автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка рациональных схем автоматических коробок передач на основе планетарной системы универсального многопоточного дифференциального механизма

На правах рукописи

Салахов Ильдар Ильгизарович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ НА ОСНОВЕ ПЛАНЕТАРНОЙ СИСТЕМЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО МНОГОПОТОЧНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО МЕХАНИЗМА

Специально сть 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061963

Ижевск —2013

005061963

Работа выполнена в Набережночелнинском институте (филиале) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» на кафедре «Автомобили и автомобильные двигатели»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Фасхиев Хакимзян Амирович

Плеханов Федор Иванович

доктор технических наук, профессор, Глазовский инженерно-экономический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», директор

Ившин Константин Сергеевич

кандидат технических наук, доцент, Удмуртский государственный университет, профессор кафедры «Дизайн промышленных изделий»

Научно-технический центр открытого акционерного общества «Камский автомобильный завод» (НТЦ ОАО «КАМАЗ»)

Защита состоится «02»июля 2013 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03 в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7. E-mail: dissovet@istu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте Минобрнауки России.

Автореферат разослан «31» мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Н.М. Филькин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ак1уальнос1ь темы. Одной из перспективных направлений повышения потребительских свойств транспортных средств (ТС) является автоматизация их систем и агрегатов, в том числе разработка и внедрение высокоэффективных автоматических трансмиссий, способствующих повышению производительности, технию-эиэномических, экологических показателей, созданию комфортных условий для водителя, пассажиров и обеспечению безопасности движения. Условия эксплуатации транспортных средств требуют изменения скоростей движения, крутящего момента на движителях в широких пределах. Трансмиссия ТС должна преобразовывать сило ю-сюросгаые характеристики двигателя таким образом, чтобы его тягово-динамические характеристики наиболее полно соответствовали условиям движения, обеспечивали рациональную скорость и минимальные затраты топлива.

В настоящее время известно множество типов и схем трансмиссий ТС, каждому из которых присущи сю и достоинства и недостатки. В развитии трансмиссий с автоматической юробюй передач (АКП) можно выделить две тенденции: ^характеризуется увеличением числа передач, что способствует повышению и улучшению тягово-динамических и топливно-эмэномических показателей; 2) совершенствование электронного блока управления и его программного обеспечения.

Сравнительная оценка техническэго уровня известных и проектируемых АКП возможна по таким критериям, как число планетарных радов, основных звеньев, степеней свободы, управляющих элементов, передан; слойность валов; массо-габаритные показатели; использование переносного движения; сложность проектирования и изготовления; стоимостные параметры. Анализируя перечисленные критерии можно констатировать, что создание АКП, имеющих в сю ей основе конструкции модуль на базе ноюй планетарной системы универсальный многопоточньй дифференциальный механизм (ПС УМДМ), позволяет более полно удовлетворять требования к АКП. ПСУМДМ - это планетарная система, где водило с тремя парами сцепленных сателлитов является общим для трех планетарных родов, образуемых двумя независимыми солнечными центральными шестернями, сцепленными сателлитами и тремя коронными зубчатыми колесами. ПСУМДМ в структуре АКП в качестве модуля позволяет решать задачу создания конструкций различного назнанения и для различных режимов работы В настоящее время теоретию-прикладные положения создания рациональных АКП на основе ПСУМДМ, выполненной по патенту РФ №2384773 «Автоматическая ступенчатая планетарная нэробка передач», изучены недостаточно, поэтому тема исследований является актуальной и перспективной как с ночной, так и с практической точки зрения.

Автор вьражает особую благодарность доценту КФУ В.В. Волошю, соавтору вышеупомянутого патента, за консультации и оказанную помощь в ходе исследований в рамках диссертационной работы.

Цель исследований - разработка и обоснование рациональных схем автоматических из робок передач на основе новой планетарной системы универсального многопоточного дифференциального механизма.

Сформулированная цель и анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие задачи диссертационной работы:

-выполнить анализ силовых приводов колесных ТС, а также работ, выполненных по теме исследования;

- провести классификацию принципиально новых юнстру кций ПС У МДМ и теоретические исследования их преобразующих свойств, кинематических связей мевду звеньями;

-разработать методику определения возможных приемлемых схем ПСУМДМ;

-разработать методику кинематического расчета ПС УКОДМ и определения его КПД;

- разработать новые модульные конструкции АКП наоснове ПС для ТС;

- проверить теоретические положения экспериментальными стендовыми исследованиями.

Объектом исследования является планетарная система универсальный многопоточньй дифференциальньй механизм и автоматические планетарные коробки передан (АПКП) на его основе, предметом исследования -закономерности кинематических и силовых взаимосвязей, методы выбора рациональньк схем и параметров ПСУМДМ для АПКП транспортных средств.

Достоверность и обоснованность. Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов работы подтверждается корректным применением теоретических положений механики, анализа и синтеза механических дифференциальных механизмов, реализацией полученных результатов в конструкции действующего макета ПС У МДМ, согласованностью результатов экспериментов с результатами расчетов, публикаций и апробацией основных положений работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Методы исследований. Теоретическое исследование реализовано наоснове системного подхода, положениях теории машин и технической механики с использованием численных и аналитических методов решения уравнений для обоснования рациональных конструктивных решений. Экспериментальное исследование реального образца проведено в соответствии с разработанной мегодиюй испытаний налаборагорной установке.

Научной новизной диссертационного исследования являются: - классифицированы новые конструкции планетарных систем, отличающихся от известных наличием в силовой цепи общего водила для всех трех планетарных радов при четыре* дифференциальных механизмах с минимальным числом основных звеньев, что позволяет реализовать компактную конструкцию с короткими кинематическими цепями, расширенными кинематическими и силовыми возможностями, пять передан на ведомом звене при одном ведущем звене, определяя возможность использования их в качестве модуля проектируемых автоматических коробокпередан транспортных средств;

-методика определения рациональных кинематических схем ПСУМДМ, соответствующих заданным требованиям эксплуатации транспортного средства,

позволяющая выбрать входные, выходные и тормозные звенья базового УМДМ при разработке автоматической коробки передач;

-методика определения области существования передаточных чисел модуля, позволяющая применить условие сборки и учитывающая конструктивные особенности новой ПС, заключающаяся в представлении зависимости реализуемых передаточных чисел от шага передач в заданном диапазоне, позволяющая сократить материальные и трудовые затраты на разработку рациональных конструкций АКП;

- алгоритм проектирования модульных АКП, позволяющий аналитически определить с помощью прикладных программ внутренние передаточные отношения модуля в зависимости от требуемых передаточных чисел АКП, подбор чисел зубьев модуля, проверить механизм по условиям соосности, сборки и соседства, сравнить полученный ряд передаточных чисел с исходными и гармоничности ряда по шагу;

- новые конструкции модульных автоматических коробок передач транспортных средств, отличающиеся от известных использованием в качестве модуля ПС УМДМ по патенту РФ №2384773, позволяющие при высоком КПД и минимальном числе управляющих элементов реализовать широкий диапазон передаточных чисел и обеспечивать тем самым более высокую способность силового агрегата транспортного средства приспосабливаться к изменяющимся условиям дорожного сопротивления.

Практическая ценность. Полученные научные положения, предложенные методики, рекомендации выбора рациональных схем ПС УМДМ, их кинематического и силового расчета способствуют к разработке высокоэффективных АКП транспортных средств с минимальными трудовыми и материальными затратами. Разработанная методика стендовых испытаний ПС УМДМ позволяет адекватно оценивать ее конструкцию по полученным экспериментально рабочим характеристикам. Применение на автотранспортных средствах предложенной автоматической коробки передач на основе модуля ПС УМДМ по патенту РФ №2384773 будет способствовать улучшению их потребительских свойств, повышению конкурентоспособности на рынке.

Реализация результатов. Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования трансмиссий в ОАО «КАМАЗ», ООО «КОМ», а также используются проблемной лабораторией «Дифференциальные зубчатые и гидромеханические вариаторы» Казанского (Приволжского) федерального университета (КФУ) при разработке конструкций автоматических планетарных коробок передач ТС. Новые положения работы применяются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» в КФУ и Ижевском государственном техническом университете имени М.Т. Калашникова.

Апробация работы. В период с 2007-2013 гг. автор диссертации принимал активное участие в исследованиях и проектировании экспериментальных образцов ПС УМДМ и АКП на основе ПС, проводимых проблемной лабораторией «Дифференциальные зубчатые и гидромеханические вариаторы» КФУ. Основные положения работы докладывались на международных и всероссийских научно-

технических конференциях: «Камские чтения» (Набережные Челны, ИНЭКА, 2009), «Авто-НН-2009» (Нижний Новгород, НГЛУ имени H.A. Добролюбова, 2009), «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, УГФУ имени первого президента России Б.Н.Ельцина, 2011), «Перспективы развития автомобилей. Развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками» (Тольятти, НТЦ АвтоВАЗ, ТГУ, 2011), «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства» (Ижевск, ИжГТУ им. М.Т.Калашникова, 2013). Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедры «Автомобили и автомобильные двигатели» КФУ.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 38 научных трудах, в том числе 10 в центральных журналах и одном патенте РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 177 страницах машинописного текста и содержит 57 рисунков и 14 таблиц, состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 191 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены объект, предмет, цель и задачи исследования, приведены методы исследования, утверждается достоверность и новизна полученных результатов, их теоретическая значимость и практическая ценность, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, а также приведены данные о публикациях, апробации и реализации результатов, структуре диссертации, дан краткий обзор глав работы.

В первой главе проведен обзор и анализ силовых приводов колесных транспортных средств и вопросов, связанных с проектированием трансмиссий, рассмотрены перспективы применения планетарных систем, классификаций и конструкций АКП.

Проблемы разработки рациональных конструкций трансмиссий транспортных средств изложены в трудах таких отечественных и зарубежных ученых, как A.C. Антонов, Э.А. Арапетов, К.Б. Арнаудов, Ю.И. Волченко, Э.Б.Булгаков, А.Е.Гинзбург, Е.Г.Гинзбург, Л.М.Гаркави, Л.В.Григоренко, Б.С. Гахенсон, Е.А. Григорьев, К.И. Городецкий, К.И. Заблонский, АЛ. Запорожец, В.Ф. Зубков, А.Н. Иванов, П.Н. Иванченко, Г.Ф. Камнев, Г.О. Котиев, М.А.Крейнес, Ю.Н.Кирдяшев, В.Н.Кудрявцев, И.С.Кузьмин, Н.Г.Кузнецов, В .Р. Каплан, B.C. Колесников, М.В. Нагайцев, М.С.Розовский, В.Н. Рудницкий, Л.Н. Решетов, Р.А.Свани, B.C. Сафронов, И.В. Сигов, Г.И.Тагарчук, В.М. Труханов, В .А. Умняшкин, А.Л. Филлипенков, В.М. Шарипов, К.Д. Шабанов, В.Б. Шеломов, В.М. Ястребов и другие. Анализ тенденций развития трансмиссий показывает, что в конструкции современных и перспективных транспортных средств, как правило, применяются гидромеханические коробки передач на основе планетарных систем. Такое положение сохранится еще долго, пока не будут существенно улучшены характеристики бесступенчатых трансмиссий.

Большинство планетарных коробок передач автоматических трансмиссий построено по одной из двух планетарных систем: Симпсона, или Равиньо (со сцепленными сателлитами), которые позволяют реализовать четыре передачи при

одновременном включении двух управляющих элементов. Эти системы являются трехстепенными с полным использованием управляющих элементов: две понижающие передачи, прямая передача; задний ход. При пяти управляющих элементах конструкция содержит две фрикционные блокирующие муфты, два фрикционных тормоза и муфта свободного хода. Необходимо отметить, что число элементов управления в таких АКП столько же, что и у АКП с двумя степенями свободы. Отсюда вывод: при числе передач равных четырем более перспективно применение АКП с двумя степенями свободы. Недостатком таких систем является большая металлоемкость, что обусловлено наличием дополнительных дифференциальных механизмов, а преимуществом - более простая система управления и возможность получения расчетных передаточных чисел. Использование известного принципа построения многоступенчатых механических КП за счет добавления к основной коробке делителя и демультипликатора возможно и при построении структуры АКП, если в качестве основной коробки (модуля) использовать ПС двухстепенного АКП с четырьмя-пятью передачами, которую с целью уменьшения металлоемкости и габаритов выполняют с минимальным числом основных звеньев.

Исследования, связанные с повышением технико-экономических показателей АКП, должны быть направлены на создание принципиально новых модульных схем. Перспективными являются работы по созданию трансмиссий с ПСУМДМ, которые следует направить на увеличение диапазона изменения передаточных чисел КП, достижение гармоничности шага передаточных чисел в пределах принятого диапазона, улучшение тягово-динамической и топливно-экономической характеристик ТС за счет увеличения числа передач от 4 до 12, упрощение системы управления и энерговооруженности КП, увеличение КПД, расширение областей их применения.

Во второй главе проведены теоретические исследования кинематического и силового анализа модуля автоматической коробки с ПС УМДМ, заключающиеся: в обосновании выбора видов планетарных рядов, в структурном синтезе ПС УМДМ, в методике определения возможных кинематических схем модуля, в анализе связей внутренних передаточных отношений ПС, в обобщенном кинематическом плане (ОКП) УМДМ, в силовом анализе ПС УМДМ на основе ОКП.

При проектировании новых схем планетарных коробок передач для простоты устройства необходимо, чтобы АКП содержала наименьшее число звеньев, планетарных механизмов и элементов управления. При построении структуры многоскоростных АКП в качестве основной коробки (модуля) можно задействовать планетарную систему двухстепенной АКП с четырьмя-пятью передачами, обладающую минимально возможным числом основных звеньев, и тем самым минимизировать металлоемкость, габаритные размеры многоступенчатой автоматической трансмиссии.

В проблемной лаборатории «Дифференциальные зубчатые и гидромеханические вариаторы» (КФУ) с участием автора были разработаны новые ПС, названные универсальным многопоточным дифференциальным механизмом, обладающие возможностью в своей кинематической схеме объединить большее количество дифференциальных механизмов при наименьшем числе основных

звеньев и получен патент РФ №2384773 «Автоматическая планетарная ступенчатая коробка передач», направленный на улучшение технических характеристик.

ПС включают в себя все четыре типа наиболее используемых в технике дифференциальных механизмов. Благодаря тому, что в кинематической схеме эти дифференциальные механизмы объединены в один универсальный механизм, в котором используются звенья, являющиеся общими для всех четырех типов, общее количество звеньев становится минимальным, что обуславливает компактность конструкции, сокращает «длину» кинематических цепей, расширяет кинематические и силовые возможности агрегата. Эти преимущества позволяют рекомендовать использование данных ПС в качестве модуля для перспективных АКП (рисунок 1).

.¿-, 7 8. 6, 2 7 8 6 2 7 8

X Л Г]т1 п. п / Г

+Т -г г 1:-- -г ?■

2„ 1

1т

_У/Т.

з•

Л-

/

н -г

[I

1 --

/

/

н -г ,А_

у

и"

у

Рисунок 1 - Кинематические схемы ПС УМДМ: а) со сцепленными двухвенцовыми сателлитами; б) со смешанным зацеплением первого планетарного ряда с трехвенцовыми сателлитами; в) со смешанным зацеплением первого и третьего планетарных рядов с трехвенцовыми сателлитами; 1,4 - солнечные центральные шестерни;

2-2', 3-3' - сцепленные двухвенцовые сателлиты; 2"-2-2', З-З'-З"- сцепленные трехвенцовые сателлиты; Н (5) - водило; 6,7,8 - коронные колеса

Первый планетарный ряд ПС состоит из солнечной центральной шестерни 1, водила Н сателлитов 2 (2"-2) и коронного колеса 6. Второй планетарный ряд состоит из водила Н, сцепленных сателлитов 2', 3 и коронного колеса 7. Третий планетарный ряд состоит из солнечной центральной шестерни 4, водила Н сателлитов 3' (З'-З") и коронного колеса 8. Описанные планетарные системы обладают двумя степенями свободы IV = 2, имеют шесть основных звеньев («о=6), четыре из которых являются тормозными звеньями (/ = 4), ведущее и ведомое звенья. Число передач (г =5) равняется числу элементов управления.

Уравнение кинематики планетарных рядов ПС УМДМ выражается соотношением

"«, •( 1-'^,). (1) где пвщ - число оборотов ведущего звена; пы - число оборотов ведомого звена;

- передаточное число между ведущим и ведомым звеньями; пн - число оборотов водила.

Относительные обороты сателлитов определяются по формуле

= -'о + «я -0 - '«» ) > (2)

где /„„—передаточное число между сателлитом и ведомым звеном.

Особенностью ПС УМДМ является передача силового потока от ведущего звена к ведомому за счет переносного движения водила и относительного движения звеньев дифференциального механизма. При этом передаточное отношение механизма определяется зависимостью

(3)

= ¡ч

где Кщн - передаточное число между входным валом и водилом при заторможенном звене д, которое определяется из равенства

Си(Я = 1 — '««и > (4)

гНвм - передаточное число между водилом и выходным валом при заторможенном звене ц равно

(5)

I-/'.

Все звенья ПС УМДМ равнозначны в смысле распределения функций, т.е. конструктивно любое звено может быть входным, выходным или тормозным. С целью анализа возможных схемных решений ПС УМДМ используется методика определения рациональных кинематических схем ПС, которая дает возможность выбора звеньев в качестве входных, выходных и тормозных. При этом учитывается конструктивная возможность наиболее приемлемого размещения элементов управления модуля и подвода мощности к отдельным звеньям ПС УМДМ.

При ведущем звене 1, ведомом 8, заторможенном 6 получаем передачу с положительным знаком

1

-) = ■

1-((-',: )-('и))

1 + »„

(6)

Ч-»"«' 1-(('8,-)■(-'„)■ ('26)) 1 +

Рассмотрев все возможные варианты сочетания звеньев установлено: в качестве ведущих звеньев возможно использование звена 1 и 5 (водило Н), а в качестве ведомого - звена 8. Кинематические связи звеньев ПС УМДМ при ведущем звене 1 определяются по следующим уравнениям:

п\ = "я -»и + пн -0 - ); (7)

п, = п4 + пн -(1- /14); И1 = »6 -'i6 + "н -0 - he)' "l = «7 • «17 + "я • 0 - '17 )•

(8) (9) (10)

При ведущих звеньях 1, водиле Н и ведомом звене 8 уравнения кинематических связей между звеньями ПС УМДМ приведены в табл.1

_Таблица 1 - Кинематические связи менаду звеньями ПС УМДМ_

При ведущем звене 1 (и, = const)

: 1 - <м

= 1 - ',6

■ 1 - и,

•8 _ 1 'ш ~~ 1 — 'is

При ведущем звене Н (и„ = const)

1 -

1 -i„

Используя известную методику построения обобщенного кинематического плана (ОКП) на основе уравнений кинематических связей с учетом величины низшей передачи и шага между передачами <7 был разработан ОКП ПС УМДМ, позволяющий кроме основных кинематических параметров ОКП УМДМ определить моменты блокировочных фрикционов и реактивные моменты на тормозных звеньях ПС УМДМ (табл.2).

Таблица 2 - Силовые связи между звеньями ПС УМДМ

Тормоза ПС УМДМ А/„ при М1 = сопэ1 Мч при М, = сопз! и л8 = 0

ТН М8"=Л/,./£ = = М, ■ К-|ц )■•<'*>] Мн = М1 ■ (1 - /18 ) = = Л/1.[1-((-/12).(-/2,З).(,'З,8))]

Т4 М84 = Л/, = 'и4 1-[(-'в )■(-/,.,) -(-/„л 1~'48 „ 1 -К"',2 К"',, К/*)]

Т6 •-'86 М„ =Л/, = 1"'б8 „ !-[(-'„ )■('„)]

' 1 - [(V )•(-/„')• ('26 )] ' 1 -[('«)• Нл) ■(/,,.)]

Т7 1-'87 1-[(-<„)■ (-V,) • (<37 )] м7-м1 •1~'18 -

1-[('„-)•('„)] 1-[('и И',,,)]

Компактность и высокие весо-габаритные показатели ПС УМДМ достигаются за счет того, что при трех планетарных рядах число дифференциальных механизмов равно четырем, а число основных звеньев равно шести. При этом ПС УМДМ, в отличие от вышеуказанных схем, при постоянном ведущем звене обеспечивает получение на ведомом звене пяти передач.

Применение ПС УМДМ в качестве модуля позволяет решать задачу синтеза не только двухстепенных, а также трехстепенных АКП с большим числом управляющих элементов и дополнительных планетарных рядов, где в качестве ведущих звеньев ПС УМДМ могут быть солнечное центральное колесо первого планетарного ряда и водило.

В третьей главе разработана методика расчета и проектирования ПС УМДМ, определения КПД модуля АКП, синтеза структурных и кинематических схем АКП на основе модуля ПС УМДМ. Для применения методики аналитического определения внутренних передаточных отношений УМДМ достаточно установление зависимостей, характеризующих дифференциальные механизмы, определенные с помощью кинематических связей звеньев ПС УМДМ

, _ /.. - С,4. -1) •(/,'. -1) . _ <„ - О',7» -1) . . ,1П

'ч ~ .-4_, » '16 — —тг—;—> 'п--п—:—. '1 «=»/• (П)

Правильно подобранные внутренние передаточные отношения ПС позволяют реализовать требуемый ряд передаточных чисел ПС в следующем порядке:

- при торможении водила Н реализуется первая передача:

(12)

- при торможении 6 ого звена - вторая передача:

<„ = 4; (13)

- при торможении 4 ого звена - третья передача:

';„=»',4.; (14)

- при блокировке ПС УМДМ - четвертая, равная численно единице:

V =1; (15)

-при торможении 7ого звена - передача с отрицательным значением:

'и- =-'178- (16)

В любой ПС для обеспечения ее работоспособности необходимо выполнить условия сборки, соосности и соседства, что накладывает определенные ограничения на подбор чисел зубьев, который должен соответствовать расчетным передаточным отношениям. ПС УМДМ имеет отличительные свойства, в том числе и наличие в кинематической схеме сцепленных сателлитов, связанных друг с другом во втором ПР, образуя замкнутый шестеренный ряд (рисунок 2). Наличие трех сателлитов в первом и третьем рядах и шести сателлитов в шестеренном ряду, обуславливает необходимость размещения их осей на одинаковых межцентровых расстояниях во всех трех ПР. Тогда при условии, что суммы зубьев шестерен, находящихся в зацеплении в каждом планетарном ряду, будут равны между собой и кратны трем, обеспечивается выполнение условий сборки, соосности и соседства.

Диапазон передаточных чисел ПС рассчитывается методикой определения области существования передаточных чисел модуля, позволяющей применить условие сборки, учитывающей конструктивные особенности новой ПС, заключающейся в представлении зависимости реализуемых передаточных чисел от шага передач при обеспечении постоянства межцентрового расстояния в планетарных рядах ПС УМДМ. Для решения этой задачи использовано условие сборки:

г.+гс=к-А, (17)

где число зубьев солнечной центральной шестерни; ге — число зубьев коронного колеса; к -число сателлитов; Л-любое целое число.

Задаемся диапазоном числа зубьев солнечной центральной шестерни при к=Ъ и исходя из кинематической схемы первого, второго, третьего и четвертого дифференциальных механизмов, рассчитываем диапазон передаточных чисел и характеристики дифференциальных механизмов /16, /17, /,,,»14в зависимости от А, что позволяет определить область существования диапазона передаточных чисел ПС для каждой передачи при различных Айв зависимости от шага (рисунок 3).

Рисунок 2-Аксонометрическое изображение кинематической схемы ПС УМДМ

При известных передаточных числах , /,б8, <,4„ и характеристиках дифференциальных механизмов /|6, /]7, /)8, ¡м, возможно определить число зубьев звеньев ПС УМДМ с учетом размеров и габаритов механизма, характеризуемым числом А (таблица 3).

Таблица 3 - Параметры звеньев ПС УМДМ

Формулы для определения чисел зубьев

'16-1 . _',8-(4-1) •(---,) -6 -6 '18 -'18 2

-2 = -2' . _'18 "('/в -Ц-г3 -7 '18 '18 "7 = -4 + -3/ + ~5

-1=-з _ '*!» ' (']8 — О ' г1 ' ' 23/ ' ("О 4 /■* ■ \ -8 = Г4 + 2 ' -3/

= "I + 2 • -2 8 г2 г, + г2 = г4 + 23,

Для определения КПД ПС УМДМ целесообразно применять метод проф. М.А. Крейноса. Для любой передачи ПС УМДМ, учитывающий потери мощности в полюсах зацепления, КПД будет определяться по выражению

гДе Нош. и Л^- мощность соответственно отводимая от ПС УМДМ и подводимая

к ней; мт и - моменты соответственно на ведущем и на ведомом валах ПС;

и - угловая скорость вращения соответственно ведущего и ведомого валов

ПС УМДМ; /„ и ¡р - силовое и кинематическое передаточные отношения ПС.

Определение КПД УМДМ в общем случае осуществляется по следующему алгоритму:

1) из общей кинематической схемы ПС УМДМ выделяются по передачам схемы планетарных рядов, работающих на данной передаче;

2) определяется кинематическое передаточное число ¡р на р передаче

'р 'вщН '//«« >

•24 К &

Л) по выражению х, = ¿У^л-!-—определяются знаки показателей степени х :

дк,

4) по выражению »'/ ■¡1,„Чи„ определяется силовое передаточное число 'р наР передаче (где, г]'щ„ ,т)'н„ - КПД переносного и относительного движения);

5) определяется КПД ПС УМДМ нар передаче 1Р =

С целью достоверности этой методики, определение КПД проводим на конкретном примере АКП на основе модуля ПС. Для управления используются фрикционные тормоза (Т1, Т2, ТЗ, Тз.х.) и фрикционная муфта (Ф), схема которой представлена в таблице 4.

Таблица 4 - КПД АКП на основе модуля ПС

Схема АКП на базе модуля ПС УМДМ

Показатель степени, х,

КПД на р передаче, >]р (методом М.А. Крейноса)

Передачи АКП

л

=+1

1), = 0,950

'7=3,71

Хк =-1

Т]„ = 0,960

/„ = 2,00

дг]4=+1

Хы =-1

1ш = 0,952

Чп = 0,990

дг„ = +1

*«7 =-1

= 0,963

»,.=-3,75

По предложенной методике расчета КПД были определены зависимости значений КПД от передаточных чисел на каждой передаче (рисунок 4). Зависимости показывают, что КПД ПС УМДМ наиболее чувствителен к изменению передаточных отношений второй, третьей передачи и заднего хода.

0.98 0,97 0,96 0,95 0.94

1л

- 0,98

- 0.9? -0,96

- 0,95 ■» 0,94

3.00 3.50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50

а

¡.25 1,50 1,75 -00 2.25 2.50 2.75 .«.00 и б

Ча 0,9! 0.97 0.9« 0,95

Ля-ГОЯ

■ 0.99 1 0,92 ' 0.97 0.96

%-ЛУ

1.20 1.30 1.40 1,50 1.60 1,70 1.80 1,90

1,00 1.00 1.00 1,00 1.00 1,00 1,00 1.00

1.50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4.50 5.00

Д

Рисунок 4 - Зависимость КПД ПС УМДМ от передаточного отношения: а) на первой передаче; б) на второй передаче; в) на третьей передаче; г) на четвертой (прямой) передаче;

д) на передаче заднего хода

С целью более эффективного использования мощности двигателя при работе автомобиля с различной степенью загрузки и в различных дорожных условиях при проектировании необходимо увеличивать диапазон КП и число передач. Возможные варианты схем модульных АКП представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Кинематические схемы модульных АКП

Кинематические схемы модульных АКП на основе ПС УМДМ

¿..и г Я /1

Гн

-Г

Л

1С*.

Элементы управления: 5 Планетарные ряды: 3 Количество передач: 5

Т, Та Тя Т7 ■уу. си. ш.

■п.х>

Элементы управления: 7

Планетарные ряды: 3 Количество передачи: 9

Элементы управления: 6

Планетарные ряды: 4 Количество передач: 10

л

Элементы управления: 5 Планетарные ряды: 3 Количество передач: 5

Элементы управления: 7

Планетарные ряды: 3 Количество передачи: 9

777 777 777 777

Элементы управления: 6

Планетарные ряды: 4 Количество передач: 10

12 Фно, Т1 7( Ты Ъ

• -

и

I.

н -

4?

л.

Элементы управления:6

Планетарные ряды: 4 Количество передач: 14

12 Фва* Г/ Те Тя Тт

Элементы управления: 6

Планетарные ряды: 4 Количество передач: 14

Проектирование ПС представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой может быть разбито на несколько этапов. Первым этапом проектирования является установление кинематической схемы ПС. Вторым этапом - разработка конструктивных форм механизма. Третьим этапом -разработка технологических и технико-экономических показателей ПС.

Проектирование кинематической схемы заключается в выборе передаточных чисел и подборе основных размеров зубчатых колес ПС на основе заданного диапазона передаточных чисел. Методика проектирования реализуется по алгоритму, схема которого представлена на рисунке 5.

Рисунок 5-Алгоритм расчета основных кинематических параметров АКП на основе модуля

В четвертой главе проведены экспериментальные стендовые исследования макетного образца модуля ПС УМДМ, приведены результаты экспериментов, разработаны конструкции автоматических коробок передач на основе полученных научных результатов предыдущих глав и патента РФ №2384773, показана целесообразность и перспективность АКП на основе УМДМ и достоверность основных теоретических положений диссертационной работы.

Экспериментальные исследования макетного образца проводились с целью проверки и подтверждения основных теоретических положений изложенных во второй и третьей главах. Полученные экспериментальные данные позволят обоснованно подходить к выбору рациональных схем автоматических коробок передач для различного класса транспортных средств и подтвердить основные принципы их проектирования.

Рисунок 6 - Конструкция макетного образца модуля ПС УМДМ Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен макетный образец модуля ПС, в котором реализованы пять передач: нейтральная; понижающая (1-3 передачи); прямая и задняя передачи (рисунок 6). В основу макетного образца заложена кинематическая схема модуля ПС УМДМ со

смешанным зацеплением первого и третьего планетарных рядов с трехвенцовыми сателлитами, внутренние передаточные отношения которого обеспечивают реализацию гаммы передаточных чисел с соблюдением заданного шага между соседними передачами.

Макетный образец имел следующие передаточные числа: = г," = 4,50; '// = '/в = 2,70; =»,, = 1,64; г,г = 1,00; = /,78 = —4,50; величина шага

Яп = Я 23 = Ян = Я =1,64. Эти данные показывают соответствие механизма требованию гармоничности ряда передач и подтверждают возможность реализации поставленной задачи исследования.

Для реализации каждой передачи достаточно затормозить одно звено модуля, кроме ведущего и ведомого. Торможение отдельных звеньев в макетном образце осуществляется механическим закреплением каждого из них к корпусу механизма. На стенде макетный образец устанавливается в вертикальном положении, что позволяет исключить радиальную нагрузку на валы и подшипники от собственного веса звеньев. Отсутствие в структуре макетного образца модуля устройств торможения в виде фрикционных тормозов и блокирующих муфт, исключает дополнительные потери мощности. Совокупность этих решений обеспечивает более точное определение КПД зубчатых зацеплений на каждой передаче в процессе стендовых испытаний.

Для проведения стендовых испытаний был изготовлен испытательный стенд, выполненный по разомкнутой схеме с приводом от жестко закрепленного электродвигателя и балансирной установкой корпуса макетного образца модуля ПС УМДМ и тормозного механизма, позволяющий в полном объеме осуществить задачи проводимых исследований, а именно определение КПД макетного образца на каждой передаче (рисунок 7).

Рисунок 7 - Стенд для исследований макетного образца модуля ПС УМДМ: а) структурная схема созданного стенда, б) общий вид стевда: 1 - электродвигатель; 2 - испытываемый макетный модуль ПС УМДМ; 3 - тормозное устройство; 4 - ваттметр; 5 - реостат; 6 - датчик импульсов; 7 - тахометр; 8,9 - весовое устройство 17

В процессе работы на макетный образец действуют следующие вращающие моменты при соответствующих частотах вращения ведущего и ведомого валов: Мпод„ - подводимый момент к ведущему валу макетного образца; М^ -отводимый момент от ведомого вала макетного образца; Мрткт - реактивный момент на корпусе макетного образца, определяющий величину тормозного момента, требуемого для полной остановки звена, который должен быть заторможен для реализации определенной передачи; пт и и„ — частота вращения, соответственно, ведущего и ведомого звеньев макетного образца.

КПД исследуемого макетного образца модуля ПС УМДМ определяется по следующей общеизвестной зависимости:

'ч~Т, - 77>

М„оЫ ■П.щ

где Л^ и Л^- мощность, соответственно, отводимая от макетного образца и подводимая к нему.

Методика проведения эксперимента по определению КПД макетного образца модуля ПС УМДМ заключается в следующем: все опыты проводятся при номинальных режимах работы электродвигателя на каждой передаче исследуемого макетного образца, замеряются необходимые параметры. По результатам испытаний графически изображаются зависимости расчетного и экспериментального КПД от передаточных чисел макетного образца модуля. Результаты расчетов стендовых измерений приведены в таблице 6.

Таблица 6 — Результаты стендовых измерений

Передаточное число Мощность, Вт Вращающий момент, Нм КПД- ^

N подо Nor,. МпЫ* Мотв

/,=/,» = 4,50 330 301,6 5,25 21,98 0,914

¿„=4=2,70 330 309,5 5,25 13,32 0,938

'/// = 4 = ',64 330 315,5 5,25 8,24 0,956

hv='T% =1,00 330 325,1 5,25 5,17 0,985

кх = i¡% = -4,50 330 310,1 5,25 22,21 0,941

На основе расчетных данных и результатов стендовых испытаний построены графики КПД макетного образца модуля ПС УМДМ.

1зс т-

0.50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4.50 ¡'пс Рисунок 8 - Графики зависимости КПД от передаточного отношения макетного образца ПС УМДМ, полученные по расчетным и экспериментальным данным

Результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований, а также патент РФ №2384773, были положены в основу разработанных в рамках диссертационных исследований конструкций коробок передач для передне- и заднеприводного легкового автомобиля (рисунок 9).

Рисунок 9 - Конструкция АКП легкового автомобиля малого класса на основе модуля ПС УМДМ: а) для переднеприводного; б) для заднеприводного

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Классифицированы новые конструкции планетарных систем, отличающихся от известных наличием в силовой цепи общего водила на все три планетарные ряды при четырех дифференциальных механизмах с минимальным числом основных звеньев, равных 6, что позволяет реализовать компактную конструкцию с короткими кинематическими цепями с расширенными кинематическими и силовыми возможностями, пять передач на ведомом звене при

одном ведущем звене с увеличением диапазона изменения передаточных отношений ПС от 2,20 до 7,25 и числа передач от 5 до 9, что позволяет использовать их в качестве модуля проектируемых автоматических коробок передач транспортных средств.

2. Разработана методика определения рациональных кинематических схем ПС УМДМ, позволяющая выбрать в качестве входного звена солнечную центральную шестерню 1, выходного - коронное колесо 8 третьего планетарного ряда и тормозного - водила Я, солнечную центральную шестерню 4, коронное колесо 6 первого планетарного ряда, коронное колесо 7 второго планетарного ряда базового У МДМ при разработке двухстепенных АКП, а при создании трехстепенных в качестве ведущих могут быть солнечная центральная шестерня 1 и водило Я при ведомом коронном колесе 8.

3. Разработана методика определения области существования передаточных чисел модуля, позволяющая применить условие сборки и учитывающая конструктивные особенности новой ПС, что позволит определить рациональный диапазон передаточных чисел модульных АКП для каждой передачи при различных произвольных целых числах и в зависимости от шага между передачами.

4. Разработан алгоритм проектирования модульных АКП, позволяющий аналитически определить с помощью прикладных программ внутренние передаточные отношения модуля в зависимости от требуемых передаточных чисел АКП, подбор чисел зубьев модуля, проверять механизм по условиям соосности, сборки и соседства, сравнивать полученный ряд передаточных чисел с исходными и гармоничность ряда по шагу.

5. Разработаны новые конструкции модульных автоматических коробок передач транспортных средств, отличающиеся от известных использованием в качестве модуля ПС УМДМ по патенту РФ №2384773, позволяющие при высоком КПД и минимальном числе управляющих элементов реализовать широкий диапазон передаточных чисел и обеспечивать тем самым более высокую способность силового агрегата транспортного средства приспосабливаться к изменяющимся условиям дорожного сопротивления.

6. Изготовлен макетный образец модуля ПС, в основу которого заложена кинематическая схема модуля ПС УМДМ со смешанным зацеплением первого и третьего планетарных рядов, внутренние передаточные отношения которого обеспечйвают реализацию гаммы передаточных чисел с соблюдением заданного шага между соседними передачами: /, =/," =4,50; /„ = 4 = 2,70; 1Ш = /,4, = 1,64; 'л- =Ш>; 'и- =»'|» =-4,50; величина шага = ?23 = 934 = 9 =1,64, показывающие соответствие модуля требованию гармоничности ряда передач и подтверждают возможность реализации поставленной задачи исследования.

7. Спроектирован и изготовлен испытательный стенд, выполненный по разомкнутой схеме с приводом от жестко закрепленного электродвигателя и балансирной установкой корпуса макетного образца модуля ПС УМДМ и тормозного механизма, где проведены экспериментальные исследования при небольшой мощности, что позволило определить КПД модуля, равный 0,914-Ю,985.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В рецензируемых журналах из перечня ВАК:

1. Стасов ИИ, Фаосиев ХА, Вэлошю ВВ. Унивфсалшьй мюгопсяочньй дифференцишшьй мехашзм— мэдульавгоштичесюк юробокпфедгн //Грузошк— 2010. -№8.-С8-12.

2. Салжов ИИ, Фаосиев ХА, Вэлошю ВВ Г^Ьгодика кинемашчесюто ранета универсааыюгодифферещиалшого мекашзма автоматических юробокпфедзт //Грузовик-20Ю.-Ж).-С5-13.

3. Салжов ИИ, Фаосиев ХА, Вэлошю ВВ Унивфсалшьй шогопоточньй дифферапщшшьй механизм//Авто м)билшаягфомыцлапюс1ь-2011.-№2,- С17-19.

4. Салжов ИИ, Волошю ВВ, Гашмянов ИД Плзтетарная юсьмиступаиагая юробка пфедат для пфеднеприюдного л елового ашокюбиля // «Журнал ААИ» )^рнал атонюбилшьк июгенероа-2011.-№6 (71).- С44-46.

5. Салжов ИИ, ФасхиевXА, Вэлошю ВВ. Кинемапичесиш расчет дифффшциалыюго месатзмаАКП//Весгникмашинослровшя-2012.-№2.- С21 -27.

6. Салжов ИИ, Фаосиев ХА, Волошю ВВ, Салжов ИИ, ГагтимяювИД Плшегарная система автоматических юробокпфедя: кинемашчесшй и силоюй анализ // «^рнал ААИ» Я^рнаа авгомэбилшыхиюгенфов—2012,-№5 (76).- С26-31.

7. Салжов ИИ, Вэлошю ВВ, Гатимаюв ИД, Мтшеев ИР. Кинематический и силоюй анализ унивфсального [люгопоточного дифффшциашюго месатизма автоматических юробокпфеця //Известия МТУ «М\Ш».т. 1 -2012,- №2(14).- СЗ18 - 328.

8. Салжов ИИ, Фасхиев ХА, Волошю ВВ. Раиег юэффициага полезного дейспия унивфсалыюго дифференциалшопэ месанизма мэцуля автоматических юробок пфедат // Грузошк-2012.-№12,-С31-37.

9. Салжов ИИ, Фаосиев ХА, Волошю ВВ. Опредетение кинематических параметров авгомашчесюй юробкипфецш //ОтраючникИняотфньй яурнал.-2013.- №1.- С 23 -29.

10. Салжов ИИ, Фасхиев ХА, Волошю В.В. Определение КПД дифффенциального месанизма автоматических юробокпфеда! // Вестник машиностроения. - 2013. - №2.-С14-19.

В других изданиях:

11. Салжов ИИ, Волошю ВВ Автоматические юробш пфедат на базе унивфсалыюго дифффенциалшого месатизма // Проектирование и иоследоватие технических систем: Межту эонекий нгучньй сборник- Наб. Челны Изд.-ю ИНЭКА,2007.-№10,- С 82 - 86.

12. Салжов ИИ, Вэлошю ВВ. Унивфсалшьй шогопоточньй дифффенциапшьй мехатизм в кнесгвг схемы авгомашчесюй юробш пфедат // \Ьтфиапы V всероссийской н^чно-тесничесюй юнффшции «Цроблаиы досшйяшя ашотрагаюртного юмшета», -Екатеринбург УПУ-УПИ,2007.- СЗЗ -38.

13. Салжов ИИ, Волошю ВВ Автоматические юробш пфедат наоаюве кинемашчесюй схемы унивфсалыюго мюгопоточного дифффшциалыюго мэсатизма // Материалы VI всероссийсюй н^чда-техничесюй юнффенции «Проблемы достижения авготратспортного юмшексэ).- Екагфинбурп УПУ-УПИ,2008.- С54-58.

14. Салжов ИИ, Вэлошю ВВ. Структуры ье и шнемшичесите схемы АКП на основе унивфсалыюго мюгопоточного дифффшциалыюго механизма // Сборник матфиагтов

I К^регионапыюй шучно-гракшчесюй юнффащии «Камские чташ»>,чЗ - Ш)фея«ые ЧепньгИНЭКА,- 2009.- С34-38.

15. Салжов ИИ, Волошю ВВ. Кинематические схемы и ю негру щии АКП на ошове унивфсалыюго мюгопоточного дифффшциагтшого машизма // Мшриапы 65ч>й МТГК Мгвдунфодньй н^чньй симюзиум«Ашотракгоростроенив-2009».- М: МТУ «МА.М!»,-

2009.-С69-78.

16. Салжов ИИ, Волошю ВВ Кинематические схемы автоматических юробок пфедат на оаювгУМЦМ//МшриапыУ11 всероссийсюйн^чно-техничесюй юнффенции «Проблемы достииснияавтотр экспортного юмглеис»>.—Екатеринбург,2009,- С46-49.

17. Салжов ИИ, Фасхиев ХА. Унивфсальньй мюгопоточньй дифффшциалшьй мвсатизм- модульавгошшчесюк юробокгередзд //Мшриапы Всероосийсюй шлодешой н%^шотеашчесюй юнффешщи«Авго-НН-2009>>—г. Ния«ий Новгород,2009,- С49-51.

18. Салжов ИИ. Мздульная юнетрущия автоматических юробок пфедзд // Сборник нгучньк трудов IV меарегионапыюй нгучно-пракшчесюй юнффенции "Дзроя«о-трагаюртньй юшлекс: шетояше, проблемы и пфотекшвы разштия" - Чебоксары, Вол иский филиал М\ДИ,2010.- С218-222.

19. Салжов ИИ, Вэлошю ВВ, МаотеевИР. Сгругаурнаяи жнемашческая схема мэдуля планетарные автоматических юробок пфедан // Сборник трудов Меящунфодной н^чно-техничесюй и обршовагтшшой юнффенции «Образовате и нгука производств».- 4.1, книга2,Н^.ЧепньаОЮ.- С110-113.

20. Салжов ИИ, Вэлошю ВВ, Мат еев ИР. Новая юнелрущия беослупамагой юробьи пфедя груэоюго авгомэбиля // Сборник трудов Меэщунфодной н^чно-тешичесной и образовательной юнференции «Образованней нгу га производству» - ч Л, гаига2, Н^б.Челнц

2010.-С107-110.

21. Салжов ИИ, Вэлошю КВ. Автоматическая плгиепрная но робка пфедзд для пфедиепривэдного легююго авгомэбиля // Сборник материалов 2-ой К^вдународной н^чно-тешичесюй юнффшции <<Камс№(ечтения>>,чЗ-Н£б.Чепнь1,2010.- С21 -24.

22. Салжов ИИ, Вэлошю ЕВ, Модуль авто магических юробокпфедзд // Мтр трэг спорта итеснологаческих машин.-Орет:ОршГТУ,2010.-№3(30)- С27-30.

23.Салжов ИИ, Волошю ВВ, Гапимянов ИД Платежная система - унивфсалшьй дифффащиальньй масашзм // Основы проекшрования и детали машин - XXI вас материалыП Всероссийский нз/чг ю-методической юнффопдаи.- г. Орел: ОрепГТУ, 2010.-С246-252.

24. Салжов ИИ, Фасхиев ХА, Волошю ВВ Мюгопоточньй дифффенциапшьй механизм для авгомашчеоих юробок пфедш // Машиностроитель- Производствашьй нгучно-тжнический мурнап-КЗЫ0025-4568,2010.-№11 - С26-30.

25. Салжов ИИ, Фаосиев ХА, Вэлошю ВВ. Кинематический расчет унивфсального дифффошиального механизма автоматических юробокпфедзд //Технига машинострошия-Нгучно-твшический журнал-КЯМ2074-6938,2010.- №4(76)- С23 - 35.

26. Салжов ИИ, Фасхиев X А, Вэлошю В.В. Ранет КПД планетарной системы УМЦМ// Матфиалы9-ой всеросшйсюй н^чно-тосничесюй юнффенции. «Проблемы и достижения ашотргнепорпюго юмплекса».-Екатеринбург,2011.- С54-56.

27. Салжов ИИ, Вэлошю В.В, Гапимянов ИД Планетарная восъмг ступенчатая юробга пфедан доя пфеднэтриводного легююго авгомэбиля // Мэтфиаггы 75-ой Мющунфодной нфчно-тешичесюй юонффещии «Пфспекшвы разштия авгомобилш. Развитие

транспортных средств альтершшвными энергоустановками».—Тольягга, 2011.-С.319-323.

28. Салахов ИМ. Расчет КГЩ модуля автоматических коробок передач - планетарной системы УМДМ // Социально-экономические и технические октаны - Онлайновый электронный научно-технический журнал. - Наб. Челны: ИНЭКА, 2011. - №3(60).-(http://sets.ru).

29. Салахов ИИ, Фасхиев ХА, Волошко ВВ. КПД дифференциального механизма для коробок передач автомобиля // Техника машиностроения - Научно-технический журнал. -ISSN2074-6938,2012. - №4(81)-С. 32 - 41.

30. Салахов ИИ, Волошко ВВ, Мавлеев ИР, Галимянов ИД Кинематический и силовой анализ УМДМ автоматических коробок передач // Сборник трудов 77-ой Международной конференции ААИ «Автомобиле - и тракторостроение в России: приоритеты развили и подготовка кадров», МГТУ МАМИ, 2012 - С. 169-179.

31. Салахов ИИ, Волошко ВВ, Галимянов ИД Автоматическая планетарная коробка передач // Сборник трупов Международной научно-пршаической конференции «Образование, наука и производство. Новые технологии как инструмент реализации и модернизации -2020», Казань, 2012-С. 344-348.

32. Салахов ИИ, Фасхиев ХА, Волошко ВВ. Проектирование планетарной коробки передач // Сборник материалов конференции «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и гроизводсгва». - Ижевск, 2012. - С. 183-186.

33. Салахов ИИ, Волошко ВВ, Галимянов ИД Ахмегов МН. Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач // Сборник материалов конференции «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства». - Ижевск, 2012-С. 33-35.

34. Салахов ИИ, Волошко ВВ, Мавлеев ИР, Шамсутдинов ИР. Планетарная система -основа автоматических коробок передач // Новый университет - Научный яэджал - серия «Технические науки»-ISSN 2221-9552 2012 -№03(9) - С. 53 - 57.

35. Салахов ИИ, Волошко ВВ, Мавлеев ИР, Галимянов ИД Конструирование и проектирование планетарной коробки передач // Новый университет - Научный журнал -серия «Технические науюто-ISSN 2221-9552 2012. -№03(9) - С. 58 - 62

36. Салахов ИИ, Волошко ВВ, Салахов ИИ, Мавлеев ИР, Шамсувдинов ИР. Автоматическая коробка передач // Социально-экономические и технические системы. -Онлайновый алекгронный научно-технический журнал - Наб. Челны: ИНЭКА, 2012-№2(62). - (http://sets.ru).

37. Салахов ИИ, Фасхиев ХА, Волошко ВВ. Алгоритм выбора кинематических параметров автоматической планетарной коробки передач // Техника машиностроения, - 2013. - №1(85). -С. 36-42.

Патенты РФ:

38. Патент №2384773 РФ, МПК F16H 3/44. Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач/Волошко ВВ, Салахов ИИ. Опубл. 20.032010, бюл. №8.

Салахов Илвдар Ильгизарович

Разработка рациональных схем автоматических коробок передач на основе планетарной системы универсального многопоточного дифференциального механизма

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.05.13 г. Формат 60x84/8 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,5 Усл.-печ.л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 2394

Издатсльско-полиграфический центр Филиала ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» в г. Набережные Челны

423810, г. Набережные Челны,Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552)39-65-99 e-mail: ic@ineka.ru

ФГБОУ ВПО «ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.Т. КАЛАШНИКОВА»

04201360578 На правах рукописи

Салахов Ильдар Ильгизарович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ НА ОСНОВЕ ПЛАНЕТАРНОЙ СИСТЕМЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО МНОГОПОТОЧНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО МЕХАНИЗМА

Специальность: 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Х.А. Фасхиев

Ижевск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.................................................4

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................8

1 АНАЛИЗ СИЛОВЫХ ПРИВОДОВ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН И КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ТРАНСМИМССИЙ................16

1.1 Анализ и классификация силовых приводов колесных транспортных машин......................................................................................................................16

1.2 Кинематические схемы и конструкции планетарных коробок передач....27 Выводы по главе и задачи исследования............................................................44

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕОБРАЗУЮЩИХ СВОЙСТВ И АНАЛИЗ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЗВЕНЬЯМИ ПЛАНЕТАРНОЙ СИСТЕМЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО МНОГОПОТОЧНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО МЕХАНИЗМА...........................................................................................................47

2.1 Обоснование выбора видов планетарных рядов, находящихся в составе автоматических планетарных коробок передач.................................................48

2.2 Структурный синтез планетарной системы УМДМ....................................52

2.3 Методика определения возможных схемных решений ПС........................65

2.4 Анализ связей внутренних передаточных отношений на основе математической модели ПС УМДМ....................................................................75

2.5 Обобщенный кинематический план УМДМ................................................79

2.6 Силовой анализ ПС УМДМ............................................................................81

Выводы по главе....................................................................................................86

3 МЕТОДИКА РАСЧЕТА, ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КПД ПС УМДМ..................................................................................................................87

3.1 Методика аналитического определения внутренних передаточных отношений УМДМ................................................................................................87

3.2 Условие сборки и подбор чисел зубьев ПС УМДМ....................................88

3.3 Область существования передаточных чисел модуля ПС УМДМ............95

3.4 Расчет коэффициента полезного действия ПС УМДМ.............................112

3.5 Методика определения передаточных отношений двухстепенных АКП на основе модуля ПС УМДМ, структурная и кинематические схемы двухстепенных АКП............................................................................................126

3.6 Структурная и кинематические схемы трехстепенных АКП...................130

3.7 Структурная и кинематические схемы трехстепенных АКП с дополнительным планетарным рядом...............................................................131

3.8 Методика проектирования АКП на базе ПС УМДМ.................................133

Выводы по главе..................................................................................................138

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА МОДУЛЯ ПС УМДМ, РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ..............................................................................................139

4.1 Задачи исследования.....................................................................................139

4.2 Макетный образец модуля автоматических коробок передач ПС УМДМ ...............................................................................................................................140

4.3 Экспериментальные стендовые испытания и определение КПД макетного образца модуля ПС УМДМ................................................................................142

4.4 Конструкции автоматических коробок передач на основе модуля

ПС УМДМ............................................................................................................154

Выводы по главе..................................................................................................159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.................................................................................160

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................162

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

АКП - автоматическая коробка передач;

АПКП — автоматическая планетарная коробка передач;

ПКП - планетарная коробка передач;

КП - коробка передач;

ПС - планетарная система;

ТС - транспортное средство;

УМДМ - универсальный многопоточный дифференциальный механизм;

ГМП - гидромеханическая передача;

ГОП - гидрообъемная передача;

КПД - коэффициент полезного действия;

КП - коробка передач;

МЦК - малое центральное колесо;

БЦК - большое центральное колесо;

МСХ — муфта свободного хода;

га,, со2, со3 - угловые скорости соответственно солнечной центральной шестерни, коронного колеса (эпицикла) и водила; п — число сателлитов; У - любое целое число; п0 - число основных звеньев;

кХ1 - число планетарных дифференциальных механизмов; Т- число фрикционных тормозов; Ф— число фрикционных блокирующих муфт; IV - число степеней свободы; (п -1) - число подвижных звеньев;

рх - число кинематических пар первого рода (шарниров);

р2 - число кинематических пар второго рода (соединений зубчатых колес).

Кщвм - передаточное число между звеном ведущем и ведомым;

пвщ - число оборотов ведущего звена;

пн - число оборотов водила;

пш — число оборотов ведомого звена;

Кем ~ передаточное число между сателлитом и ведомым звеном; /14 , /16 , /17 , /18 - внутренние передаточные отношения;

*вщн ~ передаточное число между входным валом и водилом при заторможенном звене ц\

гнем ~ передаточное число между водилом и выходным валом при

заторможенном звене д;

q — заторможенное звено;

Мвщ — крутящий момент на ведущем валу;

Мви - крутящий момент на ведомом валу;

М „ - крутящий момент водила;

Мф — расчетный момент блокировочного фрикциона;

Мч - реактивный момент, нагружающий тормозные звенья;

га— число зубьев солнечной центральной шестерни;

гс— число зубьев коронного колеса;

к— число сателлитов;

А - любое целое число;

— число зубьев центральной солнечной шестерни 1;

- число зубьев сателлита 2;

2Ь — число зубьев коронного колеса 6; г2, - число зубьев сателлита 2';

- число зубьев сателлита 3;

— число зубьев коронного колеса 7; 2 , - число зубьев сателлита 3';

- число зубьев коронного колеса 8;

- число зубьев солнечной шестерни 4;

Мотв и Мподв - мощность соответственно отводимая от ПС УМДМ и подводимая; Мкщ и Мвм - моменты соответственно на ведущем и на ведомом валах ПС УМДМ;

°>т и о)вм — угловая скорость вращения соответственно ведущего и ведомого валов ПС УМДМ;

А ___

1р и ¡р — силовое и кинематическое передаточные отношения ПС УМДМ; Ли > Г121ъ ~ КПД внешних зубчатых зацеплений; /7з,8 - КПД внутреннего зубчатого зацепления;

77,8— коэффициент полезного действия третьего дифференциального механизма модуля ПС УМДМ;

771б- коэффициент полезного действия первого дифференциального механизма модуля;

778б- коэффициент полезного действия между выходным и заторможенным звеном;

77и- коэффициент полезного действия четвертого дифференциального механизма модуля;

г]м— коэффициент полезного действия между выходным и заторможенным звеном;

77п — коэффициент полезного действия четвертого дифференциального механизма модуля;

7787 - коэффициент полезного действия между выходным и заторможенным звеном;

Уптх — максимальная скорость движения машины; \\ - максимальная скорость на первой передаче; цр - шаг между передачами;

£> - диапазон передаточных отношений;

Мподв — подводимый момент к ведущему валу макетного образца;

Мотв - отводимый момент от ведомого вала макетного образца;

Мреакт ~ реактивный момент на корпусе макетного образца, определяющий

величину тормозного момента, требуемого для полной остановки звена, который должен быть заторможен для реализации определенной передачи; пт и п,ы — частота вращения, соответственно, ведущего и ведомого звеньев

макетного образца;

и4'' п%'' ию ~ частоты вращения водила 4' и солнечных центральных шестерен 8', 10 дополнительного дифференциального механизма;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. С целью повышения эффективности использования транспортных средств (ТС) необходимо решение проблемы автоматизации систем и агрегатов автомобиля, в том числе создания автоматических трансмиссий, способствующих повышению

производительности, экономических и экологических показателей при одновременном обеспечении более комфортных условий работы водителя и безопасности движения. Требуемый диапазон скоростей движения транспортных средств изменяется в широких пределах и требуемые моменты на ведущих колесах многократно превышают развиваемый двигателем крутящий момент. Поэтому трансмиссия должна при передаче мощности трансформировать ее составляющие таким образом, чтобы сформировать необходимые тягово-динамические характеристики ТС. Элементом трансмиссии, который осуществляет эти преобразования, является коробка передач. Чем больше число передач, тем более полно используется мощность двигателя, и при этом он работает в более узком диапазоне, что способствует повышению и улучшению тягово-динамических и топливно-экономических показателей ТС. Но требование обеспечения простоты конструкции и массово-габаритных показателей накладывает ограничения на увеличение числа передач. Из большого количества возможных схемных решений при выбранном двигателе и заданной массе транспортного средства, требуемых тягово-динамических характеристиках, разработчики должны создать и реализовать в конструкции одно решение, наиболее полно удовлетворяющее совокупности таких показателей, как высокий коэффициент полезного действия (КПД), минимальные габариты и масса, надежность и долговечность, технологичность изготовления, простота обслуживания и низкая стоимость. Решение этой задачи достигается на стадии схемного проектирования трансмиссии, который включает в себя выбор типа и разработку кинематической схемы трансмиссии и отдельных ее частей, в частности — коробки передач.

На сегодняшний день существует множество типов и различных схем коробок передач транспортных средств, каждой из которых присущи свои достоинства и недостатки. В развитии трансмиссий с автоматической коробкой передач (АКП) можно выделить две тенденции. Одна из них характеризуется постоянным увеличением числа передач, что вызвано потребностью значительного улучшения топливно-экономических показателей автомобилей. Вторая тенденция развития - совершенствование электронного блока управления и его программного обеспечения, обусловленное требованиями к эксплуатационным свойствам автотранспортных средств.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили планетарные гидромеханические передачи (далее ГМП), позволяющие, во-первых, снизить динамические нагрузки в системе "двигатель-трансмиссия" за счет обеспечения плавности протекания переходных процессов, и, во-вторых, относительно простыми средствами автоматизировать процессы, связанные с управлением передачей мощности от двигателя к ведущим колесам. Благодаря этому упрощается управление автомобилем, снижается утомляемость водителя вследствие уменьшения объема его физической нагрузки, создается возможность усиления внимания к дорожной обстановке. Все это обеспечивает повышение безопасности движения, а также снижает степень влияния квалификации и индивидуальных особенностей водителя на эксплуатационные показатели автомобиля.

Однако у гидромеханических передач присутствуют и существенные недостатки, такие как наличие гидротрансформатора - узла, обладающего низким КПД (коэффициент полезного действия), большими осевыми и радиальными размерами, требующего использования большого количества рабочей жидкости для эффективной работы (столько же, сколько на систему смазки и управления). В связи с этим ведущие мировые производители автоматических коробок передач (далее АКП) в последние годы стараются отказаться от использования гидротрансформаторов. Однако отсутствие гидротрансформатора приводит к сужению динамического диапазона коробки

передач, что приводит к необходимости увеличения числа ступеней. Наиболее рациональным с точки зрения соотношения размеров коробки передач, числа ступеней и возможности переключения передач без разрыва потока мощности является применение планетарных коробок передач с переключением при помощи индивидуальных фрикционов. Перспективным конкурентом ГМП является АКП, которая имеет планетарную систему (ПС), модулем которой является универсальный многопоточный дифференциальный механизм (УМДМ).

УМДМ - это планетарная система, где водило с тремя парами сцепленных сателлитов является общим для первого, второго и третьего планетарных рядов, образуемых двумя независимыми солнечными центральными шестернями, сцепленными сателлитами и тремя коронными зубчатыми колесами. УМДМ в структуре АКП в качестве модуля позволяет решать задачу создания АКП различного назначения и для различных режимов работы, а также решение технической задачи по улучшению характеристик трансмиссий транспортных средств за счет достижения технического результата, который заключается: - в увеличении диапазона изменения передаточных отношений; - в обеспечении гармоничности шага передаточных чисел в пределах диапазона; - в улучшении тягово-динамической и топливно-экономической характеристик за счет увеличения числа передач от 4-х до 14-ти; - в уменьшении сложности системы управления и энерговооруженности коробки передач; - в увеличении КПД коробки передач за счет коротких кинематических цепей; - в расширении типов транспортных средств, на которые можно установить данную коробку передач.

Сравнительная оценка технического уровня известных и проектируемых АКП возможна по таким критериям, как число планетарных рядов, основных звеньев, степеней свободы, управляющих элементов, передач; слойность валов; массо-габаритные показатели; использование переносного движения; сложность проектирования и изготовления; стоимостные параметры. Анализируя перечисленные критерии можно констатировать, что создание

АКП, имеющие в своей основе конструкции модуль на базе планетарной системы универсальный многопоточный дифференциальный механизм (ПС УМДМ), позволяет более полно удовлетворять требования к АКП. В настоящее время теоретико-прикладные положения создания рациональных АКП на основе ПС УМДМ, выполненной по патенту РФ №2384773 «Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач», изучены недостаточно, поэтому тема исследований является актуальной и перспективной, как с научной, так и с практической точки зрения.

Целью диссертационной работы является разработка и обоснование рациональных схем АКП на основе новой ПС УМДМ для повышения эффективности планетарных передач.

Сформулированная цель и анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи диссертационной работы:

- анализ силовых приводов колесных транспортных машин, а также работ, выполненных по теме исследования;

- провести теоретические исследования преобразующих свойств и анализ связей между звеньями ПС УМДМ;

- разработать методику исследования возможных приемлемых схем ПС УМДМ;

- разработать методику расчета, проектирования и определения КПД модуля ПС УМДМ;

- обосновать рациональные схемы и конструктивные параметры АКП, созданных на основе нового модуля ПС УМДМ;

- разработать новые модульные конструкции АКП на основе ПС для транспортных средств;

- проверить теоретические положения экспериментальными стендовыми исследованиями.

Объектом исследования являются планетарная система (модуль) универсальный многопоточный дифференциальный механизм (ПС УМДМ) и

автоматические планетарные коробки передач на основе модуля для автотранспортных средств, а предметом исследования - методики расчета, обоснования закономерности кинематических и силовых взаимосвязей и оптимизации основных параметров ПС УМДМ для АПКП транспортных средств.

Достоверность и обоснованность. Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов работы подтверждается корректным применением теоретических положений механики, анализа и синтеза механических дифференциальных механизмов, реализацией полученных результатов в конструкции действующего макета ПС УМДМ, согласованностью результатов экспериментов с результатами расчетов, публикацией и апробацией основных положений работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Методы исследований. Теоретическое исследование реализовано на основе системного подхода, положений теории машин и технической механики с использованием численных и аналитических методов решения уравнений для обоснования рациональных конструктивных решений. Экспериментальные исследования выполнены на специальной стендовой лабораторной установке.

Научной новизной диссертационного исследования являются:

- классификация новых конструкций планетарны