CC BY
47
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 08. С. 21-30.
Б01: 10.7463/0816.0842932
Представлена в редакцию: Исправлена:
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
06.07.2016 20.07.2016
о Ыа &1ткоу@Ькш
УДК 629.1.013.3/8
О коэффициенте трения в контакте пар трения фрикционных муфт в коробках передач автомобилей и тракторов при переключении
передач без разрыва потока мощности
1 1 * Шарипов В. М. , Дмитриев М. И. ' ,
Городецкий К. И.1
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), Москва, Россия
Рассмотрено изменение коэффициента трения на парах трения фрикционных муфт в коробках передач автомобилей и тракторов при переключении передач без разрыва потока мощности. Приведены результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента трения на парах трения фрикционной муфты от скорости скольжения дисков. Известно, что момент трения фрикционной муфты выключаемой передачи определяется статическим коэффициентом трения, а фрикционной муфты включаемой передачи - динамическим коэффициентом трения. Установлено, что статический коэффициент трения может превышать динамический коэффициент трения в 1,7...2,2 раза. При этом профиль маслоотводящих канавок при неизменном фрикционном материале может изменять динамический коэффициент трения в 1,3.1,6 раза. Следовательно, при математическом моделировании процесса переключения передач в коробке передач с помощью фрикционных муфт необходимо учитывать реальные значения коэффициентов трения на парах трения выключаемой и включаемой муфты.
Ключевые слова: коэффициент трения, фрикционная муфта, переключение передач
Введение
При математическом моделировании процесса переключения передач без разрыва потока мощности в коробках передач (КП) с помощью фрикционных муфт (ФМ) работающих в масле одним из важнейших факторов, требующих точного описания является коэффициент трения в контакте ведомых и ведущих дисков муфты. От правильности выбора функции, описывающей характер изменения коэффициента трения в зависимости от скорости скольжения, напрямую зависит достоверность математической модели и, впоследствии, качество процесса переключения передач и долговечность узлов трения моделируемой КП [1].
1. Переключение передач в КП с помощью ФМ
Процесс переключения передач с помощью ФМ в КП сводится к управлению давлениями в бустерах ФМ включаемой и выключаемой передач. При создании математической модели важно правильно описать процесс переключения с точки зрения использования в расчетах правильного значения коэффициента трения, зависящего как от режима трения, так и от профиля канавок на поверхности трения. Исследование процесса переключения передач в КП тракторов и автомобилей с помощью фрикционных муфт подробно рассмотрено в работах [2-10]. При этом установлено, что процесс переключения передач в КП без разрыва потока мощности происходит при буксовании дисков ФМ включаемой передачи и замкнутых дисках ФМ выключаемой [3, 5-10]. Установлено, что пока ФМ выключаемой передачи замкнута, то ее момент трения определяется величиной статического коэффициента трения в контакте неподвижных дисков. Момент трения дисков включаемой ФМ будет определяться динамическим коэффициентом трения /, который по величине существенно меньше статического коэффициента трения /0 [1, 11, 12].
Так как /0 > /, то в процессе переключения передачи при сбросе давления рабочей жидкости в бустере выключаемой ФМ до определенной даже весьма маленькой величины она может оставаться замкнутой, в то время как включаемая ФМ даже при большем давлении жидкости в ее бустере будет буксовать.
2. Исследование зависимости коэффициента трения от скорости
скольжения дисков в ФМ
Экспериментальные исследования проводились на инерционном стенде, работающем в режиме торможения [12]. В качестве объектов исследования были выбраны натурные фрикционные диски со спеченным порошковым материалом МК-5 на медной основе, Шадеф - на железной основе, а также Ж43 и Ж09 (Hoerbiger, Австрия) на медной основе. Металлические диски были выполнены из стали 65Г. Внешний и внутренний диаметры диска составили соответственно 0,216 и 0,168 м.
Для привода стенда использовался электродвигатель постоянного тока мощностью 177 кВт, который позволяет плавно изменять частоту вращения ведущего вала в диапазоне от 5 до 3000 мин-1. Корпус статора силовой машины через жесткий рычаг связан с весовым устройством, что позволило в процессе испытаний контролировать момент нагрузки на ведущем валу. Частота вращения регистрировалась импульсным прерывателем электронно-счетного частотомера Ф5041.
Стенд оборудован контрольно-измерительными аппаратурой и приспособлениями, позволяющими получить полный спектр необходимых данных.
Температура диска замерялась при помощи хромель-копелевой термопары, выполненной из проводов толщиной 0,5 мм, которая устанавливалась в стальную основу диска.
Момент трения регистрировался с помощью весового измерительного устройства, которое взаимодействовало с рычагом статора нагружающей электромашины.
Частота вращения подвижных деталей определялась с помощью импульсного прерывателя электронно-счетного частотомера марки Ф5041.
Усилие сжатия дисков регулировалось давлением масла в бустере цилиндра сжатия муфты. Давление сжатия диска контролировалось манометром и составляло 1,45.. .1,55 МПа.
В процессе стендовых испытаний задавалась частота вращения ведущего вала, на котором установлен фрикционный диск и осуществлялся замер момента трения и температуры поверхности фрикционного диска. При этом удельный расход масла через поверх-
4 3 2
ность трения диска составлял 2,5 10- м /(м с).
Коэффициент трения в контакте дисков при заданной скорости скольжения определялся пересчетом результатов замера момента трения при заданных размерах фрикционного диска.
На рис. 1 приведены результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента трения для различных типов спеченных порошковых фрикционных материалов в функции от скорости скольжения при их работе по стали в масле.
/
Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения для спеченных порошковых материалов по стали в масле: 1 - МК-5; 2 - Шадеф; 3 - ИБ43; 4 - ИБ09
Из анализа приведенных результатов следует, что при одинаковой скорости скольжения в зависимости от типа фрикционной накладки динамический коэффициент трения / может отличаться в 1,4.1,6 раза. При этом статический коэффициент трения /0 для всех типов материалов может превышать динамический коэффициент трения / в 1,7.2,2 раза. Аналогичные данные приводятся в работах [11-14].
Кроме этого значение динамического коэффициента трения зависит от профиля мас-лоотводящих канавок.
Диски с гладкими поверхностями имеют низкий коэффициент трения ввиду того, что при включении муфты затруднено выдавливание масла из зазоров между трущимися поверхностями. Плохой подвод масла к поверхностям трения при буксовании дисков приводит к недостаточно эффективному охлаждению и их большому износу [11].
В дисках со спиральными канавками затрудняется движение масла под действием центробежных сил в радиальном направлении. Ими обеспечивается высокий коэффициент трения при худшем отводе теплоты с поверхностей трения потоком масла, и как следствие, интенсивность изнашивания дисков становится больше [11, 14].
Дополнение такой формы канавок взаимно-перпендикулярными пазами позволяет повысить коэффициент трения, а за счёт сокращения пути движения масла от внутреннего края диска к внешнему снижается температура на поверхностях трения в процессе буксования.
Использование только радиальных канавок приводит к образованию масляного клина за счёт движущегося от центра к периферии масла, что снижает коэффициент трения. Такая форма каналов обеспечивает более эффективное охлаждение дисков и минимальные их износы [11].
Наибольшее распространение в современных конструкциях ФМ получили диски с канавками типа «квадрат», обладающие несколько лучшими фрикционно-износными свойствами по сравнению с остальными [11].
На рис. 2 приведены результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента трения для различных профилей маслоотводящих канавок в функции от скорости скольжения при их работе по стали 65Г в масле. Испытания проводились на натурных фрикционных дисках со спеченным порошковым материалом МК-5 на медной основе при докритическом (нормальном) режиме трения - когда процесс трения протекает без разрушения масляной пленки между трущимися поверхностями и не носит полужидко-стый (граничный) характер. В этом случае износ и коэффициент трения минимальны.
Приведенные результаты подтверждают существенное влияние профиля маслоотво-дящих канавок на значение динамического коэффициента трения. Динамический коэффициент трения / дисков МК-5 по стали в масле при работе в докритической области для дисков с различными видами смазочных канавок составляет / = 0,03.0,048 при скоростях скольжения от 4 до 20 м/с (рис. 2). Наиболее высокие значения / = 0,045.0,048 относятся к дискам, имеющим обычные спиральные канавки, а также спиральные с малым числом радиальных канавок. Развитие (увеличение) системы радиальных канавок снижает / . Однако значения / = 0,045.0,048, также значительно меньше, чем при работе в за-критическом режиме при граничном трении, когда / = 0,06.0,07.
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения с различным профилем и количеством канавок на поверхностях трения: 1 - спиральные канавки с шагом 5 мм и шириной канавки 1,7 мм; 2 - спиральные крестообразные канавки шириной 5 мм; 3 - спиральные канавки с сеткой 32*32 мм и шириной 6 мм; 4 - спиральные канавки с сеткой 16*16 мм и шириной 3 мм; 5 - спиральные канавки с
сеткой 8*8 мм и шириной 1,2 мм
Аналогичные данные представлены в работе [13], где также отмечается влияние профиля канавок на значение коэффициента трения фрикционного материала ФМ-12. Здесь наибольший коэффициент трения обеспечивается применением так называемых «солнечных» канавок, представляющих собой систему взаимопересекающихся спиральных канавок с левым и правым направлением спирали.
Заключение
При создании математических моделей, описывающих процесс переключения передач в КП с ФМ, работающими в масле, необходимо учитывать, что значение статического коэффициента трения в контакте дисков замкнутой ФМ выключаемой передачи в 1,7.2,2 больше динамического коэффициента трения ФМ включаемой передачи. При этом значение динамического коэффициента трения зависит от фрикционных свойств самого материала и для разных типов фрикционных материалов может отличаться в 1,4.1,6 раза.
Профиль маслоотводящих канавок при неизменном фрикционном материале может изменять динамический коэффициент трения в 1,3.1,6 раза.
Таким образом, без учета в математических моделях фрикционных свойств реальных натурных образцов дисков, указанные аспекты их фрикционных свойств могут внести в расчеты значительную погрешность.
Список литературы
1. Шарипов В.М, Дмитриев М.И., Зенин А.С. и др. К вопросу о буксовании фрикционных сцеплений при переключении передач без разрыва потока мощности в коробках передач автомобилей и тракторов // Тракторы и сельхозмашины. 2015. №5. С. 5-9.
2. Шарипов В.М., Дмитриев М.И., Крючков В.А. Нагруженность фрикционных муфт и синхронизаторов в коробке передач. Методы расчета параметров буксования фрикционных муфт и выравнивающего элемента синхронизаторов при переключении передач. Saarbrücken: LAP LAMBERT Aсademic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. 122 с.
3. Шарипов В.М., Городецкий К.И., Дмитриев М.И. и др. Переключение передач в КП трактора без разрыва потока мощности // Тракторы и сельхозмашины. 2012. №5. С. 1923.
4. Львовский К.Я. Исследование процессов переключения передач под нагрузкой в тракторных трансмиссиях: Дис...канд. техн. наук. М., 1970. 276 с.
5. Шарипов В.М., Дмитриев М.И., Зенин А.С. Математическая модель процесса переключения передач в коробке передач трактора // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С. 50-69. DOI: 10.7463/0514.0711329
6. Sharipov V., Dmitriev M. Definition of Slippage Parameters of Friction Clutches for Different Installation Versions in Tractor Gearboxes // SAE Technical Paper 2013-01-2894. 2013. DOI: 10.4271/2013-01-2894
7. Шарипов В.М., Дмитриев М.И., Зенин А.С. и др. Определение параметров буксования фрикционных муфт для различных вариантов их установки в тракторных коробках передач при переключении передач без разрыва потока мощности // Известия МГТУ «МА-МИ». 2013. Т. 1. № 1(15). С. 242-248.
8. Dmitriev M., Sharipov V. Definition of slippage parameters of friction clutches in gearboxes with fixed axles // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2013. Vol. 193. № 5. Pp. 65-77. DOI: 10.1007/978-3-642-33744-4 7
9. Шарипов В.М., Дмитриев М.И., Зенин А.С., Савкин Я.В. Работа сцепления в коробке передач при переключении без разрыва потока мощности от двигателя // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2010. № 11. С. 8-15.
10. Шарипов В.М., Городецкий К.И., Дмитриев М.И. и др. Математическая модель процесса переключения передач в коробке передач трактора с помощью фрикционных муфт // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. № 1(13). С. 112-121.
11. Шарипов В.М. Конструирование и расчет тракторов. М.: Машиностроение, 2009. 752 с.
12. Барский И.Б., Борисов С.Г., Галягин В.А. и др. Сцепления транспортных и тяговых машин / Под ред. Геккера Ф.Р., Шарипова В.М., Щеренкова Г.М.. М.: Машиностроение, 1989. 344 с.
13. Скадорва А.Ф., Карташевич А.Н. Критерий оценки функционирования фрикционной муфты коробки передач гусеничного трактора «Беларус-2103» // Вестник Белорусско-Российского университета. 2014. № 4(45). С. 80-91.
14. Шарипов В.М., Апелинский Д.В., Арустамов Л.Х., Безруков Б.Б. Тракторы. Конструкция: учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 2012. 790 с.
15. Хренов О.В., Дмитрович А.А., Лешок А.В. Металлокерамические фрикционные материалы. Минск: БНТУ, 2011. 42 с.
Science ¿Education
of the Baurnan MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2016, no. 08, pp. 21-30.
DOI: 10.7463/0816.0842932
Received: 06.07.2016
Revised: 20.07.2016
© Bauman Moscow State Technical Unversity
On a Friction Coefficient in Contacting Friction Pairs of Friction Clutches in Car and Tractor Gearbox in Gear Shifting without Power Flow Interruption
V.M. Sharipov1, M.I. Dmitriev1'*, "ostashkoviabkiu
K.I. Gorodetskiy1
1Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI),
Moscow, Russia
Keywords: friction coefficient, friction clutch, gear shifting process
The paper studies a gearshift process with uninterrupted power flow provided from the engine in the gearbox through the friction clutches running in oil. Substantiates that frictional sliding (towage) of the clutch, disengaged in shifting, is impossible when there is a frictional sliding of the throw into gear. This is due to the fact that a friction moment of clutch engaged is determined by the static friction coefficient (friction coefficient at rest) in contact of fixed wheels. The friction moment of the frictional sliding clutch wheels is determined by the dynamic coefficient of friction (coefficient of sliding friction) that is significantly less than that of static friction.
The paper gives the experimental study results of the friction coefficient for various types of sintered powder friction materials as a function of sliding rate with their running on steel in the oil. It is found that at the same sliding rate, depending on the type of the friction pad, the dynamic friction coefficient may differ by 1.3 ... 1.6 times. And a static coefficient of friction for all types of materials may be 1.7 ... 2.2 times more than the dynamic friction coefficient.
Results of given studies prove that the profile of oil off-taking grooves has a significant effect on the value of dynamic coefficient of friction. The friction coefficient f of MK-5 wheels friction on steel in the oil, when operating in the subcritical domain, for wheels with various kinds of oil grooves depending on the sliding rate is 0.03 ... 0.048 at sliding rates from 4 to 20 m / s. The highest values f = 0.045.0.048 relate to the wheels having conventional spiral grooves and spiral with a small number of radial grooves. A growth of radial grooves reduces the coefficient of friction. Thus, a profile of the off-taking oil grooves at constant friction materials can result in 1.3 ... 1.6times changing dynamic coefficient of friction.
Therefore, when mathematical modeling a gear change in the gearbox via the friction clutch it is necessary to take into account the real values of the coefficient of friction on the friction pairs of the clutch engaged and disengaged.
References
1. Sharipov V.M., Dmitriev M.I., Zenin A.S and others. On the slipping of friction clutches during gear shifting without interruption of power flow in gearboxes of cars and tractors. Traktory i selkhozmashiny = Tractors and agricultural machinery, 2015, no. 5, pp. 5-9. (in Russian)
2. Sharipov V.M., Dmitriev M.I., Kryuchkov V.A. Nagruzhennost' friktsionnykh muft i sinkhronizatorov v korobke peredach. Metody rascheta parametrov buksovaniya friktsionnykh muft i vyravnivayushchego elementa sinkhronizatorov pri pereklyuchenii peredach [Loading of frictional clutches and synchronizers in gearbox. Calculation methods of slippage parameters for frictional clutch and synchronizer smoothing element while gear shifting]. Saarbrücken, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. 122 p. (in Russian)
3. Sharipov V.M., Gorodetskiy K.I., Dmitriev M.I. and others. Gear shift in the tractor gear box without break of power flow. Traktory i selkhozmashiny = Tractors and agricultural machinery, 2012, no. 5, pp. 19-23. (in Russian)
4. L'vovskiy K.YA. Issledovaniye protsessov pereklyucheniya peredach pod nagruzkoy v traktornykh transmissiyakh. Diss. kand. tekhn. nauk. [Investigation of gear shifting processes under load: in tractor transmissions. Ph. D. tech. sci. diss.] Moscow, 1970. 276 p. (in Russian)
5. Sharipov V.M., Dmitriev M.I., Zenin A.S. The mathematical model of gear shifting in a tractor gearbox. Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the BaumanMSTU, 2014, no 5. (in Russian) DOI: 10.7463/0514.0711329
6. Sharipov V., Dmitriev M. Definition of Slippage Parameters of Friction Clutches for Different Installation Versions in Tractor Gearboxes // SAE Technical Paper, 2013, no. 2013-01-2894, DOI: 10.4271/2013-01-2894
7. Sharipov V.M, Dmitriyev M.I., Zenin A.S., et al. Estimation of parameters of clutch slipping for their various installation in tractor gearboxes when shifting without torque interruption. IzvestiyaMGTU«MAMI», 2013, vol. 1, no. 1(15). pp. 242-248. (in Russian)
8. Dmitriev M., Sharipov V. Definition of slippage parameters of friction clutches in gearboxes
with fixed axles. Lecture Notes in Electrical Engineering, 2013, vol. 193, no. 5, pp. 65-77. (in Russian) DOI: 10.1007/978-3-642-33744-4 7
9. Sharipov V. M., Dmitriev M.I., Zenin A.S., Savkin Y. V. Work of Clutch Slipping in the Gearbox During Gear Shifting Without Breaking the Flow of Power From the Engine. Spravochnik. Inzhenernyy zhurnal = Handbook. An engineering journal, 2010, no. 11, pp. 8-15. (in Russian)
10. Sharipov V.M., Gorodetskiy K.I., Dmitriev M.I., et al. Mathematic model of gear shifting by friction clutches in transmission of tractor. Izvestiya MGTU «MAMI», 2012, no. 1(13), pp. 112121. (in Russian)
11. Sharipov V.M. Konstruirovanie i raschet traktorov [Tractor design and calculation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2009. 752 p. (in Russian)
12. Barskiy I.B., Borisov S.G., Galyagin V.A., et al. Stsepleniya transportnykh i tyagovykh mashin
[Cluthes of transport and tractional vehicles]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989. 344 p. (in Russian)
13. Skadrova A.F., Kartashevitch A.N. Criteria for evaluating the performance of the friction clutch of "Belarus-2103" crawler tractor transmission. Vestnik Belorussko-Rossiskogo universiteta, 2014, no. 4(45), pp. 80-91. (in Russian)
14. Sharipov V.M., Apelinskiy D.V., Arustamov L.Kh., et al. Traktory. Konstruktsiya [Tractors. Design]. Moscow: Mashinostroyenie Publ., 2012. 790 p. (in Russian)
15. Khrenov O.V., Dmitrivitch A.A., Leshok A.V. Metallokeramitcheskie frictsionnie materialy
[Metal-ceramic friction materials]. Minsk, BNTU Publ., 2011. 42 p. (in Russian)
