CC BY
68
Dr Mladcn Pintić,
potpukovnik. dipt. ini.
vojnotehntfki touitut VJ,
Beograd
NEKE OSNOVNE KARAKTERIST1KE PLANETARNIH PRENOSNIKA I NJIHOVA PRIMENA NA BRZOHODNIM GUSENIČNIM VOZIL1MA
UDC: 621.833.6.000.531.1:623.438.3
Rezime:
U ovom radu definisani su, klasifikovani i označeni elementi planetarnih prenosnika i date njihove osnovne karakteristike, kao i osnove kinematike planetarnih prenosnika i analizirane mogućnosti njihovog blokiranja sa posebnim osvrtom na pojavu cirkulirajuće snage. Analizirani su osnovni parametri planetarnih menjača nekih savremenih brzohodnih guseničnih vozila i prikazane njihove kinematske Seme. Opisani su osnovni elementi metodologije za formiranje optimalne kinematske Seme sloienih planetarnih prenosnika i analizirano je reSenje dobijeno primenom definisane metodologije.
Kljuine reči: transmisija, planetami prenosnik, kinematska Serna, metodologija.
SOME BASIC CHARACTERISTICS OF PLANETARY GEAR TRAINS AND THEIR APPLICATION ON HIGH-SPEED TRACKED VEHICLES
Summary:
The definition, classification and designation of elements of planetary gear trains were carried out and their basic characteristics were given in the paper the bases of kinematics of planetary gear trains were presented and possibilities of lock-up modes were analysed from the special aspect of power circulation. The analysis of basic parameters ofplanetary gearboxes of some contemporary highspeed tracked vehicles way performed and the kinematic schemes of gearboxes were shown. The basic elements of methodology for the creation of optimal kinematic scheme of compound planetary gear trains were described and the obtained optimal solution of the kinematic scheme was analysed.
Key words: transmission, planetary gear train, kinematic scheme, methodology.
Uvod
Planetami prenosnici raztikuju se od neplanetamih prenosnika po kompaktno-sti, odnosno manjim gabaritima i masi za istu snagu koju prenose. Ova osobina objaSnjava sc raspodelom opterećenja na nekoliko satelita, posebno ako je optere-ćeno vise planetarnih redova složenog planetamog prenosnika. Ostvarenje prenosnika znatno manjih gabarita i mase u odnosu na neplanetarne, izradenih od
istog materijala i podvrgnutih istom opte-rećenju, u znatnoj men zavisi od primene adekvatnc kinematske Seme.
Prelazak sa neplanetamih prenosnika na planetame doveo je do znatnog smanjenja modula zupca zupčanika. Ta-ko, na primer, za isto opterećenje modul zupca zupčanika planetamog prenosnika primenjenog na brzohodnom guseničnom vozilu kreće se od 3 do 5 mm, dok u slučaju neplanetamog prenosnika on iz-nosi 7 do 10 mm.
VOJNOTEHNlCKI GLASN1K 3/2000.
305
Takođe, funkcija i pouzdanost plane* tamog prenosnika u eksploataciji u osnovi zavise od njegove kinematske Seme. Problemi koji se nameću pri formira-nju ili izboru kinematske Seme vezani su za ostvarivanje visoke vrednosti stepena korisnosti (r\ = 0,92 - 0,98), obezbeđe-nje potrebnih vrednosti prenosnih odnosa uz minimalan broj planetamih redova i frikcionih sklopova, ostvarivanje dozvo-Ijenih vrednosti blokirajućih i kočionih momenata, kao i obimnih i ugaonih br-zina elemenata i obezbeđenje jednostav-nosti konstrukcije.
Planetarni prenosnici se, u velikoj meri, primenjuju u transmisijama brzo-hodnih guseničnih vozila u sklopovima kao što su menjači, diferencijali i bočni prenosnici.
Definicija, klasiflkacija i označavanje elemenata planetarnih prenosnika
Pod planetamim prenosnikom po-drazumeva se onaj prenosnik koji pose-duje bar jedan zupčanik čija osa rotira oko centralne ose prenosnika. Zupčanici čije ose rotiraju oko centralne ose nazi-vaju se sateliti i ostvaruju dvostruko kre-tanje - rotaciju oko sopstvene ose i isto-vrcmeno zajedno sa svojom osom rotiraju oko centralne ose prenosnika. Osovinice satelita učvrSćene su u nosaču satelita.
Zupčanici čije se ose poklapaju sa centralnom osom planetamog prenosnika nazivaju se centralni zupčanici [1], a mogu biti ciiindrični ili konusni sa unutra-šnjim ili spoljaSnjim ozubljenjem. Za centralni zupčanik sa unutraSnjim ozubljenjem često se koristi naziv epicikl, a centralni zupčanik sa spoljnim ozubljenjem naziva se i sunčani zupčanik.
Elementi planetarnog prenosnika čije su ose nepokretne u prostoru nazivaju se osnovnim elementima [1, 2].
Najjednostavniji planetami prenosnik sa dva stepena slobode sastoji se od tri osnovna elementa i to: centralnog zupčanika sa spoljnim ozubljenjem (u daljem tekstu centralni zupčanik), centralnog zupčanika sa unutraSnjim ozubljenjem (u daljem tekstu epicikl) i nosača satelita. Ovakav prenosnik često se u literaturi sreće pod nazivom tročlani planetami red ili samo planetami red ili jednoredni planetami prenosnik.
Klasiflkacija planetamih prenosnika vrši se na osnovu nekoliko kriterijuma, i to:
- prema načinu prenosa snage:
- zupčasti planetami prenosnici,
- frikcioni planetami prenosnici;
- prema vrsti zupčanika:
- planetami prenosnici sa cilin-dričnim zupčanicima sa pravim zupcima,
- planetami prenosnici sa konič-nim zupčanicima;
- prema složenosti, odnosno broju planetamih redova:
- jednoredni planetami prenosnici,
- višeredni planetami prenosnici;
- prema broju stepeni slobode:
- planetami prenosnici sa jcdnim stepenom slobode,
- planetarni prenosnici sa više stepeni slobode;
- prema broju zupčasnih venaca satelita:
- planetami prenosnici sa sateli-tom od jednog venca,
- planetarni prenosnici sa sateli-tom od dva venca.
Pod pojmom stepena slobode planetamog prenosnika podrazumeva se broj veza koje treba ostvariti za dati prenosnik
306
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2000.
radi postizanja određenog kinematskog stanja. Karakter veza i način njihovog ostvarivanja zavisi od kinematske šeme prenosnika i upotrebljenih clemenata upravljanja (najčešle frikcionih sklopo-va). Najširu primenu naSli su planetami prenosnici sa dva, tri i četiri stepena slob ode.
U ovom radu razmatrani su zupčasti složeni planetami prenosnici sa cilindrič-nim zupčanicima sa pravim zupcima i satelitima sa jednim zupčastim vencem, koji poseduju dva i više stepena siobode.
SI. 1 - Jednoredni planetami prenosnik
Označavanjem elemenata planetar-nih prenosnika povećava se pogodnost analize strukture prenosnika. Elementi planetarnog prenosnika obeležavaju se brojčanim i slovnim oznakama. Prema tome, za jednoredni planetami prenosnik (si. 1) uvedene su sledele oznake:
- centralni zupčanik a,
- satelit g,
- nosač satelita H,
- epicikl e.
Ukoliko se radi o satelitu sa dva zupčasta venca, prvi venae se označava sa g, a drugi sa g\
Kod složenog planetarnog prenosnika (sastoji se od dva i više planetarnih redova) svaki planetami red obeležava se rimskim brojem, a oznake elemenata pla-netamog reda dobijaju indeks koji odgo-vara pripadajulem rimskom broju.
Posebna vrsta planetarnog prenosnika predstavlja prenosnik tipa RAVIG-
Sl. 2 - Planetami prenosnik tipa RA VIONEA VX
NEAUX koji je izveden tako da se sastoji od dva planetama reda, pri čemu je jedan od njih nepotpun (si. 2).
Ova dva planetama reda povezana su tako da je nosač satelita (H) zajednički za oba reda, dok se sateliti nalaze u zahvatu. Prenosnik tipa RAVIGNEAUX se retko primenjuje kao samostalni prenosnik snage u ulozi menjača, već je njegova primena mnogo češća u kombi-naeiji sa jednim ili dva planetama reda.
Najčešće označavanje planetarnih redova prenosnika tipa RAVIGNEAUX obavlja se tako da je oznaka potpunog planetarnog reda uvek za jedan vela od oznake nepotpunog planetarnog reda, a indeksi oznaka elemenata (izuzev nosača satelita čija oznaka H ne sadrži indeks) pored broja sadrže i slovo R (si. 2).
Kinematika planetarnih prenosnika
Za odredivanje prenosnih odnosa i broja obrtaja svih elemenata planetarnih prenosnika poznate su letiri osnovne me-todc: analitilka, koja je najrasprostranje-nija, energetska, grafička i vektorska.
Analitička metoda naziva se i meto-dom redukovanog mehanizma ili meto-dom relativnih ugaonih brzina. Po njoj se izvodi osnovna jednačina kinematike, na taj način što se polazi od toga da se celokupnom diferencijalnom planetar-nom prenosniku saopStava ugaona brzina, koja je po vrednosti jednaka ugaonoj
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2000.
307
brzini nosača satclita h (si. 3), ali suprot-nog smera. Nakon toga nosač satelita se zaustavlja, Sto uslovljava da diferencijalni prenosnik prelazi u zupčasti prenosnik sa ncpokretnim osama i naziva se reduko-vani prenosnik. Elemenat p redukovanog prenosnika ima ugaonu brzinu (Op - ov Dobijena razlika ugaonih brzina pred-stavlja ugaonu brzinu elementa p u od-nosu na nosač h, pa se ponekad ova metoda naziva metodom relativnih ugao-nih brzina. Elemenat q u redukovanom prenosniku ima ugaonu brzinu: ©q - ©h.
SI. 3 - OpSta šema tročlanog planetamog prenosnika
Veza izmedu ugaonih brzina tročla-nog diferencijalnog planetamog preno* snika data je sledećim opštim izrazom:
^ = ± kM a)
(Oq-COh
gde je:
±kN - unutraSnji (osnovni) preno-sni odnos prenosnika pri nepokretnom
nosaču satelita h, a predstavlja odnos relativnih ugaonih brzina elemenata p i q u odnosu na nosač h.
Predznak unutrašnjeg prenosnog od* nosa planetamog prenosnika u izrazu (1) je negativan ako pogonski i gonjeni član planetamog prenosnika rotiraju u suprot-nom smeru pri zaustavljenom nosaču sa* telita. U suprotnom slučaju predznak je pozitivan. Ovaj prenosni odnos u teoriji planetamih prenosnika je veoma znača* jan, jer omogućava znatno pojednostav-Ijenje svih analitičkih izraza i služi kao konstrukcioni parametar pri odredivanju relativnih odnosa parametara elemenata samog planetamog prenosnika.
Blokiranje planetamih prenosnika
i pojava cirkulirajuće snage
Iz kinematike planetamih preno* snika poznato je da ukoliko dva osnovna elementa jednog planetamog reda imaju istu ugaonu brzinu, onda se sva tri elementa tog reda obrću kao jedna celina. Takav planetami red obavlja prenosno kretanje (relativno kretanje ne postoji), i on se naziva blokiranim planetamim redom. Analogno tome, pod blokiranim prenosnikom podrazumeva se onaj kod kojeg je uspostavljena takva veza između osnovnih elemenata da se obavlja samo prenosno kretanje, i pri tome ostvaruje prenosni odnos jednak jedinici. Blokira-
o) b) c) d)
f ( p 1 1 PC 1 \ 1 1
p p p p1 'p P 1 1 1 p® 1 P
Lj W -mJ
St. 4 - Mogući tokovi snage u planetarnom prenosniku
308
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2000.
nje prenosnika realizuje se, uglavnom, ostvarivanjem veze izmedu dva osnovna elementa pomoću frikcione spojnice. Kod blokiranog prenosnika obrtni momenti na pogonskom i gonjenom vratilu su jednaki (hidraulički gubici i gubici u leža-jevima su zanemareni), a opterećenje elemenata prenosnika zavisi od ostvarene veze između elemenata.
U zavisnosti od toga koji je osnovni elemenat ulazni, izlazni i blokiran, kod jednorednog planetamog prenosnika može se ostvariti Sest različitih načina (varijanti) prenosa snage. Za svaku vari-jantu postoje tri mogućnosti blokiranja prenosnika, Sto znači da je moguće ostvariti ukupno 18 blokiranih kinematskih stanja.
Prenos snage od pogonskog do go-njenog vratila planetarnog prenosnika, može se ostvariti jednim tokom (si. 4a), grananjem snage ($1. 4b) i sa pojavom cirkulirajuće snage (si. 4c i 4d). Koji će se od ovih tokova realizovati zavisi od ostvarene unutrašnje veze izmedu elemenata, odnosno usvojene kinematske Seme i vrednosti unutrašnjih prenosnih odnosa prenosnika.
Cirkulirajuća snaga u planetarnim prenosnicima javlja se najčešće u zatvore-noj konturi i ne prenosi se na izlazno vratilo. Ova snaga naziva se i parazitska, a za nju je karakteristično da se ne može
pretvoriti u koristan rad, izaziva dodatno opterećenje elemenata u sprezi, smanjuje stepen korisnosti prenosnika, a po svojoj vrednosti može da bude veća od ulazne snage u prenosnik.
Za razliku od jednorednih planetar-nih prenosnika, kod kojih se cirkulirajuća snaga, odnosno moment, mogu pojaviti samo u slučaju kada je prenosnik blokiran, kod složenih planetamih prenosnika cirkulirajuća snaga može se javiti i bez blokiranja, kao posledica usvojene kinematske Seme i vrednosti unutrašnjih prenosnih odnosa prenosnika. Kod ovih prenosnika, koji se sastoje od dva ili viSe planetamih redova povezanih u kinemat-sku i konstrukeionu celinu, odredivanje tokova i vrednosti cirkulirajuće snage znatno je složcnije.
Osnovne karakteristike planetamih menjača nekih realizovanih transmisija
Radi sagledavanja osnovnih karakte-ristika planetamih prenosnika izvrSena je analiza ostvarivanja stepena prenosa pla-netarnih menjača transmisija nekih brzo-hodnih guseničnih vozila. Osnovne karakteristike razmatranih menjača prika-zane su u tabeli 1.
Transmisije navedene u tabeli 1 pri-menjene su na sledećim oklopnim motor-
Tabefo I
Red. br. Model, oznaka Brojpl. redova Broj kočnica Broj spojmca Broj stepena prenosa Broj aktiviranih frikeionih sktopova u stepenu prenosa
1. ZFLSG-3000 3 3 2 4/2 2
2. ESM 500 3 3 3 4/2 3
3. TN-54 3 3 3 6/2 3
4. TN-37 3 3 3 4/3 3
5. BMT-72* 4 4 2 7/1 2
* bočni menjač tenka T>72; ozmka Je utktvno uvedeoa.
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2000.
309
Tabeta 2
nim vozilima: ZF-LSG 3000 (i-talijanski tenk Cl ARIETE), ESM 500 (francuski tenk LEC-LERC), TN-54 i TN-37 (britan-ski tenkovi CHALLENGER 2 i CHALLENGER 1) i BM T-72 (ruski tenk T-72).
Kinematske šeme menjača ovih transmisija, kao i načini ostvarivanja stepena prenosa, putem aktiviranja odgovaraju-ćih frikcionih sklopova, prika* zani su u tabeli 2.
Za razmatrane složene pre-nosnike (tabele 1 i 2) karakteri-stično je da poseduju tri plane* tama reda, osim menjača tenka T-72 koji se sastoji od četiri planetarna reda. Zbog toga je na ovom rešenju moguće ostva-renje najvećeg broja stepena prenosa za hod napred (se-dam). Broj frikcionih sklopova (kočnica i spojnica) najmanji je na menjaču transmisije ZF LSG 3000, a ostali prenosnici poseduju isti broj ovih sklopova. Za ovo rešenje karakteristično je da, u kinematskom pogledu, poseduje tri stepena slobode, pa je za ostvarivanje bilo kog stepena prenosa potrebno da se izvrši aktiviranje dva frikciona sklopa.
Svi planetarni prenosnici, osim menjača tenka T-72, kons-trukcijski su izvedeni tako da poseduju jedan ulaz i dva izlaza. Na taj način omogućcna je ugradnja samo jednog ovakvog prenosnika u tenkovskim tran-smisijama.
Menjač transmisije TN 37 komponovan je, u kinemat-
310
VOJNOTEHNtCKI GLASNIK 372000.
skom pogledu, tako da može da ostvari tri stepena prenosa za hod unazad, medu-lim reSenje je konstrukcijski izvedeno tako da se realizuju samo dva stepena prenosa za hod unazad, Sto je sa aspekta manevarskih sposobnosti vozita sasvim dovoljno.
U zavisnosti od primcnjenog meha-nizma (potpuni ili nepotpuni planetami red) od navcdenih reSenja dva menjača poseduju mehanizam tipa RAVIG-NEAUX (menjač najnovijeg francuskog tenka LECLERC i mcnjač ruskog tenka T-72). Njegovom primenom ostvarena je kompaktnija i jednostavnija konstrukcija (na jednom redu ne postoji zupčanik sa unutraSnjim ozubljenjem) u odnosu na reSenja koja su namenjena za prenos snage istih vrednosti.
Metodologija formiranja optimalnog
rešenj a lunematske šeme stoženog
planetarnog prenosnika
Jedna od najvažnijih karakteristika planetamih prenosnika jeste stepen kori-snosti. Njegova vrednost, neposredno ili posredno, zavisi od niza parametara, kao Sto su: broj i vrednost prenosnih odnosa, modul i broj zubaca zupčanika, optereće-nje, ugaona brzina, temperatura ulja, kvalitet obrade zupčanika, broj stepeni slobode, vrsta maziva i način podmaziva-nja. Pored toga, složenost kinematske Seme (broj frikcionih sklopova, način ostvarivanja medusobnih veza osnovnih elemenata, broj vratila smeštenih jedno u drugo i struktura) takođe utiče na vrednost gubitaka koji nastaju u preno-sniku.
Da bi se doSlo do optimalnog rešenja kinematske Seme treba deftnisati i odre-diti numeričke vrednosti navedenih para-metara i izvrSiti niz drugih koraka u vezi
sa izborom strukture kinematske Seme, komponovanjem mogudh reSenja i njiho-vom anaiizom u pogledu vrednosti stepena korisnosti i nekih konstrukcijskih parametara, kao i izbor optimalnog reSenja. Postupak koji obuhvata navedene korake definisan je kao metodologija formiranja optimalne kinematske Seme [6]. Osnovne faze ove metodologije su:
I: definisanje i izbor vrednosti pola-znih parametara;
II: odredivanje dijapazona broja zubaca zupčanika i unutrašnjih kinematskih odnosa;
III: komponovanje kinematskih Serna;
IV: odredivanje konačnih vrednosti prenosnih odnosa i broja zubaca;
V: izbor kinematske Seme po defini-sanim kriterijumima.
IzvrSena je primcna navedene metodologije radi dobijanja optimalnog reSenja kinematske Seme planetarnog menja-ča, koji se sastoji od prenosnika tipa RAVIGNEAUX redno povezanog sa jednorednim planetarnim prenosnikom. Ostvareno reSenje je prenosnik čija je osnovna konstrukcija prikazana na slid 5.
Jedna od osnovnih karakteristika ovog konstrukcijskog reSenja jeste pose-dovanje jednog izlaza (izlaznim vratilom snaga se odvodi na jednu stranu). Na taj način prenosnik poseduje mogućnost da se primeni u mehaničkim transmisijama brzohodnih guscničnih vozila tako što će se koristiti dva ovakva prenosnika, koji se obično nazivaju bočni menjači. Blok-Sema transmisije sa bočnim menjačima prikazana je na slici 6.
Postoji mogućnost da se dobijeno optimalno rešenje složenog planetarnog prenosnika konstrukcijski izvede tako da sadrži dva izlaza (izlazno vratilo odvodi snagu na obe strane prenosnika). U ovom
VOJNOTHHNIČKI GLASNIK 1^2000.
311
menjača prenosi deo pogonskc snage za raztiku od mcnjača primenjenog u hidro-mchaničkoj transmisiji (sl. 7), kod kojeg se vrši prenos celokupne pogonske snage. Ako se, pod uslovom da su im kinemat*
bočni
prenosnik
pogonski
toćak
bočni r bočni
menja£ menjać
bočni
pfenosnik
Sl. 6 - Blok-šema transmisije sa bočnim menja-ćinut
Sl. 7 - Blok-šema hidromehaničke transmisije
ske šeme, konstrukcijski parametri i vo zila u kojima se ugrađuju isti, ova dva planetama prenosnika uporede u pogledu stepena korisnosti u ozubljenju, može se zaključiti da će se veće vrednosti stepena korisnosti ostvarivati u menjaču prime* njenom u hidromehaničkoj transmisiji, zbog toga što su njegovi elementi optere-ćeniji od elemenata bočnog menjača.
Zaključak
Osnovni kinematski parametar pla-netamog prenosnika je unutrašnji preno*
312
VOJNOTEHNlCKi GLASNIK 3/2000.
sni odnos. Ovaj parametar ima veliki značaj pri komponovanju prenosnika, odredivanju vrednosti ukupnih prenosnih odnosa i odredivanju opterećenja eleme-nata prenosnika. Pri proračunu eleme-nata planetamog prenosnika neophodno je da se prethodno odrede tokovi efek-tivne i cirkulirajuće snage (ako postoji u konturi prenosnika). Prednosti planetar-nog prenosnika snage u odnosu na nepla* netami prenosnik mogu se ostvariti u punoj men ako je formirana njegova optimalna kinematska Serna. Da bi se došlo do nje razradena je metodologija za njeno formiranje, pri čemu se poSlo od postojećih teorijskih postavki i rezul-tata analize konstrukcija složenih plane-tamih prenosnika koji su realizovani na brzohodnim guseničnim vozilima. Dobi-jena kinematska šema služi kao osnova za konstrukcijsku razradu planetamog prenosnika, pri čemu treba ostvariti Sto jednostavnije i efikasnije rešenje. Jedno-stavnost se ogleda u broju osnovnih ele-
menata pianetamih redova, broju frikcio-nih sklopova i vratila smeštenih jedno u drugo, a efikasnost u ostvarivanju visokih vrednosti stepena korisnosti. Pored rela-tivno malih gabarita i mogućnosti prenosa veiikih optcrećenja, planetami prenosnici su veoma pogodni za primenu automat-ske promene stepena prenosa, Što je veoma važna karakteristika transmisija brzohodnih guseničnih vozila.
Literature:
[1| Krjukov. A. D.. Harfenko, A. P.: Vibor tranamruj gusccui-nih i kolesnih maiin. MaSinostrocmc. Leningrad. 1963.
|2| Kudijavcev. V. N.: Planetaniie f gidromehanifeskie percđaft kolesnih i gmcničnih maiin. Malinostrocnie. Moskva, 1966.
(3) Nosov. N. A.: RavSot i koBStniirovanie gusenttnih matin, Maiioostroenie, Leningrad, 1972.
|4| Macmillan. R. H.: Power Flow and Loss in Differential Mechanisms, In). Mech. Eng. Science Vol. 3. 1. 1961.
(5] Pant#, D.: Analysis and Synthesis of Multiple Speed Transmissions of the Planetary-Gear Type. M. Sc. Thesis. Cran* field Institute of Technology, 1987.
[6) Pantk. D.: Gubid snage u ozubljenju kao parametar za fotmiranje optimalnc kincmatskc Seme pUnctamih preno-smka primenjenih u sistemu za prenos snage motornih vozila. doktonka disenaeija. Malinski fakultet u Beogradu. 1997.
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2000.
313
