автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка зубчатого вариатора момента для приводов технологических машин

На правах рукописи

Лысянский Вячеслав Анатольевич

РАЗРАБОТКА ЗУБЧАТОГО ВАРИАТОРА МОМЕНТА ДЛЯ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 ДЕК 2012

Шахты-2012

005057107

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и

сервиса» (ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС) на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Кузнецов Сергей Анатольевич

Официальные оппоненты: Эскин Илья Юрьевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», каф. «Моделирование, конструирование и дизайн», профессор Киреев Сергей Олегович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ДГТУ», каф. «Машины и оборудование нефтегазового комплекса», зав. кафедрой

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Южно-Российский

государственный технический Университет» (Новочеркасский политехнический институт) каф. «Основы конструирования машин»

Защита состоится «21» декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.313.01 при ФГБОУ ВПО «Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса» по адресу: 346500, г.Шахты, Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. 2247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса».

Текст автореферата размещен на сайте ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»:

http: www.sssu.ru

Автореферат разослан: « ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Куренова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Бытовое обслуживание является одной из социально значимых сфер экономики, обеспечивает удовлетворение потребностей населения в разнообразных видах сервисных услуг и играет значительную роль в создании комфортных условий для жизни, работы и отдыха жителей.

Для создания комфортных условий для жизни и работы используются машины бытового назначения (швейные, стиральные и др.).

Большинство машин бытового назначения имеют механические передачи, которые занимают промежуточное положение между двигателем и исполнительным органом. Для экономии энергии, повышения качества продукции и увеличения производительности технологического оборудования, наиболее полного приспособления коммунальных машин (снегоуборочные и мусороуборочные машины и др.) к условиям движения передачи должны в достаточно широком диапазоне дозировать механическую энергию. Для машин бытового назначения, используемых в сфере услуг (швейные и стиральные машины, центрифуги), особенно актуальна проблема плавного запуска и регулирования частоты вращения, которая решается в настоящее время путем применения достаточно сложных электромеханических устройств. В то же время в смежных областях можно найти достаточно примеров, подтверждающих, что возможности механических передач далеко не исчерпаны и использование бесступенчатых передач является наиболее перспективным в решении проблемы плавного запуска и регулирования частоты вращения исполнительного органа.

Совершенствование конструкций бесступенчатых передач — вариаторов - продолжается уже около ста лет, и за это время было создано три класса механических вариаторов - фрикционные, импульсные и зубчатые. Особую актуальность задача создания совершенного вариатора приобрела в связи с повышением требований к экологичности и экономичности транспортных и технологических систем, работающих в условиях городов и других населенных пунктов.

Современные фрикционные и импульсные вариаторы имеют ряд недостатков. Главный недостаток импульсных вариаторов - большая виброактивность механизма и ненадежная работа муфты свободного хода, являющейся механическим выпрямителем высокочастотных колебаний. Главный недостаток фрикционных вариаторов - невозможность передачи с помощью тангенциальных сил трения, имеющих нестабильную природу, достаточно плотного потока энергии. Кроме того, фрикционные вариаторы требуют применения трансформатора момента, так как не могут обеспечить передаточного отношения, равного бесконечности, когда выходной вал неподвижен при подвижном входном (режим запуска).

В 70-е годы было сделано несколько попыток разработки дифференциальных зубчатых вариаторов, содержащих дифференциал и

нагружающее или регулирующее устройство, в качестве которого использовался червячный редуктор с управляющим приводом. Исследования показали, что дифференциальный вариатор принципиально отличается от всех известных, поскольку не требует трансформатора момента или даже сцепления. Тем не менее КПД такого вариатора очень низок, поскольку половина энергии выделяется на тормозном устройстве в виде тепла, а использование червячного редуктора в качестве сервопривода еще и усложняет конструкцию, сводя на нет преимущества зубчатого вариатора.

Современное технологическое оборудование, применяемое в сфере коммунального хозяйства, требует все более точного дозирования мощности и момента в приводных устройствах, поэтому, несмотря на вышеуказанные трудности, применение вариаторов практически всех известных систем постоянно расширяется. Требует своего решения и без сомнения привлекательная задача создания дифференциального вариатора, не получившая развития по причине отсутствия достаточно эффективного генератора момента. Решение этой задачи открывает заманчивые перспективы в области точного управления механизмами коммунального хозяйства и всей машиностроительной отрасли в целом, поскольку в большинстве технологических процессов на самом деле необходимо регулировать именно момент, а не частоту вращения.

Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с госбюджетной НИР кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» «Разработка, исследование и совершенствование рабочих органов, приводов и систем управления машин», государственным контрактом по программе УМНИК «Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин», государственным контрактом № 7234р/10119 2009 г.; государственным контрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме «Разработка теоретических основ проектирования устройств вариации скорости и мониторинга критических состояний фрикционных систем транспортных средств» (ЮРГУЭС 2.10.Ф) 2010 г.; государственным контрактом № 9586р/14222 по программе УМНИК «Проведение исследований в области новых материалов, информационных и живых систем с целью разработки современных инновационных технологий» 2011 г.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка вариатора для приводов коммунальных машин и оборудования сферы услуг, позволяющего плавно регулировать движущий момент и изменять передаваемую мощность.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

• проанализировать конструкции силовых приводов коммунальных машин и существующих конструкций вариаторов и установить причины, препятствующие использованию дифференциальных вариаторов момента в составе приводов;

• исследовать конструкции и свойства замкнутых стендов для испытания зубчатых колес в плане возможностей их применения в качестве нагрузочных устройств вариаторов;

• разработать и исследовать планетарное нагрузочное устройство на базе замкнутого стенда для испытания зубчатых колес;

• определить регулировочные характеристики планетарного нагружателя и обосновать принципы его функционирования;

• исследовать влияние смазки, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения на регулировочные характеристики вариатора;

• разработать и изготовить экспериментальный образец вариатора момента с дифференциалом неравных моментов для приводов коммунальных машин;

• провести комплексное теоретико-экспериментальное исследование экспериментального образца вариатора момента и оценить его работоспособность и технические характеристики.

Объектом исследования являются приводы коммунальных машин и оборудования сервиса с дифференциальным зубчатым вариатором момента

Предметом исследования являются принципы функционирования и силомоментные характеристики дифференциального зубчатого вариатора момента и планетарного нагружателя в составе привода коммунальных машин и оборудования сервиса.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались основные методы физики, теории механизмов и машин, математической статистики, а также метод электромеханических аналогий и экспериментально-аналитический метод исследований. При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики, математического моделирования, поискового конструирования.

Научная новизна:

• предложена новая концепция вариатора момента для приводов коммунальных машин, позволяющего изменять движущий момент при постоянном кинематическом передаточном отношении;

• разработаны теоретические принципы функционирования планетарного нагружателя, или генератора момента в составе вариатора, основанные на инверсии регулировочных характеристик в

характеристики сопротивления; установлено соотношение между активными и реактивными составляющими его полного механического сопротивления;

• в результате экспериментальных исследований определены и формализованы зависимости характеристики сопротивления генератора момента и диапазона регулирования вариатора в целом от смазок, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения.

Практическая значимость работы:

• разработаны и запатентованы технические и схемные решения зубчатых вариаторов момента с симметричным дифференциалом и дифференциалом неравных моментов;

• разработаны и внедрены в производство и в учебный процесс методика расчета и конструирования зубчатого вариатора момента и рекомендации по его практическому применению

Достоверность научных положений, выводов н рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также испытанием экспериментального образца зубчатого вариатора момента.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно- технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2008-2012 гг.), на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 2009-2011 гг.), на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» (РГУПС г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), на VI международной научно-технической конференции «Научное пространство Европы - 2010» (Польша, 2010 г.), на VI международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2010 г.), на V Всероссийской конференции «НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ РОССИИ» (г. Москва, 2011 г.), на III Межрегиональной научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи -будущему России» (г. Волгодонск, 2012 г.).

Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на «I Молодёжном инновационном конвенте Южного федерального округа» (г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), VIII специализированной выставке инноваций «ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА» (г. Ростов-на-Дону, 2011 г.), «Молодёжном инновационном конвенте Ростовской области» (г. Ростов-на-Дону, 2011, 2012 гг.); на Всероссийском конкурсе научно-технических проектов «ЭВРИКА 2011» (г. Новочеркасске, 2011 г.) и на III Всероссийском конкурсе научно-технических проектов «УМНИК на СТАРТ» (г. Рязань,

Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения» и «Математика», а также представителей других вузов и организаций.

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы приняты к использованию в проектно-конструкторской деятельности ООО НПО «Зубчатые трансмиссии» г. Рязань при разработке новых бесступенчатых приводов для металлорежущих станков, технологических машин и оборудования сферы сервиса.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе при изучении дисциплины «Конструкторский расчет и потребительские свойства изделия», в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 185 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 45 таблиц, и список источников из 124 наименований.

Диссертация выполнена на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ наиболее распространенных видов приводов, который позволил выделить следующие группы: по характеру связи и способу преобразования крутящего момента приводы делятся на ступенчатые и бесступенчатые, фрикционные и зубчатые; сюда же можно отнести шариковые.

Установлено, что наиболее перспективным является использование бесступенчатых приводов, называемых вариаторами. Существующие схемы вариаторов основаны на изменении кинематического передаточного отношения и представлены в основном фрикционными передачами. В связи с их недостатками перспективными представляются дифференциальные вариаторы момента, которые не содержат фрикционных передач.

В диссертации по вопросам теории и инженерных методов расчета ступенчатых и бесступенчатых передач и приводов цитируются работы

отечественных ученых в области теории передач в машинах: И.И. Артоболевского, A.C. Антонова, А.А Благонравова, С.П. Баженова, Р.В. Вирабова, Г.А. Готгесмана, Н.В. Дивакова, В.Ф. Мальцева, A.JI. Нарбута! Б.А. Пронина, В.Н. Прокофьева, В.В. Селифонова, В.А. Умняшкина! Б.С. Фаробина, К.А. Фрумкина, С.А. Харитонова и др., а также приведен анализ изобретений, патентов отечественных и зарубежных фирм, заключения и опыт проектных организаций: ВНИИМЕТМАШ, ВНИИРедуктор. Весомый вклад в теорию зубчатых зацеплений и планетарных передач внесли также В.А. Гавриленко, Ю.Н. Кирдяшев, С.А. Кореняко, В.Р. Ковалюх, С.Н. Кожевников, А.Ф. Крайнев, С.О. Киреев, В.Н. Кудрявцев JI.H. Решетов, И.Ю. Эскин и др. Рассмотрены конструкции вариаторов отечественных производителей, а также зарубежных фирм: США, Японии, Германии, Италии и Франции.

Опыт создания и эксплуатации различного рода автоматических трансмиссий свидетельствует о неизбежности их развития в сторону полной автоматизации на основе бесступенчатых передач - вариаторов, позволяющих наиболее полно использовать энергетический потенциал и улучшать экологическую ситуацию за счет удобства управления. Наука и практика накопили достаточно серьезный опыт в этом направлении и у нас в стране, и за рубежом. В большей степени это касается фрикционных вариаторов.

Тем не менее, тенденция использования дифференциальных вариаторов, содержащих дифференциал и управляющее нагрузочное устройство (нагружатель, или генератор момента), выглядит достаточно перспективной в случае создания нагрузочного устройства нефрикционного типа, то есть не имеющего недостатков фрикционных и инерционных передач.

В2_второй главе на основе анализа конструкций различных

нагрузочных устройств, создающих момент сопротивления, в том числе замкнутых стендов для испытания зубчатых колес, предложено использовать планетарный нагружатель для зубчатого вариатора момента с неподвижным регулировочным звеном Кузнецова С.А. Свойства и характеристики нагружателя были выявлены в результате структурного, кинематического и силового анализа.

Кинематическая схема планетарного механизма нагружателя представлена на рис. 1. Числа зубьев колес 2 и 2', 1 и 3 попарно равны между собой, причем к колесу 1 жестко прикреплен рычаг 5, воздействуя на который можно управлять моментом на водиле механизма.

Принцип работы заключается в следующем. Вращение подается на входное звено (водило) 4, которое вместе с сателлитным блоком, образованным колесами 2 и 2', свободно вращается вокруг центральных колес 3 и 1, которые остаются неподвижными, поскольку колесо 3 закреплено неподвижно.

2/ 2_

\

Л

v

ч

v \jl\l

Рис. 1. Кинематическая схема нагружателя и схема сил действующих в зубчатом зацеплении 1 - подвижное центральное колесо; 2 и 2' - сателлиты; 3 - неподвижное центральное колесо; 4 - водило (Н); 5 - рычаг управления

При приложении управляющего момента на рычаг 5 свободное движение водила H с блоком сателлитов затормаживается, и на валу водила H возникает момент сопротивления, причем этот момент пропорционален управляющему усилию. Кинематическое передаточное отношение, определенное по известной формуле, равно нулю (от первого колеса к водилу), либо бесконечности (от водила к первому колесу), поэтому передача движения в любом случае невозможна. Невозможно в свете современных представлений говорить в таком случае и о силовом передаточном отношении, поскольку оно определяется через кинематическое.

Тем не менее, поскольку воздействие на рычаг управления 5 изменяет момент сопротивления на валу водила, можно использовать данное устройство в качестве генератора момента вместо тормоза или нагрузочного устройства и регулировать нагрузкой на рычаге создаваемый на водиле момент. Установлено, что, в отличие от фрикционного тормоза, на планетарном нагружателе при сравнимой нагрузке тепловая энергия выделяется в малом количестве, сравнимом с выделением тепла в простой зубчатой передаче. Возникает проблема теоретического обоснования внутренних сопротивлений генератора момента.

В структурном плане с учетом двух входных звеньев (водило и центральное колесо) механизм нагружателя имеет избыточную связь и относится к индифферентным механизмам, для которых характерна невозможность передачи движения, то есть структурное самоторможение.

Невозможность передачи движения является надежным признаком самоторможения. Обратное передаточное отношение, от водила к центральному колесу, равно бесконечности, что также не объясняет, почему приложение момента к рычагу 5 вызывает изменение в силомоментной характеристике водила 1. Таким образом, для данного типа механизмов (с самоторможением) отношение момента на водиле к моменту управляющему отличается от кинематического довольно значительно - гораздо больше, чем для простых зубчатых передач. Объяснить это можно наличием как активного, так и реактивного сопротивления при работе генератора момента.

В соответствии с известным методом электромеханических аналогий, полное механическое сопротивление по аналогии с полным электрическим сопротивлением включает в себя как активную составляющую, так и реактивную, причем реактивное сопротивление определяется емкостным и индуктивным сопротивлением цепи (применительно к механической системе это жесткость звеньев и их масса). В механизмах без самоторможения реактивная составляющая обычно очень мала, поэтому в большинстве случаев не учитывается. В случае самотормозящего механизма механическое сопротивление возрастает пропорционально замыкающей силе (или моменту) на звене управления.

Активная часть механического сопротивления

Момент на водиле:

мн=рнМ+гг)

Сила FH, приложенная к водилу со стороны сателлита, уравновешивается силой Fc, приложенной в полюсе зацепления первого колеса и сателлита, которая создает уравновешивающий момент, также равный Ми:

FnM+r2) = Fc.rl=>MH=Fc-rl.

Сила Fc является составляющей силы трения F1T, перпендикулярной оси водила (рис.1):

Fc = FTP sin а.

Соответственно, сила сопротивления с учетом силы трения:

F

Fc =—- sin & • f — Ft • tga' f. cosa

Окружная сила выражается через момент управляющий М , приложенный к звену 1:

М„ 1

С учетом этого сила сопротивления:

Fc - • tga ■ f. ri

Момент на водиле Мн, выраженный через управляющий момент Мр:

М„

Мн = • tga ■f-rl = Мр ■ tga ■ f.

1

Поскольку речь идет о генераторе момента, отношение моментов назовем регулировочной характеристикой:

• м„

Л/Р

Очевидно, что активная составляющая механического сопротивления, связывающая моменты на звене управления 1 и водиле Н, зависит только от угла зацепления и коэффициента трения между зубьями и не зависит от числа зубьев и кинематического передаточного отношения. Активная часть регулировочной характеристики меньше единицы, причем намного: при а = 20° и коэффициенте трения / = 0,1 она равно всего лишь 0,036, что примерно соответствует значению активной составляющей на экспериментальном графике (рис. 5а).

Реактивная составляющая механического сопротивления Для существования реактивного сопротивления необходимы три условия: наличие колебаний момента на ведомом колесе; наличие упругих свойств материалов зубчатых колес и наличие у них инертности, то есть масс или моментов инерции. Если наличие последних двух условий не вызывают сомнения в отношении любой зубчатой передачи, то наличие крутильных колебаний в процессе взаимодействия каждой пары зубьев при постоянном кинематическом передаточном отношении требует пояснений. Тем не менее ряд исследователей (С.Н. Кожевников, В.А. Гавриленко со ссылкой на Л.Н. Решетова) по-разному, но с аналогичным результатом обосновывают флуктуации точки пересечения линии действия силы в зацеплении с линией центров, обусловленные действием силы трения в зацеплении. В процессе зацепления эта точка изменяет свое положение, то приближаясь к полюсу Р, то удаляясь от него. Но все время она находится с одной стороны от полюса Р, а именно со стороны ведомого колеса (рис. 2). Гавриленко приводит формулы для определения положения точки Б в текущий момент времени, а также максимальные значения ее удаления и среднее, причем приводит в конечном итоге приближенное значение расстояние И от полюса до точки И:

/2 = (1.0 4-1.6)»!/ , где т — модуль зацепления; /— коэффициент трения между зубьями.

В.А. Гавриленко приводит также диаграмму изменения момента и силы взаимодействия зубьев, из которой видно, что возникающие в процессе взаимодействия зубьев колебания имеют характер, далекий от гармонических (рис. 2). В любом случае, данные колебания вполне могут вызывать инерционные потери, обусловленные реактивными сопротивлениями.

\AAAj

/ЧУЧ/Ч

Рис. 2. Определение расстояния И и циклические флуктуации момента и силы (по В.А. Гавриленко)

Полученная экспериментально зависимость (рис. 6) регулировочной характеристики у от момента управляющего Л/р (характеристика

сопротивления) имеет нелинейный вид обратно пропорциональной зависимости, которую можно представить в виде гиперболической функции:

где а - постоянная величина, характеризующая кривизну гиперболы;

]а ~ активная часть функции (мало изменяемая), связанная с влиянием момента холостого хода Мдхх, то есть обусловленная активной частью сопротивления.

Задача формализации зависимости характеристики сопротивления сводится в данном контексте к отысканию значений постоянной а, приближенно соответствующей кривизне каждой из кривых семейства на рисунке 6.

Для этого выразим а из (2):

После подсчета значений а по данным каждой из кривых определяется среднее арифметическое аср и его значение присваивается постоянной в уравнении (2) каждой кривой (рис. 6а). Так, при вращения водила с частотой « = 1960 мин"1 значение постоянной а = 0,018; при вращения водила с частотой п = 980 мин"1, значение постоянной а = 0,03; при вращения водила с частотой « = 650 мин"1 значение постоянной а = 0,044. Эти значения соответствуют экспериментальным значениям начальной ординаты на графике регулировочной характеристики, то есть постоянной линейного графика (рис.4). При этом тангенс угла наклона регулировочной характеристики равен активной части механического сопротивления ]а.

В третьей главе проводятся экспериментальные исследования планетарного нагружателя; разработан экспериментальный стенд и измерительная аппаратура, а также методика проведения эксперимента.

С целью определения регулировочной характеристики планетарного нагружателя, которая представляет собой соотношение движущего момента М3 на двигателе и момента управляющего Мр, приложенного к рычагу

нагружателя, был изготовлен стенд (рис. 3), содержащий двигатель постоянного тока 7, который, посредством муфты 6 соединен с испытуемым нагружателем, блок питания 10, а также контрольно-измерительные приборы для регистрации силы тока 9 и напряжения 8.

При включении питания ротор электродвигателя 7 через муфту 6 вращает вал водила 4 нагружателя. Приложение силы тяжести от груза к рычагу нагружателя 5 вызывает изменение момента на валу электродвигателя, который регистрируется амперметром 9.

Точность измерений обеспечена использованием стандартного измерительного прибора - мультиметра АРРА 305 с погрешностью измерения силы тока 0,2%, напряжения 0,06% на любом участке измерения при температуре 20°С.

Ж !_ Л X

/

II г

\

\ - \ \ -

\i_\i_Y4_\l

Рис. 3. Принципиальная схема стенда для определения регулировочной

характеристики нагружателя 1 - подвижное центральное колесо; 2, 2' - сателлиты; 3 - неподвижное центральное колесо; 4 - водило; 5 - рычаг управления 6 - муфта; 7 - электродвигатель; 8 - вольтметр;

9 - амперметр; 10 - источник питания В стенде используется электродвигатель постоянного тока СМЗ ] О! 7К28С с возбуждением от постоянных магнитов фирмы ЬЕЕБОМ.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что зависимость момента на водиле Мд от момента на управляющем колесе 1 нагружателя, то есть регулировочная характеристика, имеет близкий к линейному вид, причем изменение направления вращения (или знака момента управляющего) не изменяет эту характеристику (рис. 4). Очевидно, что она зависит от частоты вращения и водила, но угол наклона остается постоянным.

1 | 1

1

к

""Ж

: C.J3-! 0.!2

0.08 0.07 0.06 0 05.

ом.

0 03 0.02.

■0.2 ОС 02 04 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.8

НцНм

jxjni

а б

Рис.4. Регулировочная характеристика мд = /СМр) а) металлические шестерни; б) пластмассовые шестерни 0 - при и = 1960 мин 1, II) - при « = 980 мин"1, III)-при л = 650 мин"1

Характеристика сопротивления, создаваемого генератором момента, представляет вид, обратный регулировочной (рис 5,а). Активную составляющую характеристики сопротивления ja определяем с учетом предварительно измеренного момента холостого хода Мхх,

ja=-

мл-м± м„

она остается примерно постоянной и равной ¿=0,04

При этом (рис. 5а).

Приведенный для сравнения график изменения коэффициента полезного действия для механизма с самоторможением (например, винтового рис. 5,6) демонстрирует сущность инвертного подхода, состоящая в обращеннности характеристики сопротивления по отношению к графику КПД: на этом графике также есть постоянная часть, соответствующая теоретическому КПД, и гиперболически возрастающая переменная часть, полученная также с учетом момента холостого хода.

<7

0.4 4-

\

\

Акт^бк -/

0.0 0.2

0.6 0.8 1.0

0.3

Теоретическое значение

50

F.H

а б

Рис. 5. Графики зависимости: а) регулировочная характеристика; б) КПД винтового механизма Для проверки влияния коэффициента трения на характеристику сопротивления были проведены экспериментальные исследования с различными смазочными материалами. Эксперимент показал, что основная, то есть реактивная часть характеристики сопротивления мало зависит от применяемой смазки, поскольку в рабочем диапазоне их коэффициент трения отличается незначительно.

—

• J/1

ч

<

S.

■ lib _I-1L ✓ V —-

—ЖУ -

8 2 1.4

-

iL/

-,,,-Av

-

-i—

—I-1—

а) б)

Рис. 6. Характеристики сопротивления генератора момента: а) металлические шестерни; б) пластмассовые шестерни I) - при п = 1960 мин, II) - при п- 980 мин, III) - при п = 650 мин

Гораздо более существенное влияние на регулировочную характеристику оказывают скорости вращения водила и материалы зубчатых колес, что в целом подтверждает гипотезу о реактивном характере сопротивления (рис. 6).

В четвертой главе предложены схемные решения вариаторов с симметричным дифференциалом и с дифференциалом неравных моментов, разработан экспериментальный стенд и обработаны результаты экспериментальных исследований вариатора.

На рисунке 7 представлена кинематическая схема вариатора момента с симметричным дифференциалом. Устройство состоит из дифференциального механизма, входным звеном которого является водило 1 с сателлитами и двумя центральными колесами 4 и 5, установленными на выходных валах 2 и 3 соответственно, один из которых соединен с водилом 6 планетарного механизма, который выполнен двухрядным, а на водиле 6 установлен с возможностью вращения блок сателлитов 7, образованный двумя соосными сателлитами с равным числом зубьев, взаимодействующими с двумя центральными соосными зубчатыми колесами 8, одно из которых закреплено неподвижно, а ко второму подвижному колесу жестко прикреплен рычаг управления 9 вариатором.

2. 1 3 7 9

т"

/

' ... 1

ч \ /

Рис. 7. Кинематическая схема вариатора момента с симметричным дифференциалом При приложении управляющего момента на рычаг 9 свободное движение водила 6 с блоком сателлитов 7 затормаживается, и возникающий момент торможения на валу водила 6 способствует возникновению крутящего момента на выходном валу 2 вариатора, причем этот момент пропорционален управляющему усилию. Угловая скорость выходного вала 2 также начинает увеличиваться по мере преодоления момента полезного сопротивления пропорционально управляющему воздействию. Диапазон регулирования угловой скорости выходного вала 2, таким образом, находится в пределах от нуля до значения, обусловленного передаточным отношением от водила 1 к центральному колесу 4.

Кинематическая схема вариатора с дифференциалом неравных моментов представлена на рисунке 8. Устройство и принцип работы данного устройства аналогично вариатору момента, представленному на рис. 8.

Рис. 8. Кинематическая схема вариатора момента с дифференциалом неравных моментов В отличие от вариатора с симметричным дифференциалом (рис. 7) в данном устройстве за счет уменьшения крутящего момента на колесе 5,

——, существенно снижается усилие на рычаге

равного М5 = М,

управления 9.

С целью экспериментального исследования рабочих характеристик (диапазона регулирования оборотов и момента, коэффициента полезного действия) был разработан и реализован стенд, принципиальная схема которого представлена на рисунке 9. Стенд (рис. 9) содержит источник питания 1, двигатель постоянного тока 4, который посредством муфты 5 соединен с водилом 6 дифференцила, солнечное колесо 9 которого также посредством муфты 8 соединено с водилом 10 планетарного нагружателя, а эпициклическое колесо 7 через зубчатую передачу, образованную зубчатым венцом 11 и шестерней 12, с генератором 13, а также контрольно-измерительные приборы для регистрации силы тока 2, 15 и напряжения 3, 14, реостат 16 для создания нагрузки на генераторе.

Л/ Ж] ж! \£-

Рис. 9. Принципиальная схема стенда для экспериментального исследования рабочих характеристик вариатора момента

На рисунке 10 показано расположение элементов вариатора момента и испытательного стенда.

В стенде используется электродвигатель постоянного тока СМЗШ17Ы28С с возбуждением от постоянных магнитов фирмы ЬЕЕБСЖ.

В качестве нагрузочного устройства, создающего момент сопротивления, применяется электродвигатель постоянного тока СМЗШ17Ж8С с возбуждением от постоянных магнитов фирмы ЬЕЕБОЫ в качестве генератора.

Момент и обороты на эпициклическом колесе 7 (рис. 9) определяются: - момент М., = А/г/г1Ш;

Рис. 11. Регулировочные характеристики вариатора при постоянном моменте нагрузки и постоянной частоте вращения входного звена

- обороты со7 = сог • гШ2.

Такой стенд позволяет измерять моменты движущих сил, сил сопротивления при заданном управляющем усилии на рычаге и при этом контролировать частоты вращения входного и выходного валов, то есть практически все параметры, необходимые для оценки возможностей вариатора.

Рис.10. Стенд для экспериментального исследования рабочих характеристик вариатора момента 1 - мультиметр АРРА 305; 2 - комплект гирь Г-4-1111, 10; 3 - лазерный тахометр БТ-2234С *; 4 - электродвигатель; 5 - дифференциал; 6 - рычаг управления;

7 - планетарный нагружатель; 8 - генератор; 9 - реостат РСПС-1 По результатам экспериментальных исследований построены графики частоты вращения, момента, мощности и КПД при постоянном моменте нагрузки (Рис. 11-12).

Рис. 12. Мощность и КПД вариатора при постоянном моменте нагрузки и постоянной частоте вращения входного звена

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Приводы коммунальных машин (снегоуборочных и мусороуборочных), а также оборудования сферы услуг (швейные и стиральные) требуют плавного регулирования движущего момента для запуска и точного соблюдения скоростного режима. Существующие вариаторы регулируют поток мощности, изменяя кинематическое передаточное отношение, а не момент движущий. Разработан дифференциальный зубчатый вариатор момента, позволяющий изменять силовое передаточное отношение при постоянном кинематическом передаточном отношении, содержащий в своем составе дифференциал и планетарный нагружатель.

2. В результате анализа конструкций стендов для испытания зубчатых колес установлено, что в качестве нагружателя для дифференциального вариатора можно использовать стенд для испытания зубчатых колес с замкнутым силовым контуром, обладающий свойством генератора момента. Основанием к этому является невозможность передачи движения и наличие линейной регулировочной характеристики, угол наклона которой постоянен и зависит от коэффициента трения и угла зацепления. Конструктивно изменяя угол зацепления от 15 до 25 градусов, можно изменять постоянную часть регулировочной характеристики от 0,026 до 0,046 при коэффициенте трения, равном 0,1.

4. Характеристика сопротивления генератора момента, обратная по отношению к регулировочной, состоит из активной и реактивной части, причем реактивная часть гораздо более существенна и возбуждается колебаниями передаваемого момента, вызываемыми силами трения зубьев. Увеличение коэффициента трения между зубьями влечет за собой увеличение амплитуды этих колебаний, поэтому растет как активная, так и реактивная составляющие силового передаточного отношения. Применение неметаллических зубчатых колес с пониженными упругими свойствами по

сравнению с металлическими также увеличивает характеристику сопротивления на 20-30%.

5. Испытания экспериментального образца зубчатого вариатора момента с дифференциалом неравных моментов подтвердили функциональную работоспособность устройства и его перспективность в использовании в составе приводов коммунальных и технологических машин. Регулировочная функция относительно невелика (меньше единицы), но ее можно увеличить на порядок путем присоединения редуктора к неподвижному регулировочному звену.

6. Вариатор момента в составе привода коммунальных и бытовых машин отличается от фрикционных вариаторов тем, что не требует дополнительного трансформатора момента или муфты сцепления: его передаточное отношение меняется от бесконечности, то есть при вращающемся входном вале выходной может быть неподвижен, до максимума, обеспечиваемого двигателем.

7. Диапазон регулирования частоты вращения выходного звена экспериментального образца дифференциального зубчатого вариатора момента при постоянном моменте нагрузки составил Д = 4,27.

8. Коэффициент полезного действия экспериментального образца зубчатого вариатора момента достаточно высок (для открытой передачи) и имеет выраженный максимум (г|=0,67), соответствующий номинальной мощности.

9. На основе результатов, полученных в ходе выполнения данной работы, предложены два схемных решения зубчатого вариатора момента (патенты на изобретения РФ № 2391584 «Вариатор момента нефрикционного типа», №2445531 «Вариатор момента») для использования в составе приводов коммунальных машин.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах: Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

1. Кузнецов С. А., Владимиров A.B., Лысянский В.А., Харламов П.В. Определение силового передаточного отношения планетарного нагружателя с замкнутым контуром // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий. Научно-технический журнал. Естественные науки. - 2010 - №3 -С. 26-29.

2. Лысянский В.А Определение работоспособности схемы планетарного нагружателя на основе замкнутого силового контура // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки - 2010 - № 4. С. - 62-64.

3. Лысянский В .А., Владимиров A.B., Харламов П.В. Дифференциальный зубчатый вариатор нефрикционного типа // ВЕСТНИК Ростовского государственного университета путей сообщения. Научно-технический журнал.-2010. - №2. - С. 5-8.

Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций

4. Лысянский В.А., Кузнецов С. А., Владимиров A.B. Разработка вариатора момента нефрикционного типа // Студенческая научная весна -2009: сб. науч. трудов / под ред Е.А. Яценко . - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009.-С. 128-131.

5. Лысянский В.А., Кузнецов С. А., Владимиров A.B. Разработка теоретических основ проектирования дифференциального вариатора с нагружателем нефрикционного типа // Актуальные проблемы техники и технологии: сб. науч. трудов / под ред. H.H. Прокопенко. - Шахты: ГОУ ВПО ЮРГУЭС, 2009. - С. 9-12.

6. Владимиров A.B., Лысянский В.А. Исследование кинематической аномальности механизма зубчатого нагружателя с замкнутым контуром // Проблемы исследования и проектирования машин: сборник статей VI Международной науч.-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010.-С. 56-60.

7. Лысянский В.А., Кузнецов С. А. Экспериментальное определение силового передаточного отношения планетарного нагружателя // Научный потенциал молодёжи - будущему России: межрегион, науч.- практ. конференция, 20 апреля 2012 г. / редкол.: П.Д. Кравченко [и др.] ВИС ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2012. - С 64-66.

8. Лысянский В.А., Кузнецов С. А., Наумов И.И. Разработка экспериментального стенда для исследования вариатора момента // Наука и инновации в области сервиса автотранспортных средств и обеспечения безопасности дорожного движения : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. Б.Ю. Калмыкова [и др.]; Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2012. - С. 110-112.

Патенты на изобретения

9. Пат. 2391584. Российская Федерация, МПК 8 F16H 3/74,48/06 Вариатор момента нефрикционного типа / Кузнецов С. А., Лысянский В.А., Владимиров A.B.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Таурус». - №2008130281/11; заявл. 23.07.2008; опубл. 27.01.2010, Бюл. № 16.-4 е.: ил.

10. Пат. 2445531. Российская Федерация, МПК C1 F16H 3/74 Вариатор момента / Кузнецов С. А., Владимиров A.B., Лысянский В.А., Старченко И.Е.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессиольного образования «Южно-Россиский государственный университет экономики и сервиса» (ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»). -№2010149799/11; заявл. 03.12.2010; опубл. 20.03.2012, Бюл. №8.-3 е.: ил.

Подписано в печать 16.11.2012г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл.п.л.1,1. Тираж 120 экз. Зак.148.

Отпечатано в типографии: ИП Бурыхин Б.М., Ростовская область, г.Шахты, ул.Шевченко, 143.

ВВЕДНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ и классификация силовых приводов технологических 11 машин

1.1 Импульсные вариаторы

1.2 Фрикционные вариаторы

1.3 Дифференциальные вариаторы 34 Выводы

ГЛАВА 2. Разработка и исследование планетарного нагружателя 45 вариатора

2.1 Синтез схемы планетарного нагружателя

2.2 Структурный и кинематический анализ

2.3 Силовой анализ 68 Выводы

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования планетарного 97 нагружателя

3.1 Разработка стенда для испытания планетарного нагружателя и 97 методика проведения эксперимента

3.2 Анализ результатов испытаний планетарного нагружателя с 103 стальными зубчатыми колесами

3.3 Экспериментальное определение влияния смазочного материала на 113 характеристику сопротивления

3.4 Анализ результатов испытаний планетарного нагружателя с пластмассовыми зубчатыми колесами

Выводы

ГЛАВА 4. Разработка и исследование зубчатого вариатора момента

4.1 Разработка схемы вариатора

4.1.1 Разработка схемы зубчатого вариатора момента с симметричным 131 дифференциалом

4.1.2 Разработка схемы зубчатого вариатора момента с 132 дифференциалом неравных моментов

4.2 Кинематический и силовой анализ вариатора

4.2.1 Кинематический и силовой анализ вариатора с симметричным 134 дифференциалом

4.2.2 Кинематический и силовой анализ вариатора с дифференциалом 136 не равных моментов

4.3 Экспериментальные исследования зубчатого вариатора момента

4.3.1 Разработка стенда для экспериментального исследования рабочих 141 характеристик вариатора момента

4.3.2 Методика проведения эксперимента

4.3.3 Результаты экспериментальных испытаний 145 Выводы

Актуальность темы диссертации. Бытовое обслуживание является одной из социально значимых сфер экономики, обеспечивает удовлетворение потребностей населения в разнообразных видах сервисных услуг и играет значительную роль в создании комфортных условий для жизни, работы и отдыха жителей.

Для создания комфортных условий для жизни и работы используются машины бытового назначения (швейные, стиральные и др.).

Большинство машин бытового назначения имеют механические передачи, которые занимают промежуточное положение между двигателем и исполнительным органом. Для экономии энергии, повышения качества продукции и увеличения производительности технологического оборудования, наиболее полного приспособления коммунальных машин (снегоуборочные и мусороуборочные машины и др.) к условиям движения передачи должны в достаточно широком диапазоне дозировать механическую энергию. Для машин бытового назначения, используемых в сфере услуг (швейные и стиральные машины, центрифуги), особенно актуальна проблема плавного запуска и регулирования частоты вращения, которая решается в настоящее время путем применения достаточно сложных электромеханических устройств. В то же время смежных областях можно найти достаточно примеров, подтверждающих, что возможности механических передач далеко не исчерпаны и использование бесступенчатых передач является наиболее перспективным в решении проблемы плавного запуска и регулирования частоты вращения.

Совершенствование конструкций бесступенчатых передач -вариаторов - продолжается уже около ста лет, и за это время было создано три класса механических вариаторов - фрикционные, импульсные и зубчатые. Особую актуальность задача создания совершенного вариатора приобрела в связи с повышением требований к экологичности и экономичности транспортных и технологических систем, работающих в условиях городов и других населенных пунктов.

Современные фрикционные и импульсные вариаторы имеют ряд недостатков. Главный недостаток импульсных вариаторов — большая виброактивность механизма и ненадежная работа муфты свободного хода, являющейся механическим выпрямителем высокочастотных колебаний. Главный недостаток фрикционных вариаторов — невозможность передачи с помощью тангенциальных сил трения, имеющих нестабильную природу, достаточно плотного потока энергии. Кроме того, фрикционные вариаторы требуют применения трансформатора момента, так как не могут обеспечить передаточного отношения, равного бесконечности, когда выходной вал неподвижен при подвижном входном (режим запуска).

В 70-е годы было сделано несколько попыток разработки дифференциальных зубчатых вариаторов, содержащих дифференциал и нагружающее или регулирующее устройство, в качестве которого использовался червячный редуктор с управляющим приводом. Исследования показали, что дифференциальный вариатор принципиально отличается от всех известных, поскольку не требует трансформатора момента или даже сцепления. Тем не менее КПД такого вариатора очень низок,. поскольку половина энергии выделяется на тормозном устройстве в виде тепла, а использование червячного редуктора в качестве сервопривода еще и усложняет конструкцию, сводя на нет преимущества зубчатого вариатора.

Современное технологическое оборудование, применяемое в сфере коммунального хозяйства, требует все более точного дозирования мощности и момента в приводных устройствах, поэтому, несмотря на вышеуказанные трудности, применение вариаторов практически всех известных систем постоянно расширяется. Требует своего решения и без сомнения привлекательная задача создания дифференциального вариатора, не получившая развития по причине отсутствия достаточно эффективного генератора момента. Решение этой задачи открывает заманчивые перспективы в области точного управления механизмами коммунального хозяйства и всей машиностроительной отрасли в целом, поскольку в большинстве технологических процессов на самом деле необходимо регулировать именно момент, а не частоту вращения.

Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с госбюджетной НИР кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» «Разработка, исследование и совершенствование рабочих органов, приводов и систем управления машин», государственным контрактом по программе УМНИК, «Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин», государственным контрактом № 7234р/10119 2009 г.; государственным контрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме «Разработка теоретических основ проектирования устройств вариации скорости и мониторинга критических состояний фрикционных систем транспортных средств» (ЮРГУЭС 2.10.Ф) 2010 г.; государственным контрактом № 9586р/14222 по программе УМНИК «Проведение исследований в области новых материалов, информационных и живых систем с целью разработки современных инновационных технологий» 2011 г.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка вариатора для приводов коммунальных машин и оборудования сферы услуг, позволяющего плавно регулировать движущий момент и изменять передаваемую мощность

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

• проанализировать конструкции силовых приводов коммунальных машин и существующих конструкций вариаторов и установить причины, препятствующие использованию дифференциальных вариаторов момента в составе приводов;

• исследовать конструкции и свойства замкнутых стендов для испытания зубчатых колес в плане возможностей их применения в качестве нагрузочных устройств вариаторов;

• разработать и исследовать планетарное нагрузочное устройство на базе замкнутого стенда для испытания зубчатых колес;

• определить регулировочные характеристики планетарного нагружателя и обосновать принципы его функционирования;

• исследовать влияние смазки, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения на регулировочные характеристики вариатора;

• разработать и изготовить экспериментальный образец вариатора момента с дифференциалом неравных моментов для приводов коммунальных машин;

• провести комплексное теоретико-экспериментальное исследование экспериментального образца вариатора момента и оценить его работоспособность и технические характеристики.

Объектом исследования являются приводы коммунальных машин и оборудования сервиса с дифференциальным зубчатым вариатором момента

Предметом исследования являются принципы функционирования и силомоментные характеристики дифференциального зубчатого вариатора момента и планетарного нагружателя в составе привода коммунальных машин и оборудования сервиса.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались основные методы физики, теории механизмов и машин, математической статистики, а также метод электромеханических аналогий и экспериментально-аналитический метод исследований. При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики, математического моделирования, поискового конструирования.

Научная новизна:

• предложена новая концепция вариатора момента для приводов коммунальных машин, позволяющего изменять движущий момент при постоянном кинематическом передаточном отношении;

• разработаны теоретические принципы функционирования планетарного нагружателя, или генератора момента в составе вариатора, основанные на инверсии регулировочных характеристик в характеристики сопротивления; установлено соотношение между активными и реактивными составляющими его полного механического сопротивления;

• в результате экспериментальных исследований определены и формализованы зависимости характеристики сопротивления генератора момента и диапазона регулирования вариатора в целом от смазок, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения.

Практическая значимость работы:

• разработаны и запатентованы технические и схемные решения зубчатых вариаторов момента с симметричным дифференциалом и дифференциалом неравных моментов;

• разработаны и внедрены в производство и в учебный процесс методика расчета и конструирования зубчатого вариатора момента и рекомендации по его практическому применению

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также испытанием экспериментального образца зубчатого вариатора момента.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно- технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2008-2012 гг.), на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 2009-2011 гг.), на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» (РГУПС г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), на VI международной научно-технической конференции «Научное пространство Европы - 2010» (Польша, 2010 г.), на VI международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2010 г.), на V Всероссийской конференции «НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ РОССИИ» (г. Москва, 2011 г.), на III Межрегиональной научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи - будущему России» (г. Волгодонск, 2012 г.).

Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на «I Молодёжном инновационном конвенте Южного федерального округа» (г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), VIII специализированной выставке инноваций «ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА» (г. Ростов-на-Дону, 2011 г.), «Молодёжном инновационном конвенте Ростовской области» (г. Ростов-на-Дону, 2011, 2012 гг.); на Всероссийском конкурсе научно-технических проектов «ЭВРИКА 2011» (г. Новочеркасске, 2011 г.) и на III Всероссийском конкурсе научно-технических проектов «УМНИК на СТАРТ» (г. Рязань, 2012 г.)

Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения» и «Математика», а также представителей других вузов и организаций.

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы приняты к использованию в проектно-конструкторской деятельности ООО НПО «Зубчатые трансмиссии» г. Рязань при разработке новых бесступенчатых приводов для металлорежущих станков, технологических машин и оборудования сферы сервиса.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе при изучении дисциплины «Конструкторский расчет и потребительские свойства изделия», в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 183 страницы машинописного текста, 70 рисунков, 45 таблиц, и список источников из 124 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Приводы коммунальных машин (снегоуборочных и мусороуборочных), а также оборудования сферы услуг (швейные и стиральные) требуют плавного регулирования движущего момента для запуска и точного соблюдения скоростного режима. Существующие вариаторы регулируют поток мощности, изменяя кинематическое передаточное отношение, а не момент движущий. Разработан дифференциальный зубчатый вариатор момента, позволяющий изменять силовое передаточное отношение при постоянном кинематическом передаточном отношении, содержащий в своем составе дифференциал и планетарный нагружатель.

2. В результате анализа конструкций стендов для испытания зубчатых колес установлено, что в качестве нагружателя для дифференциального вариатора можно использовать стенд для испытания зубчатых колес с замкнутым силовым контуром, обладающий свойством генератора момента. Основанием к этому является невозможность передачи движения и наличие линейной регулировочной характеристики, угол наклона которой постоянен и зависит от коэффициента трения и угла зацепления. Конструктивно изменяя угол зацепления от 15 до 25 градусов, можно изменять постоянную часть регулировочной характеристики от 0,026 до 0,046 при коэффициенте трения, равном 0,1.

4. Характеристика сопротивления генератора момента, обратная по отношению к регулировочной, состоит из активной и реактивной части, причем реактивная часть гораздо более существенна и возбуждается колебаниями передаваемого момента, вызываемыми силами трения зубьев. Увеличение коэффициента трения между зубьями влечет за собой увеличение амплитуды этих колебаний, поэтому растет как активная, так и реактивная составляющие силового передаточного отношения. Применение неметаллических зубчатых колес с пониженными упругими свойствами по сравнению с металлическими также увеличивает характеристику сопротивления на 20-30%.

5. Испытания экспериментального образца зубчатого вариатора момента с дифференциалом неравных моментов подтвердили функциональную работоспособность устройства и его перспективность в использовании в составе приводов коммунальных и технологических машин. Регулировочная функция относительно невелика (меньше единицы), но ее можно увеличить на порядок путем присоединения редуктора к неподвижному регулировочному звену.

6. Вариатор момента в составе привода коммунальных и бытовых машин отличается от фрикционных вариаторов тем, что не требует дополнительного трансформатора момента или муфты сцепления: его передаточное отношение меняется от бесконечности, то есть при вращающемся входном вале выходной может быть неподвижен, до максимума, обеспечиваемого двигателем.

7. Диапазон регулирования частоты вращения выходного звена экспериментального образца дифференциального зубчатого вариатора момента при постоянном моменте нагрузки составил Д = 4,27.

8. Коэффициент полезного действия экспериментального образца зубчатого вариатора момента достаточно высок (для открытой передачи) и имеет выраженный максимум (г|=0,67), соответствующий номинальной мощности.

9. На основе результатов, полученных в ходе выполнения данной работы, предложены два схемных решения зубчатого вариатора момента (патенты на изобретения РФ № 2391584 «Вариатор момента нефрикционного типа», №2445531 «Вариатор момента») для использования в составе приводов коммунальных машин.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

Министерство образования и науки РФ

1. A.C. № 274597 СССР МЮГ47Ь, 13 F16h 3/44. Передача с регулируемой скоростью вращения ведомого вала Текст. / Кожевников С.Н., Ян А.И. (СССР) №1307700/25-28: заявл. 03.03.69; опубл. 11.06.70, Бюл. №21.-2с.: ил.

2. A.C. № 821819 СССР МКЛЛ3 F16H 3/44. Замкнуто-дифференциальная регулируемая передача Текст. / Сквознов JI.H. (СССР) -№2187462/25-28: заявл. 10.11.75; опубл. 15.04.81, Бюл. №14.-Зс.: ил.

3. Андреев A.B. Передачи трением Текст. / A.B. Андреев. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978. - 176 с.

4. Антонов A.C. Силовые передачи колесных и гусеничных машин Текст. / A.C. Антонов. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1967. - 440 с.

5. Антонов A.C. Силовые передачи колесных и гусеничных машин. Теория и Расчет Текст. / A.C. Антонов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1975.-480 с.

6. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин Текст. / И.И.Артоболевский. М.: Наука, 1988. - 640 с.

7. Баженов С.П. Методика экспериментальных исследований автоматической передачи автомобиля типа "Урал" Текст. / С.П. Баженов,

8. В.Е. Андреев // сб. трудов ЧПИ "Автомобили, двигатели". Челябинск: ЧПИ, 1972.-№ 119.-С 60-65.

9. Баженов С.П. Динамика разгона автомобиля с автоматической бесступенчатой инерционной трансмиссией Текст. / С.П. Баженов. Известия вузов, Машиностроение, 1974. -№ 1. - С 105-109.

10. Баженов С.П. Теория и основы проектирования инерционных силовых передач самоходных машин Текст.: Дисс. . д-ра техн. наук. -Липецк: ЛПИ, 1986. 395.

11. Балжи М.Ф. Автотракторный инерционный трансформатор крутящего момента Текст. / М.Ф. Балжи. // сб. трудов ЧПИ "Расчет и конструирование машин". Челябинск: ЧПИ, 1957. - Дополнение к выпуску № 10.-С. 36-49.

12. Балжи МФ. Инерционный бесступенчатый трансформатор крутящего момента Текст. М.Ф. Балжи // сб. трудов "Передаточные механизмы", М: Машиностроение, 1966. - С. 327-334.

13. Бесступенчатые коробки передач Текст. / Автомобильная промышленность США. 1981, - №9. - С. 35.

14. Благонравов A.A. Саморегулируемая импульсная бесступенчатая передача Текст. / A.A. Благонравов, В.В. Мишустин, А.М. Стратечук // сб. трудов ЧПИ "Инерционно-импульсные системы", Челябинск: ЧПИ, 1983. -Выпуск № 134 - С. 22-26.

15. Благонравов A.A. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа Текст. / A.A. Благонравов. М.: Машиностроение, 1977.- 144 с.

16. Вирабов Р.В. Тяговые свойства фрикционных передач Текст. / Р.В.

17. Вирабов. М.: Машиностроение, 1982. - 263 с.

18. Владимиров A.B. Дифференциальный зубчатый вариатор нефрикционного типа Текст. / А.В Владимиров, В.А. Лысянский, П.В. Харламов // ВЕСТНИК Ростовского государственного университета путей сообщения. Научно-технический журнал.-2010. №2. - С. 5-8.

19. Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Текст. / А. И. Вольдек 3-е изд., перераб. — Л.: Энергия, 1978. - 832 е., ил.

20. Гавриленко Б.А. Гидродинамические муфты и трансформаторы Текст. / Б.А. Гавриленко, И.Ф. Семичастнов. М.: Машиностроение, 1969. -392 с.

21. Галлаган Дж.М. Бесступенчатая трансмиссия концерна «Ford» Текст. / Дж.М. Галлаган // Автомобильная промышленность США. 1982, -№4.-С. 4.

22. Галлаган Дж.М. Трансмиссия с вариатором Текст. / Дж.М. Галлаган // Автомобильная промышленность США. 1980. - №3. - С. 4-6.

23. Готтесман Г.А. Силовые передачи сегодня и завтра Текст. / Г.А. Готтесман // Автомобильная промышленность США. 1976. - № 10. - С. 3-6.

24. Гришкевич А.И., Брусел Г.Ф., Бутусов В.А. Проектирование трансмиссий автомобилей Текст. / А.И. Гришкевич Г.Ф. Брусел В.А. Бутусов: Справочник Под. общ. ред. А.И. Гришкевича. М.: Машиностроение, 1984. 272 с.

25. Диваков Н.В. Тягово-скоростные и топливно-экономические качества автомобиля с бесступенчатой передачей Текст. / Н.В. Диваков, Р.Ф. Спирин, В.Ю. Лепсиев // Автомобильная промышленность. 1990. - №11. -С 23-27.

26. Дорофеев Д.Г. Бесступенчатые автоматические трансмиссии для легковых автомобилей Текст. / Д.Г. Дорофеев // Автомобильная промышленность. 1996. - №3. - С 36-38; №4. - С 37-40.

27. Дмитриев В.А. Детали машин: Текст. / A.B. Дмитириев Учеб.для втузов. Л.Судостроение, 1970. - 792 с

28. Дмитриев Ф.С. Проектирование редукторов точных приборов Текст. / Ф.С. Дмитриев // Л., «Машиностроение», 1971. 160 с.

29. Есиновский-Маликов Ю.К. Характеристики бесступенчатых механических трансмиссий и область их применения Текст. / Ю.К. Есиновский-Маликов, Д.Г. Поляк, Е.Ф. Волобуев // Сборник научных трудов НАМИ. 1990.-№136. - С. 23-26.

30. Из отчета, подготовленного сотрудниками Центра AT МАИ, к договору по теме: "Разработка Автоматических Трансмиссий для автомобилей класса "С" Электронный ресурс. / режим доступа: http://center-at.ru/pages/mir akpp.html#bezstup

31. Кабанов В.И. Гидропневматика и гидропривод мобильных машин. Лопастные машины и гидродинамические передачи Текст. / В.И. Кабанов. -Мн.: Высшая школа, 1989. 183 с.

32. Кассандрова О.Н. Обработка результатов наблюдений Текст. / О.Н. Кассандрова, В.В. Лебедев. -М: Наука. -1970. -140 с

33. Кирдяшев Ю.Н. Многопоточные передачи дифференциального типа Текст. / Ю.Н. Кидряшев. М.: машиностроение, 1981. - 231 с.

34. Киреев С.О. Структура, кинематика и геометрия планетарных передач с внецентроидным цевочным зацеплением: Монография Текст. / С.О. Киреев, В.Н. Ковалев. Новочеркасск НГТУ, 1995. - 98 с.

35. Крайнев А.Ф. Словарь справочник по механизмам Текст. / А.Ф. Крайнев. М.: Машиностроение, 1987. - 560 с.

36. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин Текст. / С.Н. Кожевников Учеб.пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1969. - 584 с.

37. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин Текст. / С.Н. Кожевников М. : Машиностроение, 1976 784 с.

38. Крамер Г. Математические методы статистики Текст. / Г. Крамер. -2-е изд., стереот. -М.: Изд-во «Мир», 1975.-625с.

39. Крупицкий С.М. К вопросу о внешней динамике автомобиля с инерционной передачей Текст. / С.М. Крупицкий, C.B. Архипов // В сб. трудов ЧПИ "Автомобили, тракторы, двигатели", Челябинск: ЧПИ, 1971 — Выпуск№87.-С. 38-41,

40. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи Текст. / справочник под ред. доекторов техн. наук В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева // Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. 536 с.

41. Кузнецов С.А. Интегральные механизмы индифферентной структуры. Анализ и синтез Текст.: Монография / С.А. Кузнецов, А.Н. Дровников. Южно-Российск. гос. тех. ун-т Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999 -99 с.

42. Кузнецов С.А. Линейно-монадная теория структуры механизмов: Монография Текст. / Новочерк.гос.техн.ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1988. -108 с.

43. Кузнецов С.А. Метод определения коэффициента полезного действия Текст. / С.А. Кузнецов, A.B. Владимиров, Я.А. Лысенко // Изв.вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. 2004. Приложение №2. С.90-95

44. Кузнецов С.А. Структура механизмов Текст.: монография / С.А. Кузнецов. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006 - 79 с.

45. Кузнецов С.А. Прямолинейно огибающие механизмы. Анализ и синтез Текст.: монография / С.А. Кузнецов, В.А. Владимиров. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - 139 с.

46. Лаптев Ю.Н. Автотракторные гидротрансформаторы Текст. / Ю.Н. Лаптев. М: Машиностроение, 1973. - 280 с.

47. Лаптев Ю.Н. Динамика гидромеханических передач Текст. / Ю.Н. Лаптев. М.: Машиностроение, 1983. - 104 с.

48. Леонов А.И. Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента Текст. / А.И. Леонов. М.: Машиностроение. 1978. -224 с.

49. Лифшиц Г.И. Экономичная организация переходных процессов в гидромеханической трансмиссии легкового автомобиля Текст. / Г.И. Лифшиц // Автомобильная промышленность. 1986. - №3. - С. 12-14.

50. Лотоцкий К. В. Электрические машины и основы электропривода Текст. / К. В. Лотоцкий. М.: Изд-во «Колос», 1964. - 495 с

51. Лысянский В.А Определение работоспособности схемы планетарного нагружателя на основе замкнутого силового контура Текст. / В.А. Лысянский // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки 2010. - № 4. С. - 62-64.

52. Мазалов Н.Д. Гидромеханические коробки передач Текст. / Н.Д. Мазалов, С.М. Трусов. М.: Машиностроение, 1971. - 296 с.

53. Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи Текст. / В.Ф. Мальцев. Изд. 3-е перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978. - 307 с.

54. Мартынов В.К. Аналог ременной передачи Текст. / В.К. Мартынов, Б.Я. Выров // Бесступенчато-регулируемые передачи: Межвузовский сборник научных трудов. Ярославль: ЯПИ, 1984. - С. 44-49.

55. Мартыхин Ю.М. Клиноременные вариаторы мототранспортных средств Текст. / Ю.М. Мартыхин // Труды ВНИИМОТОпрома. Серпухов, 1973.-Выпуск№8.-89 с.

56. Механика машин: Учеб.пособие для втузов Текст. / И.И. Вульфсон, М.Л. Ерихов, М.З. Коловский и др.; Под ред. Г.А. Смирнова. -М.: Высш.шк., 1996.-511 с.

57. Нарбут А.Н. Гидротрансформаторы Текст. / А.Н. Нарбут. М.: Машиностроение, 1966. - 216 с.

58. Осепчугов В.В. Автомобиль: Анализ конструкций, элементырасчета Текст. / B.B. Осепчугов, A.K. Фрумкин. М.: Машиностроение, 1989.-304 с.

59. Пат. 2146022. Российская Федерация, МПК 7 F16H 3/44. Вариатор Хамукова Текст. / Хамуков Ю.Х., Озов P.M., Вдовин В.Н.; заявитель и патентообладатель Хамуков Юрий Хабижевич. №99112210/28; заявл. 17.06.1999; опубл. 27.02.2000. - 5 е.: ил

60. Пат. 2313019. Российская Федерация, МШС F16H 29/00. Высокомометный вариатор нефрикционного типа Текст. / Пылаев Б.В.; заявитель и патентообладатель Пылаев Борис Васильевич. №2005140991/11; заявл. 28.12.2005; опубл. 20.12.2007, Бюл. № 35. - 8 е.: ил

61. Передаточные механизмы: Расчет, конструирование, технология производства и эксплуатация механических вариаторов и передач гибкой связью Текст.: Сб. статей / Под ред. Б.А. Пронина. М.: Изд-во машиностроительной литературы, 1963. - 295 с.

62. Передаточные механизмы Текст.: Сб. статей / Под ред. В.Ф. Мальцева. М.: Машиностроение, 1971. - 336 с.

63. Пройкшат А. Шасси автомобиля: Типы приводов Текст. / Под ред.

64. Й. Раймпеля; Пер. с нем. Губы В.И.; Под ред. Миллера A.K. - М.: Машиностроение, 1984. - 191 с.91 89. Прокофьев В.Н. Основы теории гидромеханических передач Текст. / В.Н. Прокофьев. М.: Машгиз, 1957. - 424 с.

65. Пронин Б.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы) Текст. / Б.А.Пронин, Г.А. Ревков. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 320 с.

66. Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач Текст. / В.Ф. Рещиков. М.: Машиностроение, 1975. - 232 с.

67. Решетов Д.Н. Детали машин Текст. / Д.Н. Решетов // Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. -М.: Машиностроение, 1989.- 496 с.

68. Решетов JI.H. Расчет планетарных механизмов Текст. / JI.H. Решетов. М.: Машгиз, 1952.

69. Римский-Корсаков A.B. Электроакустика / A.B. Римский-Корсаков. М.: «Связь», 1973. 272 с.

70. Румшиский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента Текст.: Справочное руководство / JI.3. Румшиский. М.: Наука, 1971.- 192 с.

71. Самарцев С.Б. Надежность трансмиссий автомобилей с ГМП на неустановившихся режимах работы Текст. / С.Б. Самарцев // Автомобильная промышленность. 1984. - №7.-С. 16-18.

72. Светлицкий В.А. Передачи с гибкой связью: Теория и расчет Текст. / В.А. Светлицкий. -М.: Машиностроение, 1967. 156 с.

73. Селифонов В.В. Конструкции бесступенчатых передач Текст. 7

74. В.В.Селифонов, О.И Гируцкий., A.B. Астапенко. М.: МГААТМ, 1996. - 64 с.

75. Сергеев JI.B. Гидромеханические трансмиссии быстроходных гусеничных машин Текст. / Л.В. Сергеев, В.В. Кадобнов. М.: Машиностроение, 1980.-200 с.

76. Теория механизмов. Под ред. В.А. Гавриленко Текст. / Учеб.пособие для втузов. М.: «Высшая школа», 1973. 511 с.

77. Теория механизмов и механика машин: учеб. для втузов Текст. / К.В. Фролов, С.А, Попов, А.К. Мусатов и др.; Под ред. К.В. Фролова. М.: Высш.шк., 2001.-496с.

78. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента (при проведении исследований в легкой и текстильной промышленности) Текст. / В.Б. Тихомиров. М.: «Легкая индустрия», 1974. - 262 с.

79. Трусов С.М. Автомобильные гидротрансформаторы Текст. / С.М. Трусов. М.: Машиностроение, 1977. - 271 с.

80. Умняшкин В.А. Автоматическая гидромеханическая передача для легковых автомобилей малого класса Текст. / В.А. Умняшкин, A.C. Кондрашкин // Автомобильная промышленность. 1983. — № 11. - С. 16-19.

81. Умняшкин В.А. Применение бесступенчатого привода на мотоциклах Текст. / В.А. Умняшкин, В.И. Макаров // Передаточные механизмы: Сб. статей под ред. В.Ф. Мальцева. М.: Машиностроение, 1966.-С. 114-121.

82. Умняшкин В.А. Динамика инерционного трансформатора крутящего момента с центробежным аккумулятором энергии Текст. / В.А. Умняшкин // Известия вузов. Машиностроение. 1966. -№ 4 - С. 97-102.

83. Умняшкин В.А. Экспериментальные исследования инерционно-импульсных передач в приводе мотоцикла Текст. / В.А. Умняшкин, И.Ф. Сорока, Б.Н. Дмитриев // сб. "Механические передачи". Ижевск: ИМИ, 1973. - Выпуск №5. - С. 125-126

84. Фаробин Я.Е. Фрикционные передачи автомобилей и тракторов Текст. /Я.Е. Фаробин. М.: Машгиз, 1962-163 с.

85. Фурдуев В.В. Электроакустика Текст. / В.В. Фурдуев M.-JI.: Гостехиздат, 1948. 515 с.

86. Фрумкин К.А. Развитие гидрообъемных передач для автомобилей Текст. / К.А. Фрумкин, Р.Г. Армадеров, Д.Д. Ладыгин // Серия «Автомобилестроение». -М: ЫИИНавтопром, 1967. 93 с.

87. Цитович И.С. Трансмиссии автомобилей Текст. / И.С. Цитович, И.В. Каноник, В.А. Вавулов. Минск: Наука и техника, 1979. - 256 с.

88. Харитонов С.А. Автоматические коробки передач Текст. / С.А. Харитонов. М.: ООО «Издательство Астрель», 2003. - 335 с.

89. Чередниченко Ю.И. Испытания автомобильных гидромеханических передач Текст. / Ю.И. Чередниченко. М.: Машиностроение, 1969. -220 с.

90. Чередниченко Ю.И. Научные основы и практика совершенствования гидромеханической передачи автомобиля Текст.: Автореф. д-ра. техн. наук. М.: МАДИ, 1984. - 34 с.

91. Шарипов В.М. Конструирование и расчет тракторов Текст. / В.М. Шарипов. М.: Машиностроение, 2004. - 592 с.

92. Широченко В. А. Разработка рекомендаций по выбору характеристик и параметров элементов системы автоматического управления переключением передач колесного трактора Текст.: Автореф . канд. техн. наук. М.: НАТИ.1986 - 17 с.

93. Эскин И.Ю. Механизмы для обработки криволинейного контура, обеспечивающие заданную ориентацию инструмента и детали Текст. / И.Ю. Эскин, И.О. Зак // ЦНИИТЭИлегпищемаш, М.: 1970. 37 с.

94. Юдин В.А., Петрокас Л.В. Теория механизмов и машин: Учеб.пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1977. - 527 с.