автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Синтез схем многоскоростных комбинированных коробок передач с неподвижными и подвижными осями зубчатых колес

На правах рукописи

Саламандра Константин Борисович

СИНТЕЗ СХЕМ МНОГОСКОРОСТНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ С НЕПОДВИЖНЫМИ И ПОДВИЖНЫМИ ОСЯМИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з коя 20.3

Москва-2009

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Институте Машиноведения им. A.A. Благонравова РАН (ИМАШ РАН)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

- доктор технических наук, профессор

доктор технических наук Асташев Владимир Константинович

Тимофеев Геннадий Алексеевич Невенчанная Татьяна Олеговна

Ведущая организация: ОАО «АВТОВАЗ»

Защита диссертации состоится « 03 » декабря 2009 г., в четверг, в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д002.059.02 при Учреждении Российской Академии Наук Институте машиноведения им А. А. Благонравова РАН (ИМАШ РАН) по адресу: 101990, г. Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН по адресу: г. Москва, ул. Бардина, д. 4, тел. (499)135-55-16

Электронная копия автореферата находится в Интернете на сайте www.imash.ru.

Автореферат разослан « 02 » ноября 2009 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять на имя ученого секретаря Диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д002.059.02 доктор технических наук, профессор

Б.И. Павлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из современных тенденций в машиностроении является повышение экономичности и экологичное™ используемых приводов. Кроме улучшения показателей самих приводов их эффективность повышают обеспечением работы на экономичных режимах. Скорости привода и конечного устройства согласовывают с помощью выбора подходящего передаточного отношения в коробке передач. Обеспечить широкий диапазон изменения скорости конечного устройства при постоянном режиме работы привода можно, имея достаточно большое количество ступеней в коробке передач. Преследуя упомянутые дели в автомобилестроении, например, недавно начали применять коробки передач, имеющие 5-6 ступеней переднего хода, вместо 4-х - 5-ти ступенчатых, а в настоящее время уже начато внедрение 7-ми и 8-ми ступенчатых коробок передач. Увеличение количества ступеней в традиционных схемах многоскоростных передач приводит к увеличению габаритных размеров и массы конструкции.

Объектом исследования являются схемы многоскоростных коробок передач с большим количеством ступеней. К ним относятся:

1. Комбинированные коробки передач, состоящие из совокупности простых рядовых механизмов и одного планетарного. В таких схемах мощность на выходное звено передается двумя потоками, что наряду с увеличением количества ступеней позволяет уменьшить нагрузки на внутренние механизмы коробки передач.

2. Модульные коробки передач, увеличение количества ступеней в которых достигается последовательным присоединением однотипных по структуре модулей.

Целыо диссертационной работы является разработка методов структурного (по количеству требуемых ступеней) и параметрического (по заданному ряду передаточных отношений) синтеза схем указанных классов многоскоростных механизмов и их сравнение с традиционными схемами по результатам статического анализа.

Для достижения обозначенной цели работы были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. Синтез и анализ возможных структурных схем комбинированных двухпоточных коробок передач.

2. Выявление возможных режимов работы двухпоточных коробок передач и определение максимального количества реализуемых ступеней.

3. Сравнение двухпоточных схем с традиционными преселективными и планетарными схемами многоскоростных коробок передач по числу управляющих элементов и передаваемым моментам.

4. Выявление кинематических условий возникновения циркуляции силового потока в двухпоточных коробках передач.

5. Формирование вариантов кинематических схем двухпоточных коробок передач по синтезированным структурным схемам.

6. Разработка метода параметрического синтеза двухпоточных схем коробок передач по критерию близости заданного и получаемого ряда передаточных отношений.

7. Разработка метода параметрического синтеза модульных коробок передач, выполняющих геометрический ряд передаточных отношений, на основе аналогии с позиционной системой счисления.

Научная новизна работы:

1. Разработаны методы структурного и параметрического синтеза двухпоточных и модульных схем коробок передач с большим количеством ступеней, применяя которые найдены новые схемы двухпоточных многоскоростных коробок передач.

2. Для увеличения количества ступеней переднего хода в двухпоточных коробках передач предложено использовать механизм заднего хода.

3. Перспективность схем коробок передач с точки зрения увеличения количества ступеней предложено оценивать введенным в работе критерием «цены» по управлению, показывающим количество добавляемых муфт, необходимых для получения одной дополнительной ступени в коробке передач.

Практическая ценность выполненной работы заключается в создании методов, которые могут быть использованы для синтеза кинематических схем двухпоточных и модульных коробок передач.

Достоверность результатов представленных в диссертации подтверждается использованием известных теоретических положений фундаментальных наук (теоретической механики, физики, вычислительной математики и др.) и сопоставлением с результатами исследований других авторов.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XIX Международной Интернет-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2007), а также на ежемесячном семинаре молодых ученых и студентов (МЕСМУС) в ИМАШ РАН.

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликованы 5 научных

работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, содержащего 111 источников.

На защиту выносится:

1. Методика структурного синтеза двухпоточных коробок передач, их возможные режимы работы и расчет количества ступеней.

2. Методика синтеза кинематических схем двухпоточных коробок передач по структурным схемам.

3. Методика параметрического синтеза двухпоточных коробок передач.

4. Методика расчета двухпоточных схем коробок передач с использованием механизма заднего хода для получения ступеней вперед.

5. Метод синтеза модульных схем коробок передач.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечены современные тенденции увеличения количества ступеней в коробках передач, связанные с необходимостью повышения эффективности систем приводов. Даны определения основным понятиям, характеризующим зубчатые коробки передач.

В первой главе проведен обзор современных методов синтеза кинематических схем коробок передач и выделяются наиболее характерные направления развития в построении схем. Современные многоскоростные зубчатые передачи по виду применяемых механизмов можно разделить на два типа: с неподвижными осями валов и планетарные.

Одной из последних достижений в синтезе схем коробок передач с неподвижными осями валов является преселективная схема, имеющая разветвленную

конструкцию и позволяющая переключать ступени в ненагруженной ветви - таким образом подготовить следующую ступень до ее включения. Условно преселективную коробку передач можно разделить на две внутренние коробки передач, за поочередное соединение которых с валом привода отвечают две многодисковые фрикционные муфты, расположенные на входном звене коробки.

Среди преимуществ преселективных коробок передач по сравнению с планетарными коробками следует отметить их более высокий КПД, меньшую массу, габаритные размеры и малое время переключения ступеней. Недостатками преселективных коробок передач являются ограничение максимального передаваемого момента из-за меньшего диапазона выполняемого передаточного отношения, большего числа муфт, приходящихся на одну ступень, и более высокая стоимость.

Методы синтеза схем планетарных коробок передач активно разрабатывались в нашей стране. Следует отметить работы A.C. Антонова, А.Д. Вашеца, Д.П. Волкова, А.Н. Иванова, П.Н. Иванченко, Ю.Н. Кирдяшева, А.Ф. Крайнева, В.И. Красненькова, М.А. Крейнеса, М.К. Кристи, В.Н. Кудрявцева, М.В. Нагайцева, В.Н. Прокофьева, JI.H. Решетова, С.А. Харитонова, В.Б. Шеломова и др. Но, как показал проведенный анализ технической и патентной литературы и ряда зарубежных источников, все новые современные кинематические схемы планетарных коробок передач получены комбинированием различных известных и технологически отработанных схем. Анализ также показал, что традиционные планетарные коробки передач достигли своего «насыщения» в смысле увеличения количества ступеней. Каждая дополнительная ступень приводит, как правило, к увеличению числа планетарных механизмов, что в свою очередь ухудшает массогабаритные характеристики коробки передач.

Исходя из проведенного анализа, сделан вывод о том, что два отмеченных направления в конструировании коробок передач не удовлетворяют необходимости увеличения количества ступеней.

В качестве критериев оценки известных и новых схем коробок передач приняты величины моментов, передаваемые элементами управления и соотношение между числом муфт и количеством ступеней, реализуемых коробкой передач. Отношение числа муфт к количеству ступеней определяет некоторую «цену», которую приходится «платить» за увеличение количества ступеней в коробке передач.

Во второй главе анализируются известные структурные схемы планетарных и преселективных коробок передач и синтезируются новые структурные схемы двухпоточных коробок передач.

Преселективные коробки передач достаточно просты и допускают увеличение количества ступеней за счет добавления зубчатой пары с управляемой муфтой без существенного изменения габаритных размеров и массы. Однако в них весь силовой поток проходит по одной ветви. В планетарных коробках передач за счет возникновения замкнутых контуров имеются две параллельно работающих ветви, что позволяет уменьшить нагрузки на внутренние звенья, но в силу своей сложности планетарные коробки передач ограничены по увеличению количества ступеней.

Для увеличения количества ступеней представляется целесообразным построить многоскоростную коробку передач в виде дифференциала с замкнутым контуром, в двух ветвях которого установлены механизмы изменения передаточного отношения. Такая структура многоскоростных коробок передач названа двухпоточной.

При анализе известных и синтезе новых двухпоточных схем использован метод обобщенных структурных схем в виде, описанном Д.П. Волковым и А.Ф. Крайневым'.

1 Волков Д.П., Крайнев А.Ф. Планетарные, волновые и комбинированные передачи строительных и дорожных машин. М„ «Машиностроение», 1968.

Механизмы, имеющие два звена и одну степень свободы, представляются на структурных схемах обобщенным двузвенным механизмом в (рис. 1, а). Под это понятие подходят все механизмы с неподвижными осями вращения. Механизмы типа в могут соединяться последовательным подключением, образуя при этом единый механизм того же типа в. Кинематические схемы, которые составлены из механизмов типа О, имеют включающие эти механизмы муфты и таким образом обеспечивают несколько передаточных отношений, будем обозначать внутренними коробками передач ОВ и той же обобщенной схемой рис. I, а. Любой планетарный механизм или схему, составленную только из планетарных механизмов, можно обозначить одним обобщенным трехзвенным механизмом {рис. 1, б). Далее обобщенные трехзвенные механизмы О будем называть дифференциалами.

а б

Рис. ]. Схемы обобщенных механизмов: а-с одной степенью свободы; б-с двумя

степенями свободы

Благодаря собственным свойствам, дифференциал в общем виде может иметь три возможных режима работы:

1. При остановке одного из трех звеньев механизм работает как редуктор.

2. При соединении двух звеньев механизм блокируется и вращается как единое целое с передаточным отношением, равным 1.

3. При передаче движения на два различных звена суммирует их на третьем звене.

Анализируя возможные варианты схем, содержащих две внутренние коробки передач GB (основные элементы преселективной коробки передач) и один дифференциал D (элемент планетарной коробки передач), с различным расположением дифференциала в цепи передачи движения и учитывая все режимы его работы, были синтезированы две принципиальные структурные схемы двухпоточных коробок передач (рис. 2). Схемы различаются лишь местами расположения входных и выходных звеньев и этими расположениями определяют дифференциал как суммирующий (рис. 2, а) или распределяющий (рис. 2, б) механизм. Каждая муфта, показанная на рис. 2, отвечает за один из возможных режимов работы дифференциала, указанных выше, и, соответственно, режим работы коробки передач.

Если включена только одна из муфт cl, с2 или сЗ, то двухпоточная коробка передач работает в однопоточном режиме. Если все муфты выключены или включена одна из муфт с4 или с5, то коробка передач работает в двухпоточном режиме. При одновременном включении сЗ и одной из муфт с4 или с5 имеет место прямая передача.

Общее количество ступеней, которые может реализовать двухпоточная коробка передач, можно оценить по количеству режимов работы дифференциала по отношению к каждой внутренней коробке. Как видно из представленных схем, выходная скорость каждой из внутренних коробок GBl и GB2 преобразуется на дифференциале с различным передаточным отношением в зависимости от режима его работы.

Если количество ступеней во внутренних коробках передач GBl и GB2 обозначить соответственно через ^gbi ^ число режимов, на которых

дифференциал работает совместно с GBl и GB2 через 1 (I <3), а число независимых режимов работы дифференциала (без участия GBl и GB2) через /D (/D <3), то общее количество N выполняемых двухпоточной коробкой передач ступеней определится соотношением:

N ~ NCB) ■ NQm + l-{NG5[+NQm)+lD (1)

а б

Рис. 2. Синтезированные структурные схемы двухпоточных коробок передач: а-с дифференциалом, суммирующим силовые потоки; б-с дифференциалом, распределяющим силовые потоки. I, О - входное и выходное звенья соответственно; GB1, GB2 - внутренние коробки передач, каждая из которых имеет свое количество ступеней; n, m - звенья дифференциала D; cl, с2 -муфты, останавливающие звенья п и m дифференциала D;

сЗ - блокировочная муфта, соединяющая звенья тип механизма D для работы с передаточным отношением равным 1; с4, с5 -муфты, обеспечивающие независимые режимы работы дифференциала D.

Из (1) видно, что двухпоточные коробки передач допускают увеличение числа ступеней с малой «ценой». Действительно, если в одну из внутренних коробок передач, например GBl, добавить одну дополнительную ступень с управляемой муфтой, то общее число ступеней двухпоточной коробки передач возрастет на &N = NCB2 + /, т.е. «цена» за эти дополнительные возможности составит всего l/(/V0B2+/). Отметим здесь, что в любой преселективной коробке передач N = NCBt + NGB2, и для добавления одной дополнительной ступени необходимо добавить одну дополнительную муфту. Т.е. «цена», которую необходимо «заплатить» за каждую дополнительную ступень, всегда равна 1. По этому показателю двухпоточные коробки передач существенно лучше, чем преселективные и планетарные, и уступают только модульным, рассмотренным в шестой главе работы.

Из статического анализа двухпоточных коробок передач наиболее важным является определение кинематических условий отсутствия циркуляции силового потока. Как показывают исследования планетарных коробок передач, далеко не всегда удается избежать этого явления при возникновении замкнутых контуров, что приводит к перегрузке внутренних механизмов и муфт. Для получения условий отсутствия циркуляции воспользуемся теорией силового потока, разработанной A.C. Антоновым2,

2 Антонов A.C. Комплексные силовые передачи: Теория силового потока и расчет передаваемых систем. -Л.: Машиностроение, 1981.

в соответствие с которой силовои поток, проходящии через звено контура, предлагается оценивать мощностным фактором, определяемым произведением угловой скорости звена на момент этого звена. Силовой поток считается положительным, если направления скорости и момента совпадают, и отрицательным, если не совпадают. Свойства силового потока:

a) Силовые потоки на входе и на выходе замкнутого контура всегда одинаковы по величине и направлению.

b) Сумма силовых потоков, проходящих по двум ветвям замкнутого контура, равна силовому потоку на входе в замкнутый контур.

В соответствии с этими свойствами рассмотрим синтезированные структурные схемы двухпоточных коробок передач. Пусть во внутренней коробке передач GBl работает механизм Gl и реализуется некоторое передаточное отношение iG], тоже для GB2 - работает G2 и реализуется передаточное отношение iG2. Рассчитанные силовые потоки для рассматриваемых двухпоточных схем (рис. 2) представлены на рис. 3.

СО,

Т

Я- — '» I

Т i "

1 О 0.1

со.

'С2

ТА, mo.),Jr.

I In О G2

D

G2

ш

-Ш-

TA, nL

I Im Gl 0

О

T.ico

l'^O

Рис. 3. Определение силовых потоков, проходящих через звенья структурных схем одноконтурного соединения: а - дифференциал Э расположен на выходе; б -дифференциал И расположен на входе. I, О - входное и выходное звенья соответственно; ш, п - звенья дифференциала Б; /0, ,/02 - передаточное отношение механизмов и 02 с одной степенью свободы

ч . П . П. ■ П . 1П

соответственно; I - передаточное отношение всего механизма; ;0п, ,;0п ,/||л , / 1п -передаточные отношения от звеньев, обозначенных индексами слева направо, при соответствующем, обозначенном сверху, остановленном третьем звене; Т,со -соответственно момент и угловая скорость звена, обозначенного индексом.

Не приводя промежуточных преобразований, свойство Ь) для схем с суммирующим (рис. 3, а) и распределяющим (рис. 3, б) дифференциалом формализуется, соответственно, равенствами (2) и (3):

- + !•

- = 1

'Gl п .

'г.,

g2 "im

= 1

(2)

(3)

I I

Циркуляция силового потока отсутствует, если каждое из слагаемых в выражениях (2) и (3) меньше 1. Таким образом, кинематические условия отсутствия циркуляции силового потока имеют вид для схемы рис. 3, а:

О < < 1 ; 0 < /¿¡2— < 1 (4)

'gi 'C2

для схемы рис. 3, б:

П . . 111 .

/ I

Если одно из приведенных условий не выполняется, т.е. одно из слагаемых в выражениях (2) или (3) станет больше 1, то второе слагаемое обязательно окажется отрицательным. В последнем и заключается циркуляция силового потока в замкнутых контурах.

Таким образом, циркуляция силового потока - это явление, при котором в одной ветви образуемого дифференциальным механизмом замкнутого контура имеет место силовой поток, величина которого больше величины силового потока, поданного на вход контура. Причинами возникновения циркуляции являются несогласованность направлений вращения и неправильный выбор передаточных отношений внутренних механизмов, входящих в состав замкнутого контура.

Анализируя полученные неравенства (4) и (5) для обеих замкнутых схем (рис. 3), можно сказать, что в синтезированных структурных схемах (рис. 2) двухпоточных коробок передач циркуляция силового потока не возникнет, если на двухпоточных режимах будут использоваться механизмы только с отрицательными, либо только с положительными внутренними передаточными отношениями.

Подставляя в структурную схему двухпоточной коробки передач схемы отдельных механизмов, можно получать схемы коробок передач, обладающие теми же свойствами, что и структурные.

Приведем пример синтеза схемы 8-ми ступенчатой двухпоточной коробки передач с суммирующим дифференциалом по структурной схеме рис. 2, а. Пусть внутренние коробки передач GBl и GB2 имеют одинаковое количество ступеней Ncв| = Ncш =2 и независимые режимы работы дифференциала использовать не предполагается (/D=0). Тогда из формулы (1) следует, что для получения 8-ми ступенчатой коробки передач необходимо обеспечить / = 1. В этом случае конструктор может выбрать какие муфты оставить в синтезируемой кинематической схеме:

a) только муфту сЗ блокировки дифференциала;

b) только муфты cl и с2, обеспечивающие остановку одного из звеньев дифференциала;

Не останавливаясь подробно на этом выборе, представим, что конструктор остановился на варианте Ь). Если внутренние механизмы коробок передач GBl и GB2 имеют отрицательные передаточные отношения, то для однонаправленного вращения входного и выходного валов необходимо в каждую ветвь схемы добавить еще по одному механизму с отрицательным внутренним передаточным отношением.

За исключением машин специального назначения (катки, погрузчики), в которых количество ступеней переднего хода зачастую совпадает с количеством ступеней заднего, в большинстве остальных необходима только одна передача заднего хода, разместим ее внутри внутренней коробки передач GBl. Схема синтезированной двухпоточной коробки передач представлена на рис. 4.

По такому же алгоритму получена схема 12-ти ступенчатой коробки передач с дифференциальным распределяющим механизмом (рис. 5).

GB2

GBl

Рис. 4. Структурная схема 8-и ступенчатой двухпоточной коробки передач с суммирующим дифференциальным механизмом. 1,0- входное и выходное звенья соответственно; с1, с2 - муфты, останавливающие соответственно звенья пит дифференциального механизма И; сЗ, с4 и с5, сб -управляющие муфты ступеней переднего хода внутренних коробок передач ИЗ 1 и ОВ2 соответственно; с 7 - муфта передачи заднего хода.

GB2

GBl

Рис. 5. Структурная схема 12-и ступенчатой двухпоточной коробки передач с распределяющим дифференциальным механизмом. I, О - входное и выходное звенья соответственно; cl, с2 -муфты, останавливающие соответственно звенья п и m дифференцначьного механизма D; сЗ - блокировочная

муфта, соединяющая звенья т и п механизма D для работы с передаточным отношением равным 1\ с4, с5 и сб, с7-управляющие муфты ступеней переднего хода внутренних коробок передач GBl и GB2 соответственно; с8 - муфта передачи

заднего хода.

Если в качестве дифференциала О использовать однорядный планетарный механизм, а в качестве механизмов О рядовые передачи, то структурную схему рис. 5 можно представить в виде коробки передач, кинематическая схема которой изображена на рис. 6.

I)

I----1

sffnl 1 |\ 1 pLL _ GB2 _ г llfib!,JP* Р* ! _ -QI3J Li®j [j* fcr.

Рг Щ 1 3LJ ¡fHÜFI 1 р'Чн ! 1 1 т О

1 1/7 L 1 1 1 1 1 1 j ¡5 /4

Рис. 6. Кинематическая схема ¡2-й ступенчатой двухпоточной коробки передач с дифференциальным распределяющим механизмом. I, О - входное и выходное звенья соответственно; cl, с2 -муфты, останавливающие соответственно звенья пит планетарного механизма D; сЗ - муфта, соединяющая звенья ш и п механизма D для его блокировки и работы с передаточным отношением, равным 1; с4, с5 и сб, с7-управляющие муфты ступеней переднего хода внутренних коробок передач GB1 и GB2 соответственно; с8 - муфта передачи заднего хода; /D

- передаточное отношение дифференциала от солнечного колеса к эпициклу при остановленном водиле; i4 J5 и ¡6,/7 - внутренние передаточные отношения коробок

GBl и Gm.

Отметим, что синтез кинематической схемы многоскоростной коробки передач по структурной схеме отличается большим разнообразием решений и в значительной степени определяется будущей компоновкой трансмиссии.

В третьей главе проводится статический анализ синтезированных двухпоточных схем коробок передач. Основным критерием оценки рациональности схемы коробки передач в данной работе приняты величины моментов на управляющих элементах (муфтах). Это обусловлено тем, что муфты являются наиболее сложным устройством, а моменты на муфтах определяют их габаритные размеры, массу, надежность и ресурс работы. Для сравнения в качестве примеров рассчитаны также две известные схемы коробок передач - преселективная и планетарная, имеющие соответственно 6 и 8 ступеней. Эти схемы уже широко используются в практике и отражают современный уровень техники. Результаты статического анализа синтезированных во второй главе двухпоточных схем показывают, что величины моментов, действующих на муфты, меньше по сравнению с классическими схемами. А сложность и массогабаритные характеристики двухпоточных коробок передач с ростом числа ступеней изменяются незначительно.

В четвертой главе решена задача нахождения внутренних передаточных отношений механизмов, входящих в состав двухпоточных коробок передач, при заданном ряде передаточных отношений коробки. Суть параметрического метода синтеза двухпоточных коробок передач состоит в определении внутренних передаточных отношений дифференциала D и механизмов G3 - G7 коробок передач

GBl, GB2, обеспечивающих заданный или близкий к заданному ряду ак передаточных отношений /ю:

ak=al,a2,...,ak; k = N (6)

где индекс при а обозначает номер ступени коробки передач.

В отношении двухпоточных коробок передач следует выделить две следующие важные особенности, обуславливающие последовательность выполнения этапов синтеза.

1. Ряд ак упорядочен. Величины его членов при движении в сторону увеличения к уменьшаются по модулю, что обусловлено уменьшением передаточного отношения коробки при переходе с низшей ступени на высшую. На каких-то местах ряда ак находятся передаточные отношения однопоточных режимов, на остальных - двухпоточных. В общем случае неизвестно, какие места в ряду ак занимают однопоточные режимы. В зависимости от того, как будут размещены однопоточные и двухпоточные режимы в убывающем ряду ак, будем говорить о структуре ряда ак. Методика анализа и выделения возможных структур ряда проводится на основании исследования системы неравенств, связывающих различные передаточные отношения.

2. Для двухпоточных коробок передач не все передаточные отношения ряда flt являются независимыми. Это следует из табл. 1, куда сведены общие формулы расчета передаточных отношений возможных режимов работы двухпоточной коробки передач. Независимыми являются только NGm значений передаточных отношений ;С0, и Ncm значений /СВ2, получаемые при блокировке дифференциала муфтой сЗ. Если все эти передаточные отношения известны, то после определения также независимого передаточного отношения дифференциала (для схемы рис. 2, а Ю = -/¿"„До,,, ; для схемы рис. 2, б Я) = -iZhl« )> однозначно определятся все передаточные отношения однопоточных режимов, использующих дифференциал как редуктор, а также все передаточные отношения двухпоточных режимов. Таким образом, среди к = N членов ряда (6) независимыми являются только Ncm +NaB2 членов. Количество параметров, определяющих все члены ряда ак с учетом передаточного отношения дифференциала D, равно: JVGB1 + JVGB2 +1. Задача синтеза двухпоточной коробки передач заключается в определении значений этих параметров.

Важно отметить, что выявленные связи между передаточными отношениями, указанными в табл. 1, обусловлены структурой двухпоточной коробки, отраженной в ее схеме (рис. 2). В практике возможны конструктивные связи, налагаемые, например, на суммы чисел зубьев пар колес, установленных на параллельных валах. В таких случаях число связей между передаточными отношениями увеличивается, а число независимых переменных соответственно уменьшается.

Возможны также случаи, когда внутренние коробки передач .GBl или GB2 связывают с дифференциалом D через пары зубчатых колес. Тогда передаточные отношения этих пар становятся свободными переменными, определяющими некоторое множество решений, и задачей синтеза является нахождение этого множества. Выбор конкретного решения из данного множества конструктор может осуществить,

например, из требования уменьшения осевых или радиальных габаритных размеров коробки передач в целом.

____Таблица 1.

Вид режима Включены муфты, показанные на структурных схемах (рис. 2) Состояние дифференциала Формула расчета передаточного отношения

для схемы рис. 2, а для схемы рис. 2, б

Однопоточный сЗ заблокирован 'gbi ! 'св2 'gbi > 'ов2

с1 редуктор 'gui 'Ол 'obi ' 'lin

с2 'gb2 'On сэ2 'In

с2, с4 •m 'nO 'in

с1,с5 Г 'mO 'in

Двухпоточный сумматор 1 i" Г 'От + On 'gbi 'gb2 'gbi "'im +'gB2 "'in

с4 1 i" J. i-m On 'gbi 'GBI 'lin T'ln

с5 1 ■m 'Om T . !gb2 /" +i ■im 'lm T GB2 'in

Как правило, ряд ак назначается исходя из требований, предъявляемых ко всей трансмиссии, и не отражает зависимостей между членами ряда, диктуемыми структурой коробки передач, проанализированными выше и показанными в табл. 1. Поэтому нельзя ожидать, что параметры двухпоточной коробки передач будут удовлетворять заданному ряду (6). Т.к. ряд ак обычно допускает некоторые отклонения, можно определить некоторый другой ряд ЬЛ, близкий к а,, но состоящий из передаточных отношений ступеней, реализуемых двухпоточной коробкой передач.

Задача синтеза разделяется на два последовательных этапа:

1. Определение возможных вариантов структур ряда передаточных отношений, которые может выполнять коробка передач. Структура ряда определяется местом расположения однопоточных передаточных отношений ступеней во всем ряду передаточных отношений двухпоточной коробки передач.

2. В пределах каждого структурного ряда выявление наиболее близкого к (б) ряда передаточных отношений за счет изменения независимых

Л^0В| + Л^С02 +1 внутренних передаточных отношений двухпоточной коробки передач.

Близость рядов передаточных отношений можно оценивать различными критериями. Будем искать минимум суммы квадратов относительных отклонений ряда Ък от ряда ак:

\ 2

а, -Ь,

(7)

После того, как найден ряд Ьк, при котором значение функции ^ минимально, для уточнения полученных значений и выравнивания максимальных и минимальных отклонений относительно их средней величины будем использовать критерий минимума ^ максимального отклонения:

= шах

а,

(8)

При этом в качестве начальных значений независимых переменных принимаются значения, соответствующие минимуму функции (7).

Работоспособность и эффективность описанной методики параметрического синтеза показана на примерах синтезированных во второй главе схемах двухпоточных коробок передач.

Для схемы с дифференциалом, суммирующим силовые потоки (рис. 4) было получено 8 вариантов возможных структур ряда. Все они были оптимизированы по (7) и (8). Ряд передаточных отношений, наиболее близкий из полученных восьми вариантов к заданному ряду3, приведен в табл. 2.

Таблица 2.

№ ступени Заданный ряд Полученный ряд Отклонение от заданной величины в % Состояние муфт

с1 с2 сЗ с4 с5 сб

1 4,700 4,533 3,55 X X

2 3,133 2,973 5,11 X X

3 2,143 2,103 1,87 X X

4 1,700 1,796 5,65 X X

5 1,298 1,232 5,08 X X

6 1,000 0,963 3,70 X X

7 0,839 0,794 5,36 X X

8 0,667 0,660 1,05 X X

Найденное при этом множество значений внутренних передаточных отношений 03, 04, 05, 06 и О двухпоточной коробки передач приведены на рис. 7, а в виде диаграммы. Передаточные отношения т и /т механизмов вт и Оп являются свободными переменными, которые можно выбрать в соответствии с конструктивными соображениями. Функции ;6 = /(;п,/т) и соответствующая ей Ш = /, (т, ;'т) представляют собой некоторую трехмерную поверхность. Отображение этой поверхности плоскими кривыми на графиках выполнено ее сечениями при т = -0,3; -0,5; -1,0; -1,5; -2,0; -2,5; -3,0.

3 Патент УО 2006/074707. МиШвреее! Тгэпбпжзюп. 20.07.2006.

Рис. 7. Зависимость внутренних параметров схемы рис. 4 от г'п и гш, в соответствии с которой обеспечивается заданный ряд передаточных отношений коробки передач: а - представленный в табл. 2; б - представленный в табл. 4.

Если, например, конструктор, исходя из массогабаритных характеристик коробки передач, выбирает значения !'т = -0,6 и /п = -1,5, то внутренние передаточные отношения, как показано на диаграмме, должны быть /6 = -0,426; /0 = -1,979; 15 = -1,317; ¡4 = -1Д77; ¿3 = -2,536.

Для 12-ти ступенчатой двухпоточной коробки передач (рис. 5 и 6) с распределительным дифференциалом было получено 46 вариантов структур ряда передаточных отношений. Ряд передаточных отношений, наиболее близкий в смысле (7) и (8) к заданному ряду (геометрический ряд с шагом 1,2 и первым членом, равным 3) приведен в табл. 3.

Таблица 3.

№ ступени Заданный ряд Полученный ряд Отклонение от заданной величины в % Состояние му( >т

с1 с2 сЗ с4 с5 сб с7

1 3,000 2,997 0,1 X X

2 2,500 2,333 6.68 X X

3 2,083 2,128 2,14 X X

4 1,736 1,798 3,56 X X

5 1,447 1,339 7,45 X X

6 1,206 1,121 7,02 X X

7 1,005 0,977 2,76 X X

8 0,837 0,916 9,41 X X

9 0,698 0,826 18,39 X X

10 0,581 0,586 0,79 X X

И 0,485 0,535 10,42 X X

12 0,404 0,330 18,27 X X

В данной схеме нет свободных параметров, а полученный оптимальный ряд выполняется двухпоточной коробкой передач при следующих значениях внутренних передаточных отношений: /6 = -2,997; /4 = -1,339; П = -0,977; ¡5 = -0,826; Л) = -1,5.

В пятой главе с помощью изложенных в работе методик параметрического синтеза и статического анализа проведено исследование двухпоточной коробки передач с суммирующим планетарным механизмом (рис. 4), в которой механизм заднего хода ОЯ с положительным передаточным отношением используется для получения ступеней переднего хода. Это осуществляется включением механизма 011 совместно с одним из механизмов в5 или 06 внутренней коробки передач ОВ2 (двухпоточный режим). Такое применение механизма заднего хода позволяет увеличить количество ступеней в двухпоточной коробке передач без изменения ее схемы. В данном случае исходная схема двухпоточной коробки, имеющая 8 ступеней переднего хода, за счет использования механизма заднего хода стала иметь 10 ступеней вперед.

Однако при использовании механизма заднего хода для движения вперед возникает циркуляция силового потока (условие (4) не выполняется) Это увеличение нагрузки из-за циркуляции является «платой» за увеличение количества ступеней вперед.

Для схемы рис. 4 с использованием механизма заднего хода для движения вперед было получено 72 возможных структуры ряда передаточных отношений.

Результаты параметрического синтеза 10-ти ступенчатой коробки передач приведены в табл. 4 и на рис. 7 б.

______Таблица 4.

№ ступени Заданный ряд Полученный ряд Отклонение от заданной величины в % Состояние муфт

с1 с2 сЗ с4 с5 сб с7

1 5,000 4,885 2,3 X X

2 3,125 3,110 0,5 X X

3 2,232 2,103 5,8 X X

4 1,860 1,751 5,9 X X

5 1,550 1,490 3,9 X X

6 1,292 1,255 2,9 X X

7 1,076 1,061 1,4 X X

8 0,897 0,956 6,6 X X

9 0,748 0,791 5,7 X X

10 0,623 0,661 6,1 X X

Передаточное отношение передачи заднего хода -3,693 X X

Если, например, конструктор выбирает значения :'т = -1,0 и т = -1,5, то внутренние передаточные отношения, как показано на диаграмме рис. 7, б, должны быть ¿6 = -0,448; Я) = -1,725; ¡5 = -0,887 ; ¿4 = -0,643; ¿3 = -1,141; ¿Я = 1,355.

Статический анализ двухпоточной коробки передач при найденных параметрах рис. 7, б показал, что на всех ступенях моменты на муфтах не превышают момента на выходном звене. Это касается также первой и пятой ступеней, на которых имеет место циркуляция силового потока вследствие разнонаправленного вращения звеньев параллельных ветвей рассматриваемой двухпоточной коробки передач.

Шестая глава посвящена синтезу модульных коробок передач, выполняющих геометрический ряд передаточных отношений. Модульность заключается как в использовании однотипных механизмов, так и в их одинаковых схемах соединения друг с другом.

В общем случае структурная схема модульной коробки передач, имеющей от одного до 5 модулей, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема модульной коробки передач. 1,0- соответственно входное и выходное звенья модульной коробки передач.

Если каждый из модулей обеспечивает к ступеней, то максимальное число N ступеней коробки, составленной из 5 таких модулей, определятся простым соотношением:

откуда следует, что добавлением одного модуля (увеличением 5 на 1) резко возрастает максимальное количество N ступеней коробки передач - см. табл. 5.

Таблица 5.

к Я

1 2 3 4 5

2 2 4 8 16 32

3 3 9 27 91 273

4 4 16 64 256 1024

Из табл. 5 следует, что при небольшом числе Б используемых модулей можно получить коробки с числом ступеней Лг, существенно превышающем аналогичный показатель известных планетарных коробок передач.

Обозначим модули в порядке ] = справа налево, как показано на рис. 8. Состояние каждого модуля и его передаточное отношение однозначно определяется комбинацией включенных муфт модуля. Таких комбинаций в каждом модуле к. Будем обозначать состояние у-го модуля числом Ь]и = 0,...,(/с -1). Если каждому модулю

придать позиционную составляющую (вес) р] где (/ = 1, ..., 5), то состояние

всей коробки будет определяться 5-разрядным числом Н, в котором каждый j-ъm разряд может иметь и значений Ь „ от 0 до (к - 1):

н = (10)

У-1 У-1

При последовательном изменении у от 1 до 5 и переборе Ь1и от 0 до (к - 1) полученные значения Н образуют натуральный ряд чисел от 0 до (Л'~ 1).

Таким образом, модульной системе рис. 8 поставлена в однозначное соответствие некоторая А-ичная позиционная система счисления, в которой количество разрядов равно количеству однотипных модулей, а цифра в у-ом разряде определяет состояние /-го модуля - комбинацию включенных муфт и соответствующее передаточное отношение.

Действительно, если коробка передач должна обеспечивать геометрический ряд передаточных отношений со знаменателем <р:

а каждый из модулей реализует степенную функцию /у = <р'' с целочисленным показателем Ь), то передаточное отношение всей коробки будет:

'ю=П<',=^ П2)

м

.v

где показатель степени в соответствии с (11) должен быть натуральным рядом

У-1

чисел от 0 до (к - 1).

Представление этого ряда в виде (10), отображающем различные состояния коробки передач, даст ;ю = <рн и позволяет получить достаточное простое и удобное для синтеза выражение для определения передаточных отношений любого /-го модуля коробки передач:

,=<р'

В качестве примеров, иллюстрирующих описанную методику синтеза модульных коробок передач, в шестой главе приведен синтез 8-ми и 27-ми ступенчатых схем.

Для синтеза 8-ми ступенчатой схемы коробки передач использованы модуля, имеющие к = 2 состояния, примеры таких модулей показаны на рис. 9. Здесь каждый из механизмов управляется двумя муфтами сО и с1. Если включена муфта сО, то имеет место прямая передача (г = 1); если же включена с1, то для модулей на рис. 9, а и рис. 9, б ¡> 1 - понижающая передача; для рис. 9, в 0 < / < 1 - повышающая передача. Эти состояния модуля определены числовым коэффициентом соответственно 6, = 0 и А, =1.

о !_. О

и 1 1 -4 4

г>„ с с

0 1

0 + -

1 - +

Рис. 9. Схемы модулей с двумя состояниями: а -рядовой с неподвижными осями валов; б - планетарный с неподвижным эпициклическим колесом; в - планетарный с неподвижным солнечным колесом; г - таблица состояний модуля.

Необходимо синтезировать схему модульной коробки передач путем последовательного соединения механизмов рис. 9 для получения N = 8 ступеней, образующих геометрический ряд от ¡ю = 1 (прямая передача) до ;'ю = 8,75 .

Исходя из (9) определяем, что для получения N = 8 ступеней с помощью

= 3 механизма. Схема

механизмов, имеющих к = 2 состояний, необходимо Я =

1оёХ

1оёк

такой коробки, построенной на базе механизма рис. 9, б, представлена на рис. 10.

Рис. 10. 8-ми ступенчатая модульная коробка передач на базе механизма рис. 9, б.

Исходя из заданного диапазона Q = 8,75 и числа N = 8 ступеней, получим знаменатель (р заданного геометрического ряда в виде

Щ<р = = = о,13457, откуда <р = 1,363. Далее по (13) определяем

N -1 7 передаточные отношения каждого модуля:

для) = 1: г,0 = (р*2" =1 ),, = р' 2° = р = 1,363 для/ = 2: 120 = /2" = 1 /2| = /2' = (з2 = 1,858 для j = 3: /,0 = </2° = 1 /3| = (ру2' = ср* = 3,451 Поскольку каждый из модулей коробки имеет к = 2 состояния, а всего модулей 5 = 3, то состояние коробки описывается 3-х разрядным двоичным числом. Все возможные состояния и соответствующие передаточные отношения ||0 коробки приведены в табл. 6.

Таблица б.

Передаточное число Состояние муфт Десятичное значение

№ ступени »10 6} 62 ¿>, //двоичного числа Ьг Ь2 Ь,

1 8,739 'и Х,2| Х,Э1 1 1 1 7

2 6,412 >21 Х'З, =Р6 1 1 0 6

3 4,704 'и*'з1 =<Р5 1 0 1 5

4 3,451 'л = <Р4 100 4

5 2,532 (пх/2| =(33 0 1 1 3

6 1,858 '21 = 91 010 2

7 1,363 'и =<Р 00 1 1

8 1,00 000 0

Цифра в младшем разряде двоичного числа определяет состояния муфт правого (/ = 1) модуля в соответствии с рис. 9, г, а цифра во втором и старшем (третьем разряде), соответственно, состояние второго и третьего модуля коробки. Отображение двоичного числа в десятичной системе счисления с помощью соотношения (10) дает значения Н, равные показателю степени при знаменателе (р заданного ряда. Это позволяет достаточно просто управлять многоступенчатой коробкой передач: следует только представить необходимое передаточное отношение коробки (показатель степени при <р) в двоичном коде и полученное двоичное слово выдать на регистр управляющего устройства.

Для синтеза 27-и ступенчатой схемы коробки передач использованы модули, имеющие к = 3 состояния. Примерами таких модулей являются механизмы, представленные трис. 11.

Оба механизма (рис. 11) имеют одинаковое число состояний: при Л, = 0 имеем прямую ступень, а при Ь2 = 1 и Ьу = 2 на обоих механизмах имеем понижающие ступени с I > 1.

Как следует из (9) для получения N = 27 ступеней необходимо 5=3 модуля с к = 3 состояниями. Схема такой коробки, построенной на основе планетарного механизма рис. 11, б представлена на рис. 12.

К сО el с2

0 + - -

i - + -

2 - - +

К сО el с2

0 - + +

i + - +

2 + + -

а б

Рис. 11: а - механизм на основе рядовых передач с таблицей; б - планетарный механизм с двухвенцовым сателлитом и таблицы состояний муфт.

)-3 £— tíiÉi _ i i iH ''2 I— rift —. i I JP £- тчЩ JP

игм гм 1 1 1 J.4 Щ ГМ 1 1 1 J-4 || ъ

Рис. 12. Схема 3-х модульной планетарной коробки для получения 27 ступеней.

При диапазоне Q = 8,75 и числе N =21 получим log tp = = 0,03623, откуда

N -1

#> = 1,087. Используя соотношение (13), рассчитываем передаточные отношения каждого модуля. Результаты сводим в табл. 7.

____Таблица 7.

j '/0 ¡J2

1 i (р = 1,0870 <р2 =1,1816

2 i <рг = 1,2844 <р6 = 1,6497

3 i (р* = 2,1189 =4,4888

Любое состояние полученной коробки передач и ее передаточное отношение определяется трехразрядным троичным числом. Все возможные состояния приведены в табл. 8. Здесь, также как и в предыдущей задаче, число Н, получаемое переводом троичного числа в десятичное с помощью (10), равно показателю степени при <р, т.е. полностью определяет передаточное отношение коробки.

Таблица 8.

№ ступени Передаточное отношение 'ю Состояние управляющих элементов Десятичное значение Я троичного числа ьз ь2 Ь,

Ь} Ь2 Ь|

1 8,7492 ¿32* ¿22* ¿12 222 26

2 8,0489 ¿32 Х '22Х ¿11 =<Ри 22 1 25

3 7,4047 '32 х'22 ^ 220 24

4 6,8121 ¿32 Х ¿21 Х ¿12 = <Р" 2 1 2 23

5 6,2669 ¿32 Х ¿21 Х 'И = <РП 2 1 1 22

6 5,7653 ¿32 * ¿21 = У2' 2 1 0 21

7 5,3038 ¿32Х ¿12 =9'20 202 20

8 4,8793 ¿32х ¿11 =9'" 20 1 19

9 4,4888 200 18

10 4,1295 ¿31 Х ¿22 Х ¿12 = Ч>" 122 17

11 3,7990 ¿31Х ¿22Х ¿4 =?'16 1 2 1 16

12 3,4950 ¿31х ¿22 =е15 1 20 15

13 3,2152 ¿31 х ¿21х ¿12 =<Р" 1 1 2 14

14 2,9579 ¿31Х ¿21Х ¿11 =<Р" 1 1 1 13

15 2,7212 ¿31 ><¿2. =Р'2 1 1 0 12

16 2,5034 ¿31 х ¿12 = р" 1 02 11

17 2,3030 ¿31х ¿11 = 1 0 1 10

18 2,1187 ¿31 = 1 00 9

19 1,9491 ¿22х ¿12 = / 022 8

20 1,7931 ¿22Х ¿11 =9" 02 1 7

21 1,6496 >22 = / 020 6

22 1,5176 ¿2|Х ¿12 = <Р' 0 1 2 5

23 1,3961 ¿21х'п = ¥>4 0 1 1 4

24 1,2844 ¿21 = 010 3

25 1,1816 ¿12 = V2 002 2

26 1,0870 ¿11 00 1 1

27 1,0000 <р" 000 0

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложены и проанализированы два пути увеличения количества ступеней в коробках передач, использующих простые и технологичные внутренние механизмы:

a) синтез схем двухпоточных коробок передач комбинированием преселективной и планетарной типов схем;

b) синтез схем коробок передач последовательным соединением однотипных по структуре модульных механизмов.

2. Рассмотрены структурные схемы преселективных, планетарных, двухпоточных и модульных коробок передач, получены общие формулы расчета количества выполняемых ступеней, проведен анализ передаваемых моментов.

3. Получены кинематические условия отсутствия циркуляции силового потока в двухпоточных коробках передач.

4. Разработан метод параметрического синтеза двухпоточных коробок передач по заданному ряду передаточных отношений, который позволяет определять параметры внутренних механизмов, как в случае конструктивных связей, так и при наличии независимых переменных, обеспечивающих множество возможных решений. Приведены примеры синтеза новых схем.

5. Показана возможность использования механизма заднего хода в двухпоточной коробке-передач для получения дополнительных ступеней движения вперед без изменения ее схемы.

6. Разработана методика синтеза модульных схем коробок передач, основанная на аналогии с позиционными системами счисления, которая позволяет получать схемы с любым количеством ступеней.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Саламандра К.Б. Тезисы доклада «Критерии качества 8-и скоростных автоматических коробок передач» на XIX Международной Интернет-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2007). 5 - 7 декабря 2007 г.

2. Крайнев А.Ф., Асташев В.К., Саламандра К.Б. Тенденции совершенствования планетарных многоскоростных механизмов (начальные этапы развития схем и конструктивных элементов) // Справочник. Инженерный журнал №11, 2008.

3. Крайнев А.Ф., Асташев В.К., Саламандра К.Б. Современные направления конструирования планетарных многоскоростных механизмов // Справочник. Инженерный журнал №12, 2008.

4. Саламандра К.Б. Параметрический синтез двухпоточных многоскоростных передач // Справочник. Инженерный журнал №9,2009.

5. Саламандра К.Б. Модульные многоскоростные коробки передач // Проблемы машиностроения и надежности машин №5, 2009.

Типография ИМАШ РАН, г.Москва, М.Харитоньевский пер., 4 Зак.№ 283 от 27.10.2009 тир. 100 экз.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования.

§1.1. Историческое развитие и современное состояние вопросов синтеза коробок передач.

§ 1.2. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Синтез структуры двухпоточных коробок передач методом обобщенных структурных схем.

§ 2.1. Представление механизмов, используемых в коробках передач, обобщенными схемами.

§ 2.2. Общие свойства преселективных коробок передач.

§ 2.3. Общие свойства планетарных коробок передач.

§ 2.4. Синтез структуры и выявление общих свойств двухпоточных коробок передач.

§ 2.5. Условия отсутствия циркуляции силового потока в двухпоточных коробках передач.

§ 2.6. Синтез кинематических схем двухпоточных коробок передач.

§ 2.7. Выводы по Главе 2.

Глава 3. Статический анализ коробок передач.

§3.1. Методика статического анализа коробок передач.

§ 3.2. Статический анализ преселективной 6-ти ступенчатой коробки передач.

§ 3.3. Статический анализ 8-ми ступенчатой планетарной коробки передач

§ 3.4. Статический анализ 8-ми ступенчатой двухпоточной коробки передач с суммирующим дифференциальным механизмом.

§ 3.5. Статический анализ 12-ти ступенчатой двухпоточной коробки передач с распределительным планетарным механизмом.

§ 3.6. Выводы по Главе 3.

Глава 4. Параметрический синтез двухпоточных коробок передач.

§ 4.1. Методика параметрического синтеза двухпоточных коробок передач

§ 4.2. Параметрический синтез двухпоточной коробки передач с суммирующим дифференциальным механизмом.

4.2.1. Этап 1. Определение множества возможных структур ряда передаточных отношений.

4.2.2. Этап 2. Выявление ряда передаточных отношений, наиболее близкого к заданному.

§ 4.3. Параметрический синтез двухпоточной коробки передач с распределительным планетарным механизмом.

4.3.1. Этап 1. Определение множества возможных структур ряда передаточных отношений.

4.3.2. Этап 2. Выявление ряда передаточных отношений, наиболее близкого к заданному.

§ 4.4. Выводы по Главе 4.

Глава 5. Использование механизма заднего хода для получения ступеней вперед в двухпоточных коробках передач.

§ 5.1. Параметрический синтез двухпоточной коробки передач с суммирующим дифференциальным механизмом, в которой механизм заднего хода используется для получения ступеней вперед.

5.1.1. Этап 1. Определение множества возможных структур ряда передаточных отношений.

5.1.2. Этап 2. Выявление ряда передаточных отношений, наиболее близкого к заданному.

§ 5.2. Моменты, действующие на муфты, в двухпоточной коробке передач с суммирующим дифференциальным механизмом, где механизм заднего хода используется для получения ступеней вперед.

§ 5.3. Выводы по Главе 5.

Глава 6. Синтез схем коробок передач последовательным подключением однотипных по структуре модулей.

§ 6.1. Задача 1. Синтез 8-ми ступенчатой модульной коробки передач

§ 6.2. Задача 2. Синтез 27-ми ступенчатой модульной коробки передач

§ 6.3. Выводы по Главе 6.

Одной из современных тенденций в машиностроении является повышение экономичности и экологичности используемых приводов. Кроме улучшения показателей самих приводов, повысить их эффективность можно, обеспечив работу на оптимальных режимах. Различные приводы имеют различные зависимости момента и мощности от числа оборотов. Работу привода в некоторой оптимальной точке его характеристики и в тоже время необходимый диапазон скоростей конечного устройства обеспечивают коробки передач.

Идеальной» коробкой передач считают [21, 44, 84, 104] коробку передач с непрерывно изменяющимся передаточным отношением. Приблизиться к этому «идеалу» можно, увеличивая количество ступеней в коробке с одновременным уменьшением шага между ступенями (шагом между ступенями называется отношение предыдущего передаточного отношения к следующему). Например, в автомобилестроении совсем недавно начали применять коробки передач, имеющие 5-6 ступеней переднего хода, а в настоящее время уже начато внедрение 7 — 8-ми ступенчатых коробок передач. (При указании количества ступеней имеется в виду количество ступеней переднего хода, которое не учитывает ступени заднего хода. Если не отмечено особо, то подразумевается, что в коробке передач имеется одна ступень заднего хода.) ' 1

Основными элементами, преобразующими входные параметры коробки передач, в большинстве применяемых конструкций' являются зубчатые колеса. Зубчатой коробкой передач называют зубчатый механизм, передаточное отношение которого можно изменять скачкообразно • • по ступеням [3]. Зубчатые колеса могут быть введены в зацепление в различных комбинациях для получения передаточных отношений, соответствующих заданным скоростям вращения рабочего органа машины.

Для включения и отключения зубчатых механизмов, составляющих коробку передач и обеспечивающих необходимый ряд передаточных отношений, предотвращения самопроизвольных включений и отключений используют управляющие элементы: фрикционные, кулачковые и зубчатые муфты. В некоторых источниках [6, 15, 18, 30, 84, 88 - 91 и др.] принято называть муфтой - устройство, неподвижно соединяющее друг с другом подвижные звенья механизма, а тормозом — устройство, неподвижно соединяющее подвижное и неподвижное (корпус) звенья. Т.к. муфта и тормоз выполняют одну и туже функцию — соединение двух различных звеньев друг с другом, то в дальнейшем принято все управляющие элементы называть муфтами. Различные типы муфт, условия их нагружения и другие характеристики описаны в работах [11,81, 85, 95, 101, 104, 106 и др.].

Рядом передаточных отношений называют все возможные передаточные отношения от входного звена к выходному, полученные комбинациями включенных управляющих муфт, для данной коробки передач. Основной характеристикой ряда передаточных отношений является его диапазон, рассчитываемый как отношение передаточного отношения первой ступени к последней (передача заднего хода не учитывается). Принципы и методы построения ряда передаточных отношений описаны в работах [1, 14, 21 и др.]. ; • -.

Помимо относительно большого числа ступеней коробка передач должна обеспечивать: ; г м.

- высокий КПД;

- малые габаритные размеры и массу;

- широкий диапазон по выполняемому передаточному отношению и передаваемому моменту; » технологичность и низкую стоимость конструкции;

- возможность автоматического управления.

Взаимное расположение зубчатых колес и управляющих элементов коробки передач изображаются с помощью кинематических схем, по которым можно судить обо всех перечисленных критериях коробок передач. Выбор схем, удовлетворяющих заданным условиям, называют синтезом.

Поиск оптимальной, т.е. наиболее рациональной в определенных условиях кинематической схемы - одна из наиболее сложных задач в процессе проектирования. При ее решении должен быть учтен большой комплекс различных факторов, связанных не только с эксплуатацией коробки передач, но и с ее производством, требующим соответственно комплексного подхода при проектировании.

Оптимальной следует считать ту кинематическую схему, которая не только полно соответствует назначению передачи, но и имеет наименьшее число основных звеньев при приемлемых режимах их нагружения [8, 9, 21].

Данная работа состоит из введения, шести глав, выводов по работе и списка литературы. В первой главе проводится анализ патентной и технической литературы. В результате анализа выявлена необходимость поиска новых методов синтеза схем коробок передач с количеством ступеней большим восьми. Предлагаются два пути решения указанной задачи: синтез комбинированных схем с неподвижными и подвижными осями зубчатых колес и синтез схем последовательным подключением однотипных по структуре модулей.

Во второй главе работы рассматриваются общие свойства (режимы работы, силовые потоки и др.) структурных схем известных типов коробок передач — преселективной и планетарной. Синтезирована и исследована структурная схема комбинированной коробки передач, названная двухпоточной. Из полученной структурной схемы синтезированы схембг 8-и и 12-и ступенчатых коробок передач. '-"

Si И' ■

В третьей главе проводится анализ моментов, действующих на звенья коробок передач. Результаты статического анализа известных преселективной, планетарной и двух новых двухпоточных схем позволяют оценить, насколько могут быть уменьшены нагрузки на управляющих муфтах по сравнению с классическими схемами.

В четвертой главе работы предлагается метод расчета величин передаточных отношений внутренних механизмов коробок передач. С помощью этого метода были получены внутренние передаточные отношения для коробок передач, синтезированных во второй главе.

В пятой главе анализируется возможность применения механизма заднего хода для получения ступеней переднего хода в двухпоточных коробках передач. Рассматриваются силовые потоки на этих ступенях и даются рекомендации, как можно минимизировать величины возникающих моментов.

Шестая глава работы посвящена синтезу схем последовательным подключением однотипных по структуре модулей. Рассматриваются свойства таких коробок передач, их достоинства и недостатки. Приводятся примеры синтезированных модульных схем коробок передач.

1'1. >5

Основные результаты и выводы по работе

1. Предложены и проанализированы два пути увеличения количества ступеней в коробках передач, использующих простые и технологичные внутренние механизмы: a) синтез схем двухпоточных коробок передач комбинированием преселективной и планетарной типов схем; b) синтез схем коробок передач последовательным соединением однотипных по структуре модульных механизмов,

2. Рассмотрены структурные схемы преселективных, планетарных, двухпоточных и модульных коробок передач, получены общие формулы расчета количества выполняемых ступеней, проведен анализ передаваемых моментов.

3. Получены кинематические условия отсутствия циркуляции силового потока в двухпоточных коробках передач.

4. Разработан метод параметрического синтеза двухпоточных коробок передач по заданному ряду передаточных отношений, который позволяет определять параметры внутренних механизмов, как в случае конструктивных связей, так и при наличии независимых переменных, обеспечивающих множество возможных решений. Приведены примеры синтеза новых схем. ■•■!;

5. Показана возможность использования механизма заднего хода в двухпоточной коробке передач для получения дополнительных ступеней движения вперед без изменения ее схемы.

6. Разработана методика синтеза модульных схем коробок передач, основанная на аналогии с позиционными системами счисления; которая позволяет получать схемы с любым количеством ступеней. ■

1. Адясов А.Ю. Разработка методики выбора передаточных чисел трансмиссии автомобиля на основе рационального сочетания тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и токсичности выхлопных газов. Автореф. дис. к.т.н. Н. Новгород. 2002.

2. Антонов А.С. Комплексные силовые передачи: Теория силового потока и расчет передаваемых систем. — JI.: Машиностроение, 1981.-496 с.

3. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов. — 4-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.-640 с.

4. Беляев В. П., Быков Р. В. Конструкция автомобилей и тракторов: Учебное пособие для самостоятельной работы студентов. — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004. 76 с.

5. Беляев Ф.В. Анализ и синтез планетарных коробок передач. Автореф. дис. к.т.н. М. 1971. —

6. Бойков А.В., Ефимов Ю.Т., Шеломов В.Б. Конструирование и расчет элементов трансмиссий транспортных машин: Учеб. пособие / Под общ. ред. А.П. Харченко. СПб.: Изд.во СПбГТУ, 2002. 144 с.

7. Васильев Ф.П. Лекции по методам решения экстремальных задач. М., Из-во Московского университета, 1974. ' ■1:

8. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. Планетарные, волновые и комбинированные передачи строительных и дорожных машин: М., «Машиностроение», 1968, 272 стр.

9. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. Трансмиссии строительных и дорожных машин. Справочное пособие. М., «Машиностроение», 1974, 424 с.

10. Волченко Ю.И. Синтез планетарных коробок передач на основе структурных схем с максимальным числом элементов управления. Автореф. дис. к.т.н. JI. 1988.

11. Гируцкий О.И., Есеновский-Дашков Ю.К., Поляк Д.Г. Электронные системы управления агрегатами автомобиля. М.: Транспорт, 2000. 213 с.

12. Голякова В.И. Выбор схем коробок передач с четырьмя степенями свободы. Автореф. дис. к.т.н. М. 1954.

13. Дьяконов В.П. Mathcad 11/12/13 в математике. Справочник. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. — 958 е., ил.

14. Зейбак Ахмед Фаез Абдуль Фатах (Сирийская Арабская Республика). Исследование влияния числа и численных значений передаточных чисел трансмиссии грузового автомобиля на его транспортную производительность. Автореф. дис. к.т.н. Киев. 1974.

15. Зубков В.Ф. Синтез кинематических схем трансмиссий транспортных машин : Учеб. пособие / Волгоград, гос. техн. ун-т, Волгоград. 1999. 64 с.

16. Иванов А.Н. Проектирование сложных планетарных механизмов. JI. Машиностроение. 1973 — кинематика, силовые и энергетические соотношения, синтез многопоточных передач дифференциального типа s ■'

17. Иванченко П.Н., Сушков Ю.А., Вашец А.Д. Автоматизация выбора схем планетарных коробок передач. Справочное пособие. JL, «Машиностроение», (Ленингр. отд-ние), 1974. 232 с. с ил. -''

18. Кирдяшев Ю.Н. Многопоточные передачи дифференциального типа. JI. Машиностроение. 1981.

19. Конаков A.M. Трансмиссия тракторов и автомобилей: Учебное пособие для студентов инженерного факультета / Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Н.Новгород, 2003.- 106 е.: ил.

20. Косенков А.А. Устройство автоматических коробок передач и трансмиссий / Серия «Библиотека автомобилиста». — Ростов н/Д: «Феникс», 2003. 416 с.

21. Косов В.П. Синтез кинематических схем планетарных коробок передач транспортных машин. Екатеринбург: УрО РАН, 2005.

22. Крайнев А.Ф. Механизмы машин (исторические и логические аспекты) // Справочник. Инженерный журнал №10, 2005

23. Крайнев А.Ф. Механизмы машин (исторические и логические аспекты) // Справочник. Инженерный журнал №11, 2005

24. Крайнев А.Ф. Механизмы машин (исторические и логические аспекты) // Справочник. Инженерный журнал №9, 2005

25. Крайнев А.Ф., Асташев В.К., Саламандра К.Б. Современные направления конструирования планетарных многоскоростных механизмов // Справочник. Инженерный журнал №12. 2008 '

26. Крайнев А.Ф., Асташев В.К., Саламандра К.Б. Тенденции совершенствования планетарных многоскоростных механизмов (начальные этапы развития схем и конструктивных элементов)"// Справочник. Инженерный журнал №11. 2008

27. Красненьков В.И., Вашец А.Д. Проектирование планетарных механизмов транспортных машин. М.: Машиностроение, 1986.

28. Крейнес М.А. и Розовский М.С. Зубчатые механизмы (выбор оптимальных схем). Издание второе, переработанное' ' идополненное, Главная редакция физико-математической литературы, М., 1972.

29. Кристи М.К., Красненьков В.И. Новые механизмы трансмиссий. -М.: Машиностроение, 1967. 216 с.

30. Кудрявцев В.Н., Кирдяшев Ю.Н. Планетарные передачи (Справочник). Л., «Машиностроение», 1977.

31. Кульбачный О.И. Кинематический синтез механизмов с минимальным числом звеньев. Автореф. дис. д.т.н. М. 1979.

32. Магидович Е.И. Теоретические основы проектирования многоступенчатых и непрерывных коробок передач для тракторов и автомобилей. Автореф. дис. д.т.н. Л. 1961

33. Опубликованная заявка на патент US 2003/0162623. Family of Multi-Speed Planetary Transmission Having Fixed Interconnections And Six Torque-Transmitting Mechanisms. 28.08.2003.

34. Опубликованная заявка на патент US 2007/0202982. Multi-Speed Transmission. 30.08.2007.

35. Опубликованная заявка на патент US 2007/0207891. Multi-Speed Transmission. 06.09.2007.

36. Ортега Д., Рейнболдт В. Итерационные методы решения нелинейных систем уравненийсо многими неизвестными. Перевод с англ. Вершкова Э.В., Жидкова Н.П., Коновальцева Н.В: М., "МИР", 1975.

37. Патент СА 378043. Speed-Changing Device. 29.11.1938.

38. Патент СА 457158. Change-Speed Gear Box. 31.05.1949.

39. Патент СА 459590. Automatic Variable Speed Transmission. 13.09.1949.

40. Патент DE 19821164. Doppelkupplungsgetriebe. 18.11.1999.

41. Патент FR 48019. Changement de vitesse epicycloidal a 6 roues: 16.10.1937. '

42. Патент FR 861394. Transmission automatique et asservie. 07.02.1941.

43. Патент GB 191128034. Improvements in or relating to Variable Speed Gearing. 12.12.1912.

44. Патент RU 2298713. Модульная планетарная коробка передач. 10.05.2007. Бюл. №13.

45. Патент RU 2307268. Коробка передач. 27.09.2007. Бюл. №27.

46. Патент RU 2309308. Гидромеханическая коробка передач. 27.10.2007. Бюл. №30.

47. Патент RU 2324850. Планетарная коробка передач. 20.05.2008. Бюл. №14.

48. Патент RU 2344947. Коробка передач. 27.01.2009. Бюл. №3. •

49. Патент US 2194954. Speed-Changing Device. 26.03.1940.

50. Патент US 2239973. Variable Speed Gear. 29.04.1941.

51. Патент US 2386217. Automatic Variable Speed Transmission. 09.10.1945.

52. Патент US 2631476. Epicyclic Change-Speed Gear. 17.03.1953.

53. Патент US 2761333. Epicyclic Change-Speed Gear. 04.09.1956.

54. Патент US 2847877. Epicyclic Change-Speed Gear. 19.08.1958.

55. Патент US 2856794. Planetary Transmission for Self-Propelled Vehicle. 21.10.1958.

56. Патент US 2856795. Planetary Transmission for Self-Propelled Vehicle. 21.10.1958.

57. Патент US 2873625. Planetary Transmission for Self-Propelled Vehicles. 17.02.1959.

58. Патент US 3319491. Heavy Duty Planetary Transmission. 16.05.1967.

59. Патент US 4559848. Incrementally Variable Transmission. 24.12.1985.

60. Патент US 5106352. Multispeed Automatic Transmission^ for Automobile Vehicles. 21.04.1992.

61. Патент US 6302820. Planetary Speed Change Transmission. 16.10.2001.

62. Патент US 6729990. Automatic Gearbox. 04.05.2004.

63. Патент US 7004878. Automated Multiple-Gear Transmission. 28.02.2006.

64. Патент US 7101302. Planetary Transmission Having A Stationary Member And Input Clutches. 05.09.2006.

65. Патент US 7175562. Multi-Stage Transmission. 13.02.2007.

66. Патент US 7186202. Multi-Speed Gearbox. 06.03.2007.

67. Патент US 7186204. Multi-Step Transmission. 06.03.2007.

68. Патент US 7189181. Multi-Step Transmission. 13.03.2007.

69. Патент US 7201697. Multi-Speed Gearbox. 10.04.2007.

70. Патент US 7201698. Multi-Stage Transmission. 10.04.2007.

71. Патент US 7211021. Multi-Speed Gearbox. 01.05.2007.

72. Патент US 7231843. Double Clutch Transmission. 19.06.2007

73. Патент WO 03/025431. Automatic Multi-Speed Vehicle Gearbox. 27.03.2003.

74. Патент WO 2004/088174. Transmission, In Particular An Automated Power-Branched Multi-Speed Gearing. 14.10.2004.

75. Патент WO 2006/032312. Automated Transmission For A Motor Vehicle And Method For Operating The Same. 30.03.2006.

76. Патент WO 2006/074707. Multispeed Transmission. 20.07.2006.

77. Петров A.B. Планетарные и гидромеханические передачи колесных и гусеничных машин. М. Машиностроение. 1966

78. Прокофьев В.Н. Основы теории гидромеханических передач. М. Машгиз. 1957 графоаналитический метод синтеза

79. Решетов JI.H. Конструирование рациональных механизмов. 'М-., "Машиностроение", 1972, 256 с.

80. Садыкова А.Я. Структурный синтез планетарных зубчатых коробок передач с одновенцовыми сателлитами. Автореф. дис. к.т.н. Ижевск. 2006.

81. Тарасик В.П. Некоторые вопросы синтеза коробок передач фрикционными муфтами переключения ступеней. Автореф. дис. к.т.н. Минск. 1970.

82. Филькин Н.М. Автоматические трансмиссии колесных транспортных машин с динамическими связями / Н.М. Филькин, М.М. Фролов, Д.К. Шакуров. Набережные Челны: Изд-во КамПИ, 2004. - 113 е.: ил.

83. Фролов М.М. Анализ автоматических трансмиссий колесных транспортных машин: учебное пособие / Маркс Михайлович Фролов; Камская гос. инж.-экон. акад. Набережные Челны: Изд-во Кам. госуд. инж.-экон. акад., 2006. - 150 е.: Библиогр. 142-148 с.

84. Харитонов С.А. Автоматические коробки передач / С.А. Харитнов. М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство ACT», 2003.-335, 1. е.: ил.

85. Харченко А.П., Шеломов В.Б. Пути снижения нагруженности фрикционных элементов управления // Сборник «Новое в проектировании и расчетах планетарных передач». Л.: Знание: 1980.

86. Хемминг Р.В. Численные методы (для научных работников- и инженеров). Перевод с англ. Арлазарова В.Л., Разиной- Г.С., Ускова А.В. М., Наука, 1968.

87. Цитович И.С., Альгин В.Б., Грицкевич В.В. Анализ и синтез планетарных коробок передач автомобилей и тракторов. Минск. Наука и техника. 1987. "

88. Шабанов К.Д. , канд. техн. наук. Замкнутые дифференциальные передачи. М., «Машиностроение», 1972. стр. 160. * 11

89. Шеломов В.Б. Два частных случая решения основной задачи синтеза 3-степенных коробок передач. Теория Механизмов и Машин. 2009. №1. Том 7.

90. Шеломов В.Б. Теория взаимного пространственного расположения элементов планетарных передач на основе инвариантных свойств их обобщенных структур. Автореф. дис. д.т.н. С-Петербург. 2006.

91. Fracchia М. et al., Benchmarking Report VW DCT DQ250. Ricardo Driveline & Transmission Systems, Ricardo UK Ltd.

92. Harmon K.B. The History of Allison Automatic Transmissions For On-Highway Trucks and Buses. SAE International 982791.

93. Harris B. How Dual-clutch Transmissions Work: http://auto.howstuffworks.com/dual-clutch-transmission.htm

94. Heath R.P.G., Child A.J. Zeroshift. A Seamless Automated Manual Transmission (AMT) With No Torque Interrupt. SAE International 2007-01-1307.

95. Kerr J.H., Ferguson R.J. Incremental Transmission Logic: The Kinematics of the Quadriratio Stage. Mechanism and Machine Theory, Volume 20, Issue 1, 1985, Pages 1-6

96. Kerr J.H., Ferguson R.J. The binaiy logic incremental transmission. Mechanism and Machine Theory, Volume 18, Issue 5, 1983, Pages 357-361

97. Kondo M., Hasegava Y., Takanami Y., Arai K., Tanaka M., Kinoshita M., Ootsuki Т., Yamaguchi Т., Fukatsu A. Toyota AA80E 8-Speed

98. Automatic Transmission with Novel Powertrain Control System. SAE International 2007-01-1311.

99. Lewis C., Bollwahn B. General Motors Hydra-Matic & Ford New FWD Six-Speed Automatic Transmission Family. SAE International 2007-01-1095.

100. Lucente G., Montanary M., Rossi C. Modelling of an automated manual transmission system. Mechatronics 17 (2007), 73-91

101. Marano J.E., Moorman S.P., Whitton M.D., Williams R.L. Clutch-to-Clutch Transmission Control Strategy. SAE International 2007-011313.

102. Martin В., Dourra H., Redinger C., Champine M., Goedtel F., Lowe G., Barrer S. 62TE 6-Speed Transaxle for Chrysler Group. SAE International 2007-01-1097.

103. Matthes B. Dual Clutch Transmissions Lessons Learned and Future Potential. SAE International 2005-01-1021.

104. Nice K. How Automatic Transmissions Work. http://auto.howstuffworks.com/automatic-transmission.htm

105. Raghavan M., Bucknor N., Maguire J., Hendrickson J., Singh T. The Algebraic Design of Transmissions & EVTs. SAE International 200701-1458.

106. Raghavan M.R., Jayachandran R. Analysis of The Performance Characteristics of a Two-Inertia Power Transmission System With a Plate Clutch. Mechanism and Machine Theory Vol. 24, No 6, pp. 499503,1989

107. Takatori K., Tazunegi S., Takahashi N. Development of All New 7-speed Automatic Transmission for RWD Vehicles. SAE International 2009-01-0512. г

108. Tokura Т., Asami Т., Hasegawa Y., Sugimura Т., Kono K., Aoki K. Development of Smooth Up-Shift Control Technology for Automatic

109. Transmissions with Integrated Control of Engine and Automatic Transmission. SAE International 2007-01-1310.

110. Turner A.J. and Ramsay K. Review and Development of Electomechanical Actuators for Improved Transmission Control and Efficiency. SAE International 2004-01-1322.

111. Watanabe M., Sasaki K., Miyamoto K., Kinoshita M., Hasegawa M., Yamasaki A., Mori A., Tsukamoto H. Toyota's New Six-Speed Automatic Transmission AB60E for RWD Vehicles. SAE International 2007-01-1098.

112. Wheals J.C., Turner A., Ramsay K, O'Neil A., Bennet J., Fang H. Double Clutch Transmission (DCT) using Multiplexed Linear Actuation Technology and Dry Clutches for High Efficiency and Low Cost. SAE International 2007-01-1096.