CC BY
11
С.С. Гулезов, Г.Н. Шпитко
Курганский государственный университет
К ИССЛЕДОВАНИЮ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В АВТОМОБИЛЬНЫХ РЕДУКТОРАХ
Повышение грузоподъемности и скорости транспортных средств, мощности и быстроходности двигателей при одновременном снижении веса и габаритов агрегатов трансмиссий приводит к ужесточению нагрузочных режимов работы этих механизмов. Прямым следствием увеличения нагруженности агрегатов трансмиссий является повышение тепловой напряженности, что отрицательно сказывается на их надежности и долговечности. Создание методов теплового расчета трансмиссионных агрегатов, позволяющих ещё на стадии проектирования прогнозировать их тепловое состояние, является актуальной задачей.
Существенную роль в формировании теплового состояния имеет гидравлическая составляющая потерь мощности и процессы переноса тепла во внутрикартер-ном пространстве. Это сложные многофакторные процессы, требующие исследования. Есть несколько методов исследования сложных технических задач гидромеханических и тепловых процессов:
- теоретический. Этот способ практически трудно реализуем, т.к. методы гидродинамики плохо «работают», когда сплошность потоков нарушается, а двухфазная (воздух-масло) среда внутрикартерного пространства имеет плохоописываемые параметры;
- экспериментальный. Этот метод позволяет быстро получить зависимости, описывающие исследуемый процесс. Но для их применения необходим готовый агрегат, полученные результаты плохо переносятся на другие объекты (другая конструкция, режим работы и т.д.). Используя этот метод трудно найти оптимальный вариант конструкции;
- экспериментальный, примененный в сочетании с методами теории подобия и анализа размерностей. В качестве независимых переменных используются безразмерные комбинации, составленные из величин, существенных для рассматриваемого процесса. Этот подход дает целый ряд общеизвестных преимуществ, особенно тогда, когда речь идет об исследовании сложных многофакторных систем:
- сокращение числа независимых переменных;
- возможность моделирования процессов (в том числе и с заменой физической природы объекта (например, гидравлические процессы моделировать электрическими)).
При использовании этого метода, который можно назвать ещё методом обобщенных переменных, расчетные зависимости удобно искать в виде:
П = Ах Щ1 х П"2.....Р™1 хР2т2,
где П - критерии комплексного типа, образованы из разнородных параметров;
Р - критерий параметрического типа, образован из отношений одноименных параметров.
Между функцией, выраженной через размерные параметры, и функцией в безразмерной форме существует связь, которая устанавливается р-теоремой (основной теоремой теории размерностей).
71 -теорема не налагает ограничений на вид полу-
чаемых безразмерных комплексов. Можно составить их большое число. Желательно, чтобы они были общепринятыми или имели ясный физический смысл.
Основное в этом методе - правильно решить вопрос о перечне величин, существенных для изучаемого процесса (нужен список этих величин). Включение лишних приводит к усложнению эксперимента, пропуск существенной величины искажает результаты и не позволяет получить зависимость, адекватно описывающую исследуемый процесс. Большую помощь на стадии установления перечня величин, существенных для изучаемого явления, может оказать визуализация процесса. Например, при изучении взаимодействия зубчатых колес редукторов и коробок передач автомобилей с маслом и тепловых процессов в этих агрегатах изготавливались их макеты с прозрачными стенками. Наблюдение за потоками масла велось визуально и с применением стробоскопической съемки. Это позволило уточнить перечень существенных для процесса параметров, выбрать оптимальные формы безразмерных параметров, определить режимные и конструктивные ограничения их применения и объяснить некоторые явления, происходящие в агрегатах. Так, например, при наблюдении за процессами, происходящими в многоступенчатом редукторе, выяснилось, что находящаяся на определенном (близком) расстоянии соседняя пара шестерен изменяет процессы, происходящие в редукторе, и оказывает влияние на гидравлические потери. Наблюдение показало наличие застойных зон (т.е. не весь объем масла участвует в процессе барботирования и теплоотвода).
При определенной большой вязкости налипание масла на шестерню приводит к значительному увеличению вращающейся ширины шестерни, и трение происходит не между шестерней и маслом, а между слоями масла.
При наблюдении за процессами выдавливания масла из впадин между зубьями оказалось, что при расходящемся направлении вращения происходит отрыв струи и уменьшение защемленного объема и, как следствие, уменьшение потерь с увеличением скорости вращения, в то время как при встречном вращении такого отрыва нет и потери растут непрерывно.
В рамках выполнения договорной НИР с одним из автомобильных заводов решалась задача по снижению теплонапряженности коробки отбора мощности привода вспомогательных агрегатов. Внутри плоского картера, имеющего разъем в вертикальной плоскости, находятся в зацеплении пять косозубых зубчатых колес. Заводские исследователи пытались снизить температуру увеличением объема масляной ванны, для чего был изготовлен новый картер с увеличенным расстоянием от осей погруженных в масло колес до дна масляной ванны. Проведенные испытания показали неэффективность принятого решения, а проведенные нами позднее исследования позволили объяснить и причину неэффективности этого мероприятия. Испытания коробки отбора мощности с прозрачной крышкой показали, что в глубоких слоях масляной ванны циркуляция масла очень незначительна и не способствует интенсификации процесса тепла. На рисунке 1 видно, что даже через 15 минут работы агрегата существуют зоны в масляной ванне, где циркуляция отсутствует (тёмные места).
42
ВЕСТНИК КГУ, 2008. №3
б
Рис. 1. Зоны застоя в масляной ванне а - непосредственно после пуска; б - через 15 минут после пуска
Для снижения теплонапряженности агрегата было принято решение об организации обдува его картера с использованием вентилятора, который мог быть установлен на ведущем или ведомом валах агрегата. Наблюдение за картиной внутрикартерных потоков показало, что при работе зацеплений косозубых шестерен, расположенных в одной плоскости происходит перенос масла вдоль осей в одну сторону.
Масло, выбрасываемое из зоны зацепления колес, имеет наибольшую температуру, а высокая скорость потоков обеспечивает интенсивный теплообмен. Это позволило правильно выбрать место установки вентилятора.
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4
43
