автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение несущей способности, адаптивности и КПД планетарного дискового вариатора для бесступенчатой трансмиссии автомобиля

Введение

Глава 1. Обзор и анализ основных типов механических фрикционных бесступенчатых передач (вариаторов), используемых в автоматических трансмиссиях автомобилей

Глава 2. Разработка принципиальной схемы и основных технических решений, направленных на создание многодискового вариатора с повышенными несущей способностью, адаптивностью и КПД

2.1 Анализ существующих конструкций многодисковых вариаторов

2.2 Новый адаптивный планетарный дисковый вариатор

Глава 3. Разработка методики расчета основных параметров нового адаптивного планетарного дискового вариатора

3.1.Определение основных геометрических параметров адаптивного планетарного дискового вариатора

3.2.Исходные данные для расчета основных параметров планетарного дискового вариатора

3.3 Расчет контактных напряжений

3.4 Расчет коэффициента УГД-трения

3.5 Расчет КПД вариатора

3.6 Расчет толщины УГД- пленки

3.7 Определение шероховатостей поверхностей фрикционных дисков

3.8 Анализ результатов расчета

Глава 4. Расчет и проектирование основных систем адаптивного планетарного дискового вариатора

4.1 Проектирование системы оптимизированного нажима на фрикционные диски вариатора

4.1.1 Анализ существующих конструкций нажимных элементов, применяемых в вариаторах

4.1.2 Проектирование нажимных элементов нового адаптивного планетарного дискового вариатора

4.2 Проектирование системы автоматического регулирования передаточного отношения нового адаптивного планетарного дискового вариатора

Бесступенчатые передачи, обеспечивающие плавное изменение крутящего момента на приводном элементе в зависимости от его частоты вращения, получают все большее распространение в различных отраслях промышленности и, прежде всего, в автомобильной промышленности, где нашли применение гидродинамические, гидрообъемные, электрические и фрикционные передачи (вариаторы). Каждый из перечисленных видов бесступенчатых передач характеризуется своими особенностями.

Гидродинамические передачи (гидротрансформаторы), наиболее распространенные в настоящее время в автомобильной промышленности, характеризуются автоматическим изменением передаточного отношения в зависимости от нагрузки на выходном валу, то есть являются саморегулируемыми, но максимальное значение коэффициента трансформации, равное 2.4, снижающееся по мере увеличения передаточного отношения, сравнительно низкий КПД, изменяющийся по закону, близкому к квадратичной параболе, из-за чего наибольшие значения КПД находятся в узком диапазоне, сложность конструкции и, как следствие, высокая стоимость, проблематичность применения для гибридных схем приводов делают ее малоперспективной для дальнейшего развития.

Гидрообъемные (гидростатические) передачи позволяют в очень широком диапазоне регулировать передаточное отношение, удобны в размещении и управлении, но не являются органически саморегулируемыми, хотя легко поддаются автоматизации. Однако они имеют низкие КПД и долговечность, очень сложны, имеют высокую стоимость и большие размеры и массу. По этим причинам гидрообъемные передачи до настоящего времени не получили широкого распространения в автомобилестроении, кроме узко специализированных машин.

Современное интенсивное развитие электротехники и электроники, а также отставание научного задела в области механического привода, обусловили распространение на автомобилях достаточно сложных и не всегда рентабельных электроприводов, где, как известно, и выработка и потребление энергии осуществляются в виде механического вращения. Принципиально электрические передачи пригодны и для гибридных схем. Но электрические передачи, хотя они скоростные, имеют достаточно высокий КПД и малые удельные габариты, при создании динамических систем с постоянно меняющейся частотой вращения, рассчитанных на передачу значительных 6 крутящих моментов, в итоге получаются с большими массой и стоимостью. Это обусловлено тем, что каждая электромашина рассчитывается на определенный крутящий момент по своему максимальному магнитному полю. Повышение создаваемого (передаваемого) крутящего момента происходит за счет увеличения размеров электромашины, что ведет и к увеличению ее стоимости, хотя бы из-за наличия в ней меди. Кроме того, электромашины с постоянными магнитами, как наиболее перспективные, не выдерживают сильной перегрузки, в связи с чем у них должен быть большой запас по максимальному магнитному полю.

Характерной особенностью вариаторов по сравнению с гидродинамическими, гидрообъемными и электрическими передачами является отсутствие преобразования в них форм и видов энергии. Историей техники убедительно показано, что, в принципе, при одинаковых затратах труда и средств на разработку, приводы с преобразованием форм и видов энергии всегда менее эффективны, чем механические передачи.

Вариаторы имеют огромный потенциал для развития и поэтому они все активнее вытесняют ступенчатые и вышеуказанные типы немеханических бесступенчатых передач на самом массовом их потребителе - автомобилях. Кроме того, с использованием вариаторов можно получить наиболее простую и экономичную схему гибридного привода.

Таким образом, проблема создания эффективной автоматической механической фрикционной бесступенчатой передачи для использования в автомобильной промышленности в качестве альтернативы, прежде всего, ступенчатым коробкам передач автомобилей и, в перспективе, для создания гибридных механических приводов, безусловно, является актуальной.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана принципиальная схема и конструкция адаптивного планетарного дискового вариатора с регулируемой адаптивностью, применимого к трансмиссии автомобиля, и коробка передач на его основе.

2. Разработана методика расчета основных параметров фрикционного планетарного многодискового вариатора, позволяющая проводить расчет и конструирование таких вариаторов с учетом напряженно-деформированных режимов нажимных упругих элементов.

3. Разработана методика расчета и построения элементов системы автоматического регулирования передаточного отношения, обеспечивающего высокоадаптивную зависимость между моментом на выходном валу и его частотой вращения, при возможности принудительного регулирования степени адаптивности регулятором режимов.

4. Разработаны необходимые теоретические предпосылки по напряженно-деформированному состоянию упругих нажимных элементов и основных триботехнических характеристик УГД-трения фрикционных тел качения, необходимых для разработки вышеупомянутых методик.

5. Осуществлены необходимые экспериментальные исследования по напряженно-деформированному состоянию упругих нажимных элементов, а также по получению триботехнических характеристик УГД-трения фрикционных тел качения. Получены необходимые эмпирические зависимости, использованные при разработке методик.

6. Рассчитан и спроектирован с помощью разработанных методик опытный образец нового вариатора, снабженного автономным двигателем и нагрузочным устройством. Проведены испытания, подтвердившие заложенные в это устройство технические характеристики и эффективность методик, по которым велся расчет и конструирование. Подтверждена полезная роль верчения в фрикционном контакте при больших передаточных отношениях, повышающего «живучесть» вариатора.

7. На основании полученных методик рассчитаны и спроектированы новые агрегаты на основе разработанного вариатора - автоматические бесступенчатые коробки передач для городских автобусов большого и особо большого классов и автобуса ЗИЛ-3250, вариоколесо, а также гибридный силовой агрегат с вариатором и супермаховичным накопителем энергии для городского автобуса.

1. Фаробин Я.Е. Фрикционные передачи автомобилей и тракторов. -М.: Машгиз, 1962. - 162 с.

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

3. Петрушов В. А., Сперанский Н.Г. Испытание и методика расчета многодисковых фрикционных трансформаторов с внутренним контактом // Труды НАМИ. 1963. - Вып. 52.

4. Петрушов В.А. Анализ работы многодисковых фрикционных трансформаторов // Труды НАМИ. 1960. - Вып. 90. - 80 с.

5. Петров В.А. Автоматическое управление бесступенчатых передач самоходных машин. М.: Машиностроение, 1968. - 384 с.

6. Селифонов В.В. Принципы регулирования бесступенчатых передач. М.: МАМИ, 1993.-70 с.

7. Ревков Г.А. Исследование нагрузочных характеристик многодискового вариатора скорости // Труды ВНИИМЕТМАШ. 1963. - Сб. 9. - С. 127-158.

8. Ревков Г.А. Трение в многодисковых фрикционных вариаторах // Вестник машиностроения. 1974. - №11. - С. 25- 27.

9. Ревков Г.А. Фрикционные свойства многодискового вариатора скорости // Вестник машиностроения. 1963. - №11. - С. 7-11.

10. Ревков Г.А., Вержбицкий Н.Ф. Влияние ширины рабочего пояска дисков на эксплуатационные показатели многодисковых вариаторов скорости // Труды ВНИИМЕТМАШ. 1965. - сб. 15. - С. 127-135.

11. Нагорный С.М. Повышение несущей способности и КПД многодисковой бесступенчатой передачи // Передаточные механизмы. М.: Машиностроение, 1966. - С. 274 - 283.

12. Лукин П.П. и др. Конструирование и расчет автомобиля: Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы» / П.П. Лукин, Г.А. Гаспарянц, В.Ф. Родионов.- М.: Машиностроение, 1984 376 с.

13. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета: Учебник для студентов вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство».-М.: Машиностроение, 1989 304 с.

14. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

15. Агейкин Я.С. Специальные главы теории автомобиля. Учебное пособие. -М.: Завод-ВТУЗ при ЗИЛе, 1988. 92 с.

16. Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С.А. Бесступенчатая коробка передач новой концепции // Труды МГИУ. 1998. - С.145-151.

17. Ильюшин Г.С., Гулиа Н.В. Определение компоновочных размеров дисков и числа потоков мощности вариатора с гибкими дисками // Труды МГИУ. -1998. С.181-186.

18. Ильюшин Г. С. Исследование потерь мощности во фрикционном модуле нового дискового вариатора для бесступенчатой трансмиссии автомобиля // Труды МГИУ. 1996. - С.79-86.

19. Гулиа Н.В., Юрков С.А. Обеспечение оптимального нажима дисков фрикционного вариатора // Труды МГИУ. 1999. - С. 172-176.

20. Гулиа Н.В., Власов А.Е., Юрков С.А. Автоматическая бесступенчатая коробка передач новой концепции // Автотракторостроение, промышленность и высшая школа: Докл. XXVII Научно-техническая конференция ААИ. 29-30 сентября 1999 г. Москва, 1999.

21. Гулиа Н.В., Власов А.Е., Юрков С.А. Механическая бесступенчатая передача для грузовых автомобилей и автобусов. Перспективы использования // Грузовик & Автобус, троллейбус, трамвай. 1999. - №12. - С.7-12.

22. Гулиа Н.В., Юрков С.А. Гибридные силовые агрегаты для городских автобусов // Грузовик & Автобус, троллейбус, трамвай. 2000. - №1. -С.10-14.

23. Гулиа Н.В., Юрков С.А. Новая концепция электромобиля // Автомобильная промышленность. 2000. - №2. - С.14-17.

24. Гулиа Н.В., Юрков С.А. Система автоматического регулирования передаточного отношения планетарного дискового вариатора // Труды МГИУ. 2000. - Т.1. - С. 144-149.

25. Гулиа Н.В., Юрков С.А. Новая концепция электромобиля // НиТ. Международный научно-технический сборник. Электронная версия. (www.n-t.org/tp/ts/nke.htm 06.02.2000.

26. Гулиа Н.В., Мартин Ф., Юрков С.А. Вариоколесо и его перспективы для автомобилей // НиТ. Международный научно-технический сборник. Электронная версия, (www.n-t.org/tp/ts/vk.htm) 21.03.2000.

27. Гулиа Н.В., Мартин Ф., Юрков С.А. Вариоколесо и его перспективы для автомобилей // Автомобильная промышленность. 2000. - №10. - С. 19-21.

28. Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С.А., Ковчегин Д.А., Волков Д.Б. Расчет основных параметров фрикционного дискового вариатора: метод, указания. МГИУ, 2000. - С.35.

29. Гулиа Н.В., Юрков С.А., Петракова Е.А., Ковчегин Д.А., Волков Д.Б. Методика расчета основных параметров фрикционного дискового вариатора // Справочник. Инженерный журнал. 2001. - №1. - С.30-39.

30. Гулиа Н.В., Юрков С.А. Определение коэффициента упругогидродинамического трения в зонах контактов фрикционных вариаторов при наличии верчения // Труды МГИУ. 2001.

31. Гулиа Н.В., Петракова Е.А. Передаточное число и КПД нового планетарного дискового вариатора // Труды МГИУ. 1998. - С. 139-144.

32. Отрохов В.П., Гулиа Н.В., Петракова Е.А., Юрков С.А. Бесступенчатая коробка передач для ЗиЛ-5301 // Автомобильная промышленность. 1998. -№7. - С.16-18.

33. ГОСТ 3057-90. Пружины тарельчатые. Общие технические условия. Введ. 01.07.91. - М.: Издательство стандартов, 1990. - 64 с.

34. Осепчугов В.В. Автобусы. -М.: Машиностроение, 1971. 312 с.

35. Гринбейн Э.Р., Бойко Л.С., Ревков Г.А. Расчет и профилирование кулачков нажимного механизма многодисковых вариаторов // Вестник машиностроения. 1973.-№ 1.- с. 10- 12.

36. Гринбейн Э.Р., Бойко Л.С., Ревков Г.А. Расчет и профилирование ролико-кулачкового нажимного механизма многодисковых вариаторов // Вестник машиностроения. 1973. - № 9. - с.29 - 31.

37. Петрусевич А.И. Роль гидродинамической масляной пленки в стойкости и долговечности поверхностей контакта деталей машин // Вестник машиностроения. 1983. -№1. - С. 4-5.

38. Дроздов Ю.Н., Данилов В.Д. Коэффициенты трения для фрикционных передач, работающих со смазкой // Передаточные механизмы. М.: Машиностроение, 1966. - С. 86 - 92.

39. Дроздов Ю.Н., Ромашкин О.Г. Расчет толщины масляной пленки во фрикционном контакте бесступенчатой передачи // Машиноведение. 1980. - №1. - С.85-90.

40. Дроздов Ю.Н., Ромашкин О.Г. Режим смазки фрикционной бесступенчатой передачи // Вестник машиностроения. 1977. - № 10. - С.34 - 37.

41. Дроздов Ю.Н., Ромашкин О.Г., Смирнов В.И., Павлик Б.Б. Исследование коэффициентов трения фрикционных масел // Вестник машиностроения. -1983.-№5.-С. 21-23.

42. Дроздов Ю.Н., Арчегов В.Г., Смирнов В.И. Противозадирная стойкость трущихся тел. -М.: Наука, 1981. 140 с.

43. Елманов И.М., Колесников В.И. Термовязкоупругие процессы трибосистем в условиях упругогидродинамического контакта. Ростов-на-Дону: Центр Высшей школы, 1999. - 173 с.

44. Елманов И.М., Глухов Е.В., Коган Э.А. Результаты испытаний высокотяговых смазочных материалов на высокоскоростном стенде // Триботехнологические проблемы в машиностроении. Рига: РТУ, 1990. -С.63-73.

45. Елманов И.М., Ромашкин О.Г. Построение и исследование карты реологических состояний для высокотяговой жидкости "8ап1:о1:гас 50" // Труды РГУПС. 1997. - 4.2. - С.77-82.

46. Ромашкин О. Г. О влиянии геометрии основного контакта фрикционной бесступенчатой передачи на коэффициент трения // Трение и износ. 1986. -Т.7. - №5. - С.894-899.

47. Ромашкин О.Г. О режимах смазки в контактах вариатора скорости при использовании фрикционного масла // Вестник машиностроения. 1988. -№11. -С.14-18.

48. Ромашкин О.Г. Коэффициент трения в контактах регулируемой фрикционной передачи // Вестник машиностроения. 1975. - №2. - С. 3134.

49. Беленьких Е.В. Эффект стеклования смазочной пленки в тяжелонагруженном контакте дисковой машины трения // Трение и износ. -1996. -№1. С.123-127.

50. Стеклование смазочных жидкостей и его влияние на сдвиг при высоком давлении / С. Альсаад, С. Бэир, Д.Н. Сенборн, В.О. Винер // Проблемы трения и смазки. 1979. - №3. - 7 с.

51. Влияние шероховатости контактирующих поверхностей на толщину смазочной пленки / Вересняк В.П. и др. // Трение и износ. 1990. - Т.П. -№3. - С. 464-472.

52. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для машиностр. спец. вузов. 4-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 1984. - 336 с.

53. Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. М.: Машиностроение, 1988. - 368 с.

54. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для машиностроит. спец. техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1990. - 399 с.

55. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.

56. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

57. Перель Л. Я., Филатов А. А. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 608 с.

58. Голованов Л. Цепная реакция // Авторевю. 1999. - №20. - С. 18-19.

59. Голованов Л. Экстраординарный Extroid // Авторевю. 2000. - №1.

60. Тур Е.Я. и др. Устройство автомобиля: Учебник для учащихся автотранспортных техникумов / Е.Я. Тур, К.Б. Серебряков, Л.А. Жолобов. -М.: Машиностроение, 1990. 352 с.

61. Рыбкин A.A., Рывкин А.З., Хренов Л.С. Справочник по математике: Справочное пособие для учащихся сред. спец. учеб. заведений и поступающих в вузы. 5-е изд., стереотипное. - М.: Высшая школа, 1987. -480 с.

62. Beier Н. Das "Beier getriebe" // Österreichischer maschinenmarkt und elektroWirtschaft. Dezember, 1949. - IV Jahrgang. - Helf 28/24.

63. Loewenthal S.H., Röhn D.A. Elastic Model of the Traction Behavior of two fraction lubricants // ASLE Transactions. 1984. - Vol. 27. - №2.

64. Lutz O. Zur Theorie des Keilriemen. Umschlingungsgetriebes. - Konstruktion, 1960. -№ 7. -p. 265-268.

65. N. Gulia, S. Yurkov. New concept of an electric motor car and electrobús // НиТ. Международный научно-технический сборник. Электронная версия. (www.n-t.org/tpe/ts/nke.htm) 18.01.2000.

66. Santotrac synthetic traction lubricants. Findett Corporation, Hart Publications Inc., 2000. - 32 p.

67. Vojacek H. Traktionsfluide Struktur und Eigenschatten. Elmatic GmbH, Herrsching, BRD, 1989. - 26 s.

68. Wernitz W. Bestimmung der Bohrmomente und umfangskrafte bei hertzscher pressung mit punktberuhrung. Braunschweig: Vieweg. 1958. - 96 s.

69. Yamaguchi J. Nissan's Extroid CVT // Automotive Engineering International. -February 2000. p. 157-165.

70. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ МОСКОВСКОЕ ОБЩЕСТВО ** "ЗАВОД имени И.А. ЛИХАЧЕВА"1. AMO ЗИЛ)

71. Россия, 109280, Москва, Автозаводская ул., 231. Телефон 277-95-00