автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Снижение динамической нагруженности силовой передачи трактора за счет изменения крутильной жесткости реактивного звена

На правах рукописи

Калмыков Алексей Васильевич

СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ТРАКТОРА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ КРУТИЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ РЕАКТИВНОГО ЗВЕНА

05,05.03 - Колёсные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

I и пмР ¿014 '

005546285

Волгоград - 2014

005546285

Работа выполнена на кафедре «Автомобиле- и тракторостроение» в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Шеховцов Виктор Викторович.

Официальные оппоненты: Годжаев Захид Адыгезалович,

доктор технических наук, профессор, . первый заместитель генерального

директора Федеральный исследовательский испытательный центр машиностроения.

Гапич Дмитрий Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сопротивление материалов и детали машин» Волгоградского государственного аграрного университета.

Ведущая организация Липецкий государственный.

технический университет.

Зашита состоится « 25 » апреля 2014 г. в 10е2 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан

«2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета е_^-^Ьппенко Михаил Вольфредович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время каждое новое поколение машин отличается от предшественников большей энерговооруженностью и универсальностью. Этим обеспечивается их более высокая производительность и возможность механизации выполнения все большего количества работ. Но увеличение единичной мощности и энергонасыщенности машин сопровождается повышением динамической нагруженности их конструкций, форсированным износом наиболее нагруженных деталей, более быстрым темпом накопления усталостных повреждений, более частыми отказами и усталостными поломками.

Известно, что у гусеничных машин нагрузки с ярко выраженным динамическим характером испытывают детали силовой передачи (СП). Это обусловлено, с одной стороны, неравномерностью действия крутящего момента двигателя, с другой стороны - неравномерностью действия тягового сопротивления, изменениями скорости и направления поступательного движения машины, колебаниями остова на подвеске, перемоткой звенчатой гусеницы, перезацеплением шестерен в самой передаче, управляющими воздействиями оператора й другими факторами, в результате действия которых материал деталей испытывает дополнительные напряжения и накапливаются усталостные повреждения. Следовательно, тема работы, в которой предложен способ снижения динамической нагруженности СП за счет изменения крутильной жесткости реактивного звена конечной передачи, является актуальной.

Цель работы: обоснование и разработка способа снижения динамической нагруженности СП трактора, основанного на изменении крутильной жесткости крепления коронной шестерни конечной передачи к корпусу.

Для достижения данной цели работы поставлены следующие задачи:

1. Анализ используемых в современной практике автотракторостроения методов и способов снижения динамической нагруженности СП.

2. Построение с помощью программного пакета «Универсальный механизм» математических моделей гусеничных тракторов ВТ-100 и ЧЕТРА-6С315 с пространственно-динамическим представлением гусеничной ходовой системы и СП.

3. Экспериментальное исследование динамической нагруженности участков СП трактора ВТ-100 с целью верификации и проверки адекватности математических моделей, создаваемых с помощью пакета «Универсальный механизм».

4. Расчетный анализ динамической нагруженности участков СП трактора ЧЕТРА-6СЗ15 в разных условиях движения.

5. Разработка конструкции конечной передачи трактора ЧЕТРА-6С315 с изменяемой крутильной жесткостью реактивного звена; расчетный анализ влияния изменения этой жесткости на нагруженность СП.

Методы исследования. Теоретические исследования динамической нагруженности участков СП с помощью программных пакетов «Универсальный механизм» и МаЛаЬ на основе созданных математических моделей. Экспериментальные исследования с использованием тензометрического оборудования.

Объекты исследований. Объектами исследований являлись СП тракторов ЧЕТРА-6СЗ15 и ВТ-100 производства ВгТЗ.

Научная новизна:

1. Предложен способ снижения пиковой динамической нагруженности участков СП трактора на режимах работы с высокой динамичностью нагрузок за счет изменения жесткости реактивного звена конечной передачи.

2." Создана математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении СП и гусеничной ходовой системы трактора, позво-

ляющая исследовать нагруженность участков силовой цепи при возмущениях от неравномерности действия крутящего момента двигателя и комплекса эксплуатационных кинематических и силовых возмущений от ходовой системы, а также оценивать влияние на эту нагруженность жесткости реактивных звеньев СП.

Практическая ценность:

1. Использование в практике конструирования СП созданной математической модели, основанной на пространственно-динамическом представлении СП и гусеничной ходовой системы трактора, обеспечивает возможность получения достоверной информации о динамической нагруженности всех участков СП в разных условиях движения на этапе проектирования и определять необходимые изменения жесткости реактивных звеньев для снижения этой нагруженности.

2. Использование в СП тракторов предложенных и запатентованных новых технических решений устройств, позволяющих изменять крутильную жесткость участков СП, обеспечивает возможность снижения пиковой нагруженности передачи на переходных режимах движения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в 2009-2013 г.г. были представлены на 8 внутренних, всероссийских и международных научно-технических конференциях, в том числе на VI всерос, науч.-практ. конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 2010 г., 30th Anniversary Seminar of the Students" Association for Mechanical Engineering, Варшава, 2011 г., 31st Seminar of the Students' Association for Mechanical Engineering, Варшава, 2012 г., и ежегодных научных конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2009-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 4 патента на полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 143 наименования (из них 17 на иностранных языках). Работа содержит 153 страницы машинописного текста, включающего 23 таблицы и 107 рисунков.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ снижения пиковой динамической нагруженности участков СП трактора на режимах работы с высокой динамичностью нагрузок за счет изменения жесткости реактивного звена.

2. Математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы и СП трактора.

3. Результаты экспериментальных и расчетных исследований влияния изменения жесткости реактивного звена на динамическую нагруженность трансмиссии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, заявлена цель и поставлены задачи работы, сформулированы положения научной новизны, теоретической и практической значимости, положения, выносимые на защиту и приведена информация, касающаяся апробации работы.

В первой главе «Направление исследований и состояние вопроса» приведены обзор и анализ работ российских и зарубежных ученых в области динамики СП. Темой исследования динамики СП тяговых и транспортных средств занимались такие отечественные ученые, как Анилович BJL, Анохин В.И., Бабаков И.М., Баженов С.П., Барский И.Б., ВафинР.К, Вейц B.JI, Годжаев З.А., Гуськов В.В., Дмитриченко С.С., Доброхлебов А.П., Коловский М.З., Ксеневич И.П., Куть-ковГ.М., Маслов Г.С., Платонов В.Ф., Ривин Е.И., Семенов В.М., СкундинГ.И., Тарасик В.П., Терских В.П., Тимошенко С.П., Цитович И.С., Яценко H.H. и др.

Научными коллективами НАТИ, других отраслевых институтов и технических вузов под руководством, в частности, Аниловича В Л., Анохина В.И., Барского И.Б., Городецкого К.И., Гуськова В.В., Дмитриченко С.С., Ксеневича И.П., Платонова В.Ф., Цитовича И.С., ШариповаВ.М. и других ученых созданы методы проектирования, расчетных и экспериментальных исследований СП, которые легли в основу создания нескольких поколений российских колесных и гусеничных машин.

Рассмотрены работы перечисленных выше и других ученых, посвященные методам и конструктивным мероприятиям для снижения нагруженности СП трактора. Отмечено, что в этих работах не изучалась возможность снижения динамической нагруженности СП за счет изменения жесткости связи реактивного звена. Между тем, за счет этого можно существенно снизить динамическую нагруженноегь участков валопровода при процессах нагружения с высокой динамичностью.

Изложены результаты анализа математических моделей, предложенных различными авторами для теоретических исследований динамики СП и проверки различных способов снижения их динамической нагруженности. Отмечено, что известные математические модели не обеспечивают возможности верного отображения реальной картины приложения к движущимся массам активных и реактивных сил. В реальной СП при взаимодействии силовых кинематических пар в их опорах возникают реакции, величина и направление действия которых в эксплуатации постоянно изменяются. Координаты точек приложения активных сил в этих парах обычно не совпадают с координатами центра тяжести деталей, величина этих сил также постоянно изменяется. В плоскостных моделях, которые используются многими авторами, затруднительно получить верную картину пространственного изменения векторов активных и реактивных сил. Показано, что существенно большими возможностями для описания процессов нагружения реальной СП обладают модели с пространственным представлением элементов. Такие модели более адекватно отражают динамические свойства реальной СП.

Отмечена необходимость исследования процессов нагружения участков СП трактора от всего комплекса эксплуатационных возмущений, в том числе от гармонических составляющих крутящего момента двигателя до шестой гармоники, то есть примерно до 180 Гц, и обоснована целесообразность создания «многомассовой» модели, включающей в себя достаточное число движущихся

масс для анализа резонансных режимов в этом частотном диапазоне.

Во второй главе «Анализ методов снижения динамической нагруженности силовых передач и средств их реализации» проанализированы известные методы и средства, среди которых отмечены следующие:

• использование упругих элементов в прицепном устройстве;

• использование упругих элементов в приводе ведущих колес;

« использование обрезиненных элементов в гусеничной ходовой системе;

• целенаправленное конструирование отдельных деталей СП с высокой податливостью;

• установка в силовую цепь специальных устройств с высокой податливостью;

• целенаправленное конструирование отдельных деталей силовой цепи с повышенными демпфирующими свойствами;

• установка в силовую цепь демпферов;

• использование самоустанавливающихся «плавающих» или компенсационных звеньев;

• снижение степени динамической связанности колебаний звеньев СП;

• изменение жесткости опор элементов СП («реактивных звеньев»).

Описаны также новые технические решения устройств, предназначенных

для снижения динамической нагруженности трансмиссий, среди которых 2 устройства для управления жесткостью СП и 2 устройства с самоустанавливающимися элементами в планетарных конечных передачах, позволяющие снижать динамическую нагруженность за счет выравнивания нагрузки между сателлитами и по длине зуба сателлитов. На эти устройства получено 4 патента на полезную модель.

В третьей главе «Разработка динамической и математической моделей силовой передачи трактора ЧЕТРА-6С315» описываются созданные модели и приводятся результаты выполненных на их основе численных экспериментов.

Приведены- допущения, принятые при разработке модели, структурная схема СП и ее динамическая модель в виде графа с обозначением масс и связей СП (рис. 1), а также значения моментов инерции масс и жесткости их связей. Модель включает в себя 78 движущихся масс. На ее основе создана модель с пространственным представлением элементов трансмиссии. При этом модель включает в себя звенья трех основных типов. Первым из них является вращающаяся масса, расположенная на валу (рис. 2). Для описания положения одного тела относительно другого в данном случае в программном пакете «Универсальный механизм» используется понятие «Вращательный шарнир». Оно позволяет задать кинематическую пару с одной степенью свободы и вводит одну локальную координату - угол <р. Вторым типовым звеном является зубчатое зацепление (рис. 3). Для данного звена описывается шарнир с шестью степенями свободы, каждая из которых может быть «выключена» и имеется возможность сохранения только вращательного движения. Третий вид типового звена - планетарный механизм (рис. 4). Для описания солнечной шестерни, коронной шестерни и водила используют шарнир с шестью степенями свободы, связь между сателлитом и водилом описывается вращательным шарниром.

В модели подробно описаны элементы коробки передач и дифференциального механизма поворота, отражены разделения потоков мощности. В кинематических парах сохранены передаточные отношения. Учтены реактивные силы и моменты, действующие на корпусные и несущие элементы, а также от двигателя. Описан дифференциальный механизм поворота с управлением от гидромотора. Предусмотрена возможность управления фрикционными элементами коробки передач для исследования динамических процессов на переходных режимах. Общий вид динамической модели представлен на рис. 5.

Модель позволяет задавать характер изменения крутящего момента любого двигателя, предварительно определенный по индикаторным диаграммам, в частности, моменты двигателей Д-442-24 для трактора AipoMain-90 и 6-ти цилиндрового рядного двигателя Cummins QSM-C330 для трактора ЧЕТРА-бСЗ 15.

Для анализа влияния на нагруженность СП комплекса кинематических и динамических нагружающих факторов, под действием которых формируется крутящий момент на ведущих колесах, с помощью пакета «Универсальный механизм» создана твердотельная модель гусеничного движителя трактора «Четра-6С315» (ряс. 6).

Конечная передача с реактивным звеном представлена в динамической модели (рис. 1) схемой, показанной на рис. 7. Уравнения, описывающие движение ее элементов, записываются в следующем виде:

Рис. 1. Динамическая модель СП: 1 - двигатель; 2 - насос; 3 - карданный вал; 4- КПП; 5 - главная передача; в - планетарный ряд дифференциального механизма поворота; 7 - привод дифференциального механизма поворота; 8 - конечная передача

Рис. 7. Динамическая модель конечной передачи с реактивным звеном

Рис. 2. Типовое звено «Масса, вращающаяся с валом»

Рис. 3. Типовое звено «Зубчатое зацепление»

Рис. 4. Типовое звено «Планетарный механизм»

Рис. 5. Общий вид пространственной модели

Рис. 6. Общий вид смоделированного гусеничного движителя

/59 r/?5g+kS9 ср59+СJ. 59_61 (<p59-(p6s- <p6i)-С57_59(р57-r/?59) = 0;

hl ^61 + кЫ <Ps\+ С61-63 (Рб1 - РбЗ ) - С59-61 (<*>59 - Рб1) =

/79 (379 + ¿г79 i379 + С79_81 (>79 - <з81) - С63_79 (р63 - (р19) = 0;

4 <?81 + ^81 ^81+ С81-71 (<»81- <Рп) ~ С79-81 i^Sl ) = 0'

где /, - моменты инерции сосредоточенных масс, Су - крутильная жесткость их упругих связей, kt - коэффициенты демпфирования колебаний масс, (p^tp^fj- соответственно перемещения, скорости и ускорения масс в колебательном движении.

В той же программной среде выполнен комплекс расчетных исследований изменения крутящего момента под действием основных кинематических и динамических факторов при прямолинейном движении трактора с постоянной скоростью с крюковой нагрузкой и без нее, а также при поворотах с разными радиусами. Для описания свойств грунта использовалась модель Беккера с учетом просадки. В результате получен комплект цифровых осциллограмм изменения крутящего момента на ведущем колесе от угла поворота на основных эксплуатационных скоростях движения, одна из которых для примера приведена на рис. 8. Полностью характер изменения крутящего момента в диапазоне скоростей от 1,0 до 9,5 м/с отображен 3-мерной диаграммой (рис. 9), где по оси х отложена скорость движения трактора V, по оси у - угол поворота ведущего колеса (на один

Рис. 8. Характер изменения момента на ведущем колесе при скорости движения 2,5 м/с

Полученная в результате расчетных исследований база данных по изменению крутящего момента на основных скоростях движения использована для задания возмущающих воздействий при исследовании динамической нагруженности трансмиссии, для чего выполнено разложение полученных зависимостей в ряд Фурье с помощью стандартных библиотек пакета МайаЪ. Часть результатов гармонического анализа приведена в таблице 1, где указаны частота каждой полученной гармоники до 6-й включительно на каждой скорости трактора и процентное отношение величины момента на этой частоте к моменту первой гармоники.

С использованием модели получен также спектр собственных частот колебаний масс в диапазоне от 0 до 300 Гц, который представлен в таблице 2.

Рис. 9. Диаграмма изменения крутящего момента на ведущем колесе

Таблица 1

Скорость, м/с км/ч Частота, Гц Номер гармоники

1 | 2 | 3 ] 4 | 5 | 6

Амплитуда,Н ■ м Частота, Гц Относительная амшштуда,%

Ц2 3,6 6.53 1211,62 6,53 100% 13.06 10,19 % 19,59 9,40 % 26,12 6,50 % 32,65 4,68 % 39,18 3,41 %

1Л 5,4 9,79 1511,38 9,79 100 % 19,59 4,59 % 29,38 8,92 % 39,18 3,81 % 48,975 3,06 % 58,77 2,30 %

2ц0 7,2 13,06 2589,86 13,06 100 % 26,12 17,04 % 39,18 8,92 % 52,24 3,86 % 65,3 1,14 % 78,36 5,67 %

2Л 9,0 16,33 . 1945,5 16,33 100% 32,65 7,67 % 48,97 4,78 % 65,3 4,19 % 81,625 10,94 % 97,95 2,02 %

м 10,8 19,59 1502,74 19,59 100% 39,18 16,9 5% 58,77 8,36 % 78,36 16,9 % 97.95 9,11 % 117,54 5,25 %

Таблица 2

Номер 1 2 3 4 5 6 7 8

Собственная частота, Гц 11,7 78,3 103,2 114,3 149,6 191,1 233,3 287,4

Выполнены расчетные исследования динамической нагруженности участков СП для всего диапазона расчетных крюковых нагрузок (0 - 80 кН) с шагом 4 кН и диапазона расчетных скоростей-(1,0 - 9,5 м/с) с шагом 0,5 м/с. В результате обработки полученных цифровых осциллограмм получены трехмерные диаграммы нагруженности участков на расчетных режимах работы, одна из которых для примера приведена на рис. 10. Анализ диаграмм свидетельствует о безусловно самой высокой нагруженности деталей конечной передачи (участок 25 на диаграмме) практически на всех режимах.

Четвертая глава называется «Исследование влияния на нагруженность силовой передачи реактивного звена с упругой связью». Для снижения динамической нагруженности СП предложено вместо жесткого закрепления коронной шестерни конечной передачи использовать ограниченно упругое (5 градусов вперед-назад).

Номер участка

Рис. 10. Моменты на участках при скорости движения 1 м/с

Выполнена конструктивная проработка (рис. 11) установки между ступицей и венцом, связывающим барабан с коронной шестерней, пакетов упругих металлических пластин, то есть своеобразной упругой муфты (рис.12). Упругие пакеты муфты предназначены для восприятия и сглаживания пиковых динамических нагрузок, а после их упругой деформации обеспечивается жесткое соединение между ступицей и венцом муфты по контактным поверхностям косых упоров ступицы и венца.

Рис. 12. Пространственные изображения элементов упругой муфты

11

0.06

Угол поворота муфты, рад

Рис. 13. Упругая характеристика муфты

Упругая характеристика муфты-приведена на рис. 13. При расчетных исследованиях в качестве оценочного показателя, характеризующего степень динамической нагруженности участков, использован коэффициент неравномерности нагрузки £„, пропорциональный величине отклонения максимального момента на участке от его средней величины.

Во время прямолинейного движения без крюковой нагрузки при установке муфты кя уменьшается на 3-4 %, а при движении со скоростью 2 км/ч на всех участках уменьшается в пределах от 16 до 38 % (рис. 14). На графиках рис. 1419 по оси абсцисс отложены номера участков: 1-7 - от двигателя по карданный вал; 8-11 - КПП, 12-15 - от главной по конечную передачу. С крюковой нагрузкой картина почти не изменяется, но снижение нагруженности имеет место в основном на участках, расположенных до главной передачи.

- без уст. с уст.

г 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 131415 Номер участка

-без уст

• - суст

6 7 8 9 101112131415

Номер участка

Скорость 0,56 м/с, без крюковой нагрузки Скорость 2,78 м/с, с крюковой нагрузкой

Рис. 14. Изменение ки на участках при прямолинейном движении

На рис. 15 показано изменение кн по бортам трансмиссии с установкой и без установки муфты на установившемся повороте без крюковой нагрузки. Анализ показал, что в процессе поворота коэффициенты неравномерности нагруженности участков левого и правого борта неодинаковые и отличаются в 1,3-1,5 раза. На рис. 16 показано изменение максимальных моментов по бортам, они разные только на участках, связанных с отстающей и забегающей гусеницами, отличаются на разных скоростях и радиусах поворота в пределах от 1 до 45 %. При повороте с крюковой нагрузкой заметного изменения нагруженности участков не наблюдается. На всех участках неравномерность нагруженности снижается от О до 25 %.

--суст

1 2 3 4 5

б 7 8 9 10 1112 13 1415 Номер участка

• — сует -без

12345 6 789 101112131415 номер участка

С корость ОЖ м/с, радиус поворота 5 м Скорость 1,67 м/с, радиус поворота 5 м

Рис. 15. Изменение К на участках при установившемся повороте

2500

. S 2000 x

5 1500 0)

s looo о

5 500 0

1

1.

V/

Mmaxl -Mmax2

12345678 9 101112131415

номер участка Скорость 1,10 м/с, радиус поворота 10 м

4000 •

£ 3000 -

V-

2000

S

S 1000

0 ■

Mmaxl -Мп-;0х2

123456 7 89 101112131415 номер участка

Скорость 2,22 м/с, радиус поворота 7 м Рис. 16. Изменение максимальных моментов на участках

Самая высокая динамичность нагрузок обычно наблюдается в начальной и конечной фазах поворота, то есть на входе в поворот и на выходе из поворота. На рис. 17 приведено сравнение изменения кн на участках при установившемся повороте и при входе в поворот, на многих участках ка снижается на 20-35 %.

5 2-5

0.5 I

1 - -- -1

I.....

"——ВХОД

--уст

1234 5 6789 10111213141S номер участка

Скорость 1,10 м/с, радиус поворота 3 м

X о Э S i § S 2 5 s

—*-(ЗХОД ■ - уст

1 2 3 4 5 6789 101112131415 номер участка

Скорость 0,56 м/с, радиус поворота 2 м

Рис. 17. Изменение ки на участках при входе в поворот

15000 10000 1 $000 о

/ Правая звездочка

2 I -sooo -10000 -15000 I

I N Л гвая зве здочка

3 4 5 6 7 8 6 t, с

Скорость 2,78 м/с, радиус поворота 2 м" Изменение момента на ведущих колесах

Скорость 2,78 м/с, радиус поворота 2 м Изменение момента на участках S5-S8

Рис. 18. Изменение момента при входе в поворот и выходе из поворота на ведущих колесах и участках, связанных с отстающей и забегающей гусеницами

На рис. 18 показаны участки цифровых осциллограмм изменения момента на ведущих колесах забегающей и отстающей гусеницы. На них видно, что при входе в поворот (с 3-ей по 4-ю секунды движения) максимальный момент в 3,5 раза превышает средний, а на выходе из поворота (7-8 секунды) превышает в 2,5 раза. Анализ процесса изменения с 3-й по 7-ю секунду моментов на участках, расположенных рядом с ведущим колесом, показывает, что при входе в поворот максимальный момент на участках, связанных с забегающей гусеницей, в 9 раз превышает средний, а на выходе из поворота - в 2,5 раза. На рис. 19 показано изменение ки на тех же участках при выходе из поворота с упругой муфтой и без нее, момент при ее установке уменьшается на 5-6 %,

3- 5)

i s ■9- о

ft 0

Т| W

■без уст с уст

1 3 5 7 9 11 13 15

номер участка Скорость 2,78 м/с, радиус поворота 2 м

Щ X i

s Е 5 »

о 1 ■6-1

л а 0 3 п iS»

i

с уст -без уст

1 3 5 7 9 И 13 15

номер участка Скорость 0,56 м/с, радиус поворота 2 м

Рис. 19. Изменение к„ на участках при выходе из поворота

В пятой главе «Экспериментальные исследования нагруженности участков трансмиссии» приведено описание экспериментальной установки, методов и результатов экспериментальных исследований динамической нагруженности ведущего и ведомых валов конечной передачи трактора ВТ-100. Для этого валы снабжены тензомостами (рис. 20), записаны осциллограммы изменения нагружающих их моментов на разных скоростях движения (пример на рис. 21).

Рис. 20. Тензометрирование моментов на ведущем и ведомом валах конечной передачи

Рис. 21. Изменение момента на ведомом валу конечной передачи на скорости 1 м/с

При помощи пакета MatLab выполнен спектральный анализ частотного состава моментов, определены основные собственные частоты СП. При помощи пакета «Универсальный механизм» создана 3-мерная модель трансмиссии этого трактора и выполнен расчёт собственных частот с использованием пакета Mat-Lab. Выполненная проверка адекватности созданной модели при использовании критерия Вилкоксона показала, что с принятой вероятностью 5 % модель адекватна реальной динамической системе СП. При построении и исследовании модели трактора ЧЕТРА 6С-315 использовался тот же математический аппарат, те же методы исследования. Таким образом, модель ЧЕТРА 6С-315 также возможно считать адекватной реальной динамической системе СП этого трактора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате выполнения комплекса экспериментальных и расчетных исследований обоснован и разработан метод снижения динамической нагружен-ности СП трактора за счет изменения крутильной жесткости реактивного звена.

2. Установлено, что за счет изменения крутильной жесткости реактивного звена:

- при прямолинейном движении без крюковой нагрузки и с нагрузкой на участках трансмиссии отношение максимального момента к среднему уменьшается на 3-4 %, а при движении со скоростью 2 км/ч от 16 до 38 %;

- при установившемся повороте без крюковой нагрузки и с нагрузкой с разными скоростями движения и с разными радиусами поворота отношение максимального момента к среднему уменьшается на отдельных участках до 25 %;

- на режимах с самой высокой динамичностью нагрузок, то есть на входе в поворот и на выходе из поворота, на большинстве участков отношение максимального момента к среднему снижается на 20-35 %.

3. Разработана математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы трактора и СП. Модель может быть использована в системах автоматизированного проектирования тракторов для оценки влияние на нагруженность участков СП жесткости реактивных звеньев силовой цепи.

4. Предложено и запатентовано 4 новых технических решения устройств, предназначенных для снижения динамической нагруженности трансмиссий за счет изменения крутильной жесткости их валопроводов и за счет ввода самоустанавливающихся звеньев в планетарную конечную передачу.

Весь предложенный комплекс разработок - новых технических решений, динамических и математических моделей, а также результатов моделирования может быть использован в практике проектных организаций в отрасли автотракторостроения для создания СП тракторов с пониженной динамической на-груженностью.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Исследование характера изменения крутящего момента на ведущем колесе гусеничного трактора / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, И.А. Иванов, A.B. Калмыков // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы . Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. -№ 12.-С. 60-63.

2 Исследование динамической нагруженности участков силовой передачи трактора Четра 6С-315 / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, И.А. Иванов,

A.B. Калмыков // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 2. - С. 47-50.

3. Исследование динамических характеристик трансмиссии сельскохозяйственного трактора 6-ого тягового класса / Вл.П. Шевчук,

B.В.Шеховцов, Е.В.Клементьев, Н.С. Соколов-Добрев, A.B. Калмыков // Современные наукоёмкие технологии. - 2013. - № 2. - С. 44-49.

в прочих изданиях:

4. Оценка воздействия неравномерности крутящего момента ведущего колеса на нагруженность элементов трансмиссии TTC / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, Ал.Ал. Козлов, A.B. Калмыков // Молодой учёный. - 2011. -

№6,ч. 1.-С. 66-69.

5 Калмыков, A.B. Конструкторская модернизация стендового нагружателя / А В. Калмыков // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. VI всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 15-16 дек. 2009 г. В 6 т. Т. 1 /

15

ГОУ ВПО ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - С. 74-76.х ..

6. Research of Influence À Caterprillar Power Train's Rewinding of Caterpillar on Dynamic Load / A.B. Калмыков, В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, И.А. Иванов // 30th Anniversary Seminar of the Students' Association for Mechanical Engineering (11-13.05.2011, Warsaw, Poland); book of Abstracts / Military University of Technology, Faculty or Mechanical Engineering. -Warsaw, 2011. - S. 40-41. - Англ.

. 7. The Research of the Dynamic Load of the Power Train of the Caterpillar Tractor Chetra 6C-315 / B.B. Шеховцов, H.C. Соколов-Добрев, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, И. Иванов, А.В. Калмыков // Journal of KONES. Powertrain and Transport. - 2011. - Vol. 18 No. 1. - C. 535-546. - Англ.

8. Research of dynamic characteristics of Chetra-6C315 tractor's power transmission / A.B. Калмыков, П.В. Потапов, В.В. Шеховцов, E.B. Клементьев, Н.С. Соколов-Добрев // 31st Seminar of the Students' Association for Mechanical Engineering, Warsaw, Poland, May 22nd - 25th, 2012 : book of Abstracts / Military University of Technology, Faculty ofMechanical Engineering. - Warsaw, 2012. -P. 21-22.

9. Research of dynamic characteristics of Chetra-6C315 tractor's power transmission [Электронный ресзфс] / A.B. Калмыков, П.В. Потапов, В.В. Шеховцов, Е.В. Клементьев, Н.С. Соколов-Добрев // 31st Seminar of the Students' Association for Mechanical Engineering, Warsaw, Poland, May 22nd - 25th, 2012: [доклады] / Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering. - Warsaw, 2012.-1 CD-ROM. - P. 1-8.

10. The Computational Research of the Dynamic Load of the Power Train Sites of the Caterpillar Tractor = Расчётное исследование динамической нагрузки системы передачи привода в гусеничном тракторе / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, А.В. Калмыков // The Archives of Automotive Engineering / Archiwum Motoryzacji. - 2013. - Vol. 59, No. 1. - С. парал.: 85-97 (англ.); 185-198 (рус.).

Патенты:

И. П. м. 100574 РФ, МПК F 16 H 1/48. Планетарная передача / В.В. Шеховцов, Вл.П. Шевчук, А.В. Калмыков, М.В. Ляшенко, А.О. Пивоваров; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2010.

12. П. м. 108526 РФ, МПК F 16 H 1/48. Планетарная передача / Вл.П. Шевчук, А.О. Пивоваров, А.В. Петренко, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, А.В. Калмыков; ВолгГТУ. - 2011.

13. П. м. 117005 РФ, МПК G 01 M 13/02. Стенд с замкнутым силовым контуром для испытания трансмиссий транспортных средств / В.В. Шеховцов, И.В. Ходес, Вл.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, А.В. Калмыков, К.В. Шеховцов; ВолгГТУ. - 2012.

14. П. м. 116411 РФ, МПК В 60 К 17/02. Устройство для управления жёсткостью трансмиссии транспортного средства / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, Вл.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, А.В. Калмыков, А.О. Пивоваров; ВолгГТУ. - 2012.

Подписано в печать 04.03.2014 г. Заказ № 78. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, Волгоград, ул. Советская, 35

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

04201457479 На правах рукописи

Калмыков Алексей Васильевич

СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ТРАКТОРА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ КРУТИЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ РЕАКТИВНОГО ЗВЕНА

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2014

щ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... 5

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И НАПРАВЛЕНИЕ

1

ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................ 9

1.1 Обзор работ современных исследователей в области динамики

силовой передачи.......................................................... 9

1.2. Анализ используемых моделей силовых передач................... 15

1.3 Предлагаемый способ снижения динамической нагруженности

силовой передачи........................................................... 17

2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ

НАГРУЖЕННОСТИ СИЛОВЫХ ПЕРЕДАЧ И СРЕДСТВ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ........................................................ 18

2.1 Использование упругих элементов в прицепном устройстве..... 18

2.2 Использование упругих элементов в приводе ведущих колес...... 20

2.3 Использование обрезиненных элементов в гусеничной ходовой системе................................................................................................ 22

2.4 Целенаправленное конструирование отдельных деталей силовой цепи с высокой податливостью.................................... 25

2.5 Установка в силовую цепь специальных устройств с высокой податливостью................................................................. 29

2.6 Целенаправленное конструирование отдельных деталей силовой цепи с повышенными демпфирующими свойствами............. 31

2.7 Установка в силовую цепь демпферов................................. 32

2.8 Использование самоустанавливающихся «плавающих» или компенсационных звеньев................................................................ 34

2.9 Снижение степени динамической связанности колебаний

звеньев силовой цепи........................................................................ 35

2.10 Изменение жесткости опор элементов силовой передачи (жесткости «реактивных звеньев»)........................................................... 38

2.11 Предложенные новые технические решения устройств для адаптивного управления жесткостью валопровода трансмиссии......................39

2.11.1 Устройство с фрикционной муфтой............................................................................................40

2.11.2 Устройство с вариатором жесткости..................................................................42

2.12 Предложенные новые технические решения планетарных передач с самоустанавливающимися сателлитными блоками..........46

2.12.1 Планетарная передача с упругими связями между секторами сателлитных блоков............................................................................................................46

2.12.2 Планетарная передача с последовательным соединением секторов сателлитного блока карданными шарнирами..................................51

3 РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ И

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ

ТРАКТОРА ЧЕТРА-6С315..........................................................................................................................55

3.1 Исходные положения..................................................................................................................................................55

3.2 Структурная схема и динамическая модель........................................................................57

3.3 Разработка математической модели силовой передачи трактора

при помощи пакета «Универсальный механизм»........................................64

3.3.1 Типовые звенья модели..........................................................................................................................................64

3.3.2 Составление уравнения движения на примере конечной передачи........................................................................................................................................................69

3.3.3 Описание возмущающих воздействий от двигателя и изменений тягового сопротивления..........................................................................................................................73

3.3.4 Разработка пространственной модели ходовой системы................75

3.3.4.1 Моделирование подвески................. ......................................................................75

3.3.4.2 Моделирование опорных катков......................... ............................................................78

3.3.4.3 Моделирование направляющего колеса и натяжного устройства 79

3.3.4.4 Моделирование ведущего колеса........................ ..........................................................81

3.3.4.5 Моделирование гусеницы..................... ........................................................83

3.3.4.6 Описание взаимодействия гусеницы с грунтом............................................84

3.3.5 Анализ характера изменения момента на ведущем колесе..................86

3.3.6 Получение спектра собственных частот силовой передачи................88

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА НАГРУЖЕННОСТЬ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕАКТИВНОГО ЗВЕНА С УПРУГОЙ СВЯЗЬЮ..............................................................................................................................................91

4.1 Разработка конструкции упругой муфты................................................................................91

4.2 Определение прочностных и жесткостных параметров упругой муфты..................................................................................................................................................92

4.3 Изменение конструкции планетарной конечной передачи......................100

4.4 Результаты расчетного исследования изменения нагруженности участков валопровода на разных режимах движения..............................101

4.4.1 Прямолинейное движение без крюковой нагрузки....................................101

4.4.2 Прямолинейное движение с крюковой нагрузкой......................................104

4.4.3 Установившийся поворот без крюковой нагрузки..................................................106

4.4.4 Установившийся поворот с крюковой нагрузкой......................................................114

4.4.5 Вход в поворот................:....................................................................................................................................115

4.4.6 Выход из поворота..........................................................................................................................................................117

4.4.7 Влияние синфазности перезацепления ведущих колес с гусеницей............................................................................................................................................................121

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ УЧАСТКОВ ТРАНСМИССИИ....................124

5.1 Задачи исследований........................

..............................................................124

5.2 Описание экспериментальной установки 125

5.3 Описание измерительной аппаратуры............... ..................................126

5.4 Методика экспериментальных исследований........... ........................128

5.5 Исследование моментов на валах заднего моста и ведущего колеса во время движения трактора..............................................................................130

5.6 Расчетные исследования модели трактора.............

..............................131

5.7 Оценка адекватности разработанных динамических моделей 134 ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................138

*

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................139

I »Iii мят

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время каждое новое поколение машин отличается от предшественников большей энерговооруженностью и универсальностью. Этим обеспечивается их более высокая производительность и возможность механизации выполнения все большего количества работ. Но увеличение единичной мощности и энергонасыщенности машин сопровождается повышением динамической нагруженности их конструкций, форсированным износом наиболее нагруженных деталей, более быстрым темпом накопления усталостных повреждений, более частыми отказами и усталостными поломками.

Известно, что в силовой передаче гусеничных машинах одним из самых динамически нагруженных узлов является конечная передача. Она первая в силовой цепи воспринимает динамические нагрузки от перемотки гусеничной цепи, от изменения тягового сопротивления, а также от раскачивания остова на подвеске. По литературным данным, до 80 % отказов, обусловленных высокой нагруженно-стью деталей, в трансмиссиях тракторов приходится на конечную передачу. Снижение уровня нагруженности конечной передачи является одним из эффективных путей уменьшения динамической нагруженности силовой передачи в целом. Следовательно, тема работы, в которой предложен способ снижения динамической нагруженности силовой передачи за счет изменения крутильной жесткости реактивного звена конечной передачи, является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Современными авторами предложены различные методы и конструктивные мероприятия для снижения нагруженности силовой цепи трактора, среди которых следует отметить предложения использовать передающие крутящий момент упругие элементы в подвеске задних колес, полуоси ведущих мостов с нелинейными упругйми характеристиками, резинометаллические блоки в амортизационно-натяжном устройстве и в балансирных каретках, опорные катки с внутренними и наружными упругими элементами, обрезиненные траки, резинометаллические гусеницы, прицепное устройство с упругим элементом и другие устройства. В результате анализа литературных источников не обнаружено работ, в которых предложен метод снижения динамической нагруженности трансмиссии за счет изменения жестко-

1п

сти связи реактивного звена. Между тем за счет этого можно существенно снизить динамическую нагруженность участков валопровода при процессах нагружения с высокой динамичностью.

Целью настоящей работы является обоснование и разработка способа снижения динамической нагруженности силовой передачи трактора, основанного на изменении крутильной жесткости крепления коронной шестерни конечной передачи к корпусу.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи работы:

1. Анализ используемых в современной практике автотракторостроения методов и способов снижения динамической нагруженности силовой передачи.

2. Построение с помощью программного пакета «Универсальный механизм» математических моделей гусеничных тракторов ВТ-100 и ЧЕТРА-6С315 с пространственно-динамическим представлением гусеничной ходовой системы и силовой передачи.

3. Экспериментальное исследование динамической нагруженности участков силовой передачи трактора ВТ-100 с целью верификации и проверки адекватности математических моделей, создаваемых с помощью пакета «Универсальный механизм».

4. Расчетный анализ динамической нагруженности участков силовой передачи трактора ЧЕТРА-6С315, в том числе планетарной конечной передачи, в разных условиях движения.

5. Разработка конструкции конечной передачи трактора ЧЕТРА-6С315 с изменяемой крутильной жесткостью реактивного звена; расчетный анализ влияния изменения этой жесткости на нагруженность трансмиссии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен способ снижения пиковой динамической нагруженности участков силовой передачи трактора на режимах работы с высокой динамичностью нагрузок за счет изменения жесткости реактивного звена конечной передачи.

2. Создана математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении силовой передачи и гусеничной ходовой системы

трактора, позволяющая исследовать нагруженность участков силовой цепи при возмущениях от неравномерности действия крутящего момента двигателя и комплекса эксплуатационных кинематических и силовых возмущений от ходовой системы, а также оценивать влияние на эту нагруженность жесткости реактивных звеньев силовой цепи.

Теоретическая значимость работы определяется тем, что предложены теоретические разработки, направленные на использование в силовых передачах тракторов ограниченно упругих реактивных звеньев, использование которых позволяет снижать динамическую нагруженность силовой передачи на режимах нагружения с высокой динамичностью нагрузок. Также предложена математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы и силовой передачи трактора, позволяющая исследовать динамическую нагуженность участков силового валопровода трансмиссии на разных режимах нагружения с восприятием всего комплекса эксплуатационных возмущений, генерируемых двигателем и ходовой частью, и оценивать влияние на эту нагруженность жесткости реактивных звеньев.

Практическая значимость работы определяется следующим:

1. Использование в практике конструирования силовых передач созданной математической модели, основанной на пространственно-динамическом представлении силовой передачи и гусеничной ходовой системы трактора, обеспечивает возможность получения достоверной информации о динамической нагруженно-сти всех участков силовой цепи в разных условиях движения на этапе проектирования и определять необходимые изменения жесткости реактивных звеньев для снижения этой нагруженности.

2. Использование в силовых передачах тракторов предложенных и запатентованных новых технических решений устройств, позволяющих изменять крутильную жесткость участков силовой передачи, обеспечивает возможность снижения пиковой нагруженности передачи на переходных режимах движения.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования силовых передач с помощью программных пакетов «Универсальный механизм» и ЗипиНпк

на основе созданных математических моделей. Экспериментальные исследования с использованием тензометрического оборудования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Способ снижения пиковой динамической нагруженности участков силовой передачи трактора на режимах работы с высокой динамичностью нагрузок за счет изменения жесткости реактивного звена.

2. Математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы и силовой передачи трактора.

3. Результаты экспериментальных и расчетных исследований влияния изменения жесткости реактивного звена на динамическую нагруженность трансмиссии.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловливается использованием научно обоснованных методов построения и тестирования моделей, математического описания их элементов и расчетного исследования моделей, основанных на основных положениях теории колебаний и фундаментальных законах механики, сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований и их согласованностью с результатами исследований других авторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в 2009-2013 г.г. были представлены на 8 внутренних, всероссийских и международных научно-технических конференциях, в том числе на VI всерос. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 2010 г., 30th Anniversary Seminar of the Students' Association for Mechanical Engineering, Варшава, 2011 г., 31st Seminar of the Students' Association for Mechanical Engineering, Варшава, 2012 г., и ежегодных научных конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2009-2013).

1. НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Обзор работ современных исследователей в области динамики силовой передачи

В настоящее время в связи с- длительно действующей тенденцией в мировом тракторостроении каждое новое поколение машин должно отличаться от предшественников большей энерговооруженностью и универсальностью. Этим обеспечивается их более высокая производительность и возможность механизации выполнения все большего количества работ при помощи одной машины. Но достижение этих более высоких показателей сопровождается рядом проблем, которые необходимо учитывать создателям машин и стараться по возможности решать их на стадии проектирования.

Так, в работах современных отечественных ученых Вербилова А.Ф. [12], Га-маюноеа П.П. [17], Годжаева З.А. [20], Жутоеа А.Г. [37-38], Коблоеа С.П. [36], Мержевского A.B. [65], Hexopouieea В.В. [70], Оганесяна Г.М. [72], Сеитаче-еа А.И. [98-101], Соколоеа-Добрееа Н.С. [107-110], Шеховцова В.В. [120-122], Шишкина A.B. [123] и ряда других авторов отмечается, что увеличение единичной мощности и энергонасыщенности машин сопровождается повышением динамической нагруженности их конструкций, форсированным износом наиболее нагруженных деталей, более быстрым темпом накопления усталостных повреждений, более частыми отказами и усталостными поломками.

Теме исследования динамики силовых передач тяговых и транспортных средств прямо или косвенно посвящены работы таких отечественных ученых, как Анилович В.Я., Анохин В.И., Бабаков И.М., Баженов С.П., Барский И.Б., Ва-фин Р.К., Вейц B.JI., Годжаев З.А., Гуськов В.В., Дмитриченко С.С., Доброхле-бовА.П., КоловскийМ.З., Ксеневич И.П., Кутьков Г.М., Маслов Г.С., Платонов В. Ф., Ривин Е.И., Семенов В.М., Скундин Г.И., Тарасик В.П., Терских В.П., Тимошенко С.П., Цитович И.С., Яценко H.H. Научными коллективами НАТИ, других отраслевых институтов и технических вузов под руководством, в частности, Аниловича В.Я., Анохина В.И., Барского И.Б., Городецкого К.И., Гуськова В.В., Дмитриченко С.С., Ксеневича И.П., Платонова В.Ф., Цитовича И.С., Шарипо-ва В.М. и других ученых созданы методы проектирования, расчетных и экспериментальных исследований СП, которые легли в основу создания нескольких поколений российских колесных и гусеничных машин.

ю

В настоящее время, несмотря на кризисные явления в экономике и критическое состояние отечественного тракторостроения, продолжают появляться диссертационные работы, направленные на исследование динамики силовой перед�