автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Обоснование выбора конструктивных параметров импульсных передач на основе исследований ударных процессов в храповых механизмах блочного типа

На правах рукописи

Быкова Татьяна Евгеньевна

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕДАЧ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ УДАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ХРАПОВЫХ МЕХАНИЗМАХ БЛОЧНОГО ТИПА

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДП? 2С12

Ковров 2012

005017984

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева»

Научные руководители:

-кандидат технических наук, профессор Бондалетов Владислав Павлович;

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор Рябов Геннадий Кондратьевич

-доктор технических наук, профессор Леонов Анатолий Иванович;

-кандидат технических наук Фолифоров Михаил Александрович

Ведущее предприятие -ОАО «Завод им. В. А. Дегтярева»

Защита диссертации состоится мая 2012 г. в /Jf_ часов {212 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.090.01 при ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева» по адресу: 601910, г. Ковров, ул. Маяковского, д. 19.

Просим Вас принять участие в заседании диссертационного совета или направить в адрес ученого секретаря диссертационного совета отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью.

Факс: (49232) 3-21-60, e-mail: ksta@dksta.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева».

Автореферат разослан « 14 » апреля 2012 г.

■/ J Пантелеев Е. Ю. %

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К приводам современных машин все чаще предъявляют требование не только бесступенчатого регулирования, но и его автоматического осуществления. Особое значение автоматическое регулирование приобретает при использовании в транспортных средствах, поскольку, повышая удобство и простоту эксплуатации, обеспечивает безопасность движения. Применение автоматической передачи также улучшает тягово-скоростные характеристики транспортного средства: повышается динамичность, уменьшается время разгона. Кроме того, автоматическое регулирование исключает перерасход топлива. Инерционные трансформаторы являются бесступенчатыми автоматическими по своей природе передачами механического типа, предназначенными для преобразования скорости и вращающего момента на рабочих органах машин. Обладая высоким КПД, близким к КПД ступенчатых передач, они имеют в то же время компактные конструкции, вписывающиеся в габариты ступенчатых приводов и в ряде случаев снижающие габариты, защищают двигатель от перегрузки и остановки в моменты затормаживания рабочих органов, допускают создание конструкций с коэффициентами трансформации момента, большими, чем, например, у гидротрансформаторов. На режиме прямой передачи, характерном для автомобилей, инерционный трансформатор работает как упругая динамическая муфта и значительно снижает крутильные колебания в трансмиссии по сравнению со ступенчатой передачей. При установке этого привода на горных, строительных, сельскохозяйственных, дорожных и других машинах, стендах для имитационных и ускоренных испытаний полезной оказывается вибрационная подача момента на рабочий орган.

В инерционном трансформаторе отсутствует непрерывный поток энергии, а изменение вращающего момента и угловой скорости происходит за счет накопления энергии грузовыми звеньями и импульсной ее передачи с помощью механизмов свободного хода (МСХ). Из принципа работы инерционного трансформатора следует, что МСХ являются важнейшими звеньями нефрикционной передачи, работающими в тяжелых условиях (частота срабатывания МСХ соизмерима с частотой вращения входного вала, а передаваемый пиковый момент в 7 - 8 раз превышает средний). Именно с отсутствием МСХ, удовлетворяющих таким условиям, связаны трудности внедрения инерционных трансформаторов.

Среди всего многообразия вариантов конструкций МСХ наиболее приемлемыми для использования в составе импульсных механических передач являются храповые МСХ блочной конструкции. Как и все храповые механизмы, они имеют конструктивные зазоры, приводящие к удару при замыкании. В связи с этим их применение в качестве МСХ инерционного трансформатора требует исследования влияния конструктивных параметров передачи и режимов работы на ударные нагрузки в МСХ и определения напряжений, возникающих при этом в элементах МСХ.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью настоящей работы является определение кинематики и обоснование метода расчета ударных нагрузок, возникающих в храповых МСХ, работающих в составе импульсной механической

передачи, а также определение приемлемых режимов работы передачи и рациональных конструктивных параметров, обеспечивающих надежную работу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: построить математическую модель для определения кинематических характеристик МСХ при замыкании; провести теоретический анализ влияния конструктивных параметров передачи и режимов ее работы на напряжения, возникающие в МСХ; проанализировать существующие теории и гипотезы удара применительно к рассматриваемому случаю работы МСХ; экспериментально определить нагрузки, возникающие в МСХ при работе передачи.

Методы исследования:

- теоретический анализ работы храпового МСХ блочного типа в составе импульсной передачи на основе уравнений теоретической механики, теории удара, сопротивления материалов и теории упругости;

- математическое моделирование замыкания МСХ в составе импульсной передачи с использованием ЭВМ;

экспериментальная проверка результатов исследования с использованием методов статистической обработки данных.

Научная новизна работы заключается в:

- математической модели, раскрывающей кинематические характеристики МСХ при замыкании и дополнительно учитывающей изменение скорости вала реактора при расчете движущего момента;

научном обосновании критериев по выбору конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи;

- принципах построения экспериментальной установки, позволяющей имитировать удар в МСХ в составе импульсной передачи;

обосновании методики расчета контактных напряжений в храповых МСХ блочного типа в составе импульсной передачи.

Практическая ценность. Решение актуальной задачи повышения работоспособности и надежности как МСХ, так и импульсной передачи в целом, что создает перспективу практического развития таких передач в авто- и мототранспорте и других видах техники.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Конструирование, управление и эксплуатация в транспортном комплексе» (Ковров, КГТА, 2006), на международной научно-технической конференции Вибрация 2008 «Вибрационные машины и технологии» (Курск, КГТУ, 2008), на международной научно-технической конференции Вибрация 2010 «Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, КГТУ, 2010), на V научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (Ковров, КГТА, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК. Также издана 1 монография, получено 2 патента.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты информационного научного поиска, определяющие цель и задачи исследований;

- математическая модель для расчета кинематических параметров МСХ при замыкании;

- анализ влияния конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи на величину силы удара при замыкании;

- результаты экспериментальных исследований;

- методика выбора конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и четырех приложений. Основная часть содержит 152 страницы машинописного текста, в том числе 79 рисунков и 30 таблиц. Библиографический список содержит 96 наименований. Приложения содержат программу расчета, результаты эксперимента и два акта внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена классификация инерционно-импульсных механических бесступенчатых передач. Проведен обзор работ, посвященных исследованию инерционных трансформаторов.

Рассмотрен общий принцип работы инерционного трансформатора. Обозначены проблемы его широкого распространения, указано, что наиболее слабым местом в этих передачах являются МСХ, работающие в тяжелых условиях.

Во второй главе представлен обзор конструкций МСХ и проведен анализ их работы. По способу замыкания все механизмы свободного хода можно разделить на три основных ряда: МСХ с фрикционным замыканием, МСХ с замыканием с помощью нормальных сил и МСХ, включающиеся на основе других принципов замыкания.

Из всего диапазона разновидностей МСХ для импульсных передач наиболее приемлем класс храповых МСХ. Однако в скоростных импульсных передачах включение МСХ происходит с высокой частотой, что в храповом МСХ стандартного исполнения возможно только с малым шагом зуба храповика. Зуб такого храповика не обеспечивает необходимой прочности.

В качестве объекта исследования предлагается храповой МСХ блочного типа с малым шагом замыкания (рис. 1).

В результате комбинации числом дисков N, числом зубьев 2 и числом собачек (г± I) в таком храповике блочного типа возможен минимальный шаг ф<]°-^2°.

7 ✓ \> — —

7 ( С ' X \ / / N и У \ >■ их*' — =

- / / /

ж / (у

Рис. 1. Храповой механизм блочной конструкции

Храповые МСХ блочной конструкции с малым шагом замыкания выгодно отличаются от всех рассмотренных конструкций:

каждый храповой диск имеет малое число зубьев, что обеспечивает им необходимую прочность; - профиль зуба, близкий к профилю окружности впадин храпового диска, обеспечивает устойчивое

скольжение собачки и относительно низкий шум;

- шаг замыкания зависит не только от числа зубьев храповика, но и от числа храповых дисков, а также собачек, что в целом позволяет обеспечить минимальный шаг МСХ, недостижимый никакими МСХ других конструкций;

- отсутствует момент расклинивания;

- механические потери сопоставимы с потерями в роликовых МСХ, вследствие невысоких усилий поджатия собачек.

В третьей главе рассматривается кинематика элементов храпового МСХ при замыкании в составе импульсной передачи.

Момент на валу реактора, создаваемый неуравновешенными грузами (рис. 2):

М, = — ■ Лг ■ т ■ к ■ г, 2 '

• БШ у/ '

где N - число неуравновешенных грузов, т - масса неуравновешенного груза, у/ -угол поворота сателлита, И - эксцентриситет неуравновешенного груза, о>1 - угловая скорость вращения вала реактора, Ю) - угловая скорость вращения эпицикла.

Дифференциальное уравнение движения реактора имеет вид: с/сУ,

'ИТ'

где ^ - приведенный момент инерции.

Формула для определения скорости вала реактора при отсутствии момента сопротивления на выходном валу представлена в виде: ■а?, +~2~-гг)~й)1

Рис. 2. Силы, возникающие при работе импульсного механизма

М, = Л

N ■ т ■ И ■ г

2 ■ >■ ■ ./

I пр

■ (1 - СОБ^)

При наличии момента сопротивления формула для определения скорости вала реактора преобразуется в выражение:

2 -г2-сох 1 1

Рассмотрен характер изменения скорости вала реактора в зависимости от угла поворота сателлита и вала реактора при отсутствии момента сопротивления на выходном валу (рис. 3 и рис. 4).

Рис. 3. Характер изменения скорости вала реак- Рис. 4. Характер изменения скорости вала реактора за полный оборот сателлита тора за полный оборот сателлита в зависимости от угла поворота сателлита в зависимости от угла поворота вала реактора

'л5„

и5

Поых=Ю од'пин

"йн- ® об/пин

Аналогично простроены графики изменения скорости вала реактора и указаны основные точки для определения кинематических характеристик МСХ при замыкании при наличии момента сопротивления на выходном валу.

Значение скорости удара является одним из определяющих факторов силы удара. В связи с этим в работе приведены графические зависимости, отражающие влияние, как геометрических параметров передачи, так и различных режимов работы.

Сложный характер движения деталей в импульсном механизме с плавающими сателлитами, совершающими не только вращательное, но и поступательное движение, приводит к необходимости оценить влияние приведенных масс механизма.

Приведенная масса импульсного механизма, вала реактора и двух МСХ при ударе определяется по выражению:

= + +2то

V " I 2)

+ N■J Г "Л ■ (>] + 2 г2)-щ-/-, у

М. кг

150

100

50

О

---- робед. корп.

Мприбед. бых.

гДе (о, ~ угловая скорость реактора. - угловая скорость эпицикла; г - радиус храповика в точке контакта с собачкой, ^ - момент

инерции вала реактора относительно своей оси вращения, Лис* - момент инерции части МСХ, закрепленной на валу реактора, .у, - момент инерции сателлита с грузами относительно своей оси вращения, т и т -

Саш гр

500 1000 . о5/мин

Рис. 5. Характер изменения приведенной массы соударения для корпусного и выходного МСХ масса сателлита и груза, N - количество сателлитов.

Приведенная масса для расчета силы удара в корпусном МСХ:

,, . Мпр- Мкорп

Мпривед. корп. =---£— = Мпр'

Мпр + Мкорп

приведенная масса для расчета силы удара в выходном МСХ:

,. , Мпр-Мвых ,

мпривед. вых. =---'

Мпр + Мвых

где Мкорп - масса корпуса привода, Шых - приведенная масса выходного вала с трансмиссией за пределами импульсной передачи.

На рис. 5 приведен характер изменения приведенных масс соударения для выходного и корпусного МСХ при постоянной частоте вращения ведущего вала

п., = 4 ООО об I мин ■

В четвертой главе проведен анализ широко известных теорий и гипотез удара, отмечены особенности определения опасных напряжений при замыкании храповых МСХ блочной конструкции.

Процесс удара двух тел исследован достаточно широко, к сожалению, с известными упрощениями и допущениями, существенно отличающими процесс от реальных условий. В частности, наличие пластической составляющей при ударе, изменение приведенной массы при изменяющемся скоростном режиме не позволяют полностью основываться ни на одной из известных теорий.

Рассмотрены волновая теория удара Александрова, теория Герца, гипотеза Батуева, нелинейная упруго-пластическая модель Пановко, приближенный метод оценки параметров удара Стахановского, энергетическая модель удара Алимова, гипотеза удара Дрозда на основе пластической твердости материала, уравнение Динника, гипотеза Кильчевского.

Сравнительная оценка максимальной силы соударения элементов МСХ в импульсной передаче, полученной с помощью расчетов по различным гипотезам для одинаковых параметров импульсной передачи, приведена на рис.6 и рис.7.

2-10'

1,5-10'

НО6

5-105

Дрозд-

\

\

Алимоб \

\

Линник •v/fРЧ Стаханове Панобко

О 200 М 600 800 1000 1200 />„«,,. об/мин

Рис. 6. Значения максимальной силы удара при замыкании выходного МСХ, рассчитанные по различным гипотезам

2.5-10

2-Ю6

1.5-Ю6

1-Ю6

0.5-106

Алимоб / 1

-

Герц \ Панобко /

Стиханод кии к

У

Дрозд. "Кильчебский

О 200 W 600 800 1000 1200 nt»> ■ о5/мш

Рис. 7. Значения максимальной силы удара при замыкании корпусного МСХ, рассчитанные по различным гипотезам

Отмечается существенный разброс по величине Р^ , рассчитанной по различным гипотезам (от 2,546-104 до 2,426-106 Н для выходного МСХ; от 2,926-10" ДО 2,587-106 Н для корпусного МСХ).

Конструкция зуба храповика МСХ блочного типа свободна от опасных напряжений изгиба и среза, характерных для храповика традиционной конструкции, опасными являются напряжения смятия.

Условие работоспособности храпового МСХ определяется прочностью торца собачки и зуба храповика в момент замыкания.

Р..

_ зам

В И.

< <7...

Рис. 8. Схема движения собачки храпового МСХ гДе Рт ~ сила, создаваемая импульсным механизмом в момент замыкания МСХ, в - ширина торца собачки, - высота торца собачки, контактирующей

с зубом храповика в момент замыкания.

В процессе работы МСХ возможно частичное перекрытие площади торцов собачки и храповика, что вызывает потерю прочности соответствующих торцов.

Движение собачки в период соскока описывается дифференциальным уравнением:

где - усилие пружины собачки, ¿пр ~ расстояние до точки приложения усилия пружины, 1ц ^ - расстояние до центра тяжести собачки, с - вес собачки, р -угол поворота собачки.

С учетом граничных условий, уравнение поворота собачки за период соскока:

т-

Р Р

— ■ соэ д! + —

где

/> = -

РЛ

О пр

Ср - жесткость пружины,

усилие сжатия пружины. Высота замыкания:

Л

момент инерции собачки, р

предварительное

где г - время с момента начала поворота вала реактора в обратном направлении и до замыкания МСХ.

Неполное перекрытие площади торца собачки соответствующей площадью торца зуба храповика может быть вызвано недостаточным предварительным поджатием пружины или

Рис. 9. Разрушение собачек при неполном перекрытии торцов собачки и зуба храповика при замыкании

малой величиной конструктивного зазора в МСХ и может привести к разрушению элементов передачи (рис. 9).

В пятой главе представлено описание экспериментальной установки и результаты экспериментальных исследований, предложена методика выбора конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи, обозначены этапы проектирования импульсных бесступенчатых передач для транспортных средств.

Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 10.

Основная часть стенда - подвижная подпружиненная наружная обойма корпусного МСХ приведена на рис. 11.

Наружная обойма 1 корпусного МСХ жестко укреплена на подвижной втулке 2, к которой приварены два рычага 3 и 4, в горизонтальную поверхность рычага 4 упирается цилиндрическая пружина 5, второй конец которой прижат к торцу регулирующего винта 6 в канале стойки 7. Для проведения исследования в обойме корпусного МСХ устанавливается только одна собачка 8, которая при определении силы удара заменяется собачкой из пластичного материала.

По изменению зазора между поверхностью А стойки и поверхностью Б рычага 4 определена скорость удара в корпусном МСХ на разных режимах работы:

где J¡ - момент инерции реактора, подвижной части МСХ и сателлитов, Л - момент инерции подвижной втулки 2 и обоймы корпусного МСХ, А жесткость пружины, х0 - предварительное поджатие пружины, Лх - дополнительная деформация пружины.

Разница теоретических и экспериментальных значений не превышает 11%. По величине остаточной пластической деформации собачки определена сила удара при замыкании корпусного МСХ экспериментальной установки:

Рис. 10. Общий вид экспериментальной установки

б

J, ■ а,

а.

п

где аупр ~ упругая составляющая сжимающей деформации, а - пластическая составляющая сжимающей деформации (глубина остаточной вмятины), д и

Д™ ~ соответственно упругая и пластическая составляющие изгиба, I - плечо силы, п - количество замыканий корпусного МСХ.

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных показал, что из всех рассмотренных теорий и гипотез удара наиболее приемлемой для случая МСХ в составе импульсной передачи является гипотеза Батуева1, отличие значений, рассчитанных по данной гипотезе, от экспериментальных не превышает 21,1 %. Приведены рекомендации по использованию эмпирических коэффициентов для расчетов удара в МСХ по указанной гипотезе.

Разработана методика выбора конструктивных параметров МСХ по заданным режимам работы и приемлемых режимов работы по заданным параметрам МСХ. Приведен пример расчета для экспериментальной установки.

Проведен проверочный расчет по разработанной методике для ранее изготовленной автоматической инерционной трансмиссии мотоцикла «ЗиД-200». При этом получилось, что при существующих геометрических параметрах выходной МСХ должен выдержать 1,066 105 циклов нагружения при максимальном значении напряжения смятия, возникающем в начале движения. Итоговое количество циклов нагружения гораздо больше, поскольку в режиме нормальной работы значения напряжений не превышают допустимых. Общее время работы выходного МСХ определяется условиями эксплуатации.

Количество циклов нагружения для корпусного МСХ N = 3,091 • 105 ■ Поскольку условия работы корпусного МСХ практически не зависят от скорости транспортного средства, можно оценить примерное время работы передачи, которое по расчетам составляет примерно 15 часов и ограничивается недостаточной надежностью конструкции МСХ из-за разрушения собачек.

Этапы проектирования импульсных бесступенчатых передач по предлагаемой методике рассмотрены на примере разработки импульсной автоматической трансмиссии для специального транспортного средства повышенной проходимости «ЗиД-200 4ШП-03». Кинематическая схема трансмиссии представлена на рис. 12.

Проверочный расчет показал, что контактные напряжения, возникающие при замыкании МСХ данной передачи, не превышают допустимых, расчетное число циклов нагружения превышает Л' = МО7, что свидетельствует о достаточной надежности и обеспечении требуемой долговечности разработанной конструкции.

1 Батуев, Г. С. Инженерные методы исследования ударных процессов [Текст] / Г. С. Батуев,

Ю. В. Голубков, А. К. Ефимов, Л. А. Федосеев. - М.: Машиностроение, 1977 г. - 246 с.

выводы

На основе проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель, позволяющая определить кинематические характеристики МСХ при замыкании в составе импульсной передачи. Экспериментальные исследования подтвердили достаточное соответствие разработанной математической модели реальным процессам (с = \\%).

2. Проанализирован характер влияния различных геометрических параметров МСХ и режимов работы передачи на скорость удара при замыкании. Отмечено, что наиболее тяжелым для МСХ, как корпусного, так и выходного, является период начала движения.

3. Одним из определяющих параметров силы удара является скорость удара, связанная с переменными скоростями движения всех элементов передачи. Крутящий момент, определяющий движение реактора сам, в свою очередь, зависит от его скорости, что необходимо учитывать при расчетах. Так, в частности, при частоте вращения эпицикла П} ~4000об!мин и частоте вращения выходного вала пвш =\500 об /мин значения крутящего момента, рассчитанные с учетом переменной скорости реактора, примерно в 1,5 раза

отличаются от значений, рассчитанных без учета влияния скорости реактора. Проведена оценка влияния приведенных масс импульсного механизма, детали которого совершают не только вращательное, но и поступательное движение.

4. Рассмотрены различные теории и гипотезы удара применительно к данному случаю, по каждой из них проведен расчет для храповых МСХ импульсной передачи. Выявлен большой разброс полученных значений силы удара - до двух порядков. Данный факт говорит о том, что основная проблема создания надежной конструкции инерционного трансформатора связана не столько с тяжелыми условиями работы механизмов свободного хода, сколько с тем, что при отсутствии достоверной, научно обоснованной методики расчета ударных нагрузок не представляется возможным выбрать рациональные конструктивные параметры МСХ, от надежности которых зависит долговечность и работоспособность всей передачи. Так, в частности, проверочный расчет одной из таких ранее разработанных опытных передач, а именно автоматической трансмиссии мотоцикла «ЗиД-200», показал недостаточную надежность установленных в ней храповых МСХ блочного типа, подтвердив тем самым возможность появления вполне закономерных поломок и остаточных деформаций элементов МСХ. Контактные напряжения, возникающие при этом в корпусном МСХ при работе передачи, превышали допустимые в 2,5 раза, а в выходном МСХ - в 3,3 раза. При этом прогнозируемое время работы передачи составляло примерно 15 часов.

5. Отмечены особенности расчета напряжений при замыкании МСХ. Указано, что для конструкции храпового МСХ блочного типа опасными являются напряжения смятия и случаи неполного контакта.

6. Разработанный в процессе исследовательского поиска метод определения ударных нагрузок в корпусном МСХ позволил определить, что гипотеза Батуева является наиболее достоверной для данного случая, лучше других отражающей реальные процессы замыкания МСХ в составе импульсной передачи, и дать рекомендации по ее применению при расчетах. Отклонение теоретических значений, рассчитанных по данной гипотезе, от экспериментальных данных не превышает 21,1%.

Таким образом, на основе полученных результатов:

1). разработана методика выбора конструктивных параметров МСХ для заданных режимов работы передачи;

2). решена обратная задача определения допустимых режимов работы при заданной геометрии МСХ;

3). разработана инерционно-импульсная автоматическая трансмиссия для специального транспортного средства повышенной проходимости «ЗиД-200 4ШП-03» с учетом заданной долговечности МСХ.

Решение этих задач создает перспективу развития и широкого распространения импульсных передач, как на производстве, так и в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Бондалетов, В. П. Анализ гипотез удара для оценки ударных процессов в храповых механизмах свободного хода импульсной передачи [Текст] /

B. П. Бондалетов, Т. Е. Быкова // Вибрация 2008. Вибрационные машины и технологии: сб. науч. тр. / КГТУ. - Курск, 2008. - С. 469-475.

2. Бондалетов, В. П. Кинематика импульсной бесступенчатой передачи с храповыми механизмами свободного хода [Текст] / В. П. Бондалетов, Т. Е. Быкова // Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение, 2009. - №5. -

C. 10-11.

3. Бондалетов, В. П. Механические потери в храповых механизмах свободного хода блочного типа [Текст] / В. П. Бондалетов, Т. Е. Быкова, Л. В. Шенкман // Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение, 2009. -№8.-С. 33-35.

4. Бондалетов, В. П. Напряжения в соударяющихся элементах импульсной передачи [Текст] / В. П. Бондалетов, Т. Е. Быкова // Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение, 2009. - №2. - С. 16-18.

5. Бондалетов, В. П. Особенности замыкания в храповом МСХ импульсной передачи [Текст] / В. П. Бондалетов, Т. Е. Быкова // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: матер. V науч.-техн. конф. аспирантов и молодых ученых; В 2 ч. Ч 2 / КГТА. - Ковров, 2010. - С. 205-211.

6. Бондалетов, В. П. Ударные процессы в механизмах импульсных бесступенчатых передач [Текст] / В. П. Бондалетов, Т. Е. Быкова, Г. К. Рябов // Монография / КГТА. - Ковров, 2011. - 64 с.

7. Бондалетов, В. П. Установка для исследования ударных нагрузок в храповых механизмах импульсных бесступенчатых передач [Текст] / В. П. Бондалетов, Т. Е. Быкова, А. В. Афонин // Вибрация 2010. Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. науч. тр.; В 2 т. Т.1 / КГТУ. - Курск, 2010. -С. 243-246.

8. Быкова, Т. Е. Влияние зазоров в механизмах свободного хода на работу импульсной механической бесступенчатой передачи [Текст] / Т. Е. Быкова, Г. К. Рябов, А. В. Петров // Международная научн.-практич. конф. «III Камские чтения» 30 апреля 2011: сб. докладов; В 3 ч. Ч. 3 / Камская госуд. инж.-экономич. академия. - Набережные Челны, 2011. - С. 31-33.

9. Быкова, Т. Е. Определение усилия удара в храповом МСХ при замыкании в механической бесступенчатой передаче [Текст] / Т. Е. Быкова И Конструирование, управление и эксплуатация в транспортном комплексе: монография; под ред. Ю. А. Микипориса / КГТА. - Ковров, 2006. - С. 58-62.

10. Пат. 2318681 Российская федерация. МПК В60К 17/08, Р16Н 29/00. Бесступенчатая механическая автомобильная коробка передач [Текст] / Бондалетов В. П., Быкова Т. Е.; заявитель и патентообладатель: Ковровская государ-

ственная технологическая академия. - № 2006124159/11; заявл. 05.07.2006; опубл. 10.03.2008, Бюл. №7.

11. Пат. на полезную модель № 104653 Российская федерация. МПК Р16041/12/ Храповой механизм свободного хода [Текст] / Петров А. В., Быкова Т. Е., Рябов Г. К.; заявитель и патентообладатель: Ковровская государственная технологическая академия. - № 2010147204/11; заявл. 18.11.2010; опубл. 20.05.2011, Бюл. №14.

12. Петров А. В. Движение собачки храпового механизма свободного хода при высоких частотах вращения [Текст] / А. В. Петров, Г. К. Рябов, Т. Е. Быкова // Международная научн.-практич. конф. «III Камские чтения» 30 апреля 2011: сб. докладов; В 3 ч. Ч. 3 / Камская госуд. инж.-экономич. академия. - Набережные Челны, 2011. - С. 116-118.

13. Петров, А. В. Импульсные бесступенчатые передачи в автотранспортной технике как ресурсосберегающие технологии [Текст] / А. В. Петров, Г. К. Рябов, Т. Е. Быкова// Перспективные направления развития автотранспортного комплекса: сб. статей III Международной научно-производственной конференции / МНИЦ ПГСХА. - Пенза, 2010. - С. 55-57.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ

[1] - кинематика, расчет силы удара;

[2] - расчетная формула скорости вала реактора, математическая модель и

программа расчета, позволившие получить графические зависимости;

[3] - уравнение движения собачки;

[4] - аналитическое выражение для определения приведенной массы, расчеты,

графические зависимости;

[5] - уравнение движения собачки в период соскока, программа, позволяющая

определить время замыкания, расчеты, графики;

[6] - кинематика, расчет силы удара, эксперимент, рекомендации;

[7] - расчетные формулы для обработки результатов эксперимента;

[8] - расчеты, построение графических зависимостей, выводы;

[12] - определение высоты перекрытия торца собачки;

[13] - расчет экономии топлива при различных режимах движения транспортного средства.

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 05.04.12 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая № 1. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл.печл. 0,93. Уч.-изд.л. 0,98. Тираж 100 экз. Заказ № 878.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева» 601910, Ковров, ул. Маяковского, 19.

61 12-5/2589

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия

им. В. А. Дегтярева»

На правах рукописи БЫКОВА ТАТЬЯНА ЕВГЕНЬЕВНА

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕДАЧ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ УДАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ХРАПОВЫХ МЕХАНИЗМАХ БЛОЧНОГО ТИПА

Специальность 05.02.02-Машиноведение, системы приводов и детали машин

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор Бондалетов Владислав Павлович,

доктор технических наук, профессор Рябов Геннадий Кондратьевич

Ковров 2012

Содержание

Введение ................................................................................................................6

Глава 1. Конструкции инерционно-импульсных механических передач.....11

1.1. Классификация импульсных передач................................................11

1.2. Обзор работ, посвященных инерционно-импульсным механическим передачам..............................................................................................12

1.3. Общий принцип работы инерционного трансформатора................15

Выводы по материалам-главы 1..................................................................17

Глава 2. Обзор конструкций механизмов свободного хода...........................18

2.1. Применение механизмов свободного хода в технике......................18

2.2. МСХ с фрикционным замыканием....................................................19

2.2.1. Роликовые механизмы свободного хода................................19

2.2.2. Клиновые МСХ.........................................................................23

2.2.3. Механический выпрямитель осевого действия.....................24

2.2.4. Пружинный механизм свободного хода.................................25

2.2.5. Дифференциальный фрикционный механизм свободного хода.............................................................................................25

2.2.6. Эксцентриковые механизмы свободного хода......................26

2.3. МСХ, замыкающиеся с помощью нормальных сил.........................28

2.3.1. Храповые механизмы свободного хода..................................28

...... 2.3.2. Пакетный МСХ .........................................................................29

2.3.3. Микрохраповые МСХ..............................................................30

2.3.4. МСХ блочной конструкции с малым шагом замыкания......33

2.4. МСХ, работающие на основе других принципов замыкания..........39

2.4.1. Гидравлические механизмы свободного хода.......................39

2.4.2. Магнитные муфты свободного хода.......................................41

Выводы по материалам главы 2..................................................................42

Глава 3. Кинематический анализ работы МСХ в составе импульсной передачи ..............................................................................................44

3.1. Кинематический анализ импульсного трансформатора..................44

3.1.1. Математическая модель Леонова............................................44

3.1.2. Кинематика импульсного механизма Левина........................45

3.1.3. Определение движущего момента, создаваемого неуравновешенными грузами..................................................47

3.1.4. Определение скорости вала реактора.....................................48

3.2. Алгоритм расчета кинематических характеристик храпового МСХ при замыкании......................................................................................51

3.3. Динамика взаимодействия элементов МСХ при отсутствии момента сопротивления на выходном валу......................................................56

3.4. Динамика взаимодействия элементов МСХ при наличии момента сопротивления на выходном валу......................................................61

3.5. Влияние конструктивных параметров и режимов работы передачи на скорость удара в МСХ....................................................................65

3.5.1. Зависимость скорости удара в МСХ от скорости выходного вала.............................................................................................65

3.5.2. Зависимость скорости удара в МСХ от конструктивного зазора..........................................................................................66

3.5.3. Зависимость скорости удара в МСХ от скорости эпицикла 67

3.5.4. Зависимость скорости удара в МСХ от величины момента сопротивления на выходном валу...........................................68

3.6. Расчет приведенной массы..................................................................70

Выводы по материалам главы 3..................................................................73

Глава 4. Определение силы удара при замыкании МСХ в составе импульсной передачи......................................................................... 74

4.1. Современные представления о механическом ударе.......................74

4.2. Основы классического метода............................................................77

4.3. Волновая теория удара........................................................................79

4.3.1. Уравнения, описывающие напряженно-деформированное

состояние...................................................................................79

4.3.2. Уравнение плоского удара.......................................................80

4.3.3. Решение волновых уравнений плоского удара......................81

4.4. Теория Герца.........................................................................................83

4.5. Гипотеза Батуева.................................................................................. 86

4.6. Жестко-пластическая модель..............................................................88

4.7. Нелинейная упругопластическая модель..........................................90

4.8. Приближенный метод оценки параметров удара.............................93

4.9. Энергетическая модель удара.............................................................96

4.10.Гипотеза удара на основе пластической твердости материала.......98

4.11. У равнение Динника...........................................................................ЮГ

4.12.Гипотеза Кильчевского...................................................................... 102

4.13.Сравнительный анализ гипотез........................................................104

4.14.Оценка напряжений при ударе.........................................................108

4.15.Взаимное положение торцов собачки и зуба храповика при

замыкании...........................................................................................109

Выводы по материалам главы 4................................................................115

Глава 5. Экспериментальные исследования..................................................117

5.1. Задачи исследования..........................................................................117

5.2. Описание экспериментальной установки........................................117

5.3. Определение скорости удара............................................................122

5.4. Определение силы удара...................................................................125

5.5. Методика расчета• конструктивных параметров МСХ и режимов работы..................................................................................................131

5.5.1. Выбор конструктивных параметров МСХ при заданных режимах работы......................................................................131

5.5.2. Определение допустимых режимов работы при заданных конструктивных параметрах МСХ.......................................134

5.5.3. Проверочный расчет для автоматической инерционной

трансмиссии мотоцикла «ЗиД-200»......................................136

5.6. Этапы проектирования инерционной автоматической трансмиссии для транспортных средств на примере специального транспортного средства повышенной проходимости «ЗиД-200 4ШП-3»..............139

5.6.1. Постановка задач проектирования........................................139

5.6.2. Выбор конструктивного решения.........................................140

5.6.3. Расчет максимального момента сопротивления движению142

5.6.4. Определение конструктивных параметров импульсного механизма................................................................................142

5.6.5. Определение параметров МСХ.............................................144

5.6.6. Разработка конструкции трансмиссии и определение инерционных и массовых свойств деталей..........................146

5.6.7. Проверочный расчет...............................................................148

Выводы по материалам главы 5................................................................149

Заключение..........................................................................................................150

Список литературы.............................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................-.......................177

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................................................179

Введение

Высокая производительность большинства современных машин и автоматических линий может быть обеспечена путем регулирования режимов работы. Такое регулирование наиболее рационально достигается в бесступенчато-регулируемых передачах. Из существующих на данный момент механических бесступенчатых передач наиболее широкое распространение получили различные варианты фрикционных передач. В этих передачах движение с ведущего вала на ведомый передается непрерывно с помощью силы трения. Для таких передач характерно отсутствие колебаний угловой скорости ведомого вала и бесшумность работы. Однако использование силы трения в качестве основной ограничивает их применение в тяжело нагруженных передачах.

На нефрикционные передачи, работающие на основе зацепления, указанное ограничение не распространяется. Значительную их часть представляют импульсные передачи, такие как импульсные вариаторы и инерционные трансформаторы.

К приводам современных машин все чаще предъявляют требование не только бесступенчатого регулирования, но и его автоматического осуществления. Особое значение автоматическое регулирование приобретает при использовании в транспортных средствах, поскольку, повышая удобство и простоту эксплуатации, обеспечивает безопасность движения. Применение автоматической передачи также улучшает тягово-скоростные характеристики транспортного средства: повышается динамичность, уменьшается время разгона. Кроме того, автоматическое регулирование исключает перерасход топлива.

Инерционные трансформаторы являются бесступенчатыми автоматическими по своей природе передачами механического типа, предназначенными для преобразования скорости и вращающего момента на рабочих органах машин. Обладая высоким КПД, близким к КПД ступенчатых передач, они имеют в то же время компактные конструкции, вписывающиеся в габариты ступенчатых приводов и в ряде случаев снижающие габариты, защищают двигатель от перегрузки и остановки в моменты затормаживания рабочих органов, допускают создание конструкций с коэффициентами трансформации момента большими, чем, например, у гидротрансформаторов. На режиме прямой передачи, характерном для автомобилей, инерционный трансформатор работает как упругая динамическая муфта и значительно снижает крутильные колебания в трансмиссии по сравнению со ступенчатой передачей. При установке этого привода на горных, строительных, сельскохозяйственных, дорожных и других машинах, стендах для имитационных и ускоренных испытаний полезной оказывается вибрационная подача момента на рабочий орган.

Инерционный трансформатор состоит из импульсного механизма и двух механизмов свободного хода (МСХ). Вращательное движение ведущего вала преобразуется импульсным механизмом в колебательное движение промежуточного, которое с помощью корпусного и выходного МСХ трансформируется во вращательное движение выходного вала. Таким образом, в инерционном трансформаторе отсутствует непрерывный поток энергии, а изменение вращающего момента и угловой скорости происходит за счет накопления энергии грузовыми звеньями и импульсной ее передачи с помощью МСХ. Из принципа работы инерционного трансформатора следует, что МСХ являются важнейшими звеньями нефрикционной передачи, работающими в тяжелых условиях (частота срабатывания МСХ соизмерима с частотой вращения входного вала, а передаваемый пиковый момент в 7 - 8 раз превышает средний). Именно с отсутствием МСХ, удовлетворяющих таким условиям, связаны трудности внедрения инерционных

трансформаторов. Первоначально в качестве МСХ инерционных трансформаторов использовались различные конструкции роликовых обгонных муфт, к достоинствам которых следует отнести бесшумность работы и значительный передаваемый момент. Однако обгонные муфты не удовлетворяют необходимой долговечности работы и требуют значительных усилий на расклинивание. В обгонной муфте имеет место «мертвый ход», достигающий 2-4° [65] и возникающее в процессе заклинивание муфты.

При использовании нефрикционных МСХ, например храповых, удается увеличить долговечность работы инерционного трансформатора. Однако включение храповых МСХ носит дискретный характер, что приводит ударам при заклинивании. Следовательно, для успешного применения храповых механизмов в качестве МСХ инерционного трансформатора необходимо точно знать напряжения, возникающие в элементах МСХ при заклинивании.

Целью настоящей работы является определение кинематики и обоснование метода расчета ударных нагрузок, возникающих в храповых МСХ, работающих в составе импульсной механической передачи, а также определение приемлемых режимов работы передачи и рациональных конструктивных параметров, обеспечивающих надежную работу.

К задачам работы следует отнести:

1). построение математической модели для определения кинематических характеристик МСХ при замыкании;

2). теоретический анализ влияния конструктивных параметров передачи и режимов ее работы на напряжения, возникающие в МСХ при замыкании;

3). анализ существующих теорий и гипотез удара применительно к рассматриваемому случаю работы МСХ;

4). экспериментальное определение нагрузок, возникающих в МСХ при работе передачи.

Методология исследования:

- теоретический анализ работы храпового МСХ блочного типа в составе импульсной передачи на основе уравнений теоретической механики, теории удара, сопротивления материалов и теории упругости;

- математическое моделирование замыкания МСХ в составе импульсной . передачи с использованием ЭВМ;

- экспериментальная проверка результатов исследования с использованием методов статистической обработки данных.

На защиту выносятся:

- результаты информационного научного поиска, определяющие цель и задачи исследований;

- математическая модель для расчета кинематических параметров МСХ при замыкании;

- анализ влияния конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи на величину силы удара при замыкании;

- результаты экспериментальных исследований;

- методика выбора конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи.

Научная новизна работы заключается в:

- математической модели, раскрывающей кинематические характеристики МСХ при замыкании и дополнительно учитывающей изменение скорости вала реактора при расчете движущего момента;

- научном обосновании критериев по выбору конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи;

- принципах построения экспериментальной установки, позволяющей имитировать удар- в МСХ в составе импульсной передачи;

- обосновании методики расчета контактных напряжений в храповых МСХ блочного типа в составе импульсной передачи.

Практическая значимость результатов исследования заключается в решении актуальной задачи повышения работоспособности и надежности как МСХ, так и импульсной передачи в целом, что создает перспективу развития таких передач в авто- и мототранспорте, а также в других отраслях техники.

Общее содержание работы опубликовано в десяти научных статьях, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК. Также издана одна монография, получено два патента.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Конструирование, управление и эксплуатация в транспортном комплексе» (Ковров, КГТА, 2006), на международной научно-технической конференции Вибрация 2008 «Вибрационные машины и технологии» (Курск, КГТУ, 2008), на международной научно-технической конференции Вибрация 2010 «Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, КГТУ, 2010), на V научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (Ковров, КГТА, 2010).

Работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы и других источников и приложений.

Глава 1. Конструкции и и е р ц и о н н о - и м п у л ь с н ы х механических передач

1.1. Классификация импульсных передач

В зависимости от используемых сил различают инерционные трансформаторы с центробежными и тангенциальными силами инерции [13, 64, 92].

Передачи с использованием центробежных сил инерции более компактны, так как маховик двигателя в большинстве случаев непосредственно приводит в движение грузовые звенья. Передачи же, основанные на использовании тангенциальных сил, включают дополнительные устройства, предназначенные для преобразования вращающего момента в качательное движение грузовых звеньев. Таким образом, первые передачи выгодно отличаются отсутствием дополнительных звеньев.

По применяемым МСХ инерционные трансформаторы разделяют на передачи с фрикционными и нефрикционными МСХ. К нефрикционным в основном относятся храповые МСХ, передающие момент с помощью нормальных сил.

Механизмы свободного хода предназначены для преобразования знакопеременных импульсов момента. По способу преобразования импульсов инерционные трансформаторы подразделяют на трансформаторы с двумя МСХ (корпусным и выходным), одним (корпусным) МСХ и трансформаторы без МСХ. Трансформаторы с двумя МСХ представляют наиболее общую схему, которая ~ ' может быть применена в большинстве машин. Трансформаторы с одним МСХ в основном п