автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка метода теплового расчета ведущих мостов автомобилей

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Зайцев Алексей Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ВЕДУЩИХ МОСТОВ АВТОМОБИЛЕЙ

Специальность 05.05.03. - Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители;

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Терехов A.C.; кандидат технических наук, доцент Гулезов С.С.

Курган - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 .АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................9

1.1.Тепловое состояние автомобильных трансмиссий...................9

1.2.Существующий метод теплового расчета трансмиссий............24

1.2.1 .Источники тепловыделения .......................................24

1.2.2.Внутренняя теплоотдача............................................30

1.2.3.Внешняя теплоотдача................................................32

1.2.4.Режимы для теплового расчета трансмиссий..................40

1.3.Выводы и задачи исследований..........................................42

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВЫХ

ПРОЦЕССОВ В ВЕДУЩИХ МОСТАХ АВТОМОБИЛЕЙ.............46

2.1 .Формирование теплового состояния ведущих мостов.............46

2.2.Теоретические предпосылки исследования процессов

тепловыделения и теплопередачи.......................................54

2.2.1 .Гидравлические потери конических и гипоидных передач... .56

2.2.2.Внутренняя теплоотдача редуктора главной передачи.....61

2.2.3.Теплоотток от редуктора главной передачи в кожухи полуосей...............................................................63

2.3.Вывод ы........................................................................68

3.ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....69

3.1.Экспериментальные установки. Объекты исследований..........69

3.2.Методы измерений. Контрольно-измерительные приборы.......82

3.3.Получение и обработка экспериментальных данных...............84

3.4.Оценка погрешностей измерений........................................90

4.РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ

ПОТЕРЬ В ГЛАВНЫХ ПЕРЕДАЧАХ.......................................96

4.1. Дисковые потери...........................................................96

4.2.Потери на вытеснение....................................................112

4.3.Гидравлические потери при «встречном» вращении

шестерен.....................................................................120

4.4.Гидравлические потери корпуса дифференциала..................123

4.5.Суммарные гидравлические потери...................................124

4.6.Вывод ы........................................................................128

5.РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

В ВЕДУЩИХ МОСТАХ.....................................................130

5.1 .Экспериментальное исследование внутренней теплоотдачи

редуктора главной передачи............................................130

5.2.Исследование процесса теплооттока от редуктора главной

передачи в кожухи полуосей............................................146

5.2.1 .Аналитическое решение для «сухих» кожухов..............146

5.2.2.Экспериментальное исследование при повышенном

уровне масла..........................................................153

5.3.Вывод ы........................................................................161

6. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВЕДУЩИХ МОСТОВ.................... .......163

6.1 .Прогностическая оценка теплового режима........................163

6.2.Проверка представительности метода................................167

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................171

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................173

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................183

ВВЕДЕНИЕ

Опыт эксплуатации трансмиссий автомобилей показывает, что их работоспособность существенно зависит от теплового состояния агрегатов /1 ...7/. Ведущие мосты работают в широком диапазоне температурных режимов.

Рост энергонасыщенности (увеличение передаваемой мощности при одновременном повышении компактности) приводит к повышению температуры агрегатов. Зачастую, при больших запасах по прочности и долговечности валов, зубьев шестерен, подшипников и других элементов, агрегаты трансмиссии выходят из строя из-за тепловых перегрузок. При высоких температурах ухудшаются свойства масла и его ресурс, ухудшаются условия работы зубчатых передач, подшипников, выходят из строя уплотнения, надежность и долговечность агрегата резко снижаются.

Несмотря на хорошие условия охлаждения ведущих мостов, встречаются случаи, когда температура масла в них превышает 120°С и даже достигает 170°С /5, 8/.

Существует и обратная сторона проблемы. Ведущие мосты автомобилей более других агрегатов трансмиссии чувствительны к низкой температуре окружающего воздуха. Благоприятные условия охлаждения встречным потоком холодного воздуха приводят к тому, что даже в установившемся тепловом состоянии значения температуры масла в мостах зимой часто ниже 0°С. При таких температурах вязкость масла достигает больших значений (10000 сСт и выше). Масло неудовлетворительно поступает к поверхностям трения зубьев шестерен, подшипников, дифференциала и уплотнений, снижая их ресурс. Работа

агрегата при повышенной вязкости масла вызывает значительные потери мощности, увеличивая расход топлива.

Ввиду высокой сложности и стоимости работ по оптимизации теплового состояния трансмиссионных агрегатов на стадии доводки, следует считать необходимым создание метода теплового расчета ведущих мостов, позволяющего еще на стадии проектирования оценивать их тепловое состояние и принимать меры к его оптимизации.

Применение существующего метода теплового расчета трансмиссий /2, 3, 4, 9, 10/ для рассмотрения теплового состояния мостов затруднительно из-за его направленности на редукторы трансмиссии с цилиндрическими зубчатыми колесами (коробки передач, раздаточные коробки, планетарные редукторы). Некоторые работы /4, 5/ затрагивают лишь отдельные тепловые процессы, происходящие в ведущих мостах. Исследования /5, 8/ посвящены тепловому состоянию ведущих мостов только большегрузных многоосных полноприводных автомобилей, и применить их результаты для прогностической оценки конструкций общего назначения не представляется возможным.

Цель данной работы заключается в создании метода теплового расчета ведущих мостов, представительного для широкого класса автомобилей в широком диапазоне температурных режимов.

Возможность создания метода достигнута совершенствованием существующего метода теплового расчета трансмиссий путем теоретического и экспериментального исследования тепловыделения и теплопередачи ведущих мостов, а также обобщением ранее проведенных исследований по тепловыделению в зубчатых редукторах и по процессам теплообмена в агрегатах трансмиссии.

Методологически проведенные экспериментальные исследования основываются на теории подобия и размерностей. Полученные рас-

четные зависимости имеют обобщенный характер; соответствующие показатели, определяющие тепловое состояние конкретной конструкции, представляют собой частные случаи общего решения.

Научную новизну работы составляют следующие основные результаты:

1. Разработан метод решения комплексной задачи - прогностической оценки тепловых режимов ведущих мостов, основанный на раздельном рассмотрении в рамках целостной системы интенсивности и особенностей протекания процессов тепловыделения и теплопередачи, в своей совокупности определяющих тепловое состояние моста.

2. Получены обобщенные зависимости, качественно и количественно описывающие тепловыделение за счет гидравлических потерь в главных передачах.

3. Теоретически и экспериментально исследованы процессы теплопередачи в ведущих мостах. Установлены обобщенные соотношения между интенсивностью теплообмена масляной ванны с корпусом редуктора главной передачи и конструктивными и режимными параметрами агрегата. Методами общей теории теплопередачи получено математическое описание теплообмена редуктора главной передачи с кожухами полуосей. Для случаев повышенного уровня масла экспериментально получена зависимость, позволяющая рассчитать количество теплоты, отводимое в кожухи.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что ее результаты дают конструктору инструмент для оценки теплового состояния ведущих мостов и принятия теоретически обоснованных решений по его оптимизации на стадиях проектирования и доводки агрегата или автомобиля в целом.

Результаты исследования гидравлических потерь и внутренней теплоотдачи могут использоваться при проектировании зубчатых редукторов в общем машиностроении.

Основной материал диссертации опубликован в четырех научно-технических статьях /11... 14/; докладывался и обсуждался на XV и XVII Российских школах по проблемам проектирования неоднородных конструкций (июнь 1996 г., июнь 1998 г., г. Миасс, Челябинской обл.) /15, 16/ и на шестом международном симпозиуме «Теории реальных передач зацеплением» (сентябрь - октябрь 1997 г., г. Курган) /17/.

Некоторые результаты работы представлены в научно-технических отчетах кафедры Автомобили за 1995...98 г.г.

Экспериментальные установки, изготовленные в ходе выполнения работы, используются в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплинам «Испытания автомобилей» и «Основы научных исследований».

Диссертация состоит из шести разделов.

В разделе 1 рассмотрено тепловое состояние автомобильных трансмиссий и ведущих мостов в частности. Сделан обзор исследований, посвященным методам расчета тепловых процессов, происходящих в зубчатых редукторах и трансмиссиях автомобилей. Поставлены задачи исследований.

В разделе 2 проанализировано формирование теплового состояния ведущих мостов и проведена схематизация теплообмена в них. Дано методологическое обоснование проводимых исследований.

Раздел 3 посвящен описанию экспериментальных установок, изложена методика экспериментального исследования.

В разделе 4 приводятся результаты исследования и выводятся обобщенные зависимости для тепловыделения в главных передачах за счет гидравлических потерь.

Раздел 5 посвящен исследованию теплообмена в ведущих мостах. Приведены результаты экспериментов по исследованию внутренней теплоотдачи редуктора главной передачи и теплооттока от редуктора в кожухи полуосей. Для случая «сухих» кожухов приводится аналитическое решение задачи методами общей теории теплопередачи.

В разделе 6 приведена последовательность теплового расчета ведущих мостов и проверяется адекватность метода.

В Заключении обобщаются результаты работы.

Для защиты в диссертации выносится следующее:

1. Схематизация теплопередачи в ведущих мостах, учитывающая теплообмен редуктора главной передачи с кожухами полуосей.

2. Постановка и результаты экспериментальных исследований гидравлических сопротивлений и внутренней теплоотдачи редуктора главной передачи.

3. Математическое описание и результаты экспериментального исследования процесса теплооттока от редуктора главной передачи в кожухи полуосей.

4. Метод прогностической оценки и оптимизации тепловых режимов ведущих мостов.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Тепловое состояние автомобильных трансмиссий

Постановка проблемы теплонапряженности трансмиссий связана с ростом быстроходности и нагруженности при одновременном снижении материалоемкости агрегатов. Энергонасыщенность трансмиссий (передаваемая мощность на единицу массы) со сравнительно недавнего времени выросла в 2-3 раза и продолжает увеличиваться /18, 19/. Уплотнение компоновки агрегатов при увеличении передаваемой мощности приводит к росту их нагрева.

Общепринятой характеристикой теплового состояния агрегатов трансмиссии является температура их масляных ванн. Значения температуры масла в трансмиссионных агрегатах достигают больших значений. В коробках передач автомобилей (в особенности большегрузных) температура масла достигает 130...140°С /10, 20, 21/. В ведущих мостах автомобилей с гипоидными парами нагрев масла достигает 120...130°С, а при тяжелых режимах работы в агрегатах трансмиссии автомобилей большой грузоподъемности - до 150°С /22/. В работе /5/ в ходе дорожных испытаний четырехосных полноприводных большегрузных автомобилей во втором мосту была зафиксирована температура масла 170°С. Такой же нагрев был отмечен Калишем /23/ в ведущем мосту с червячной передачей большегрузного внедорожного автомобиля. Большим нагревом (более 120°С) характеризуется работа задних мостов автомобилей с независимой подвеской колес /19/, особенно если коробка передач и главная передача размещаются в одном картере (компоновка «trans axle»). В то же время ве-

дущие мосты большого числа автомобилей имеют существенный запас по теплонапряженности /5, 10, 20/. Такие ведущие мосты при низких температурах окружающего воздуха имеют наименьшую, по сравнению с другими агрегатами трансмиссии, температуру масла даже в установившемся тепловом состоянии. Проблеме адаптации автомобилей к суровым климатическим условиям севера и Сибири посвящены исследования, проведенные Тюменским индустриальным институтом /24...27/. Приводятся следующие данные по установившимся температурам масла в агрегатах трансмиссии в холодных климатических условиях (табл. 1.1).

Работа агрегатов в условиях повышенных температур отрицательно сказывается на работоспособности зубчатых передач, подшипников, уплотнений, а также на свойствах самого масла.

Для обеспечения надежной работы зубчатого зацепления необходимо обеспечить жидкостный режим трения, при котором между рабочими поверхностями зубьев образуется несущий гидродинамический слой масла. Гидродинамическая смазка позволяет передаче выдерживать значительные контактные напряжения и скорости скольжения без возникновения заедания и интенсивного изнашивания.

Склонность к заеданию связана, прежде всего, с контактной температурой /28/. Эта температура складывается из температуры масла, превышения объемной температуры зубьев над температурой масла ), поверхностной температуры зубьев и температуры вспышки. Ориентировочно дг =5°С /29/. Точный расчет в работе /2/. Другие составляющие контактной температуры рассчитываются по уравнению

ту о ПС\/ тт/ч т7Г"»опттатттгтА Т^тггчтлг* /31 / ггпч/гип^И ЛЛАТАТГОЛ/ГТ! иаппммрп

ПО ни у трС1Х>ХЛ\/Х1ХХХи иишла 1' , Д^/у а x1j.vi.jcjl J.vxч/ 1 Ч/Даа»х.гх5 аац-ах^хахм. / и .

Таблица 1.1

Температура масла в агрегатах трансмиссии в холодных условиях

Марка автомобиля Температура воздуха, °С Скорость ветра, м/с Температура масла в агрегатах,°С Время разогрева агрегатов и пробег до измерений

Коробки передач Ведущие мосты

ГАЗ - 66 -20 — 48 23 Продолжительная езда по городскому циклу

-40 — 31 15

ЗИЛ - 130 -20 — ' 33 13

-40 — 23 -2

ПАЗ - 672 -40 — 33 5

ЗИЛ - 164 -30 10..Л2 14 -10 50 мин 20 км

КрАЗ-214 -30 10..Л2 20 3 55 мин 30 км

МАЗ - 537 -30 10..Л2 60 27 80 мин 30 км

Урал - 375 -50 Безветренно 29 8 80 мин 50 км

Урал - 375 (с утеплительным чехлом) - 54 Безветренно 27 15 80 мин 50 км

Из всех факторов, определяющих условия трения, контактная температура является решающим. Она может рассматриваться как комплексная величина, через которую выражается влияние нагрузки и скорости скольжения. Это объясняется уменьшением вязкости смазки в зоне контакта под действием высокой температуры, что приводит к нарушению гидродинамического характера трения и непосредственному контакту рабочих поверхностей зубьев; образованием адгезионных связей (мостиков сварки) между поверхностями, чему способствует отпуск металла в поверхностном слое, происходящий под действием высоких температур и сопровождающийся переходом от мар-тенситной структуры к ферритной /28/.

Многие исследователи отмечают, что с ростом температуры изменяются и свойства материала шестерен. В работах /33, 34/ отмечается, что при температурах выше 175°С уменьшается твердость стали. При нагреве до 177°С в течение часа твердость снизилась на 6,5%.

С увеличением температуры контактирующих поверхностей наблюдается снижение противозадирной стойкости /35...37/.

В ряде работ /38, 39/ при расчете конических передач с круговым зубом на стойкость против износа и заедания рекомендуется учитывать снижение несущей способности масляного слоя в условиях повышенных температур смазки введением температурного коэффициента. С увеличением 1м на 65°С допускаемое контактное напряжение снижается на 25%.

Увеличение температуры приводит к снижению изгибной прочности зубьев /40/ и снижению усталостной выносливости сталей /41/.

Высокая температура оказывает существенное влияние и на подшипники /42, 43/. Снижение долговечности подшипников при высоких температурах масла объясняется следующими факторами: тепло-

вым расширением деталей подшипников; снижением твердости при изменении размеров деталей; изменением вязкости смазочного материала. Для обычных подшипников критическая температура масла составляет 120°С, т.к. при более высоком нагреве происходит отпуск и необратимое снижение твердости тел качения и колец подшипника, что ведет к снижению их несущей способности и долговечности. При температуре масла более 120°С рекоме�