автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Совершенствование приводов транспортно-технологических машин использованием зубчатого бесшатунного дифференциала

ЗАЙКИН ОЛЕГ АРКАДЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИВОДОВ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗУБЧАТОГО БЕСШАТУННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛА

05.02.02 — «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 У '"л'! ¿см

Волгоград-2014 005550095

005550095

Работа выполнена на кафедре «Техника и технологии наземного транспорта» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Астраханский государственный технический университет" Федерального агентства по рыболовству.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Шеховцов Виктор Викторович

Официальные оппоненты: Годжаев Захид Адыгезал оглы,

доктор технических наук, профессор, первый заместитель генерального директора Федеральный исследовательский испытательный центр машиностроения

Морозов Андрей Валериевич, кандидат технических наук, ОАО «ЕПК-Волжский», технический директор.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

аграрный университет»

Защита состоится « 26 » июня 2014 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.06, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, Россия, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд 209.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ» и на сайте vvwvv.vstu.ru по ссылке http://vwvvv.vstu.ru/nauka/dissertatsionnye-50уе1у/(1-21202806.html.

Автореферат разослан «_» _2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Приводы большинства автономных энергетических устройств обладают рядом существенных недостатков, таких, как значительные габариты и масса, повышенная виброактивность, не соответствие экологическим требованиям, низкая топливная экономичность, недостаточный ресурс. Существенные недостатки присущи также приводимым исполнительным механизмам, таким, как захваты, грейферы, компрессоры, прессы, насосы, толкатели и др.

Недостатки классических приводов менее выражены в конструкциях, где применены так называемые нетрадиционные конструктивные схемы или рабочие процессы. Это: роторные ДВС Ванкеля; двигатели Стнрлинга; свободно-поршневые ДВС; бесшатунные крейцкопфные и планетарные приводы; зубчато-дифференциальные приводы.

В тех случаях, когда необходимо обеспечить предельно малые габариты привода, высокую топливную экономичность, управляемость рабочим процессом и соответствие современным экологическим требованиям, в схемах приводов возможно использовать зубчатые планетарные и дифференциальные механизмы. Кроме прочих, их достоинством является то, что они позволяют трансформировать вращательное движение своих звеньев в прямолинейное движение выходного звена. Однако созданные до настоящего времени конструкции таких приводов обладают недостаточной надежностью из-за того, что в них используется не обладающее достаточной жесткостью разрезное водило, а в части из них используются направляющие или крейцкопфы, что усложняет конструкцию, увеличивает габариты, массу и потери на трение.

В связи с этим тема работы, направленной на совершенствование приводов транс-портно-технологических машин за счет использования бесшатунных планетарных механизмов, для устранения недостатков которых автором выполнены теоретические разработки и предложены новые технические решения, является актуальной.

Степень ее разработанности

В современных научных публикациях представлены разработки американских, французских, отечественных конструкций двигателей, компрессоров и других агрегатов с нетрадиционными схемами, имеющие цель обеспечить предельно малые габариты, топливную экономичность, управляемость рабочим процессом и экологию на уровне «ЕВРО-5, 6», в том числе разработки МГТУ им. Баумана, МАДИ, а также ВолгГТУ по приводам с прямолинейным движением для шагающих систем. В некоторых из них основой разработки являются бесшатунные механизмы, апробированные в авиационном двигателестроении С.С. Баландиным. Примеры использования подобных схем можно увидеть не только в ДВС, но и в холодильной, грузоподъемной строительной технике и т.д. Они привлекательны потому, что отвечают многим описанным выше требованиям. Таким образом, это научное направление достаточно разработанное, кроме одной модификации механизмов, которая исследуется в данной диссертационной работе.

Цели и задачи. Цель данной работы является разработка новых схем зубчатых бесшатунных механизмов для совершенствования приводов транспортно-технологических машин.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены такие задачи:

• анализ принципа работы схемы бесшатунного планетарного механизма для разработки схемы с прямолинейным движением без направляющей, воспроизводимом на кинематическом принципе;

• разработка новой схемы зубчатого бесшатунного механизма с трансформацией

з

вращения в поступательное движение по выделенному принципу, но со свободными размерами звеньев;

• математическое описание условий формирования траектории точки прямой в зависимости от отклонений в формирующей кинематике и уравнений параметров работы механизма при прямолинейном движении;

• экспериментальная апробация функциональных возможностей нового механизма;

• разработка методики расчета приводов на основе новых механизмов;

• разработка концепций приводов для технологических машин. Научная новизна работы:

• предложены и научно обоснованы схемы новых бесшатунных зубчатых дифференциальных механизмов, реализующие прямолинейное движение без направляющей и шатуна для приводов машин;

• установлены закономерности движения звеньев привода с новой схемой, что позволяет управлять траекторией движения выходного звена;

• разработана конструкция не разрезного жесткого водила, позволяющая использовать эту конструкцию в приводах машин;

• разработка методики расчета приводов с новыми механизмами;

• предложены варианты приводов машин на базе разработанных дифференциальных механизмов, имеющие новую нетрадиционную конструкцию и принцип работы.

Теоретическая и практическая значимость работы

Существенное теоретическое значение имеет предложенный автором метод синтеза новых схем планетарных замкнутых дифференциалов; созданная им математическая модель, позволяющая исследовать процессы движения звеньев этих механизмов и оценивать их работоспособность, а также новая методика проектирования таких механизмов.

Существенное практическое значение имеют созданные и запатентованные автором технические решения зубчатых бесшатунных дифференциалов [патенты РФ на изобретения №№ 2102644, 2125195, 2196264, 2196265], которые позволяют проектировать компактные приводы с поступательным и с точным поступательным движением выходного звена в рабочем процессе без направляющей или крейцкопфа и с улучшенными потребительскими свойствами, которые можно применять: в качестве двигателей гибридных приводов; в качестве компактных генераторов тока с мини-ДВС для электромобилей; в качестве колесных двигателей автомобилей с функцией под-руливания в системе или с функцией управляемого включения в режимах буксования, при трогании, при перегрузках и т.д. Также существенное значение для практики имеет созданное автором экспериментальное оборудование для испытаний зубчатых бесшатунных дифференциалов и предложенные методики экспериментальных исследований.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных в диссертации задач использовались основные методы физики, теории механизмов и машин, математической статистики, планирования эксперимента, проектирования измерительных комплексов, а также экспериментально-аналитический метод исследований. При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики, математического моделирования, поискового конструирования.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод синтеза дифференциального механизма по заданной кинематике передаточного механизма с использованием графических планов линейных скоростей, отличающийся тем, что базовый механизм оказывается вписанным в синтезированную схему в мнимом виде и геометрия звеньев формируется в виде линейных размеров, а числа зубьев и модуль подбираются по многовариантному раскладу без округления.

2. Запатентованные четыре схемы замкнутых зубчатых бесшатунных дифференциалов со свободными размерами колес относительно базовой схемы, имеющие способность кинематически формировать для особой точки на сателлите точную прямолинейную траекторию движения без направляющей.

3. Разработанная математическая модель, позволяющая управлять прямолинейностью траектории движения особой точки механизма от прямой до эллиптической, в зависимости от отклонений в параметрах механизма и внешних управляющих функций; уравнения параметров работы схемы в рабочих режимах привода и прочностного расчета звеньев.

4. Созданные физические модели и экспериментальный комплекс для исследования функциональных параметров созданных механизмов.

5. Методика расчета геометрических размеров звеньев, разработанных дифференциальных механизмов, обеспечивающая точность прямолинейного движения особой точки при обеспечении надежной устойчивости траектории от перехода в периодическую гипоциклоиду.

6. Новое конструктивное решение многоопорного сборного неразрезного жесткого водила на подшипниках качения для проектирования механизмов на основе разработанных схем бесшатунных зубчатых дифференциалов.

7. Концептуальные эскизные и схемные проекты приводов для некоторых транс-портно-технологических машин на основе предложенных дифференциальных механизмов.

Степень достоверности и апробация работы

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловливается использованием основанных на фундаментальных законах механики научно обоснованных теоретических методов исследований на основе созданного автором математического описания моделей предложенных механизмов, научно обоснованных экспериментальных методов исследований и сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на восьми Международных и Юбилейных научно- технических конференциях АГТУ (Астрахань, 1996 - 2010 г.), на Международной конференции «Современные направления развития производственных технологий и робототехника» в ММИ (Могилев, 1999 г.), на Международной научной конференции, посвященной 70-летию КГТУ (Калининград, 2000 г.), на Всероссийской конференции «V сессия Научного совета РАН по механике деформируемого твердого тела» в АГТУ (Астрахань, 2011 г.), на V международной конференции «Проблемы механики современных машин» в ВСУТиУ (Улан-Уде, 2012 г.), на 51 й научной конференции в ВолгГТУ (Волгоград, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и 4 патента на изобретения. Результаты работы отражены также в научно-исследовательских отчетах, имеющих государственную регистрацию.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из Введения, шести глав, Заключения и Списка литературы. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит ¡3 таблиц, 143 рисунка. Библиографический список состоит из 87 наименований представлен на 9 с.

Диссертация отвечает паспорту специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин» в пунктах области исследования 2, 6 и частично 8.

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 рассмотрены результаты анализа научных и конструкторских работ по улучшению технико-экономических показателей работы, повышению ресурса и надежности звеньев и узлов силовых приводов машин. Из аналитического материала выделена базовая схема — планетарная бесшатунная схема ДВС С.С. Баландина с геометрическим принципом формирования точного поступательного движения выходного звена без направляющей. Привод на ее основе имеет очень хорошие теоретические технико-экономические показатели, но конструкция не позволяет реализовать их в реальном проекте приводов.

Во второй главе описан предложенный новый метод синтеза планетарного замкнутого дифференциала, реализующего по заданной кинематике передаточного механизма прямолинейное движение выходного звена без направляющей и шатуна. Условия кинематического синтеза дифференциала с прямолинейным движением точек на сателлите, отстоящих на расстоянии е от оси вращения сателлита, состоят из условия сохранения геометрического места центров линейных скоростей (точек качения) сателлита в мнимой форме, и кинематического условия:

С0,=-Шя (1)

Применение метода Смирнова-Малышева с планом линейных скоростей для передач позволило выявить четыре варианта схемы зубчатого дифференциала, при вращательном движении звеньев формирующих прямолинейную траекторию движения выходного звена (рис. 1):

схема 1 схема 2 схема 3 схема 4

Рис. 1. Варианты синтеза схем дифференциальных механизмов

6

Далее выведена передаточная функция замыкающей ступени, кинематически формирующей прямолинейную траекторию движения точек на сателлите:

— = (2)

Д

По выражению (2), передаточная функция И2н формируется исходными величинами е и А. Возможно управление формой траектории двумя двигателями. Однако раздельные приводы могут произвольно изменять функциональную связь, поэтому надежнее связать аь и а>н через замыкающую ступень. Схема при этом трансформируется в замкнутый дифференциал - рис. 2, 3, 4 и 5.

Рис. 4. Схема 3 [патент 10]

Рис. 2. Схема 1 [патент 4]

Рис. 3. Схема 2 [патент 6]

Рис. 5. Схема 4 [патент 9]

Третья глава посвящена аналитическому исследованию параметров движения новых схем механизмов. В ней описана созданная математическая модель зубчатого бесшатунного механизма, позволяющая исследовать процесс движения звеньев зубчатого дифференциала, и управлять формированием прямолинейной траектории движения выходного звена.

Исследование точности воспроизводимой прямолинейной траектории позволило получить уравнение движения точки толкания в приводе с факторами, влияющими на траекторию:

х* =(е+ р)соэу+(е±к)со$( е+еА+_Рр + в($>) (3)

у* =(е+р)зту-(е±к)зт( е+е^+_р <р)

е + р 2е + Д + 5

Дсо2 оз

■(А + Ъ)-(е-р)

+-

1Я 2 е + А

е + р

2е + Д + 5 Асо2 со„

-+1

2е + Д

где: в - ошибка в размере радиусов Я и г.; 8 - величина изменения А; р - зазор в подшипниках опор; Ла>2 - приращение угловой скорости центрального колеса.

Ошибка к в положении точки с прямой траекторией входит в ее координату и не изменяет кинематику. При обнулении всех ошибок кроме, к, получаем уравнение эллипса (рис. 6), которое стабильно и не связано с гипоциклоидой:

х =(2е±к)соз(р, (5)

у =—(±к)зт<$

При задании величины к в виде функции к=/(х1, х2, хЗ и т.д.) получаем функцию, управляющую траекторией движения, например для шагающих систем.

Исследование кинематики выполнено на основе функции (2), по которой построен график (рис. 6) эффективных передаточных чисел замыкающей ступени. График применяется для выбора схемы замыкающей ступени по величине и'1Н — А). Замыкающие ступени рекомендованы как рядные, так и блочные шести видов компоновок.

Рис. 6. Зависимость передаточного числа замыкающей ступени от приращения радиусов Л

Исследование динамики позволило получить уравнения момента и КПД на потенциальных ведущих звеньях 2, 3, Н и условия полного уравновешивания схем противовесами. Моменты на валах Н, 2 и 3, с учетом КПД шарниров и зацеплении, имеют вид:

- - К2 ■ / 1 „ 1

■■»«фя ■(— -и2Н •———);

Тш

Я,

Л,

1

= Рпс ' е ' "7Г ' 5/"Фя (' т, 2 2

Пш-Ч„6 и 2 Н-Ки-^зуб

)\

К, К,

и,

л,;-л

(6)

Рассмотрен также вариант с дополнительными моментами М2 и М3, действующими извне на центральное колесо 2 и на замыкающий блок 3:

м'н=мн±м2-и2н, м'н=мн±мъ-и2н-^,

К2

м'н=мн±м2-игн±м,-и2н-^. (7)

к2

Выведены выражения для КПД механизмов, где И2н взяты по модулю:

(\ + игн) Яш Пзуб (1+и2П + Цгн^ Чщ Ъуб ...

Г\Н\ =-3-—. Л21 =-> 431 =-• I»)

(1\зуб + и2Я > П + и2Н ■ Пш ' С1 + и2Я • V >

При исследовании уравновешенности схем по годографам сил инерции выполнен анализ влияния положения поступательно движущихся масс на сателлитах механизма на способы уравновешивания.

Четвертая глава посвящена созданию физических моделей на основе четырех разработанных схем дифференциалов (рис. 7) и экспериментальному исследованию параметров их движения.

Рис. 7. Внешний вид моделей по схемам 1, 2, 3, 4 слева направо

Выполнено также экспериментальное исследование по оценке влияния округления чисел зубьев в замыкающей ступени Ъ? ... на прямолинейность формируемой траектории.

Установка для испытания моделей (на рис. 8 - слева) не промышленного изготовления. Она состоит из рамы 1, каретки с датчиками движения 2, электродвигателя 3, редуктора 4, приводного вала 5 (жесткая пальцевая муфта, втулочные муфты, валы удлинители), датчика крутящего момента 6, питающего элемента 7. Использованы реостатные датчики перемещения 4 подвижной каретки 1,2, датчик линейной скорости индукционного типа 5,6, тензометрический датчик крутящего момента (справа).

Рис 8. Внешний вид экспериментальной установки и датчиков 9

Измерительная аппаратура включает в себя тензометрическуто станцию А17-Т8, предназначенную для регистрации активных электросигналов с датчиков по 8-ми каналам одновременно.

Исследование траектории точки В на сателлите на предмет отклонений отпрямо-линейности выполнено методом киносъемки и методом вычерчивания траектории. Фотокартина развертки траектории с исследованием ее прямолинейности и вычерченные траектории показаны на рис. 9.

4 - Л /

Фотокартина траектории движения особой точки в модели 1

Ü Л

Исходный ВИД

Модель 4 — норма

Модель 2 - норма

Модель 2 - (-1 зуб)

Модель 2 - (-3 зуба)

Рис. 9. Фотокартина модели ] и траектории точек модели 2 и модели 4

Записи графиков изменения перемещения, скорости подвижной каретки и крутящего момента на валу водила (рис. 10) выполнены одновременно с использованием тензометрической станции А17-Т8.

Ш

I

перемещение S

М О М в Н"

подъем

кручения IVI

огружвнивм грузом

Рис. 10. Пример записи сигналов ю

Анализ параметров записи момента приведен в таблице 1. Сходимость результатов составила в среднем 11,3 %. Сходимость кинематики звеньев - 4,4%.

Таблица 1

Анализ крутящего момента на водиле моделей

Параметр | Мод.1 | Мод.2 | Мод.З | Мод.4

Данные тензограмм

Дрейф датчика 0,09 0,95 6,85 -0,44

Холостой ход 0,85 1,5 8,2, -3

Амплитуда нагр. 1,8 3,4 10,5 -5

Средняя нагр. 1,4 2,1 9,6 -4

Обнуленные данные

Холостой ход 0,76 0,55 1,35 2,56

Амплитуда нагр. 1,74 2,45 3,65 4,56

Средняя нагр. 1,3 1,15 2,75 3,56

Коэф. динам. 1,315 2,13 1,327 1,281

Экспериментальные моменты

Мдмп 1 0,8 | 1,127 | 1,679 | 2,08

Расчетные моменты

Мнмах 0,892 0,975 1,476 -

м2„ах _ - - 2,2

% сходимости ср. нагрузки и условного момента 10,3 % 15,6 % 13,8 % 5,5 %

В пятой главе описаны разработанные рекомендации для принятия первичных решений по выбору схемы будущего механизма из 4-х запатентованных схем дифференциалов, новая методика определения чисел зубьев колес и модуля дифференциальной пары табличным методом, обеспечивающая устойчивость прямолинейной траектории, приведены выражения для силового расчета звеньев и подбора двигателя привода при трех ведущих валах и рекомендации по уравновешиванию механизмов при использовании разработанных модулей по новым схемам дифференциалов.

Описана разработанная методика расчета приводов с кинематическим принципом организации точного прямолинейного движения. Для решения задачи точности в замыкающей ступени применен метод разложения передаточного отношения и2н на сомножители.

Решением задачи подбора чисел зубьев ц и т.2 является определение общего с модулем коэффициента кратности. По этому принципу предложена табличная методика определения коэффициентов кратности и соответствующих модулей так, чтобы при заданном значении диапазона Б^2'4 по ней можно выбрать несколько вариантов значений Л с кратностью по модулю для расчета возможных вариантов чисел зубьев г/ и 12,

В шестой главе предложены варианты применения синтезированных схем в реальных конструкциях транспортно-технологических машин. На рис. 11 показан привод для исследования трения и износа с применением модели № 1 с точным поступательным движением в поступательной паре или одновременно в трех (рис. 12).

Для дистанционного управления открытия/закрытия трубопроводной арматуры, предложен электромеханический малогабаритный и простой привод на основе схемы № 3 и с синусной кинематикой, обеспечивающий «мягкое» прямолинейное

опускание клапана, высокую надежность затвора, быстроту управления и склонность к переходу на пневмо/гидравлику, так как сам формирует поршневую группу.

каретка толкателя

Рис. 11. Установка трения Рис. 12. Установка параллельных ползунов

Рис. 13. Привод газо-нефтезапорной арматуры: слева изделие; справа проект

Решена главная диссертационная задача — разработана конструкция жесткого не разрезного водила на подшипниках качения для всех кинематических пар (рис. 14). Она позволяет осуществить вариант «сухого» двигателя с бесшатунным зубчатым механизмом и исключить синхронизатор из конструкции бесшатунной схемы.

N5)

Рис. 14. Сборный коленчатый вал-водило

Такая конструкция резко снижает трение, повышает ресурс работы и механический КПД, уменьшает габариты привода.

На этой основе предложен вариант компоновки модуля для мини-двигателя внутреннего сгорания на основании модели № 1. Компоновка представлена на рис. 15. Он позволяет формировать общую мощность силового агрегата, организовывать гибридные типы, повысить мощностью в два раза за счет двухстороннего процесса.

12

Рис. 15. Компоновки 4-цилиндрового оппозитного двигателя с развалом 0°, и 8-цилиндрового с развалом 90° с уравновешиванием схемой

Так же в главе рассмотрена возможность применения мини-ДВС с такой конструкцией в качестве колесных пневмо приводов, аналогично колесным пневмо двигателям Ди Пьетро для легкового автомобиля (рис. 16). Трансмиссия отсутствует, а управление поворотом автомобиля производится разностью скоростей колес.

Рис. 16. Компоновка приводных колес мини-двигателями

Предложен эскизный проект привода пресса автомата с безмуфтовой регулировкой длинны рабочего хода (рис. 17), позволяющий экономить до 35% мощности

бесшатунным зубчатым дифференциалом

Предложен привод формирования прямолинейного движения ног шагающих транспортных систем на основе моделей № 3, собранных в единый приводной механизм для каждой ноги (рис. 18) с регулированием высоты подъема и безударным мягким гармоническим законом движения.

Предложенная схема привода проще и энергетически выгоднее аналогов, управляется по высоте подъема ног простим эксцентриковым устройством, чего нет у других схем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе предложен новый метод синтеза планетарных бесшатунных дифференциальных механизмов, реализующих трансформацию вращательного движения входного звена в прямолинейное движение выходного звена. Разработаны условия синтеза и выполнен кинематический синтез 4-х новых схем механизмов, реализующих прямолинейное движение выходного звена без направляющей и шатуна.

2. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать параметры движения звеньев замкнутых дифференциальных механизмов и управлять формированием траектории выходного звена, а также осуществлять кинематические и силовые расчеты параметров элементов схемы и выдавать рекомендации по уравновешиванию механизмов. Создана методика расчета и проектирования бесшатунных зубчатых дифференциальных механизмов с многоопорным сборным неразрезным жестким водилом на подшипниках качения.

3. С использованием математической модели выполнен синтез 4-х новых схем замкнутых дифференциалов, на основе которых созданы физические модели. На технические решения этих схем получены патенты РФ на изобретения. Создан экспериментальный комплекс, на котором выполнена серия исследований, подтвердившая работоспособность и эффективность созданных моделей.

4. Предложены и теоретически обоснованы варианты применения новых схем зубчатых бесшатунных механизмов в приводах транспортно-технологических машин. Новые приводы этих механизмов, в отличие от традиционных, обладают:

• — двухкратным потенциалом повышения мощности при почти тех же габаритах (поршни двойного действия);

• возможностью форсировать обороты с применением двухтактного режима (поршни двойного действия — штоковый работает как компрессор);

• возможностью формировать гибридную силовую установку («ДВС-ПНЕВМО», «ДВС-ЭЛЕКТРО», тригибриг с линейным электрогенератором);

• возможностью управлять простым способом длинной хода в следящем режиме (эксцентриковая ось на подшипнике точки с прямолинейной траекторией, и формируется эллипс в траектории);

• в 2-3 раза меньшей массой (свойство бесшатунных схем);

• в 1,5-3 раза меньшими габаритами (свойство бесшатунных схем);

• лучшей на 20-40 % энергоэффективность (зависит от энергоносителя);

• меньшей на 10-50 % инерционностью (только силы инерции первого порядка);

• возможностью схемного оппозитного уравновешивания;

• повышенной в 1,3-1,7 раза долговечностью (нет шатунов и лишних ползунов);

• лучшей в 2-3 раза экологичноетью (из-за синусного закона, склонностью к альтернативной энергетике);

• возможностью применять электродвигатели с частотой вращения более 5000 об/мин;

• возможностью внутрисхемно применять пневмо или гидроэнергию для рабочего процесса (всегда в потенциале поступательное движение);

Весь предложенный комплекс разработок может быть использован в практике проектных организаций для создания приводов с предельно малыми габаритами и массой, с многовариантной кинематикой движения, с «мягкой» динамикой» звеньев и управляемостью рабочим процессом, обладающих повышенной надежностью и обеспечивающих точное воспроизведение заданной траектории движения выходного звена.

Основные положения диссертации опубликованы $ следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Зайкин, O.A. Проектирование малогабаритных двигателей и компрессоров с точным поступательным движением поршней без направляющей на основе схем замкнутых дифференциалов / Вестник АГТУ. 2005 № 2 (25). Научный журнал. Машиностроение. / Астр. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2005. - с.44 - 50. -В 2005 году это издание входило в список ВАК.

2. Разработка бесшатунных зубчатых приводов с поступательным движением без направляющей / O.A. Зайкнп, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко // Известия ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 8 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. -Волгоград, 2014. - № 3 (130). - С. 10-14.

в прочих изданиях:

3. Зайкнп O.A. Исследование возможности изменения диаметра сателлита в планетарном механизме с точного прямолинейного движения по формуле Виллиса (тезисы)/ ХХХХ Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава: тезисы докл. /Астрахан. гос. тех. ун-т. - Астрахань: 1996, С.224 - 22

4. Зайкин O.A. Сравнение габаритов и динамических показателей схем кривошипного, безшатуннного и планетарного, с поступательным движением точки на сателлите, механизмов (тезисы)/ XLI Науч.-техн. конф.профессорскопреподавательского состава, XLVII Студенческая науч.-техн. конференция: Тез. докл. /Астраханский гос. тех. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997, С. 165- 166.

5. Зайкин O.A. Синтез дифференциального механизма с точками точного прямолинейного движения по формуле Виллиса (статья)/ «Вестник АГТУ». Сборник научных трудов. Механика. - Астр. гос. техн. ун-т. Астрахань: Изд-во АГТУ, 1998. - С. 72 -75

6. Зайкин O.A. Синтез замкнутого дифференциала с кинематическим принципом задания точного прямолинейного движения/ Современные направления развития производственных технологий и робототехника: Материалы межд.науч.-техн.конф. -Могилев: ММИ, 1999. - 185с.

7. Зайкин O.A. Разработка силовой схемы поршневых машин без бокового трения/ Межд. науч.- техн. конф., посвященная 70-летию КГТУ / Материалы часть III. -Калининград, 2000. - С. 130 - 132

8. Зайкин O.A. Динамика движения замкнутых дифференциалов с точным поступательным движением поршневой группы/ Проблемы динамики и прочности испол-

15

нительных механизмов и машин (2002, октябрь): Материалы науч. конф. / Астраханский гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002. - с 210 - 212

9. Зайкин O.A. Анализ влияния зазоров в кинематических парах на возможность нарушения прямолинейности движения в замкнутом зубчатом дифференциале особой структуры/ Международная отраслевая научная конференция профессорско-преподавателского состава, посвященная 80-летию основания АГТУ (54 ППС) (19-23 апр. 2010 г.). - Астрахань, 2010. - Т. 1. - с. 16-17

10. Зайкин O.A. Компоновка ДВС на базе зубчатых замкнутых дифференциалов бесшатунного типа1 Международная отраслевая научная конференция профессорско-преподавателского состава, посвященная 80-летию основания АГТУ (54 ППС) (19-23 апр. 2010 г.). - Астрахань, 2010. - Т. 1. - с. 17

11. Зайкин O.A. Применение бесшатунного дифференциального силового механизма для повышения надежности поршневых машин/ V сессия Научного совета РАН по механике деформируемого твердого тела: тезисы докл. Всерос. конф., Астрахань, 31 мая - 5 июня 2011г. - Астрахань, 2011. - С. 81-83. - Библиогр.: с. 83 ( 6 назв.).

12. Зайкнн O.A. Синтез дифференциальных зубчатых механизмов с точным прямолинейным движением без направляющей для проектирования малогабаритных поршневых агрегатов и устройств: Материалы V международной конференции. -Улан-Уде: Изд-во ВСГУТУ, 2012. - Т. 1. - 276 с. - с.52-55

13. Зайкин O.A. Экспериментальное исследование параметров движения бесшатунных зубчатых дифференциалов с поступательным движением без направляющей // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - № 3 . - стр. 40-45;

14. Зайкин O.A., Шеховцов В.В. Методика расчета чисел зубьев колес бесшатунного дифференциала с прямолинейным движением // Современные наукоемкие технологии. — 2014. - № 3 . - стр. 46-50.

Патенты:

15. Зайкин, O.A. Механизм точного прямолинейного движения точки. Патент на изобретение № 2102644 Российской Федерации, МКП 6 F16 Н37/16, 19/02. - Заявл. 24.06.1992; Опубл. 20.01.1998, Бюл. № 2.

16. Зайкин, O.A. Замкнутый дифференциал с точкой точного прямолинейного движения. Патент на изобретение № 2125195 Российской Федерации, МКП 6 Fl6 Н37/16. - Заявл. 16.08.1994; Опубл. 20.01.1999, Бюл. № 2.

17. Зайкин, O.A. Дифференциальный механизм с кинематическим принципом создания точного прямолинейного движения точки на охватывающем сателлите. Патент на изобретение № 2196264 Российской Федерации, МКП 7 F16 Н 37/16. - Заявл. 15.05.1998; Опубл. 10.01.2003, Бюл. № 1.

18. Зайкнн, O.A. Многосателлитный дифференциал с точным прямолинейным движением точек на сателлитах. Патент на изобретение № 2196265 Российской Федерации, МКП 7 F16 Н 37/16. - Заявл. 15.05.1998; Опубл. 10.01.2003, Бюл. № 1.

Зайкин Олег Аркадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИВОДОВ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗУБЧАТОГО БЕСШАТУННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛА Автореферат

Подписало в печать 05.05.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 300.

Типография Астраханского государственного технического университета 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16ж, тел: 61-45-23.

16

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет»

«Совершенствование приводов транспортно-технологических машин использованием зубчатого бесшатунного дифференциала»

Специальность 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов

и детали машин»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201460233

На правах рукописи

ЗАЙКИН ОЛЕГ АРКАДЬЕВИЧ

Научный руководитель — д.т.н., доцент Шеховцов В.В.

Астрахань - 2014

СОДЕРЖАНИЕ стр.

Введение......................................................................................................... 5

Глава 1 Определение цели совершенствования приводов и задач

ее реализации

1.1 Анализ тенденций совершенствования приводов в научно-конструкторских работах........................................................... 12

1.2 Постановка цели и определение задач диссертации................... 38

Глава 2 Разработка схемзубчатых дифференциалов с точным

прямолинейным движением без направляющей

2.1 Разработка условий синтеза механизма с заданным прямолинейным движением........................................................................ 40

2.2 Кинематический синтез механизма по условиям формирования прямолинейного движения точек на сателлите................................. 43

Заключение по главе................................................................. 51

Глава 3 Теоретическое исследование параметров движения, новых схем замкнутых дифференциалов

3.1 Вывод уравнений прямолинейного движения точек сателлита с параметрами нарушения прямолинейности..................................... 53

3.2 Расчет и анализ кинематических параметров............................ 63

3.3 Расчет и анализ силовых и динамических параметров................ 68

3.4 Исследование условий уравновешенности схем........................ 80

Заключение по главе................................................................. 86

4.2 ний

м................................................................................... 88

Разработка экспериментального комплекса и организация испыта-

4.2.1 Описание экспериментальной установки............................... 94

4.2.2 Описание измерительного комплекса.................................... 95

4.2.3 Тарировка датчиков.......................................................... 98

4.2.4 Программа и особенности организации испытаний................... 100

4.3 Расчет параметров движения моделей

4.3.1 Расчет отклонений в движении модели №2 для оценки устойчивости прямолинейной траектории............................................................................101

4.3.2 Расчет кинематических параметров движения по теоретическим

зависимостям и характеристикам привода..................................... 107

4.3.3 Расчет моментов на трех потенциальных приводных

валах и КПД............................................................................ 106

4.4 Описание испытательного процесса и обработка результатов испытаний

4.4.1 Испытание модели № 1........................................................ 110

4.4.2 Испытание модели №2........................................................ 113

4.4.3 Испытание модели №3........................................................ 117

4.4.4 Испытание модели №4........................................................ 118

4.4.5 Кинематические испытания моделей...................................... 121

4.4.5 Анализ результатов испытаний моделей................................. 122

Заключение по главе.................................................................. 123

Глава 5 Разработка методики проектирования механизмов на базе предложенных дифференциальных схем

5.1 Обоснование выбора исходных данных для проекта и базовой схемы..................................................................................... 124

5.2 Методика расчета чисел зубьев колес дифференциальной ступени и дифференциала......................................................................... 128

5.3 Рекомендации по расчету параметров замыкающей

ступени..................................................................................... 134

5.4 Рекомендации по силовому расчету элементов схемы.................. 138

5.5 Рекомендации по способам уравновешивания механизма..............................139

Заключение по главе....................................................................................................................................140

Глава 6 Проекты предложений по совершенствованию приводов

на базе бесшатунных дифференциальных схем 141

Заключение по главе....................................................................................................................................161

Заключение..........................................................................................................................................................163

Список использованных источников..........................................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

Являясь основным энергозадающим элементом транспортной и транспортно технологической машины( ТиТТМ), а также формирователем параметров рабочего процесса, привод все же относится к вспомогательной системе технического изделия. Поэтому его положение в общей конструкции должно быть более чем скромным и по размерам, и по негативному сопровождению рабочего процесса. В действительности оказывается все наоборот.

Приводы ТиТТМ, помимо значительных размеров и массы (до 35 % от общих показателей), виброактивны, экологически агрессивны (до 40 % городских выхлопов), топливозатратны от (8 л/100 км до 40 л/100 км пробега в малом и среднем классе транспортных систем), обладают малым ресурсом (от 3 до 7 тыс. моточасов). Существенными недостатками обладают также приводимые исполнительные механизмы, такие, как захваты, грейферы, компрессоры, прессы, насосы и др.

Одним из недостатков современных приводов является сложность управления в них рабочими параметрами с целью экономии энергии, гибкости техпроцесса, универсальности в широком диапазоне видов машин.

Существует два главных направления решения проблем приводов ТиТТМ -усовершенствование применяемых комплектов привода и разработка новых конструкций комплектов привода с лучшими эксплуатационными свойствами на основе нетрадиционных известных или синтезированных схем механизмов.

При совершенствовании типовых конструкций решают задачи моделирования принципа работы для глубокого аналитического и экспериментального исследования сути проблемы. На основе полученных результатов корректируют конструкцию. Эффективность метода - от 3 % до 15 % решения проблемы привода.

Второе направление более прогрессивное. Ее решения позволяют повысить эффективность до 60 % в решении проблемы, комплексно устранить взаимосвязанные недостатки, открыть новое направление в машиностроении. Например, разработки альтернативной энергетики с применением гибридных агрегатов и

электричества позволили решить от 20 % до 100 % экологических проблем приводов. Роторные конструкции развиваются все интенсивнее, так как решают проблемы компактности и уравновешенности. Таковы, например, роторные ДВС Ванкеля; нутационный двигатель, бесшатунные крейцкопфные и планетарные зубчатые, дифференциальные приводы механизмов, роторно-лопастной ДВС Фролова и др. Новые рабочие процессы в комплектах приводов также решают задачу их совершенствования. Это — процессы внешнего сгорания в двигателях Стерлинга; рекуперация тепловой энергии в свободно-поршневых ДВС, процесс Кушуля для ДВС, детонационные, газовые и пневмопроцессы в ДВС и др.

Нетрадиционные конструкции приводов обладают полной уравновешенностью, им присуще малое трение в кинематических парах, в некоторых случаях — рабочий процесс не поступательного движения, высокая удельная мощность и механический КПД, компактность и др.

Сегодня в России утверждено несколько целевых программ развития альтернативной энергетики вообще [54, 57, 66] и на автомобильном транспорте в частности [36, 53, 55]. В соответствии с этими инвестиционными проектами, через несколько лет на автотранспортные нужды будет расходоваться 6 млрд. кубометров "голубого топлива" в год, а количество переоборудованных автомобилей увеличится более чем в четыре раза, то есть достигнет 400 тысяч. Однако сегодня эффективного привода для газовой альтернативы нет.

Кривошипно-шатунная схема расходует газовое топливо также неэкономно, как и бензин. Единственное ее достоинство — всесторонняя известность и простота в базовом исполнении. Но с улучшениями конструкции она становится сложной и высокотехнологичной из-за того, что за счет усложнения устраняет некоторые проблемы в работе КШМ.

Работы ведутся и по кардинальному снижению расхода топлива в силовых установках. При решении этой задачи остаточных запасов нефти Земли хватило бы для перехода на качественно новые энергоисточники. При малом потреблении выбросы уменьшатся пропорционально в разы и будут соответствовать нормам ЕВРО-5 и выше. Однако с использованием традиционных механизмов эту задачу

просто решить нельзя.

Она решается уже сейчас гибридными приводами с альтернативными конструкциями разных типов двигателей, снизив потребление углеводородного топлива до 2-3 литров на 100 км пробега.

Все чаще в научных публикациях можно встретить описание новых конструкций двигателей, компрессоров, зубчатых дифференциальных вариаторов и других агрегатов, имеющих цель обеспечить предельно малые габариты, топливную экономичность, управляемость рабочим процессом и экологию на уровне «ЕВРО-5, 6». Во многих из них применены волновые, зубчатые планетарные и дифференциальные схемы, обеспечивающие малую массу и габаритные размеры. Планетарные механизмы настолько универсальны, что могут воспроизводить не только вращение из вращения при традиционной схеме их использования, но и синтезировать прямолинейную траекторию при определённых размерах колёс. Конструктивно они относятся к роторным схемам, поэтому имеют их достоинства. Звенья в виде зубчатых колёс имеют высокую технологичность и надёжность конструкции. Имея свойство трансформироваться в дифференциал, планетарные механизмы управляемы и адаптированы к смене параметров техпроцесса.

Таким образом, тема диссертации, направленной на совершенствование приводов транспортно-технологических машин использованиием зубчатого бесшатунного дифференциала, является актуальной.

Степень ее разработанности

В современных научных публикациях представлены технические решения американских, французских, отечественных конструкций двигателей, компрессоров и других агрегатов с нетрадиционными схемами, имеющие цель обеспечить предельно малые габариты, топливную экономичность, управляемость рабочим процессом и экологию на уровне «ЕВРО-5, 6», в том числе разработки МГТУ им. Баумана, МАДИ, а также ВолгГТУ по приводам с прямолинейным движением для шагающих систем. В некоторых из них основой разработки являются бесшатунные механизмы, апробированные в авиационном двигателестроении С.С. Баландиным. Примеры использования подобных схем можно увидеть не только в ДВС,

но и в холодильной, грузоподъемной, строительной технике и т.д. Они привлекательны потому, что отвечают многим описанным выше требованиям. Таким образом, это научное направление достаточно разработанное, кроме одной модификации механизмов, которая исследуется в данной диссертационной работе.

В работе, исследования выполнены на основе госбюджетной НИР кафедры «Техника и технологии наземного транспорта» — «Совершенствование условий функционирования автотранспортной сети Астраханской области», № гос. регистрации 01201179394.

Цели и задачи. Целью данной работы является разработка новых схем зубчатых бесшатунных механизмов для совершенствования приводов транспортно-технологических машин.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены такие задачи:

• анализ принципа работы схемы бесшатунного планетарного механизма для разработки схемы с прямолинейным движением без направляющей, воспроизводимом на кинематическом принципе;

• разработка новой схемы зубчатого бесшатунного механизма с трансформацией вращения в поступательное движение по выделенному принципу, но со свободными размерами звеньев;

• математическое описание условий формирования траектории точки прямой в зависимости от отклонений в формирующей кинематике и уравнений параметров работы механизма при прямолинейном движении;

• экспериментальная апробация функциональных возможностей нового механизма;

• разработка методики расчета приводов на основе новых механизмов;

• разработка концепций приводов для технологических машин. Научная новизна работы:

• предложены и научно обоснованы схемы новых бесшатунных зубчатых дифференциальных механизмов, реализующие прямолинейное движение без направляющей и шатуна для приводов машин;

• установлены закономерности движения звеньев привода с новой схемой, что позволяет управлять траекторией движения выходного звена;

• разработана конструкция не разрезного жесткого водила, позволяющая использовать эту конструкцию в приводах машин;

• разработка методики расчета приводов с новыми механизмами;

предложены варианты приводов машин на базе разработанных дифференциальных механизмов, имеющие новую нетрадиционную конструкцию и принцип работы.

Теоретическая и практическая значимость работы

Существенное теоретическое значение имеет предложенный автором метод синтеза новых схем планетарных замкнутых дифференциалов; созданная им математическая модель, позволяющая исследовать процессы движения звеньев этих механизмов и оценивать их работоспособность, а также новая методика проектирования таких механизмов.

Существенное практическое значение имеют созданные и запатентованные автором технические решения зубчатых бесшатунных дифференциалов [патенты РФ на изобретения №№ 2102644, 2125195, 2196264, 2196265], которые позволяют проектировать компактные приводы с поступательным и с точным поступательным движением выходного звена в рабочем процессе без направляющей или крейцкопфа и с улучшенными потребительскими свойствами, которые можно применять: в качестве двигателей гибридных приводов; в качестве компактных генераторов тока с мини-ДВС для электромобилей; в качестве колесных двигателей автомобилей с функцией подруливания в системе или с функцией управляемого включения в режимах буксования, при трогании, при перегрузках и т.д. Также существенное значение для практики имеет созданное автором экспериментальное оборудование для испытаний зубчатых бесшатунных дифференциалов и предложенные методики экспериментальных исследований.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных в диссертации задач использовались основные методы физики, теории механизмов и машин, математической статистики, планиро-

вания эксперимента, проектирования измерительных комплексов, а также экспериментально-аналитический метод исследований. При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики, математического моделирования, поискового конструирования.

Положения, выносимые па защиту

1. Метод синтеза дифференциального механизма по заданной кинематике передаточного механизма с использованием графических планов линейных скоростей, отличающийся тем, что базовый механизм оказывается вписанным в синтезированную схему в мнимом виде и геометрия звеньев формируется в виде линейных размеров, а числа зубьев и модуль подбираются по многовариантному раскладу без округления.

2. Запатентованные четыре схемы замкнутых зубчатых бесшатунных дифференциалов со свободными размерами колес относительно базовой схемы, имеющие способность кинематически формировать для особой точки на сателлите точную прямолинейную траекторию движения без направляющей.

3. Разработанная математическая модель, позволяющая управлять прямолинейностью траектории движения особой точки механизма от прямой до эллиптической в зависимости от отклонений в параметрах механизма и внешних управляющих функций; уравнения параметров работы схемы в рабочих режимах привода и прочностного расчета звеньев.

4. Созданные физические модели и экспериментальный комплекс для исследования функциональных параметров созданных механизмов.

5. Методика расчета геометрических размеров звеньев, разработанных дифференциальных механизмов, обеспечивающая точность прямолинейного движения особой точки при обеспечении надежной устойчивости траектории от перехода в периодическую гипоциклоиду.

6. Новое конструктивное решение многоопорного сборного неразрезного жесткого водила на подшипниках качения для проектирования механизмов на основе разработанных схем бесшатунных зубчатых дифференциалов.

7. Концептуальные эскизные и схемные проекты приводов для некоторых

транспортно-технологических машин на основе предложенных дифференциальных механизмов.

Степень достоверности и апробация работы

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловливается использованием основанных на фундаментальных законах механики научно обоснованных теоретических методов исследований на основе созданного автором математического описания моделей предложенных механизмов, научно обоснованных экспериментальных методов исследований и сходимостью результа