автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Способ формирования рабочих скоростей тракторов с ДПМ

На правах рукописи

003486073

Титов Александр Иванович Способ формирования рабочих скоростей тракторов с ДПМ

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени кандидата технических наук. Специальность 05.05.03.-колесные и гусеничные машины

- 3 ДЕК 2009

Москва - 2009

003486073

На правах рукописи

Титов Александр Иванович

Способ формирования рабочих скоростей тракторов с ДПМ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Специальность 05.05.03.-колесные и гусеничные машины

Москва-2009

Работа выполнена в ОАО научно-исследовательский тракторный институт «НАТИ».

Научный руководитель: Городецкий Константин Исаакович, доктор технических наук, профессор.

»

Официальные оппоненты: Шипилевский Геннадий Борисович, доктор технических наук, профессор.

Будагов Михаил Юрьевич, кандидат технических наук. Ведущее предприятие: ООО «Владимирский моторно-тракторный завод»

Защита состоится 22 декабря 2009г.на заседании диссертационного совета Д-217.012.01 при ОАО НАТИ по адресу: 125040, г.Москва, Верхняя ул. 34 ОАО НАТИ ауд.318.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НАТИ. С авторефератом можно ознакомиться на сайте ОАО НАТИ- ЬИр/'/^йПУ.пай.Ьг

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 125040, г.Москва, Верхняя ул. 34 ОАО НАТИ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссерт

¿У

Введение

На современных зарубежных тракторах широко применяются дизели с большими коэффициентами приспособляемости (ДПМ) в сочетании с многоступенчатыми трансмиссиями, начали применяться бесступенчатые объемные гидротрансмиссии с разделением потока мощности, применяются электро и микропроцессорные системы управления, как подачей топлива, так и переключением передач, регистрацией рабочих режимов и многое другое. Сопоставление зарубежного технического уровня с нашим позволяет вычленить приоритетные технические задачи теоретического и практического характера.

Актуальность темы диссертации. Несмотря на достигнутый технический уровень еще остаются резервы дальнейшего совершенствования эксплуатационных показателей тракторов, в частности таких важных, как производительность и топливная экономичность. Для повышения производительности следует стремиться более полно использовать мощность дизеля а экономичность достигается выбором соответствующей области режима его работы.

Управлять данным процессом в общем случае возможно путем изменения крутящего момента дизеля, т.е. силы тяги трактора. Последняя представляет собой величину изменяющуюся по времени в зависимости от разных причин. Диапазон частот колебаний силы тяги достаточно велик и зависит от природы их возбуждения. Колебания, возникающие от неровностей почвы, ее переменной структуры или например при работе трактора поперек борозд могут отрабатываться дизелем, точнее за счет автоматической приспособляемости к изменению крутящего момента.

При работе трактора на пересеченной, холмистой местности колебания силы тяги могут в большинстве случаев отрабатываться преимущественно за счет изменения передаточного числа трансмиссии. Например можно достаточно точно установить, что колебания силы тяги не превысят ±15%, если угол наклона поля не превысит 2,5 градусов.

Поэтому требуется соответствующий подбор показателей дизеля и трансмиссии трактора.

Подтверждение тому содержат многочисленные официальные протоколы испытаний, проводившихся в течение десятков лет специальной испытательной

лабораторией при техническом университете штата Небраска в США.

Согласование двигателя и трансмиссии трактора основывается на классических трудах основоположников теории трактора профессоров Е.Д. Львова, Д.К. Карельских, М.К. Кристи, Д.А. Чудакова, Е.А. Чудакова, И.Б. Барского, В.М. Шарипова, В.Н. Болтинского, Г.М.Кутькова, В.В. Гуськова, А.Д. Крюкова, М.А. Крейниса, В.Н. Прокофьева, В.Э. Малаховского, A.A. Крейслера, И.И. Трепеиенкова и др.

, Наиболее значимы для рассматриваемой темы труды академика В.Н. Болтинского, д.т.н., проф. Г.М. Кутькова и др. (школа ВАСХНИЛ), С.И. Дорменева, А.П. Банника, Ю.Б. Маргулиса, Ю.В. Гинзбурга и др.(школа НАТИ).

Однако, использование некоторых устоявшихся понятий традиционной теории, не позволило придти к заключению о целесообразности полноценного использования корректорного участка характеристики, изначальное назначение которого состояло в защите дизеля от заглохания.

Цель диссертации, таким образом, состоит в изучении рабочего процесса взаимодействия ДПМ и многоступенчатых трансмиссий трактора, на основе которого формируются рабочие скорости и разрабатываются рациональные кинематические схемы, а также контролировать относительные скорости элементов различных устройств, например дисков фрикционных гидроподжимных муфт и более информативно представлять скоростные ряды системой матриц, в которой отражаются отношения, как смежных скоростей, так и скоростей смежных диапазонов.

Научная новизна диссертации.

1. Разработан метод согласования крутящего момента двигателя с трансмиссией сельскохозяйственного трактора, который устанавливает такие показатели в совокупности этих агрегатов, при которых обеспечивается автоматическое изменение скорости движения в пределах корректорной характеристики в зависимости от колебаний нагрузки. Метод заключается в определении соответствия коэффициента приспосабливаемое™ ДПМ отношению смежных скоростей рабочего диапазона (коэффициенту геометрической прогрессии ряда рабочих скоростей), а также определении рабочего режима на скоростной характеристике ДПМ в зоне между номинальным режимом и режимом наибольшего крутящего момента.

ного зацепления. Метод применим для некоторых типовых кинематических комбинаций шестерен, входящих в состав более сложных вариантов.

3. Выполнено матричное описание геометрических профессий рядов скоростей сельскохозяйственных тракторов с относительными передаточныхми числами для различных значений коэффициентов прогрессий и различных перепадов между последовательно соединенными составными коробками передач и коробками диапазонов.

Задачи решенные в диссертации.

1. Разработана модель функциональных областей корректорной характеристики

ДПМ.

2. Обследована взаимосвязь диапазона и количества рабочих скоростей и соответствующих коэффициентов геометрических прогрессий их скоростных рядов.

3. Проанализированы реальные характеристики ДПМ, пути снижения расхода топлива при недогрузках тракторов за счет применения многоступенчатых трансмиссий.

4. Предложен способ информативного представления и формирования многочленных рядов рабочих скоростей сельскохозяйственных тракторов и кинематическая схема многоступенчатой КП.

Характеристика методов исследования основывается на фундаментальных положениях теории трактора, методах инженерного и математического анализа реальных скоростных характеристик ДПМ и тяговых характеристик колесных и резиногусеничных тракторов.

Достоверность и обоснованность результатов, выводов и заключений диссертационной работы подтверждены совпадением разработанной логически обоснованной модели скоростных характеристик ДПМ с достаточно большим количеством проанализированных официальных характеристик и некоторых данных тяговых характеристик энергонасыщенных колесных и резиногусеничных тракторов, а также надежной матричной формой представления многочленных скоростных рядов.

Перечень новых научных результатов, выносимых на защиту диссертации.

1. Метод согласования показателей ДПМ и трансмиссий.

2. Теоретическая модель и рабочий режим на корректорной характеристике ДПМ.

3. Возможность автоматического регулирования скорости трактора в пределах, регламентированных корректорной характеристикой в зависимости от силовой нагрузки.

4. Типовые кинематические комбинации схем соединения шестерен в КП тракторов и коэффициенты для расчета относительных скоростей скольжения деталей в выключенных фрикционных муфтах.

5. Обобщенная матричная форма представления относительных передаточных чисел многоступенчатых трансмиссий тракторов.

6. Способ формирования скоростей ц кинематических схем трансмиссий тракторов. Характеристика практической ценности и полезности диссертации. Результаты

диссертации позволяют целенаправленно разрабатывать современные моторно-трансмиссионные установки сельскохозяйственных тракторов, обеспечивающие более полное использование КПД дизельных двигателей при автоматическом регулировании скорости при колебаниях силы тяги (без изменения передаточного числа трансмиссии) и перспективные направления совершенствования данных узлов. Кроме того, результаты диссертации полезны для совершенствования вопросов соответствующей теории и процесса обучения специалистов.

Сведения об апробации результатов диссертации.

Основное содержание диссертации было доложено и обсуждено на:

- НТС ОАО НАТИ в ноябре 2008г.

- Международном научном симпозиуме "Автотракторостроение - 2009".

- кафедре "Тракторы" МГТУ МАМИ в ноябре 2008г.

- кафедре "Автомобили и тракторы" Московского государственного агроуниверситета им. Горячкина В.П. в феврале 2009г.

кафедре "Автомобили и тракторы" Чебоксарского политехнического института Московского государственного открытого университета в марте 2009г. Публикации

По теме диссертации опубликовано четыре статьи и получено положительное решение «Роспатента» о выдаче патента, при этом три статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 168стр.,включая 33 рисунка и 19 таблиц, список литературы-58 наименований.

содержание диссертации.

Глава 1. Моторно-трансмиссионные установки тракторов.

Моторно-трансмиссионные установки (МТУ), как следует из названия, включают два основных узла трактора: дизель и трансмиссию. Эффективность применения тракторов складывается главным образом из их энергетических и тягово-экономических характеристик, возможностью их рациональной реализации в условиях рядовой эксплуатации.

Большое значение при этом имеют свойства МТУ, которые являются и энергоносителями и регуляторами режимов работы трактора и агрегатируемых с ним сельхозмашин, в том числе с активными рабочими органами. В связи с этим соответствие энергетических и регулирующих свойств МТУ назначению и условиям эксплуатации трактора является одной из важнейших задач.

Эта задача достаточно сложна. Во-первых, потому, что современные тракторы по назначению в большей или меньшей степени универсальны: при том, что каждый из них предназначен для выполнения комплекса работ, отличающегося от других технологическими процессами. Во-вторых, область распространения тракторов охватывает практически все климатические зоны и почвенно-грунтовые регионы не только нашей страны. В-третьих, работа сельскохозяйственных и промышленных тракторов происходит при непрерывно изменяющихся внешних воздействиях.

Дня оценки свойств двигателей общеприняты следующие основные характеристики и параметры: скоростная характеристика, представляющая собой зависимость крутящего момента Ме, мощности Ne и удельного расхода топлива ge от частоты вращения коленчатого вала. Коэффициент приспособляемости двигателя, определяемый отношением максимального значения крутящего момента к его значению при номинальной частоте вращения коленчатого вала.

Км=Метах/Ме HOui

Коэффициент снижения частоты вращения коленвала двигателя, характеризуется отношением частот вращения при максимальном крутящем моменте и номинальной,

н»

Многопараметровая характеристика двигателя, представляющая собой зависимости удельных расходов топлива и мощности от крутящего момента (среднего эффективного давления) и частоты вращения коленвала

&К|(М«п.); - Ые=Г2(Ме,п«).

Для трансмиссии принимаются следующие параметры: диапазоны непрерывного или ступенчатого регулирования крутящего момента и частоты вращения, кпд, нагружающие возможности или прозрачность ее характеристики и др. При этом прозрачность характеристики определяет степень использования внешней характеристики двигателя. Связь между коэффициентом прозрачности П и реализуемым коэффициентом снижения частоты коленвала двигателя а„ выражается зависимостью:

а„ =П"1Д. ПриП=1 а=1,

т.е. при непрозрачной трансмиссии на внешней характеристике двигателя реализуется только режим, соответствующий номинальной частоте вращения коленвала.

С внедрением газотурбинного наддува созданы условия для дальнейшего совершенствования рабочих процессов тракторных дизелей и улучшения их удельных и экономических показателей. Применение турбонаддува и охлаждения наддуваемого воздуха позволило увеличить литровую мощность тракторных дизелей до 15-17 квт/л и снизить удельные расходы топлива на номинальном режиме до 200-250 гр/кВт*ч. Тем не менее еще не использованы полностью возможности, связанные с оптимизацией рабочего процесса дизеля с турбонаддувом, повышением его механического кпд, в том числе путем применения поршневой группы пониженного трения.

У отечественных дизелей турбонаддув является эффективным средством повышения экономичности дизелей, но при этом коэффициент приспособляемости практически не изменяется. Его значения по-прежнему остаются невысокими и составляют 1,1-1,2. Чтобы преодолеть это отставание необходимо в первую очередь иметь ясные представления о задаче, которую требуется решить. У большинства отечественных тракторных дизелей минимальные значения удельных расходов топлива меньше на 4-10% по сравнению со значениями на номинальном режиме. Чем больше передач и меньше интервалы между ними, тем выше согласующие возможности трансмиссии и рациональнее может быть использован дизель.

Моторно-трансмиссионная установка может при определенных условиях обеспечивать в рядовой эксплуатации работу на корректорной характеристике двигателя постоянной мощности, за счет его «внутренней» автоматичности, т.е.

приспосабливаемое™ к изменяемому нагружению, практически без переключения при этом скоростей трактора.

Сложившаяся тенденция применения на сельскохозяйственных тракторах ДПМ и многоскоростных трансмиссий требует уточнения традиционного теоретического описания рабочего процесса их взаимодействия и разработки метода согласования для определения рациональных показателей.

Обзор публикаций по данному вопросу у нас невелик, а по современным моторно-трансмиссионным установкам практически отсутствует.

Глава 2.0 Двигатели постоянной мощности (ДПМ).

Для обеспечения идеальной характеристики двигателя постоянной мощности должно быть выполнено следующее условие:

Ые^ГОщД&Пе^ОМ!,

Где г], и г]т - соответственно индикаторный и механический кпд двигателя; Д^ -цикловая подача топлива, кг/ц; п« - частота вращения вала двигателя, мин"1; с - постоянный коэффициент.

С уменьшением частоты вращения п« произведение Вдщ увеличивается, но не настолько, чтобы обеспечивалось выполнение указанного выше условия. Поэтому в качестве регулируемого параметра выбирается цикловая подача топлива А^, изменение которой по заданному закону достигается соответствующим регулированием топливной аппаратуры или применением специального корректирующего устройства.

Следует иметь в виду, что расширение этого диапазона и повышение коэффициента приспосабливаемое™ связаны с определенными трудностями. Повышение среднего эффективного давления ре на режиме максимального крутящего момента вызывает необходимость увеличения давления наддува и подачи топлива. Поэтому диапазон частоты вращения, при котором максимальная мощность сохраняется постоянной, обычно не выходит за пределы 25-30%, т.е. коэффициент приспосабливаемое™ у существующих ДПМ соответственно 1.35-1.45.

При постоянной мощности с уменьшением частоты вращения крутящий момент возрастает и изменяется по гиперболической зависимости. В действительности обеспечить строгое изменение крутящего момента по такой зависимости, а следовательно, по-

стоянную мощность при работе по внешней характеристике затруднительно. Реальная мощность ДПМ на участке постоянной мощности имеет отклонения от среднего значения.

Так как отношение перепадов давлений в компрессоре приблизительно равно отношению квадратов угловых скоростей, можно считать, что время разгона ротора турбокомпрессора примерно пропорционально перепаду давлений Др». При охлаждении наддувочного воздуха необходимый перепад давления на 30% меньше, чем без охлаждения, причем продолжительность разгона ротора турбокомпрессора также уменьшается на 30%.

За рубежом на тракторах преимущественное распространение имеют ДПМ, выпускаемые различными европейскими и американскими компаниями. Наиболее известны John Deere Diesel,Caterpillar Diesel,Cummins Diesel,Sisu Diesel,Perkins Diesel и др.

Анализу показателей ДПМ были подвергнуты 13 моделей дизелей, применённых на 18 моделях тракторов, технические показатели которых приведены в приложениях к диссертации. Приведенные сведения по дизелям охватывают диапазон максимальных мощностей от 92 до 398 кВт. При этом частоты вращения коленвалов находятся в пределах 1600 - 2000 об/мин. Для большинства обследованных моделей максимальная мощность развивается при частоте в пределах 1700 - 1800 об/мин.

Запас крутящего момента довольно высок и равен 31,5-61,2 %%. Разброс удельного расхода топлива составляет 215 - 262 г/кВт*час, однако наиболее прогрессивные модели имеют 215 - 225 г/кВт*час. Исключение составляют дизели PERKINS diesel, примененные на тракторах MASSEY FERGUSSON 6480, у которых кривая удельного расхода топлива чрезмерно круто, по сравнению с другими, увеличивается в области регуляторной характеристики. Все дизели могут быть условно признаны ДПМ и имеют рядную 6-ти цилиндровую компоновку и двухступенчатый турбонаддув с промохлаждением (воздух -воздух).

Некоторые из упомянутых особенностей характеристик ДПМ подтверждаются графиками Рис. 1-4, на которых представлены удельные мощности, крутящие моменты, часовые расходы топлива, отнесенные к одному литру рабочего объема, а также удельные расходы топлива разных ДПМ. При этом разброс данных существенно уменьшается по сравнению с абсолютными показателями.

Рис. 1. Удельные литровые мощности

h

700 1М0 IN» 2000 2100 2200

Рис. 2. Удельные крутящие моменты

Рис.3. Удельные часовые расходы топлива

Рис.4. Удельные расходы топлива.

На всех графиках Рис. 1-4 приняты следующие одинаковые для всех них условные обозначения, указывающие принадлежность кривых к ДПМ той или иной модели трактора.

- John Deer 9520T

- Buhler Versatile 2360 -Case IH Steiger 530/535

- John Deere 9620T -Challenger MT 665B -Case IH STX 375 -New Holland T9040

- New Holland 9684 -Case IH MX 255

- Fendt 920

- Massey Fergusson 6480

- Challenger MT 835B

- New Holland T 8010

Из графиков видно совпадение кривых, относящихся к моделям тракторов New Holland 9684 и Buhler Versatile 2360, на которых применен ДПМ компании Cummins Diesel с рабочим объемом 14,039 литра.

Таким образом можно заключить, что на современных сельскохозяйственных тракторах широко применяются дизели с коэффициентом запаса момента 1,4-1,6 условно называемые ДПМ, максимальная мощность и минимальный удельный расход топлива которых располагаются на корректорном участке скоростной характеристики между номинальной частотой вращения и частотой соответствующей максимальному крутящему моменту.

Глава 3.0 Формирование рабочих скоростей сельскохозяйственных тракторов с ДПМ.

На выбор типа и параметров трансмиссий большое влияние оказывает назначение трактора и характер выполняемых им работ в условиях рядовой эксплуатации. Нагрузка может быть постоянной или близкой к постоянной (работа на пахоте), может быть переменной, циклической. Переменная циклическая нагрузка может характеризоваться резкими изменениями действующих сил (работа бульдозера), либо направления движения (работа погрузчика) и др., кроме машин специального назначения.

Задача рационального формирования скоростей сельскохозяйственных тракторов, начиная с 30-х годов, решалась по-разному, в зависимости от достигнутого уровня совершенства двигателей внутреннего сгорания, требований, предъявляемых наборами агрегатируемых с трактором сельскохозяйственных машин, совершенством трансмиссий, в частности, типом коробок передач (КП) и коробок диапазонов (КД).

В настоящее время рабочие скорости по зарубежным литературным источникам составляют от 4 до 12 км/час. У нас ряд авторов называют эти скорости от 5 до 15км/час.

Таким образом общий диапазон рабочих скоростей за рубежом и реально реализованных в наших конструкциях одинаков и равен трем.

Известны самые разные подходы к выбору числа и отношению смежных скоростей между собой. В частности ряд скоростей, назначаемых, исходя из наибольшей вероятности применения тех или иных сельскохозяйственных машин с учётом продолжительности их работы в составе машино-тракторных агрегатов (МТА).

Один из традиционных подходов заключается в том, что ряд рабочих скоростей должен представлять собой геометрическую прогрессию с коэффициентом ряда, зависящим от числа передач и диапазона скоростей.

ч=К-1[Ъ

где: q - коэффициент геометрического ряда рабочих скоростей, к - число ступеней (скоростей) в рабочем диапазоне. Б-диапазон рабочих скоростей.

Необходимо подчеркнуть, что данный теоретический посыл более всего относится именно к скоростям рабочего диапазона.

Исходя из рабочего диапазона, равного Э, как это записано в приведенной формуле, а количество ступеней по имеющемуся опыту приняв от 6 до 12, получим коэффициенты геометрических рядов, равные приведенным на рис.5 значениям.

Формирование скоростей технологического и транспортного диапазонов должно выполняться, строго говоря, по другим теоретическим условиям, в частности из равенства кинетических энергий при переключении скоростей транспортного диапазона. При этом

целесообразен не геометрический а арифметический ряд, но ввиду близости значений скоростей двух рядов в интервале 20-50 км/час различиями можно пренебречь и считать, что геометрический ряд практически отвечает требованиям транспортного диапазона.

Рис.5 Отношения смежных скоростей в разных диапазонах.

Другой важной предпосылкой формирования рабочих скоростей является характеристика дизеля. Внешняя скоростная характеристика тракторного дизеля состоит из двух участков: корректорного и регуляторного. Проф. Кутьков Г.М. указывает на то, что малый запас крутящего момента дизеля снижает производительность трактора из-за потерь времени на остановки для

-0-2

-э-з

-Р-4

Р-5

переключения передач а также в связи с часто встречающейся необходимостью работы на более низкой скорости в течение длительного времени на гоне.

По данным Свирщевского А.Б. увеличение запаса крутящего момента с 1 до 23% может повысить производительность на пахоте на 7,5%. Опытным путём З.Н.Эминбейли установил, что при небольшом запасе крутящего момента 4-6%, характеристика дизеля ухудшается до такой степени, что трактор не в состоянии пахать, т.к. при возникающих колебаниях нагрузки уменьшается частота вращения коленвала до заглохания двигателя.

Соотношение между большей и меньшей смежными скоростями в рабочем диапазоне не должено быть больше коэффициента момента ДПМ.

С целью упрощения изложения некоторых положений по формированию рабочих скоростей тракторов реальные скоростные характеристики тракторных дизелей заменены теоретическими графиками, рис.6, где линия мощности N параллельна оси абсцисс а линия крутящего момента М представляет собой гиперболу в соответствии с зависимостью: N = И » л = сотиИде: N - мощность ДПМ, М - крутящий момент

ДПМ, п - частота вращения коленвала.

Графики располагаются в пределах частот вращения коленчатого вала от соответствующего максимальному крутящему моменту пмтах до номинального пн. Кроме того видна регуляторная ветвь характеристики в виде наклонных прямых линий.

/Ь Па

Рис.6 Теоретическая скоростная характеристика ДПМ.

ДПМ позволяет организовать работу дизеля более рационально, для чего необходимо отказаться от использования регуляторной ветви характеристики в качестве рабочей и сохранить за ней функцию защиты от режима "разноса" как это предполагалось изначально. Таким путём станет воз-

можно реализовать некоторое повышение производительности и уменьшение удельного расхода топлива.

С указанной целью загрузка дизеля должена быть переориентирована с номинального на режим точки С , чтобы участок корректорной характеристики c-d был бы достаточен для "поглощения" колебаний силы тяги в сторону уменьшения и препятствовал бы переходу на регуляторную ветвь. При этом важно, чтобы работа в точке С обеспечивалась включением соответствующей передачи (скажем по тахометру) и ни в коем случае установкой всережимного регулятора на данный частичный режим.

Для сохранения способности дизеля преодолевать перегрузки целесообразно выделить ещё один участок а-b, который включает точку максимального крутящего момента для функции защиты дизеля от заглохания. Следовательно коэффициент геометрического ряда рабочих скоростей трактора не должен превышать отношение частот вращения ко-ленвала дизеля между точками С и Ь. В случае автоматизации процесса переключения скоростей трактора можно иметь еще две зоны «нечувствительности» в точках b и С.

КП создаваемого в настоящее время на Чебоксарском заводе сельскохозяйственного гусеничного трактора Т-6С315 содержит две, последовательно включенные коробки передач. Первая (КП-1) обеспечивает переключение четырёх скоростей с перепадом 1,34, квадратный корень из которого 1,15 равен перепаду между скоростями рабочего диапазона. Далее во второй (коробке диапазонов (КД) работают пять фрикционных устройств, обеспечивающих в свою очередь четыре диапазона: технологический, рабочий, транспортный и заднего хода (по аналогии с трактором John Deere 8520Т).

Поэтому с учетом алгоритма переключения гидроподжимных фрикционных муфт весь скоростной ряд трактора можно представить в виде матрицы, в горизонтальные строки которой вписаны скорости, образуемые переключением муфт коробки КП-1, а в колонках переключением фрикционных устройств диапазонной коробки КД:

1,34 1,33 1,34

2 7 1,55 2,08 2,77 3,71

j j ^ 4,16 5,57 7,42 9,94

'2S 4,8 6,42 8,55 11,46

' 13,5 18,09 24,08 30,78

2,7

(I)

Значения отношений смежных скоростей по горизонтали и по вертикали указаны сверху и слева соответственно между колонками и строками вне матрицы.

Учёт относительных передаточных чисел нескольких коробок диапазонов может быть выражен, например, пространственной матрицей. Однако такой способ представляется достаточно сложным, в связи с чем предпочтение отдано варианту матрицы с двучленным коэффициентом.

Ч Ч

ч,(1+ч2)

Я

1 ч4 ч' 1 ч4 ч8 ч2 ч6

ч5 ч' ч" = V . * тш ч5 ч' ч13 ч7 ч" ч"

ч12 ч16 ч20 ч'2 ч16 ч20 ч14 ч18 ч22

(2)

В матрицах построчное отличие членов составляет я . Кроме того, три смежных с ними скорости, являясь также основными образующими, отличаются от первых на ц. Здесь уместно отметить, что данные девять скоростей образуются на основе первых матриц, на что указывают соответствующие показатели степеней.

Глава 4.0 Согласование характеристик дизелей и ступенчатых трансмиссий.

В соответствии с традиционной теорией трактора работа двигателя должна происходить в режиме близком к номинальному. Это возможно, если сила тяги постоянна, а

трансмиссия может менять передаточное число бесступенчато.

Рис. 7 Рабочий режим на скоростной характеристике ДПМ:

М^ и М„ моменты двигателя соответственно максимальный и номинальный; N - мощность двигателя; пита, п„, па - частоты вращения вала двигателя соответственно при максимальном моменте, на номинальном режиме и на холостом хо-

------... ..„ .. ду

В первом приближении допустим, что рассматриваемые области, на которые разделены теоретические скоростные характеристики дизелей равновелики в том смысле, что отношения ординат этих зон одинаковы, тогда:

N

м

х \а

\ \

1 \\, \\ \\ ч \

Я = (3)

где: <1 - перепад между смежными скоростями (знаменатель геометрической прогрессии ряда скоростей трактора);

К • коэффициент приспособляемости двигателя (по моменту).

В реальных цифрах данная зависимость показывает, что при изменении коэффициента приспособляемости двигателя по моменту от 1,3 до 1,6 перепад между соседними скоростями в рабочем диапазоне должен быть от 1,09 до 1,17.

Известно, что знаменатель геометрической прогрессии равен:

9 = "^, (4)

где п - число рабочих скоростей; О - диапазон рабочих скоростей.

Приравняв правые части выражений (3) и (4) получим зависимость между показателями двигателя и трансмиссии, т.е.

(5)

Полученное выражение связывает между собой показатели ДПМ и трансмиссии, при помощи которого производится их согласование.

По полученным выражениям рассчитаны потребные коэффициенты К приспособляемости ДПМ по моменту, исходя из диапазона рабочих скоростей -О = 3 и заданного минимального количества П скоростей, а также значения перепада <7 между смежными скоростями, приведенные в нижеследующей таблице:

п 7 8 9 10 11 12 13 14 15

К 1,73 1,6 1,51 1,44 1,39 1,35 1,32 1,29 1,27

Я 1,2 1,17 1,15 1,13 1,12 Ы 1,096 1,088 1,08

Общий диапазон Б колебаний нагрузки (в частности силы тяги) может быть также определен, исходя из тех же соображений. Для рабочего диапазона, ограниченного точками Ь-<1

я'-*1.

(6)

Далее по аналогии с традиционной теорией рассмотрим лучевой график (рис.8).

Лучевой график в традиционной трактовке показывает зависимость крутящего момента двигателя от касательной силы тяга трактора (см. пунктирные наклонные линии). При этом двигатель трактора работает на регуляторной ветви внешней скоростной характеристики, когда его крутящий момент не превышает номинального значения Мн. В данном случае не учитываются возможности, привносимые в работу трактора ДПМ.

область заглохания ДПМ

Мтах-------------г .

пасть предохранения ДПМ от заглохания

Рк(П+11 РКП РК2 Рк1 Рк

Рис. 8 Лучевой график совмещения ДПМ со ступенчатой трансмиссией трактора

С учетом свойств ДПМ лучевой график распространяется выше значений Мн номинального крутящего момента, а работа дизеля происходит в области корректорной ветви скоростной характеристики. На рис.8 выделены области, показывающие при каких значениях крутящих моментов ДПМ работает на корректорном участке внешней скорост-

ной характеристики (рабочий режим), критические режимы на грани заглохания двигателя и режим перехода на регуляторную ветвь.

Кроме того график показывает пределы возможных колебаний касательной силы тяги от среднего значения Рк 2 до значений на смежных передачах. При этом сила тяги является исходным показателем, на который должны быть ориентированы остальные передачи. Все это изображено лучами с режимами работы при касательной силе тяги Рк2 в точках о, 6, с и с!, которые соответственно обозначены теми же буквами. В обоих рассмотренных примерах перепад между смежными скоростями и в меньшую и в большую сторону составит (].

Глава 5.0 Относительные скорости валов и других деталей в КП с шестернями постоянного зацепления.

Анализ и синтез кинематических схем КП с шестернями постоянного зацепления (ШПЗ) показывает, что в ряде случаев возникают высокие относительные скорости фрикционных дисков в выключенных мокрых муфтах, подшипниках и др. деталях. Особенно часто это встречается на передачах заднего хода, в узлах "быстрого реверса" и т.д. Без такого анализа задача формирования рабочих скоростей не может считаться завершенной.

На рис.9 приведены пять типичных комбинаций соединения шестерен, каждая из которых дает, например, по четыре ступени передаточных отношений. Наибольший негативный эффект возникает в случае применения гидроподжимных "мокрых" муфт, когда в малых зазорах межд^у фрикционными дисками присутствует масло, вследствие чего возникают гидродинамические потери энергии. Первая типовая схема а) представляет собой двухвальную коробку с переключающими устройствами, расположенными на первичном (входном) валу. Она содержит четыре пары шестерен, каждая из которых при включении образует одну ступень передаточного отношения.

Рис.9 Некоторые типовые соединения шестерен постоянного зацепления в КП.

Остальные шестерни в это время вращаются с разными скоростями, которые в ряде случаев могут превышать допустимые нормативы, либо по предельным скоростям подшипников, либо по ограничению потерь энергии в выключенных в данный момент фрикционных муфтах. Оценка скоростей валов, шестерен и следовательно проскальзывание фрикционных дисков, как разности или суммы скоростей, может быть сделана, исходя из данных нижеследующей таблицы, в которой в общем виде приведены коэффициенты, ве-

личина которых будучи умножена на скорость входного вала покажет скорости вращения валов и шестерен

5.1 Кожрициеиты для определения отиосятальнога скольжении фрикционных дисков в муфтах по:

ш 1 М1 М2 ш М4

п. 1 п» п. п. Пш п,

1 2 г............ Р*Я 1 11Л1 1 "ч" 1 IV

.....14.....я_ ■х- 1 1ЙЦ, 1 1А,'

3 р-Ч" V. . с: 1 ______ч... Ч "Ч .

4 р-я* , <г- 1 «г 1 I

1 2 _____Р . Р.'Ч.________ Р 'Ч . ___Р., 1 . Р'Ч , Р.'*... Р'Ч' . ЙГ5Й. Р'Ч' ........р ..Р'Ч',. . Р'Ч'

3 4 э-ч' э*Яэ .....Р'Ч......

Р*Ч' Р Р'Ч* р'я

1|р ......... 1 I и р. Р'* Р

2к>-4......... 1 . ч. Р'Ч . , Р'Ч . р-Ч1

3|р*Чг 1 . -Ч-. 1 . г....... Р'Ч*

4 Р'Ч' 1 Ч' 1 Ч*....- _Р'Ч' Р'Ч" .X X,

,ь 1 1/¥ „Р „ Р'Ч ,

2 р'Ч......... 1 -гЭг-и ,.Р'Ч.1. Р , р-а* 1 р-ч' -Р'Ч.. ><

зЬ-ч".......... 1 Ч ......

4]р-ч» Х >т< 1 а*

вращающихся на этих валах.

Первая колонка показывает номера ступеней коробки передач, вторая передаточные отношения ¡, далее обозначения фрикционных муфт - м с соответствующими индексами, ниже частоты вращения валов п, и шестерен Пш.Конкретные же значения коэффициентов рассчитываются, исходя из задаваемых двух показателей рич, где первый является передаточным отношением коробки передач на какой либо ступени, например первой, а другой ц представляет собой коэффициент геометрического ряда скоростей трактора в конкретном диапазоне. Перекрещенные ячейки указывают, что в данный момент вал и шестерня заблокированы и вращаются с одинаковыми скоростями т.е, что какая либо конкретная муфта включена.

Вторая схема б) отличается от первой тем, что переключающие устройства расположены на вторичном (выходном), а не на первичном валу. В третьей схеме в) два переключающих устройства расположены на первичном валу и другие два на вторичном. Несмотря на то, что четвертая схема г) содержит только три пары шестерен, а не четыре, как предыдущие, она также как первые три схемы обеспечивает четыре ступени передаточных отношений.

Схема д) состоит из двух одинаковых промежуточных валов с механизмами переключения передаточных отношений, которые располагаются симметрично с двух сторон от первичного вала. Промежуточные валы связаны друг с другом и с вторичным валом двумя парами шестерен.

В связи с тем, что в схеме а) все переключающие устройства расположены на первичном валу, они передают одинаковые крутящие моменты и имеют одинаковые скорости ведущих элементов. Поэтому коэффициенты ведущих элементов (валов) во всех случаях

равны единице.

Реализация результатов исследований основных положений диссертации отражена в работах по созданию трансмиссий опытных образцов тракторов Т-6СЗ15.

Рис.10 Кинематическая схема КП опытного трактора Т-6СЗ15.

Схема содержит три вала. С дизелем соединен первичный вал, на котором установлены три муфты Ф.1 ФЗ Ф4 .передающие вращение на промежуточный вал тремя парами шестерен 44/39; 29/54 и 39/44, обеспечивая ему три ступени скорости. Четвертая ступень включается муфтой Ф2, расположенной на промвапу и парой шестерен 34/49. В принципе это соответствует кинематическим схемам а и б. Кроме того на про-мвалу имеется муфта ЗХ и три шестерни 24/37/39 для включения скоростей заднего хода. Далее с промвала энергия передается тремя парами шестерен 30/68; 54/44 и 33/65 на муфты ФБ; ФГ и ФВ выходного вторичного вала а также на планетарный ряд с тормозом на коронной шестерне ТА, водило планетарного ряда соединено непосредственно с выходным валом.

«>-0-

: 1___

39

.1 Т ФЗ

Т./

из ее

ст

71

Ш

Ф2.

34 ф1

' тЧ

||1

!)Г

зх "

Ф4

'71

.44 ФГ ФВ

И

в5

О О

Ж

i-.-3.nini

к-2,111111

При движении трактора передним ходом, когда муфта ЗХ отключена, относительная скорость проскальзывания фрикционных дисков' у нее определяется как сумма их частот вращения. При 2100 1/мин первичного вала частота вращения одних дисков будет 1292 1/мин а других 2369 1/мин. При этом максимальное'относительное проскальзывание составит 3661 1/мин на наибольших скоростях в каждом диапазоне (тот же показатель у трактора John Deere 7520Т равен 4517 1/мин).

На заднем ходу, когда включена муфта ЗХ, относительное скольжение фрикционных дисков в муфте Ф1 будет 4500 1/мин, в муфте ФЗ 3560 1/мин, далее Ф4 3240 1/мин и в Ф2 2750 1/мин. Соответственно у трактора John Deere 7520Т 4064;3200;2922 и 3090.

Приведенный анализ указывает на возможность уменьшения максимальных значений относительных скоростей фрикционных дисков Путем перестановки муфты Ф1 с первичного вала на промвал на место муфты Ф2, которую необходимо в данном случае установить на первичный вал вместо муфты Ф1:Тогда максимальная скорость скольжения будет у муфты Ф2 - 3960 1//мин а не 4500 1/мин соответственно у John Deere 7520Т 35661/мин а не 40641/мин.

Для кардинального усовершенствования предлагается КП диапазонного типа с девятью передачами в каждом диапазоне. Количество муфт уменьшится с восьми до шести, при этом количество выключенных муфт уменьшится до четырех.

Общее число скоростей вперед - 27 и назад - 9.

Включение указанных шестерен производится соответственно фрикционными муфтами, расположенными на вторичном валу. При этом образуется девять передаточных отношений.

il,l= 1 il,2=q il,3=q2 i2,l=q3 i2,2=q4 ¡2,3 =q5 i3,l=q6 i3,2=q7 i3,3=q8

Таким образом при последовательном переключении муфт на первичном валу передаточное отношение изменяется на q а при переключении муфт вторичного вала на q3.Общий диапазон скоростей при q=l,15 будет 3,06.

Логичность применения подобного механизма состоит в том, что при выполнении трактором какого либо вида работ не возникает необходимости переходить из одного диапазона в другой. Например при выполнении пахоты нет необходимости иметь возможность двигаться на транспортных скоростях и т.д. Поэтому перед началом выполнения какого либо конкретного вида работ достаточно включить нужный диапазон.

Основные выводы:

1. Разработан метод согласования двигателя и трансмиссии сельскохозяйственного трактора, целью которого является определение таких показателей этих агрегатов, при которых достигается автоматическое изменение скорости движения в зависимости от нагрузки за счет частоты вращения коленвала, в пределах, регламентированных характеристикой двигателя, и которая исходит из логически целесообразной взаимосвязи между количеством и диапазоном рабочих скоростей, коэффициентом приспособляемости двигателя при условии выделения на его характеристике рабочего режима, отличающегося от номинального.

2. Целочисленный характер количества рабочих скоростей в совокупности с также целочисленным числом зубьев шестерен допускает различного рода отклонения от расчетных значений и приближений экспериментальных характеристик при согласовании показателей двигателей и трансмиссий сельскохозяйственных тракторов.

3. Сложившаяся тенденция применения на современных сельскохозяйственных тракторах дизелей "постоянной мощности" с коэффициентами приспособляемости 1,4 -1,6 и многоскоростных трансмиссий с 16 - 18 ступенями переднего хода с перепадом смежных скоростей 1,1 - 1,15 не расходится с предложенным методом согласования двигателя и трансмиссии, подтверждая его логичность и целесообразность.

4. Современные тракторные ДПМ снабжены, как правило, турбонаддувом с промежуточным охлаждением (воздух - воздух), электронными системами подачи топлива с давлением впрыска 150 - 200мПа типа Common Rail, что обеспечивает, как повышение мощности, так и коэффициента приспособляемости. При этом уместно отметить опыт Минского моторного завода, создавшего ДПМ на базе собственного шестицилиндрового дизеля путем применения топливоподающей системы Common Rail.

5. При формировании скоростей трактора необходимо контролировать относительное скольжение фрикционных дисков выключенных муфт и др. деталей при помощи коэффициентов дня типовых кинематических комбинаций соединения шестерен постоянного зацепления коробок передач и диапазонов.

6. Повышенное относительное скольжение дисков фрикционных муфт в коробке передач опытного гусеничного трактора Т-6С 315 (аналогичное скольжению фрикционных дисков в коробке передач серийного трактора John Deere 7520Т) можно уменьшить, поменяв местами на первичном и промежуточном валах муфты первой и второй ступеней.

7. Предложена удобная форма представления рядов скоростей тракторов в матричной форме, на основе которой разработана обобщенная матрица, в которую вместо скоростей введены относительные передаточные числа. Это позволяет рассматривать задачу формирования скоростей в общем виде для различных значений коэффициентов геометрических прогрессий рядов скоростей и перепадов передаточных чисел между отдельными составными коробками.

8. Коробки передач диапазонного типа позволяют уменьшать количество фрикционных муфт в многоступенчатых трансмиссиях; их целесообразно различать на обеспечивающие переключение всех скоростей рабочего диапазона без остановки трактора и на не имеющие таких функций и требующих остановки трактора в середине рабочего диапазона.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных трудах:

1. Титов А.И Городецкий К.И.. Предпосылки формирования рабочих скоростей сельскохозяйственных тракторов. ж.Тракгоры и сельскохозяйственные машины, 2008,№11,с.30-34.

2.Городецкий К.И. Шарипов В.М. Титов А.И. Согласование характеристики двигателя постоянной мощности со ступенчатыми трансмиссиями сельскохозяйственных тракторов. Материалы 65-ой международной научно-технической конференции 25-26 марта 2009г. МГТУ»МАМИ».

3.Титов А.И. Согласование показателей дизелей и трансмиссий тракто-ров.ИзвестияМГТУ«МАМИ»№2.М.,2008.с.79-86.

4.Городецкий К.И. Шарипов В.М. Титов А.И. Скорости тракторов. Инженерный журнал, Справочник.2009.№3.с.28-32.

5.Титов А.И. Городецкий К.И. Решение о выдаче патента на изобретение от 05.08.09 по заявке «Способ формирования рабочих скоростей тракторов» №2008142454/11(055208) от 28.10.08.

Отпечатано в типографии «Дамки», г. Курган, пр. Машиностроителей, 13А, тел. 8 (3522) 255-545. Тираж 100 экз.

Введение

Глава 1.0 Моторно-трансмиссионные установки тракторов

1.1 Общие сведения.Ю

1.2 Оценка свойств двигателей МТУ тракторов.yi

1.3 Выводы по главе.

Глава 2.0 Двигатели постоянной мощности

2.1 Общие сведения.yj

2.2 Работы по созданию ДПМ в России.

2.3 Показатели ДПМ зарубежных тракторов.

2.4 Выводы по главе

Глава 3.0 Формирование рабочих скоростей сельскохозяйственных тракторов с ДПМ

3.1 Способ формирования рабочих скоростей.

3 2 Применение системы матриц для описания скоростей сель-<t' ' скохозяйственных тракторов рабочих.

Выводы по главе

Глава 4.0 Согласование характеристик дизелей и ступенчатых трансмиссий

Методика согласования характеристик дизелей и ступенчатых трансмиссий.

Выводы по главе.

Глава 5.0 Относительные скорости валов и других деталей в коробках передач с шестернями постоянного зацепления 5д Проскальзывание в выключенных муфтах и др. узлах коробки передач.

5 2 Оценка скольжения в выключенных муфтах КП опытного трактора Т-6С315.

Гщ 5.3 Способ совершенствования кинематической схемы КП.90'

5-4 Выводы по главе.

В современных тракторах воплощены многие мировые достижения науки и техники. Современные тракторы отличаются высокой энергонасыщенностью, что непосредственно влияет на производительность, на них применяются дизели ДПМ с высокой приспособляемостью (коэффициент момента 1,4 - 1.6), их трансмиссии имеют большое число скоростей: 16 - 18 и более, с перепадом между соседними смежными ступенями 1.1 - 1.15, широко применяются электро и микропроцессорные системы управления, как подачей топлива, так и переключением передач, регистрацией рабочих режимов и др.

Актуальность темы диссертации. Несмотря на достигнутый технический уровень, еще остаются резервы дальнейшего совершенствования эксплуатационных показателей тракторов, в частности таких важных, как производительность и \ топливная экономичность. Для повышения производительности следует стремиться более полно использовать мощность дизеля, а экономичность достигается выбором соответствующей области режима его работы. '

Управлять данным процессом в общем случае возможно путем изменения крутящего момента дизеля, т.е. силы тяги трактора. Последняя представляет собой t величину изменяющуюся по времени в зависимости от разных причин. Диапазон частот колебаний силы тяги достаточно велик и зависит от природы их генерации. Колебания, возникающие от неровностей почвы, ее переменной структуры или при работе трактора поперек борозд в силу ограниченных технических возможностей трансмиссий не могут компенсироваться за счет изменения передаточного числа и поэтому должны отрабатываться за счет дизеля, точнее за счет его автоматической приспособляемости к изменению крутящего момента.

При работе трактора на пересеченной, холмистой местности колебания силы тяги могут в большинстве, случаев отрабатываться -преимущественно за счет изменения передаточного числа трансмиссии. Например, можно достаточно точно установить, что колебания силы тяги не превысят ±15%, если угол наклона, поля не превысит 2,5 градусов.

Такой результат, однако, может быть реализован только при соответствующем подборе показателей дизеля и трансмиссии трактора.

Подтверждение тому содержат многочисленные официальные протоколы испытаний [54], проводившихся в течение десятков лет специальной испытательной лабораторией при техническом университете штата Небраска в США. Эти протоколы ранее публиковались в американском журнале Red book и с появлением Интернета представлены теперь на сайте этой лаборатории испытаний, содержат достаточно подробные сведения о технических данных более чем сотни моделей тракторов разных компаний. Некоторые из них переведены на русский язык и представлены в приложении к данной диссертации.

Изучение колебаний силы тяги для повышения производительности и экономичности трактора выполнено с использованием классических трудов основоположников теории трактора профессоров Е.Д. Львова, Д.К. Карельских, М.К. Кристи, Д.А. Чудакова, Е.А. Чудакова, И.Б. Барского, В.М. Шарипова, В.Н. Болтинского, Г.М.Кутькова, В.В. Гуськова, А.Д. Крюкова, М.А. Крейниса, В.Н. Прокофьева, В.Э. Малаховского, А.А. Крейслера, И.И. Трепененкова и др. Наиболее значимы для рассматриваемой темы труды - академика В.Н. Болтинского, д.т.н., проф. Г.М. Кутькова и др. (школа ВАСХНИЛ), С.И. Дорменева, А.П. Банника, Ю.Б. Маргулиса, Ю.В. Гинзбурга и др. (школа НАТИ).

Изучению подверглись преимущественно неравномерности силовой нагрузки дизеля и было показано влияние колебаний нагрузки трактора на его поведение. Справедливо отмечено, что нестационарность нагрузки существенно снижает эффективность сельскохозяйственного трактора [25]. Однако, использование некоторых устоявшихся понятий традиционной теории, в частности, номинального режима работы дизеля, не позволило. авторам придти к заключению о целесообразности полноценного использования корректорного участка характеристики ДПМ, прежнее назначение которого состояло в защите дизеля от заглохания.

Ориентация на номинальный режим в отдельных случаях [1] привела к сомнительным рекомендациям о целесообразности уменьшения количества скоростей трактора. Это имело место на ВгТЗ в условиях массового производства трактора ДТ-75 при модернизации его КПП.

Расширение корректорного участка у ДПМ, может позволить использовать его для автоматической регулировки скорости адекватно силовой нагрузке в очень небольшом диапазоне, который в сочетании с большим числом ступеней трансмиссии может улучшить эксплуатационные качества трактора в условиях разнообразного применения [11].

Цель диссертации, таким образом, связана с изучением теоретических представлений, определяющих сочетание ДПМ и многоступенчатых трансмиссий, т.е. такое согласование их показателей, при котором возникнет возможность работы сельскохозяйственного трактора без необходимости переключения скоростей при выполнении какой-либо конкретной сельскохозяйственной операции [11;12;45;46].

Кроме того, формирование скоростей тракторов и разработка рациональных кинематических схем, как первого шага последующего конструирования, включает в себя проверочные расчеты, контролирующие относительные скорости элементов различных устройств, например дисков фрикционных гидроподжимных- муфт. Проведение данного анализа позволило выявить, в частности, чрезмерное относительное скольжение дисков в выключенных фрикционных муфтах коробки передач опытного трактора Т-бС 315 и его аналоге John Deere 7520Т.

В ходе работ выявилось, что для представления скоростных рядов тракторов удобно пользоваться системой матриц, в которой можно показывать отношения как смежных скоростей, так и скоростей смежных диапазонов.

Научная новизна диссертации.

1. Разработан метод согласования крутящего момента двигателя с трансмиссией сельскохозяйственного трактора, который устанавливает такие показатели- в совокупности этих агрегатов, при которых обеспечивается автоматическое изменение скорости движения в пределах- корректорной характеристики в зависимости от колебаний нагрузки; Метод заключается в определении соответствия коэффициента приспосабливаемое™ ДПМ отношению смежных скоростей рабочего диапазона (коэффициенту геометрической прогрессии ряда рабочих скоростей), а также определении рабочего режима на скоростной характеристике ДПМ в зоне между номинальным режимом и режимом наибольшего крутящего момента.

2. Предложен метод определения относительных скоростей дисков в выключенных фрикционных муфтах а также других элементов коробок передач с шестернями постоянного зацепления. Метод применим для некоторых типовых кинематических комбинаций шестерен, входящих в состав более сложных вариантов.

3. Выполнено матричное описание геометрических прогрессий рядов скоро-сгей* сельскохозяйственных тракторов с относительными передаточныхми числами для- различных значений коэффициентов прогрессий и различных перепадов между последовательно соединенными составными коробками передач и коробками диапа-зоов.

Задачи решенные в диссертации

1. Разработана модель функциональных областей корректорной характеристики ДПМ.

2. Обследована взаимосвязь диапазона и количества рабочих скоростей и соответствующих коэффициентов геометрических прогрессий их скоростных рядов.

3. Проанализированы реальные характеристики ДПМ, пути снижения расхода топлива при недогрузках тракторов за счет применения многоступенчатых трансмиссий.

4. Предложен способ информативного представления и формирования многочленных рядов рабочих скоростей сельскохозяйственных тракторов и кинематическая схема многоступенчатой КП.

Характеристика методов исследования основывается на фундаментальных положениях теории трактора [6; 9; 14; 23; 29; 51], методах инженерного и математического анализа реальных скоростных, характеристик ДПМ и; тяговых характеристик колесных и резиногусеничных тракторов [54].

В качестве теоретической базы при проведения исследований использованы теоретические и прикладные труды ведущих отечественных и зарубежных-ученых.

Достоверность и обоснованность результатов, выводов и заключений диссертационной работы подтверждены совпадением разработанной логически обоснованной модели скоростных характеристик ДПМ с достаточно большим количеством проанализированных официальных характеристик и некоторых данных тяговых характеристик энергонасыщенных колесных и резиногусеничных тракторов [54], а также надежной матричной формой представления многочленных скоростных рядов.

Краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе, моторно-трансмиссионные установки (МТУ) тракторов, раскрываются в основном вопросы теоретического характера, которые указывают на возможность при определенных условиях обеспечивать в рядовой эксплуатации работу на корректорной характеристике ДПМ, за счет его «внутренней» автоматичности, т.е. приспосабливаемое™ к изменяемому нагружению, практически без переключения скоростей. В связи с этим возникает потребность в пересмотре традиционного теоретического описания рабочего процесса трактора. В связи с этим следует различать требования к формированию характеристик двигателей сельскохозяйственных тракторов от требований к двигателям других машин, главным образом, по коэффициенту приспосабливаемое™ (коэффициенту момента), а не по наличию регуляторной характеристики, номинальному режиму и пр.

Вторая глава, двигатели постоянной мощности, носит обзорный, характер и констатирует, что на современных сельскохозяйственных тракторах широко применяются дизели с коэффициентом запаса момента 1,4-1,6, условно называемые ДПМ, максимальная мощность и минимальный удельный расход топлива у которых располагаются на корректорном участке скоростной характеристики. Работы по созданию и совершенствованию двигателей для сельскохозяйственных тракторов ведутся по двум направлениям. Одно направление связано с повышением коэффициента приспосабливаемое™ (ДПМ), другое - с повышением мощности, как правило, в номинальном режиме. Широкое распространение имеют микропроцессорные системы %v управления цикловой подачей топлива при давлениях впрыска 150 - 200 мПа.

Третья глава, формирование рабочих скоростей сельскохозяйственных тракторов с ДПМ, содержит анализ целесообразности ДПМ и возможные пути их использования для получения новых качеств работы трактора. В главе приведены предварительные соображения о возможности получения бесступенчатого регулирования скорости трактора за счет изменения частоты вращения коленчатого вала в пределах, регламентированных характеристикой ДПМ. На основе представления рядов скоростей в матричной форме приведена обобщенная матрица, в которой вместо скоростей включены относительные передаточные числа, что позволяет рассматривать задачу в общем виде для различных значений коэффициентов геометрических прогрессий рядов скоростей и перепадов передаточных чисел между отдельными коробками составной КПП. Путем применения матричной системы в ряде случаев раскрыты способы формирования скоростных рядов.

В четвертой главе, согласование характеристик дизелей и ступенчатых трансмиссий, приведена разработанная методика согласования показателей ДПМ и трансмиссий сельскохозяйственных тракторов. Методика включает, полученные автором, расчетные формулы согласования двигателей и трансмиссий и исходит из установленной зависимости между количеством и диапазоном рабочих скоростей сельскохозяйственного трактора, а также коэффициентом приспосабливаемое™ ДПМ. Определение числа рабочих скоростей имеет целочисленный характер, аналогично такому же характеру количества зубьев шестерен, в связи с чем допускаются различного рода отклонения от некоторых расчетных значений и приближений экспериментальных графиков.

Пятая глава, относительные скорости валов и других деталей в коробках' передач с шестернями постоянного зацепления, включает анализ типовых комбинаций соединения шестерен постоянного зацепления встречающихся в конструкциях коробок передач тракторов. В главе содержатся расчетные коэффициенты, характеризующие относительное скольжение фрикционных дисков в выключенных муфтах. Отмечено повышенное скольжение в муфтах сцепления коробки передач опытного гусеничного трактора Т-6С315 и их аналога в серийном тракторе John Deere 7520Т. Описано предложение, позволяющее уменьшить это скольжение дисков, а значит и их повышенный износ, перемещением муфты первой передачи на промежуточный вал и заменой её муфтой второй передачи. Описано также предложение, направленное на уменьшение количества фрикционных муфт с семи до пяти в КП данного трактора.

Перечень новых научных результатов, выносимых на защиту диссертации

1. Метод согласования показателей ДПМ и трансмиссий.

2. Теоретическая модель и рабочий режим на корректорной характеристике

ДПМ.

3. Возможность автоматического регулирования скорости трактора в пределах, регламентированных корректорной характеристикой в зависимости от силовой нагрузки.

4. Типовые кинематические комбинации схем соединения шестерен в КП тракторов и коэффициенты для расчета относительных скоростей скольжения деталей в выключенных фрикционных муфтах.

5. Обобщенная матричная форма представления относительных передаточных чисел многоступенчатых трансмиссий тракторов.

6. Способ формирования скоростей и кинематических схем трансмиссий тракторов.

Характеристика практической ценности.и полезности диссертации. Результаты диссертации позволяют целенаправленно разрабатывать современные моторно-трансмиссионные установки сельскохозяйственных тракторов, обеспечивающие более полное использование КПД дизельных двигателей при автоматическом регулировании скорости при колебаниях силы тяги (без изменения передаточного числа трансмиссии) и перспективные направления совершенствования данных узлов. Кроме того, результаты диссертации полезны для совершенствования вопросов'соответствующей теории и процесса обучения специалистов.

Сведения об апробации результатов диссертации.

Основное содержание диссертации было доложено и обсуждено на:

- НТС ОАО НАТИ в ноябре 2008г.

- Международном научном симпозиуме "Автотракторостроение - 2009".

- кафедре "Тракторы" МГТУ МАМИ в ноябре 2008г.

- кафедре "Автомобили и тракторы" Московского государственного агроуни-верситета им. Горячкина-В.П.,в феврале 2009г.

- кафедре "Автомобили, и тракторы" Чебоксарского политехнического института Московского государственного открытого университета в марте 2009г.

Основные выводы

1. Разработан метод согласования двигателя и трансмиссии сельскохозяйственного трактора, целью которого является определение таких показателей этих агрегатов, при которых достигается автоматическое изменение скорости движения в зависимости от нагрузки за счет частоты вращения коленвала, в пределах, регламентированных характеристикой двигателя, и которая исходит из логически целесообразной взаимосвязи между количеством и диапазоном рабочих скоростей, коэффициентом приспособляемости двигателя при условии выделения на его характеристике рабочего режима, отличающегося от номинального.

2. Целочисленный характер количества рабочих скоростей в совокупности с также целочисленным числом зубьев шестерен допускает различного рода отклонения от расчетных значений и приближений экспериментальных характеристик при согласовании показателей двигателей и трансмиссий сельскохозяйственных тракторов. 3. Сложившаяся тенденция применения на современных сельскохозяйственных тракторах дизелей "постоянной мощности" с коэффициентами приспособляемости 1,4 - 1,6 и многоскоростных трансмиссий с 16 - 18 ступенями переднего хода с перепадом смежных скоростей 1,1 - 1,15 не расходится с предложенным методом согласования двигателя и трансмиссии, подтверждая его логичность и целесообразность.

4. Современные тракторные ДПМ снабжены, как правило, турбонаддувом с промежуточным охлаждением (воздух - воздух), электронными системами-подачи топлива с давлением впрыска 150 - 200мПа типа Common Rail, что обеспечивает, как повышение мощности, так и коэффициента приспособляемости. При этом уместно отметить опыт Минского моторного завода, создавшего ДПМ на базе собственного шестицилиндрового дизеля путем применения топливоподающей системы Common Rail.

5. При формировании скоростей трактора необходимо контролировать относительное скольжение фрикционных дисков выключенных муфт и др. деталей при помощи коэффициентов для типовых кинематических комбинаций соединения шестерен постоянного зацепления коробок передач и диапазонов.

6. Повышенное относительное скольжение дисков фрикционных муфт в коробке передач опытного гусеничного трактора Т-бС 315 (аналогичное скольжению фрикционных дисков в коробке передач серийного трактора John Deere 7520Т), можно уменьшить взаимозаменой на первичном и промежуточном валах муфты первой и второй ступеней.

7. Предложена удобная форма представления рядов скоростей тракторов в матричной форме, на основе которой разработана обобщенная матрица, в которую вместо скоростей введены относительные передаточные числа. Это позволяет рассматривать задачу формирования скоростей в общем виде для различных значений коэффициентов геометрических прогрессий рядов скоростей и перепадов передаточных чисел между отдельными составными коробками.

8. Коробки передач диапазонного типа позволяют уменьшать количество фрикционных муфт в многоступенчатых трансмиссиях; их целесообразно различать на обеспечивающие переключение всех скоростей рабочего диапазона без остановки трактора и на не имеющие таких функций и требующих остановки трактора в середине рабочего диапазона.

1. Абрамова Т.А., Дорменев С.И. Применение тракторов с двигателем постоянной мощности в сельском хозяйстве. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1983. с. 9 (Экспресс-информ.; № 16).

2. Анилович В.Я., Водолажченко Ю.Т. Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов: Справочное пособие/Под ред. Б.П. Кашубы. М.: Машиностроение, 1976. 455 с.

3. Анохин В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных сельскохозяйственных тракторах. М.Машиностроение,1972. 303 с.

4. Банник А.П., Дорменев С.И:, Малашкин О.М. Трактор «Tiger III ST 450» с двигателем постоянной мощности // Тракторы и сельхозмашины. 1979. № 2. С. 28 30.

5. Барский И. Б. Конструирование и расчет тракторов. М.: Машиностроение, 1980. 335 с.

6. Барский И.Б., Анилович В.Я., Кутьков Г.М. Динамика трактора. М.: Машиностроение, 1973. 280 с.1

7. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность-машина. М., Машиностроение, 1973. 520 с.

8. Бесступенчатые фрикционные тороидные передачи в трансмиссиях тракторов и мобильных машин // В.А. Каменецкий, А.Л. Лельчук, А.И. Файнштейн и др. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1980. Вып. 13. 42 с.

9. Болтинский В.Н. Теория,конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М.,1962.

10. Городецкий'К.И. Шарипов В.М*. Титов А.И. Согласование характёристики двигателя постоянной мощности со ступенчатыми трансмиссиями сельскохозяйственных тракторов. Материалы 65-ой международной научно-технической конференции 25-26 марта 2009г.МГТУ МАМИ

11. Гусеничные транспортеры-тягачи/ Под ред. В. Ф. Платонова. М.: Машинострое ние, 1978. 352 с.

12. И.Гуськов В.В. и др. Тракторы,теория.Машиностроение.,Москва,1988.

13. Дорменев С.И., Балдин С.И. Зарубежные тракторы с двигателями постоянной мощности. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1981.С. 7- 16. (Экспресс-информ.; № 26).

14. Дорменев С.И., Колесников А.П. Привод ВОМ для тракторных установок с двигателями постоянной мощности и гидромеханической трансмиссией. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1984. 7 с. (Экспресс-информ.; Вып. 8).

15. Дорменев С.И., Фротер З.И. Моторно-трансмиссионные установки зарубежных сельскохозяйственных тракторов с двигателями постоянной мощности. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1984. 19 с. (Экспресс-информ.; Вып. 1).

16. Дорменев С.И., Чухчин Н.Ф.,Котиев О.Б. Тенденции развития моторно-трансмиссионных установок тракторов за рубежом // Тракторы и сельхозмашины. 1984. № 7. С. 33 38.

17. Двигатели постоянной мощности / Ю.Б. Моргулис, Г.М. Поветкин, В.А. Кочетов и др. // Тр. НАТИ. 1978. № 257. С. 65 74.

18. Карельских Д.К. Трактор,его работа и конструкция. М-Л. Госмашметиздат. 1933. 532с.

19. Кристи М.К. Красненьков В.И. Новые механизмы трансмиссий. М.,Машиностроение, 1967.215 с.

20. Кутьков Г.М. Тяговая динамика тракторов. М.: Машиностроение, 1980. 214 с.

21. Ковригин В.Д., Калинина Т.И. Промышленные тракторы фирмы «Комацу». М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1985. С. 27. (Экспресс-информ.; № 12).

22. Колобов Г.Г.,Парфенов А.П. Тяговые характеристики тракторов. М., Машино-строениеД972.153с.

23. Конструкция и расчет танков и БМП/ Под общ. ред. В. А. Чобитка. М.: Военное издательство, 1984. 375 с.

24. Львов Е.Д. Теория трактора. Машгиз, М.,1960.

25. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных машин. Л.: Колос, 1970. 376 с.

26. Моргулис Ю.Б. Системы регулирования давления наддува тракторных и комбайновых двигателей. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1982. 40 с. (Экспресс-информ.; Вып. 3).

27. Повышение технического уровня тракторов путем применения двигателей постоянной мощности. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш.42 с.(Реферат. сб.; Вып. 8).

28. Машиностроение. Энциклопедия. Колесные и гусеничные машины. Т. IV-15/ В. Ф. Платонов, В. С. Азаев, Е. Б. Александров и др.; Под общ. ред. В. Ф. Платонова. М.: Машиностроение, 1997. 688 с.

29. Планетарные коробки передач/ В. М. Шарипов, Л. Н. Крумбольдт, А. П. Марин-кин, Е. Л. Рыбин; Под ред. В. М. Шарипова. М: МГТУ "МАМИ", 2000. 137 с.

30. Проектирование трансмиссийгавтомобилей/ Под общ. ред. А. И. Гришкевича. М.: Машиностроение. 272 с.

31. Проектирование полноприводных колесных-машин: В<2 т. Т. 1/ Под общ. ред. А. А. Полунгяна. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. 488 с.

32. Проектирование полноприводных колесных машин: В 2 т. Т. 2/ Под общ. ред. А. А. Полунгяна. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. 640 с.

33. Расчет и конструирование гусеничных машин/ Под ред. Н. А. Носова. Л.: Машиностроение, 1972. 425 с.

34. Сергеев Л. В., Кадобнов В. В. Гидромеханические трансмиссии быстроходных гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1980. 200 с.

35. Смирнов В.И. Курс высшей математики. ТЗ. М.: Наука, 1974. - 672 с.

36. Тракторные дизели: Справочник / Б.А. Взоров, А.В. Адамович, С.Г. Арабян и др.; Под ред. Б.А. Взорова. М.: Машиностроение, 1981. 535 с.

37. Проектирование, Тракторы, конструирование и расчет/ Под ред. И. П. Ксене-вича. М.: Машиностроение, 1996. 479 с.

38. Титов А.И. Согласование показателей дизелей и трансмиссий тракторов. Известия МГТУ «МАМИ» №2. М., 2008. с.79-86.

39. Титов А.И: Городецкий К.И. Шарипов В.М. Скорости тракторов. Инженерный журнал, Справочник. 2009.№3. с.28-32.

40. Тракторы: Теория: Учебник для студентов вузов по специальности "Автомобили и тракторы"/ В. В Гуськов, Н. Н. Велев, Ю. Е. Атаманов и др.; Под общ. ред. В. В. Гуськова, М.: Машиностроение, 1988. 376 с.

41. Трансмисси и тракторов/ К. Я. Львовский, Ф. А. Черпак, И. Н. Серебряков, Н. А. Щельцын. М.: Машиностроение, 1976. 280 с.г

42. Тягово-динамические качества сельскохозяйственных тракторов с двигателями постоянной мощности // С.И. Дорменев, Е.В. Алпеев, А.П. Банник и др. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1980. 40 с. (Экспресс-информ.; Вып. 11). ^

43. Турбонаддув высокооборотных дизелей / A3. Симеон, В.Н. Каминский, Ю.Б. Моргулис и др. М.: Машиностроение, 1976. 206 с.

44. Чудаков Д.А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля, Колос,1972,384. 52.Чудаков Е.А. Теория автомобиля.Избранные труды, т.1. М.,АН СССР, 1961.463с

45. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания. Пер. с нем. Л.: Машиностроение, 1978. С. 138 147.