы буксования его выравнивающего элемента и времени синхронизации, учитывающие влияние поводкового момента от выключенных ФМ в КП и влияние характеристики срабатывания привода управления на работу СХ.

Вышеизложенное позволило сформулировать основные задачи данной работы.

Во второй главе с целью учета влияния поводкового момента от выключенных ФМ в КП предложено использование альтернативных динамических моделей для расчета СХ в зависимости от разновидности схемы КП. На основе предложенных динамических моделей определены теоретические диаграммы течения процесса включения СХ для различных схем КП и разработана математическая модель процесса включения СХ, учитывающая влияние поводкового момента и характеристики срабатывания привода включения СХ. Здесь также разработан аналитический метод оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) с учетом аналогичных факторов для различных схем КП.

Особенность влияния поводкового момента от выключенной ФМ на процесс включения СХ заключается в его независимости от времени синхронизации. В процессе синхронизации поводковый момент от выключенной ФМ меняет интенсивность своего воздействия в соответствии с изменением величины относительной частоты вращения дисков ФМ, что в свою очередь сказывается на длительности процесса синхронизации и величине работы буксования СХ.

Процесс синхронизации при переключении передачи в КП рассмотрен на основе предложенных динамических моделей, описывающих работу СХ при переключении передачи в КП с разрывом потока мощности (рис. 1 ,а) и без разрыва потока мощности (рис. 1,6) /преселекторные КП/.

Рис. 1. Дипамические модели для исследования процесса включения СХ:

а - трехмассовая; б - двухмасовая; Лж - момент инерции двигателя, приведенный к конусной муфте включаемого СХ; У„ - суммарный момент инерции всех деталей, связанных с включаемой шестерней КП и приведенный к конусной муфте включаемого СХ; Ли - суммарный момент инерции движущейся машины и вращающихся частей трансмиссии, приведенный к конусной муфте включаемого СХ; ш„, й>„ <иж - угловые скорости соответственно промежуточного вала КП, выходного вала трансмиссии на /-ой и /+1-ой передаче приведенные к конусной муфте включаемого СХ; со,', ам' - угловые скорости вращения ведущих дисков ФМ соответственно на /-ой и /+1-ой передаче, приведенные к конусной муфте включаемого СХ; М7 - момент трения в СХ; Мъ - поводковый момент на дисках выключенной ФМ, приведенный к конусной муфте включаемого СХ; М/ и - момент соответственно сопротивления движению машины и двигателя, приведенные к конусной муфте включаемого СХ

Здесь и далее значения угловых скоростей вращения принимаются в соответствии с рис. 2.

у^т ь>м yd р

Рис. 2. Обозначения угловых скоростей вращения элементов КП

Для определения работы Ьс буксования выравнивающего элемента СХ и времени *е его синхронизации процесс включения СХ описан теоретически на основе анализа динамических моделей (см. рис. 1), а диаграммы процессов для различных схем КП представлены на рис. 3 (сплошные линии - переключение с низшей на высшую передачу, пунктирные - с высшей на низшую).

М

Ц-,

Mt /Д<% I _Нвс •Д СЩ'О

Рис. 3. Диаграммы процесса включения и буксования СХ в КП с одной выключенной ФМ:

а - для трехмассовой динамической модели; б - для двухмассовой динамической модели; сосв. сое - угловая скорость конусов СХ, связанных соответственно с выходным и промежуточным валом КП; а>мв, сом - угловая скорость дисков ФМ, связанных соответственно с валом двигателя и с промежуточным валом КП; свмвс - угловая скорость вращения дисков ФМ, связанных с внешним валом КП в момент синхронизации колец СХ; «сво, coco, с«мо. й>мво - начальные угловые скорости соответствующих элементов; а>сс, &>свс - угловая скорость конусов соответствующих элементов при синхронизации; Асом - относительная угловая скорость вращения дисков ФМ; Да>мс, Дс>мн - относительная угловая скорость вращения дисков ФМ соответственно при синхронизации конусов СХ и ее начальное значение; t„ - время полного срабатывания привода включения; tu - время, при котором произошло выравнивание скоростей вращения дисков выключенной ФМ; - время срабатывания включающего устройства СХ; Кп - коэффициент, учитывающий характеристику срабатывания привода включения СХ

Общий вид математической модели процесса включения СХ подразумевает деление расчетов на три этапа.

I. Под действием момента Мт трения СХ, созданного приводом включения, поводкового момента Мь со стороны выключенной ФМ, действующего однонаправлено или разнонаправлено с ним, происходит начало процесса выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей в КП. При этом возрастание момента трения Мт СХ происходит в соответствии с характеристикой привода его включения.

I,а. Вариант этапа I, при котором возрастание момента Мт трения СХ, создаваемого приводом включения прекращается (Мт= const). Процесс синхронизации осуществляется при тех же условиях, что и на этапе I.

II. Воздействие момента Мт трения СХ продолжается аналогично этапу I или этапу I,а, но поводковый момент Мв меняет направления своего воздействия на противоположное по сравнению с предыдущими этапами. Процесс синхронизации продолжается под действием момента трения Мт СХ.

II,е. Вариант этапа II, при котором возрастание момента А/т трения СХ, создаваемого приводом включения прекращается (возможен только при отсутствии этапа 1,а). При этом Мт= const. Процесс выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей в КП идет при тех же условиях, что и на этапе II.

III. Скорости вращения конусов СХ выравниваются, блокирующее устройство разблокируется. Происходит преодоление приводом включения сопротивления фиксатора и силы трения в направляющих, созданной остаточным поводковым моментом, и включение зубчатой муфты СХ.

Выше рассмотрены этапы процесса включения СХ, когда на диаграмме изменения момента Мт трения есть полка. Однако, процесс синхронизации может происходить и по треугольной диаграмме. В этом случае варианты этапов I,а и II,а будут отсутствовать. Кроме этого, возможен случай, когда поводковый момент Ма не меняет направления своего воздействия в течение всего процесса. В этом случае этапы II и II,а будут отсутствовать.

Для трехмассовой динамической модели (см. рис. 1 ,а) будут отсутствовать этапы II и II,а, так как в этом случае поводковый момент Мв не меняет направления своего воздействия.

Исходя из сказанного, общий вид математической модели будет выглядеть следующим образом.

I этап. Выражения для циклического пересчета скоростей вращения Юс конусов выравнивающего элемента СХ, связанного с промежуточным валом

КП, определяются для случаев использования трехмассовой (см. рис. 1 ,а) и двухмассовой (см. рис. 1,6) динамических моделей соответственно из уравнений:

+ Мт=^ес+Мв -> р„Л»с = ¡(+МТ-МВ)Л- (I)

«СО 'о

<1

мт=^£с-мъ -> |7пЛус= |(Л/Т+Л/В)Л. (2)

«"■со 'о

Здесь £с = с1(ос/с11.

На этом этапе момент Мт трения СХ, создаваемый приводом включения, принимается линейно зависимым от времени и задается коэффициентом К„ =А/т//„. Решая уравнения (1) и (2) определим соС1 для трехмассовой и двухмассовой динамической модели соответственно из выражений:

а>г, =■

2

"®со; (3)

— + Мв г,

®С1=-—г-+ <%>, (4)

•'а

где ©о, - начальная угловая скорость вращения конуса СХ, связанного с промежуточным валом КП; t\ - значение текущего времени, изменяющееся на величину М за цикл.

Верхний знак в уравнениях относится к переключению с низшей передачи на высшую («вверх»), а нижний знак - к переключению с высшей передачи на низшую («вниз»).

Выражение изменения поводкового момента определяется на основе экспериментальных исследований и имеет вид либо уравнения параболы

мв=А"о™) = ап'т,

либо полинома

мв = /("с™ ) = Я2/£„ + + а0, где - относительная частота вращения дисков выключенной ФМ; а, а0, аьа2- постоянные коэффициенты; х - показатель степени.

Параллельно выполняется расчет угловых скоростей гаСВ1 или &>мш под действием подключаемой к двигателю дополнительной инерционной нагрузки или отключаемой силовой. Расчет идет по двум направлениям. Сначала

вычисляется изменение угловой скорости вращения элемента трансмиссии связанного с валом двигателя под действием инерционных сил:

Л

—+ й>мв0; (5)

^СВ1У= . 2 +а>сво, (б)

где ®сво- начальная угловая скорость вращения конуса выравнивающего элемента СХ, связанного с двигателем; соМво - начальная угловая скорость вращения дисков выключенной ФМ, связанных с двигателем.

Далее вычисляется изменение угловой скорости вращения о>Мв!д или «св1д с учетом влияния регуляторной характеристики двигателя для всех случаев переключения по трехмассовой динамической модели или в некоторых случаях переключения по двухмассовой динамической модели вниз, когда требуется принудительное торможение промежуточного вала КП, по выражениям:

ма|Д~ ЪШш +~30~; <7>

яМЛп^-п-Л я-и

®свш =-^^-—+—— ГЮ

св,д 3030 • ^

Здесь ищ и пт - частота вращения вала двигателя соответственно на холостом ходу и на номинальном режиме, приведенные к конусной муфте включаемого СХ.

Для двухмассовой динамической модели изменение угловой скорости вращения £оСв!д в большинстве случаев определяется с учетом влияния корректорной ветви внешней скоростной характеристики двигателя из выражения:

_ +К1)2+К|)+г,01

СВ1Д ~~' —-(У)

Здесь Ьо,Ь\,Ь2- постоянные коэффициенты.

Из двух значений угловой скорости вращения выбирается большее, показывающее по силовым или инерционным свойствам прошло преодоление нагрузки двигателем. Это значение участвует далее в расчете величины поводкового момента Мв.

Этап заканчивается, когда угловые скорости вращения конусов СХ будут равны или близки к этому (соа а «свО. или (только для двухмассовой

модели), когда относительные частоты вращения дисков ггт выключенной ФМ будут равны нулю или близки к этому, или по достижении времени /„•

II этап может существовать только для двухмассовой динамической модели (см. рис. 1,6). Он отличается от первого учетом изменения направления воздействия поводкового момента на промежуточный вал КП. В результате

где сосм- угловая скорость вращения конуса СХ при выравнивании частот вращения дисков выключенной ФМ; Ь - значение времени, изменяющееся на величину А/ за цикл в ходе второго этапа расчетов.

Переход между этапами учитывается за счет принятия в качестве расчетных значений величин и сусм , полученных в конце предыдущего этапа.

Аналогично, с учетом перехода между этапами, изменяется и выражение (6), принимающее вид:

где <асвм- угловая скорость вращения конуса СХ, связанного с двигателем, при выравнивании частот вращения дисков выключенной ФМ.

Остальные вычисления идут по аналогии с первым этапом с использованием выражений (8) и (9), учитывая переход между этапами (й>св1д преобразуется в а>св2д)-

Этап заканчивается, когда угловые скорости вращения конусов СХ выровняются или будут близки к этому (й)а ~й)СВ2), или по достижении времени Гп.

Если в процессе синхронизации выравнивающих элементов СХ ведущие и ведомые детали выключенной ФМ не меняют знака относительного вращения, то второй этап вычислений будет отсутствовать.

В математической модели учитывается также и характер изменения момента Мт трения СХ. Процесс синхронизации может проходить, когда на диаграмме изменения момента трения образуется полка (см. рис. 4,а) или по треугольной диаграмме (рис. 4,6).

13

ПНм

о

к

б)

и

Рис. 4. Диаграммы изменения моментов Мт и Мв при включении СХ:

а - с полкой; 5-треугольная

Процесс включения СХ осуществляется по треугольной диаграмме (см. рис. 4,6), когда /с < /п. В этом случае математическая модель будет иметь вид описанный выше.

Процесс включения СХ осуществляется по диаграмме с полкой (см. рис. А,а), когда /<•>/„.

В этом случае этап, на котором произошло образование полки, делится еще на два подэтапа (I и I,а, и II и И,а соответственно), а полученное на предыдущем шаге расчета время принимает значение гп.

Для трехмассовой динамической модели выражения (3) и (5) примут

вид:

где соСп и о>мвп - угловая скорость соответственно конуса СХ, связанного с промежуточным валом КП, и дисков ФМ, связанных с двигателем, при образовании полки на диаграмме момента Мл трения СХ.

В случае же двухмассовой динамической модели и этапа I,а выражения (4) и (6) преобразуются:

где «свп - угловая скорость вращения конусов СХ, связанных с двигателем при образовании полки на диаграмме момента Мт трения СХ; Мт = const.

®ши =

_(+A/T-A/R)ft-Q

Л

_Mf{t2-tJ mb2V --:-+ озI

(10)

Однако образование полки может произойти и на этапе И. В этом случае этап II,а будет отличаться то этапа I,а изменением знака поводкового момента Мв в выражении (10), а обозначения пересчитываемых параметров в формулах изменятся соответственно на £иСэ> &>cbi/ и h-

Далее вычисления идут аналогично - с использованием выражений (7), (8) и (9), учитывая переход между этапами (сиСВ1д или ©свгд преобразуется соответственно в £0СВ2д или а>Свэд, а <ыМВ1д в «мвгд)-

Расчет прекращается, когда еоС2« а>ст или <асз « а>СВ}.

На каждом шаге подсчитывается действующий в СХ момент трения МТ1 = Кп t, или МТ1 = const

и его работа буксования

La=MTi(\o)CBi-coa\)At, где юа, аСВ1- подсчитанные на каждом шаге расчетов, значения угловых скоростей вращения конусов СХ, связанных соответственно с промежуточным валом и с внешним валом КП; f, - время, фиксируемое для каждого шага расчета.

Ш этап. На этом этапе определяется работа буксования СХ

4=1 Ц.

¡-I

Сопоставление теоретической, полученной с использованием разработанной математической модели, и экспериментальной диаграммы процесса включения и буксования СХ приведено на рис. 5.

Аналитический метод расчета работы буксования СХ, учитывающий влияние поводковых моментов от выключенных ФМ в КП действующих на СХ при включении передачи, основан на альтернативном свойстве классического выражения Lc, основанного на том, что при постоянном значении Мт и заданном (однозначно определенном) времени ic синхронизации работа буксования СХ

Лв>СН J / __ \ Ласн

&а)ск с А®ск

где Да>с - относительная угловая скорость вращения конусов СХ; АшСн и Дсоск - соответственно начальная и конечная относительная угловая скорость вращения конусов СХ; Мт =J„(a>M -<у()//с ; <ом - со, = Дсос.

Так как в процессе переключения передачи угловые скорости вращения дисков ФМ и конусов СХ линейно связаны между собой, то с учетом поводкового момента Мв

Р «ив. МПа

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

О

100

200

300

400

500

600

700

800

900

п, мин'1 а, %

Рис. 5. Сравнение экспериментальной и теоретической диаграммы процесса включения и буксования СХ: И.Х1,1.Х2, п,х3 - частоты вращения входного вала КП для 1, 2 и 3 опытов; л>их,, пеш2, л1Ых3 -частоты вращения выходного вала КП для 1, 2 и 3 опытов; рърг,рг- давление в пневмо-цилиндре для 1, 2 и 3 опытов; а,, а2, а3 - углы поворота валика включения СХ для 1, 2 и 3 опытов; п,х_р, "вь1х_р, рР, - расчетные значения соответственно входного и выходного вала КП и давления в пневмоцилиндре механизма включения СХ

4осн А®сн

к= ) Ja^a)cd^c¡>c+ ¡Мв(Аа)м)^Асос, (Ц)

Диск

где Мв(А<им)- величина Мй, зависящая от относительной угловой скорости вращения Ао>м ее дисков и приведенная к конусной муфте СХ.

Здесь верхний знак "-" для случая, когда поводковый момент Мв помогает процессу синхронизации, и знак "+" - когда дополнительно догружает СХ.

Время синхронизации определяется с учетом влияния среднефунк-ционального значения поводкового момента Мв на исследуемом промежутке

с мт±мв

Здесь -т- Ыв(Аа>н)<1А<ом,

где Даин и Дсумк - соответственно начальная и конечная относительная угловая скорость вращения дисков выключенной ФМ, приведенная к конусной муфте СХ.

Все возможные схемы относительной установки ФМ и СХ в КП разделены на группы и типы (см. рис. 6) и сведены в таблицу, в которой приведены выражения, полученные для определения Д®м через А<ос Для различных вариантов установки элементов.

Условно, схемы могут быть поделены на следующие группы и типы.

I. С одной ФМ: а) двухвальная с ФМ на входе; б) двухвальная с ФМ на выходе; в) трехвальная с ФМ на входе; г) трехвальная с ФМ на выходе.

II. С двумя ФМ (сдвоенной муфтой): а) трехвальная с ФМ на входе; б) четырехвальная с ФМ на входе; в) четырехвапьная с ФМ на выходе.

III. Более двух ФМ: а) ФМ на входе; б) ФМ на выходе.

Анализ полученных выражений позволил вывести обобщенное универсальное уравнение, описывающее все возможные схемы:

Дам = т„А' -соХв? + Аа>сС, О2)

где шд - угловая скорость вращения вала двигателя; Дсос - относительные угловые скорости вращения конусов СХ; А - коэффициент влияния выходного передаточного числа; В\ - коэффициент влияния перехода между передачами; В2 - коэффициент влияния входного передаточного числа; С - коэффициент влияния промежуточного передаточного числа; х, у1, у2, г - показатели степени, принимающие значения либо "+1", либо "-1".

Значения Асом из уравнения (12) подставляются в выражения, приве-

денные выше.

Если функция Мъ содержит дробную степень, то удобнее преобразовать формулу (12), выразив Дшс через Дсам, а результат подставить в (11):

Г У. с,А' |

С'

С'

(Ааш -A(oмн) + Jtl

""МК

¡Мв(Аа>м)1с^Ай)м.

Группа I

Группа II

-ЕН^-

8)

Группа III а

8)>

-Ш-ф

Рис. 6. Блочные схемы установки ФМ и СХ в КП:

Д- двигатель; А - условная нагрузка; и,,им...- передаточные числа на /, ¡+1 т.д. передачах; Ц, Ujn--.Up.n- согласующие передаточные числа на jJ+l и т.д. ФМ; Е/Вх - передаточное число на входе; £/т - передаточное число остальной части трансмиссии

Учесть изменение направления воздействия момента Мв возможно, разбив выражение (11) на две части, предел интегрирования каждой из которых ограничивается с одной стороны нулевым значением относительной угловой скорости Д<усмо вращения дисков ФМ, приведенной к соответствую-

щему значению Дсос. Каждая часть выражения имеет собственную зависимость от времени в рамках исследуемых скоростных промежутков (см. рис. 7). Тогда 4 = 4, +Ьа, где

¿с,= | Jв^CDcd^й>c- ]Л/в(Да)с)/,с/Дй)с ;

Д«смо

ÍÜJ,

Д«СМО ta

4i = j JnAú)cdAaic+ jMB(Acoc) t2 eJAco,

&aCX Д®Ск

В этом случае ít = í, + /2, а Л/Т+МВ) J Мт-мв2'

где

Дюмн-Д«мо Двм>

р

Л/в(Дй>м)^Дй>м;

1

|Д®М>с|

|л/в(Д«м)^Дй)м

Рис. 7. Диаграмма процесса синхронизации для преселекторной КП

Здесь Ааш- нулевое значение относительной угловой скорости вращения дисков вьпопоченной ФМ.

Кроме этого, основываясь на классической методике расчета СХ, разработан аналитический метод определения работы 4 буксования СХ и времени tc его синхронизации как с учетом поводкового момента Мв, так и изменения момента Мт, через интегрирование по времени, но с принятием необходимых для этого допущений. В нем все варианты совместного поведения моментов сводятся к 8 частным случаям, для каждого из которых общая работа буксования 4 СХ подсчитывается, как сумма составляющих ее работ.

Сравнение экспериментальных данных и теоретических исследований процессов, проходящих в испытательной установке (ИУ), в средах MatLab и Matead, показало, расхождение результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований при оценке работы буксования с помощью разработанной математической модели не превышает -9,77%, а времени синхронизации-11,52 %.

Аналогичное сопоставление при оценке работы буксования СХ и времени его синхронизации с помощью полученных аналитических зависимостей показало, что их расхождение с результатами экспериментальных ис-

следований по величине работы буксования не превышает -10,81%, а по времени синхронизации -14,78%.

В третьей главе приведены методики и результаты экспериментальных исследований по определению величины поводкового момента от выключенной ФМ и процесса включения синхронизатора. Исследования проводились на ИУ, разработанной в ОАО «НАТИ» и имитирующей работу пресе-лекторной КП. Исследования затрагивали вопросы определения величины поводкового момента Ма от выключенной ФМ и вопросы определения характеристики процесса включения СХ, используемого в конструкции ИУ. Их целью было получение недостающих данных о характере изменения Мв в процессе включения СХ, подтверждение достоверности математической модели процесса включения и буксования СХ и полученных аналитических зависимостей для определения работы Lc буксования СХ и времени tc его синхронизации.

В основе ИУ использовались серийно выпускаемые агрегаты: ФМ ВОМ трактора Т-150 для оценки величины поводкового момента Мв; синхронизированная КП автобуса «Икарус» для исследования процесса включения СХ. Привод ИУ осуществлялся с помощью ГОП.

При оценке величины поводкового момента Мв был выбран ряд характерных для исследования точек с определенными значениями относительных частот вращения дисков ФМ для различных значений абсолютных частот вращения на основании режимов работы проектируемой КП. Исследования проходили при установившейся частоте вращения входного вала редуктора ВОМ и изменении частоты вращения входного вала КП.

На первом этапе исследования проводилось многократное включение прямой передачи при остановленном ГОП ВОМ и частоте вращения входного вала КП 300 мин'1 для определения характеристики включения СХ без участия Мв( 10 циклов включения). На втором этапе определялась характеристика включения СХ под действием Мъ и влияние принудительной смазки дисков ФМ на ее вид.

Во всех случаях регистрация данных с первичных преобразователей ИУ проводилась информационно-измерительным комплексом с установленной программой сбора и обработки информации, обеспечивающей измерение параметров, отображение их цифровых значений на мониторе и запись данных на жестком диске компьютера.

В результате: получена аппроксимирующая зависимость для определения величины поводкового момента в зависимости от частоты вращения дисков ФМ; зависимость потерянной мощности от величины Мв', собран доста-

точный массив данных для оценки условий работы СХ, описания характеристики процесса включения и детерминации основных его этапов.

В четвертой главе проанализированы различные варианты относительной установки ФМ и СХ в схемах КП по динамике роста поводкового момента Мъ в процессе включения СХ. Для этого разработана методика оценки нагруженности СХ для различных схем КП и вариантов в них взаимного расположения ФМ и СХ по величине работы буксования с учетом воздействия поводкового момента на базе классической методики расчета СХ.

На основе анализа схем выработаны рекомендации по расположению элементов КП при проектировании. Приведены примеры наиболее удачных вариантов расположения узлов в КП с учетом действия поводкового момента Мв. Оказалось, что наиболее комфортные условия работы СХ обеспечивает схема КП с двойным комплектом СХ (см. рис. 8), которая позволяет использовать положительные свойства поводкового момента Мв от выключенной ФМ как при переключении передачи вверх, так и при ее переключении вниз.

Ц, - ФМ промежуточных валов предшествующей и последующей передачи; С/, См -СХ предшествующей и последующей передачи; С*, См - дополнительный комплект СХ соответственно предшествующей и последующей передач; ик, им - передаточные числа

Таким образом, заключительным этапом данной работы стала методика оценки нагруженности СХ в КП для различных схем взаимного расположения СХ и ФМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса включения и буксования выравнивающего элемента СХ с учетом характеристики срабатывания привода управления и поводковых моментов от выключенных ФМ в КП. Расхождение результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований при оценке работы буксования с помощью разработанной математической модели не превышает -9,77%, а времени синхронизации -11,52 %.

2. Получены аналитические зависимости для расчета работы буксования выравнивающего элемента СХ и времени его синхронизации с учетом характеристики срабатывания привода управления и поводковых моментов

от выключенных ФМ в КП. Расхождение результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований при оценке работы буксования с помощью полученных аналитических зависимостей не превышает -10,81%, а времени синхронизации -14,78%.

3. Разработанные математическая модель процесса включения и буксования выравнивающего элемента СХ в КП и аналитические зависимости для определения работы буксования СХ и времени синхронизации являются универсальными, так как позволяют проводить расчеты для любой выбранной схемы КП, содержащей СХ и ФМ.

4. На основе экспериментальных исследований на примере ФМ ВОМ трактора Т-150 получены зависимости поводкового момента для этой ФМ от частоты вращения ее дисков. Установлено, что величина поводкового момента зависит как от абсолютных, так и от относительных частот вращения дисков выключенной ФМ. При этом поводковый момент может иметь как положительное, так и отрицательное значение, а его величина составила до 15% от расчетного момента трения каждого СХ, установленного в КП автобуса «Икарус».

5. Изменение величины расхода смазочной жидкости между дисками выключенной ФМ не оказывает влияния на величину ее поводкового момента.

6. Разработана обобщенная методика оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) и на ее основе даны рекомендации по выбору места установки ФМ и СХ в кинематических схемах КП при совместной работе ФМ с гидроподжатием и СХ.

Проведенный анализ схем КП показал, что с целью снижения нагруженности СХ расположение редукторных связей в КП с заданными передаточными числами следует выбирать таким образом, чтобы при установке ФМ на входе в КП передаточные числа редукторной связи больше единицы находились после СХ, а передаточные числа меньше единицы располагались между ФМ и СХ. Обратное правило справедливо при установке ФМ на выходе изКП.

7. В случае применения классической схемы КП с одной ФМ влияние поводкового момента носит только отрицательный характер. В случае же применения преселекторной схемы КП поводковый момент носит либо положительный характер (помогает включению СХ), либо меняет характер своего воздействия в процессе включения, но всегда с положительного на отрицательное.

8. В тракторных КП с целью снижения нагруженности СХ необходимо уменьшать время включения пониженной передачи при резком возрастании

нагрузки на МТА. С этой точки зрения необходимо прибегать к использованию преселеюгорных схем КП, в которых ФМ устанавливается после СХ, а расположение передаточных чисел редукторной связи увеличивает влияние поводкового момента, помогающего включению передачи и не меняющего направления своего воздействия.

В некоторых случаях полезно уменьшать время включения СХ при включении повышеной передачи, располагая редукторную связь таким образом, чтобы она увеличивала влияние поводкового момента, помогающего включению передачи и не меняющего направления своего воздействия.

9. Рекомендуется воздерживаться от применения схем КП с СХ с более чем двумя ФМ. В таких схемах с увеличением количества выключенных ФМ увеличивается величина их общего поводкового момента, нагружающего СХ.

10. Наиболее комфортные условия работы СХ обеспечивает такая компоновка схемы КП, которая использует не только преселекторный принцип переключения передач, но и ко всему прочему имеет два комплекта СХ, установленных как на входе в КП, так и на выходе из нее. Это позволяет использовать положительные свойства поводкового момента от выключенной ФМ как при переключении передачи вверх, так и при ее переключении вниз.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шарипов В.М., Дмитриев М.И., Крючков В.А. К вопросу о величине момента трения фрикционного сцепления// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2008, №3. С. 12-13 (входит в перечень ВАК).

2. Новое направление в развитии конструкций коробок передач автомобилей и тракторов/ В.М. Шарипов, В.А. Крючков, М.И. Дмитриев, A.C. Шевелев// Сборник материалов VI Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса». - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. - С. 214-216.

3. Оценка потерь на трение в фрикционных муфтах с гидроподжатием в коробках передач/ H.A. Щельцын, В.М. Шарипов, И.В. Иванов и др.// Материалы 65-ой международной научно-технической конференции АИИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция 1. «Автомобили, тракторы, их агрегаты и системы». Подсекция «Тракторы». - М.: МГТУ «МАМИ», 2009. - С. 190-200.

4. Потери на трение в коробках передач с гидроподжимными фрикционными муфтами/ H.A. Щельцын, В.М. Шарипов, И.В. Иванов и др.// Проектирование колесных машин: материалы Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию начала подготовки инженеров по автомобильной специальности в

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 25-26 нояб. 2009 г. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - С. 232-240.

5. Исследование потерь на трение в фрикционных муфтах с гидропод-жатием в коробках передач/ М.И. Дмитриев, О.В. Евтушик, И.В. Иванов и др.// Материалы 65-ой международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (АИИ) «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» Международного научного симпозиума «Автотракторостроение-2009». - М.: МГТУ «МАМИ», 2009. - Книга 1. - С. 380-387.

6. Трансмиссия транспортного средства. Патент на полезную модель № 97465/ A.A. Тимофиевский, Д.Г. Купрюнин, H.A. Щельцын и др. Опубликовано 10.09.2010. Бюл. №25.

7. Крючков В.А., Шарипов В.М. Работа инерционного синхронизатора в преселекторной коробке передач// Материалы международной научно-технической конференции АИИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». Секция I. «Автомобили, тракторы, специальные колесные и гусеничные машины». Подсекция «Колесные и гусеничные машины». - М.: МГТУ «МАМИ», 2010. - С. 447-457.

8. Крючков В.А., Шарипов В.М. Инерционные синхронизаторы в современных коробках передач// Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров». Секция 1. «Автомобили, тракторы, специальные колесные и гусеничные машины». Подсекция «Колесные и гусеничные машины». - М.: МГТУ «МАМИ», 2011. С. 69-81.

9. Шарипов В.М., Крючков В.А. Особенности расчета инерционного синхронизатора в преселекторной КП// Тракторы и сельхозмашины. - 2011. -№9. - С. 24-26 (входит в перечень ВАК).

10. Учет воздействия поводкового момента в классической методике расчета работы буксования синхронизатора в коробке передач/ В.М. Шарипов, В.А. Крючков// Справочник. Инженерный журнал. - 2011. - №10. - С. 611 (входит в перечень ВАК).

Виталий Алексеевич Крючков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Методы оценки нагруженности инерционных синхронизаторов в коробке передач трактора с фрикционными муфтами»

Подписано в печать Заказ Объем 1,0 п.л. Тираж 100

Бумага типографская Формат 60*90/1 б

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

61 12-5/3893

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ»

На правах рукописи

Крючков Виталий Алексеевич

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАГРУЖЕННОСТИ ИНЕРЦИОННЫХ СИНХРОНИЗАТОРОВ В КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРА С ФРИКЦИОННЫМИ МУФТАМИ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Засл. деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

В.М. Шарипов

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................8

1.1. Перспективы применения синхронизаторов в тракторных

коробках передач.............................................................................................8

1.2. Факторы, определяющие работоспособность инерционных синхронизаторов............................................................................................19

1.3. Методы оценки работы буксования выравнивающего элемента синхронизатора..............................................................................................23

1.4. Задачи исследования.....................................................................................34

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА БУКСОВАНИЯ ВЫРАВНИВАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА СИНХРОНИЗАТОРА С УЧЕТОМ ПОВОДКОВЫХ МОМЕНТОВ ОТ ВЫКЛЮЧЕННЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ В КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ..................................36

2.1. Математическая модель включения инерционного синхронизатора..............................................................................................36

2.2. Аналитическое выражение величины работы буксования синхронизатора с учетом воздействия поводкового момента..............................................55

2.3. Достоверность и обоснованность полученных

результатов.....................................................................................................87

2.4. Выводы............................................................................................................99

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВКЛЮЧЕНИЯ СИНХРОНИЗАТОРА В КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ И ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕЛИЧИНЫ ПОВОДКОВОГО МОМЕНТА ОТ ВЫКЛЮЧЕННОЙ ФРИКЦИОННОЙ МУФТЫ......................................100

3.1. Объект и задачи исследования...................................................................100

3.2. Схема и конструкция испытательной установки.....................................101

3.3. Методика и результаты экспериментальных исследований по определению величины поводкового момента от выключенной фрикционной муфты...................................................................................113

3.4. Методика и результаты экспериментальных исследований процесса включения синхронизатора........................................................................127

3.5. Выводы..........................................................................................................130

4. ВЫБОР МЕСТА УСТАНОВКИ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ И СИНХРОНИЗАТОРОВ В КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ.....................................134

4.1. Варианты установки фрикционных муфт и синхронизаторов

в коробке передач........................................................................................134

4.2. Анализ вариантов установки фрикционных муфт

и синхронизаторов в коробке передач.......................................................139

4.3. Методика оценки нагруженности синхронизаторов в коробках передач с

фрикционными муфтами............................................................................144

4.4. Выводы..........................................................................................................147

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ......................................................149

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Инерционные синхронизаторы (СХ) широко применяются в коробках передач (КП) автомобилей и в последние годы получают все большее распространение в КП тракторов. СХ используются в классических схемах КП в качестве механизмов переключения передач с разрывом потока мощности или в качестве механизмов подготовки включаемой передачи в преселекторных КП, обеспечивающих безразрывное переключение передач. Преселекторные КП представляют наибольший интерес для тракторостроения, так как объединяют в себе функциональность КП с фрикционными муфтами (ФМ) с гидроподжатием и относительно высокий КПД классической схемы КП.

Одним из важнейших параметров, определяющих работоспособность СХ в КП, является удельная работа буксования его выравнивающего элемента в процессе включения передачи. В современных схемах тракторных КП с ФМ и СХ в выключенных ФМ возникают поводковые моменты, снижающие КПД КП и дополнительно нагружающие СХ.

Существующие методики расчета работы буксования выравнивающего элемента СХ и времени его синхронизации не учитывают влияния поводковых моментов от выключенных ФМ в КП, а также реальную характеристику срабатывания привода включения СХ. Эти обстоятельства не позволяют с достаточной точностью определять работу буксования СХ и время его синхронизации в КП трактора. Достоверное определение этих параметров позволит при проектировании тракторных КП оценить нагруженность СХ и сделать выбор их конструктивных параметров более обоснованным с учетом места установки СХ и ФМ в КП.

Целью работы является разработка методов оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) в КП трактора с одной и более выключенными ФМ.

Объекты исследований - ФМ и СХ в КП трактора, процесс синхронизации при включении или подготовке передачи в КП с учетом влияния на работу СХ поводкового момента от выключенной ФМ.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании методов аналитической механики и теории движения колесных и гусеничных машин. Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, имитирующей работу преселекторной КП с использованием натурных образцов ФМ и СХ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса включения и буксования выравнивающего элемента СХ с учетом реального срабатывания привода управления и поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- проведена экспериментальная оценка величины поводкового момента в выключенной ФМ в КП, определен вид его характеристики и динамика поведения в зависимости от абсолютных и относительных частот вращения дисков;

- разработан аналитический метод расчета работы буксования СХ и времени синхронизации, учитывающий характер изменения момента трения СХ при включении передачи и влияние поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- разработана обобщенная методика оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) и на ее основе даны рекомендации по выбору места установки ФМ и СХ в кинематических схемах КП при совместной работе ФМ с гидроподжатием и СХ.

Практическая значимость. Универсальная математическая модель процесса включения СХ, учитывающая такие дополнительные факторы, как поводковый момент со стороны выключенной ФМ и характеристику привода включения, позволяет на стадии проектирования КП, содержащей в своей конструкции ФМ и СХ, достоверно оценить работу буксования СХ и время

его синхронизации, что позволит сделать более обоснованным выбор параметров СХ. Предложенный аналитический метод расчета работы буксования СХ и времени его синхронизации позволяют упростить и ускорить выбор нужных параметров СХ, обеспечивая достаточную степень точности расчетов. Разработанная обобщенная методика оценки нагруженности СХ и на ее основе рекомендации по выбору места установки ФМ и СХ в кинематических схемах КП при совместной работе ФМ с гидроподжатием и СХ позволяют на стадии проектирования КП выбирать наиболее рациональные места их взаимного расположения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- математическая модель процесса включения и буксования выравнивающего элемента СХ с учетом реального срабатывания привода управления и поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- результаты экспериментальных исследований по оценке величины поводкового момента в выключенной ФМ, вида его характеристики и динамика поведения в зависимости от абсолютных и относительных частот вращения дисков;

- аналитический метод расчета работы буксования СХ и времени синхронизации, учитывающий характер изменения момента трения СХ при включении передачи и влияние поводковых моментов от выключенных ФМ в КП;

- обобщенная методика оценки нагруженности СХ (работы буксования и времени синхронизации) и рекомендации по выбору места установки ФМ и СХ в кинематических схемах КП при совместной работе ФМ с гидроподжатием и СХ.

Реализация результатов работы. Математическая модель процесса включения СХ в КП и аналитический метод расчета их работы буксования и времени синхронизации при использовании различных схем КП с ФМ внедрены в учебный процесс в МГТУ «МАМИ» и используются в ОАО «НАТИ» при разработке новых конструкций КП, содержащих СХ и ФМ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях научно-технического совета ОАО «НАТИ» (2007 - 2011 гг.) и ОАО «НИИ стали» (2012 г.), кафедры «Колесные и гусеничные машины» МГТУ «МАМИ» (2010 - 2012 гг.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, 2008 г.), на научно-технической конференции, посвященной 100-летию начала инженерной подготовки по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2009 г.), на международной научно-технической конференции АИИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (г. Москва, 2008, 2010, 2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, среди которых 1 патент на полезную модель и 3 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 189 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков, 12 таблиц и приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Перспективы применения синхронизаторов в тракторных

коробках передач

В недавнем прошлом синхронизированные КП в тракторостроении находили ограниченное применение. Еще И.Б. Барский в своих трудах [53] отмечал перспективность использования СХ в КП тракторов на основных рабочих и транспортных передачах, считая это направление основным в развитии механических КП. Причина тому заключается в неэкономичном расходовании топлива при разгоне машинотракторного агрегата (МТА) для работы на высших передачах, а в особенности на транспорте. Как правило, при этом в КП выбирается передача, обеспечивающая наиболее высокую возможную скорость передвижения, однако она же дает наибольшую инерционную нагрузку на двигатель, что отрицательно сказывается на динамике разгона МТА и расходе топлива.

При использовании КП с подвижными шестернями-каретками или зубчатыми муфтами переключение передач осуществляется с остановкой МТА и последующим разгоном с места на другой передаче, что также неэкономично [17].

A.A. Цереней [74] установлено, что сельскохозяйственные тракторы класса 1,4 до 55% всего рабочего времени выполняют транспортые работы [74]. Аналогичные данные приведены в работах [71, 76]. При этом A.A. Це-реня к транспортным видам работ относит снегоуборку - 15% времени, и уборку силосных культур - 10% времени [74]. Все эти виды работ требуют движения МТА на высших передачах и частого разгона МТА с места, что сказывается на экономических показателях работ. В целом автор определяет, что удельный вес работ на транспорте для колесных сельскохозяйственных тракторов составляет 60...69%. При этом выполненное им исследование процесса переключения передач для экспериментального трактора МТЗ-ЭЮО со

специально разработанной синхронизированной КП показали перспективность применения СХ в тракторных КП.

М.М. Белоусом [4] была предложена схема КП с центральным СХ, который используется только для выравнивания угловых скоростей вращения валов, а непосредственно за включение передачи отвечает зубчатая муфта, установленная на шестерне включаемой передачи [4]. В такой схеме КП существенно уменьшаются ее габариты из-за отсутствия индивидуальных синхронизаторов.

Вопреки вышеизложенному широкого распространения синхронизированные КП в отечественном тракторостроении так и не получили [53]. Единичные экземпляры устанавливались по требованию заказчика на тракторы МТЗ-100/102 [31] и продолжают устанавливаться на тракторы «Беларус» серии 900, а также модели 590/590.2/592/592.2/822.3/823.3 [50]. Схема синхронизированной КП трактора МТЗ-100 приведена на рис. 1.1.

В отечественных тракторах наибольшее распространение получили способы переключения передач с помощью зубчатых муфт, подвижных шестерен-кареток и ФМ с гидроподжатием [2, 33, 50, 61-65, 76, 79].

В зарубежном тракторостроении ситуация иная. По данным работ [32, 33, 37, 58, 74] механическими ступенчатыми КП, содержащими в своей конструкции СХ, оснащается 70% всех производимых в мире тракторов. Из них 35% оснащаются полностью синхронизированными КП. Это связано с преимуществами, заключающимися в безударном переключении передач и повышении срока службы деталей КП [62, 64, 65]. Кроме этого, как показывает практика, если время разрыва потока мощности не превышает 0,1...0,15 с, то даже на пахоте в момент переключения передач не происходит остановки тракторного агрегата [2].

В автомобилестроении синхронизированные КП широко распространены и применяются повсеместно [14, 27, 28, 35, 36, 48, 54, 66, 80].

В настоящее время в конструкциях современных тракторов и автомобилей находят применение КП с переключением передач без разрыва потока

мощности. Это достигается применением планетарных КП, где переключение передач осуществляется ФМ и тормозами, работающими в масле, или КП с неподвижными осями валов, где переключение передач осуществляется при помощи ФМ.

м с,-Сг 6 - Ь

П г¥тРУ^

Т

з

7

зм3 - змь ■ ±

Рис. 1.1. Кинематическая схема КП трактора МТЗ-100 [31]:

1 - первичный вал; 2 - вторичный вал; 3, 4, 5 - промежуточные валы; М - фрикционное сцепление; С\-Са~ синхронизаторы включения соответственно 1—4 передач; ЗМ\ - ЗМ4 - зубчатые муфты включения 1-4 диапазонов; ЗМЛ^ и ЗМзх - зубчатые муфты включения 1,2 диапазонов переднего хода и диапазона заднего хода

Управление процессом переключения передач в планетарных КП с помощью ФМ и тормозов, а в КП с неподвижными осями валов с помощью ФМ позволяет обеспечить процесс переключения передач как с разрывом, так и без разрыва потока мощности от двигателя с любой степенью перекрытия

передач.

При включенной какой-либо одной передачи с помощью ФМ или тормоза происходит относительное вращение подвижных деталей выключенных ФМ и тормозов. Поскольку между дисками выключенных ФМ и тормозов попадает масло, то в них возникает поводковый момент, снижающий КПД КП [44]. При этом, чем больше в КП выключенных фрикционных элементов управления, тем выше будет их суммарный поводковый момент и ниже КПД КП [47].

В современных трансмиссиях тракторов и автомобилей все большее распространение получают составные КП, в конструкции которых присутствуют ФМ и СХ. В результате существенно уменьшается число выключенных фрикционных элементов управления при включении какой-либо передачи, что приводит к снижению стоимости составной КП и повышению ее КПД [44].

Рассмотрим некоторые схемы таких КП.

На рис. 1.2 приведена схема составной КП Dyna 6 компании Massey Ferguson [83]. Она состоит из отдельных модулей.

Модуль А - редукционный модуль (планетарная КП с двумя степенями свободы), установленный на входе составной КП и позволяющий получить две передачи, переключаемые под нагрузкой с помощью фрикционной муфты Фу и тормоза Т].

Модуль Б - это модуль переключения передач по нагрузкой. Он представляет собой планетарную КП с тремя степенями свободы, где включение передач осуществляется попарным включением различных комбинаций фрикционов Ф2иФ3и тормозов Т2 и 7).

Модуль В - это реверс (двухскоростная КП с неподвижными осями валов). Он позволяет изменять направление движения трактора без использования сцепления.

Модуль Г - это модуль диапазонов. Он представляет собой синхронизированную КП с неподвижными осями валов. Здесь переключение передач осуществляется с помощью СХ.

Переключение передач в данной КП происходит в модулях А и Б, в одном из заранее выбранных диапазонов, который определяется включением с помощью синхронизаторов С1, С2, С3 и С4 соответствующей передачи в модуле г:

Переключение передач здесь может осуществляться полуавтоматически или автоматически.

Л

if

ф

А

[Г

\1

, т.

ф.

V

}

j

I i|

Б

т

Ф Ф

зх пх

L

I

В

С3 ~ С4

IMI

tfyi

ж*

с,-с.

IWI

г

L

J.

Рис. 1.2. Кинематическая схема составной КП Dyna 6 [83]

По аналогичному принципу выполнена составная КП трактора фирмы New Holland (см. рис. 1.3), но отличающаяся схемой с неподвижными осями валов [44]. Здесь для переключения диапазонов используются синхронизаторы Ci, С2, С3 и С3х, а для безразры�