Метод построения компактных кинематических схем планетарных коробок передач Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

Учебное пособие с грифом УМО. [текст]/ Щербаков В.И., Чабунин И.С. Изд. 2-е испр. и доп. - М.:МГТУ «МАМИ», 2007,- 336с. 9. Шарипов В.М. Конструирование и расчет тракторов. Учебник с грифом Минобрнауки

[текст] / И.М. Шарипов. - М.: Машиностроение, 2004. -592с. Ю.Агапов В.П. Строительная механика автомобиля и трактора. Учебник с грифом Минобрнауки [текст]/ В.П. Агапов, С.С. Гаврюшин, A.J1. Карунин, H.A. Крамской. - М.:МГТУ «МАМИ», 2002. - 400с.

Метод построения компактных кинематических схем планетарных коробок передач

д.т.н. проф. Шарипов В.М., к.т.н. проф. Маринкин А.П.

Университет машиностроения 8(495)223-05-23 (1111), trak@mami.ru

Аннотация. Рассмотрен метод построения компактных кинематических схем планетарных коробок передач на примере планетарной коробки передач с двумя степенями свободы.

Ключевые слова: планетарная коробка передач, трехзвенный дифференци-алъный механизм; уравнение кинематики.

В настоящее время все более широкое применение в мощных промышленных тракторах, автомобилях и особенно в быстроходных гусеничных машинах получают планетарные коробки передач (ПКП), которые позволяют увеличить среднюю скорость движения машины ввиду сокращения времени на переключение передач, имеют более высокий кпд и облегчают процесс управления машиной при существенном снижении веса и габаритов конструкции [1 -6].

После выполнения тягового расчета машины и разбивки передаточных чисел в ПКП перед конструктором стоит проблема выбора наиболее рациональной схемы ее конструкции, реализующей заданные передаточные числа. Выбор схемы ПКП является наиболее трудной и ответственной задачей для конструктора. Проблема состоит в том, что для заданных передаточных чисел можно построить большое многообразие схем ПКП. При этом эти схемы будут существенно отличаться между собой по сложности, величине кпд и целому ряду показателей, влияющих на технический уровень вновь разрабатываемой конструкции. Не зная принципов проектирования ПКП, практически невозможно построить все возможные схемы, реализующие заданные передаточные числа, и тем более выбрать из всего многообразия существующих схем наиболее рациональную.

Методика построения наиболее рациональных кинематических схем ПКП для заданных значений ее передаточных чисел достаточно хорошо отработана [1, 3, 4] и широко используется в практике проектирования ПКП как с двумя, так и с тремя степенями свободы.

При синтезе схем планетарных ПКП кроме одновенцовых трехзвенных дифференциальных механизмов (ТДМ) смешанного зацепления шестерен наиболее часто используют ТДМ внешнего зацепления с двумя солнечными шестернями или смешанного зацепления - с двумя эпициклами [1 - 4]. Эти механизмы могут иметь малые значения характеристик к планетарного ряда (1<к<1,5) и их обычно компонуют с одновенцовыми ТДМ смешанного зацепления шестерен, образуя компактные структуры ПКП с присоединяемыми рядами.

Получаемые компактные структуры упрощают конструкцию ПКП, так как в двух рядом расположенных независимых ТДМ насчитывают лишь четыре центральных звена вместо шести: две солнечные шестерни, эпицикл и общее водило или два эпицикла, солнечную шестерню и общее водило [2].

Однако в литературе очень мало внимания уделено вопросу проектирования ПКП с присоединяемыми планетарными рядами.

Недостатком присоединяемых рядов является более низкий кпд в относительном дви-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели, жении //о (при остановленном водиле), что снижает общий кпд ПКП. Так, в присоединяемом ряде внешнего зацепления с двумя солнечными шестернями г]о =0,91, в присоединяемом ряде смешанного зацепления с двумя эпициклическими шестернями г]0 =0,95, а в ТДМ смешанного зацепления г]0 =0,96 [3, 4].

Однако присоединяемые ряды в настоящее время применяют в схемах ПКП, где они работают, как правило, на не основных мало используемых по времени передачах.

Условием присоединения (создания компактных структур ПКП) является совпадение индексов двух центральных звеньев, включая водило у основного и присоединяемого планетарных рядов.

Если у основного планетарного ряда совпадающий индекс, кроме водила, имеет солнечная шестерня, то присоединяемый ряд будет внешнего зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами.

Если в основном ряде совпадающий индекс, кроме водила, имеет эпицикл, то присоединяемый ряд будет смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами.

В данной работе рассмотрен метод построения компактных кинематических схем ПКП с присоединяемыми планетарными рядами на примере построения кинематической схемы ПКП с двумя степенями свободы, реализующей следующие передаточные числа: их = 3,2; и2 = 1,74; из = 1,0; и_х = -2,6 и и_2 = -0,86.

Анализ схем ТДМ, которые могут быть использованы для построения схемы ПКП с заданными передаточными числами, представлен в таблице 1 [4], где пвщ и пш - частота вращения соответственно ведущего и ведомого вала ПКП; пх, п ,, п , и п - частота вращения тормозного звена ПКП соответственно первой и второй передачи переднего хода и первой и второй передачи заднего хода.

Отбраковку ТДМ в таблице 1 производилась по величине характеристики к планетарного ряда и частоте вращения сателлитов пВо, предполагая, что частота вращения ведущего

вала ПКП птц =2000 мин"1.

Для схем ТДМ со смешанным зацеплением шестерен характеристика планетарного ряда может изменяться в пределах 1,5 < к < 4,0, для ТДМ с двухвенцовыми (блочными) сателлитами 4,5 < к < 10,0, а для присоединяемых ТДМ 1,0 < к < 1,5 [1, 3, 4]. Отбраковка ТДМ по величине характеристики к планетарного ряда проводилась при условии, что схема ПКП будет составлена только из ТДМ со смешанным зацеплением шестерен, для которых 1,5 </с <4,0.

Применяемые для сателлитов серийные подшипники качения допускают под нагрузкой относительную частоту вращения колец пВо до 6000 мин"1, а без нагрузки - до ЮОООмин"1 [3,

4]. Поэтому при пВо <6000 мин"1 уравнение кинематики ТДМ считается годным для дальнейшего исследования, при 6000 < пВо < 10000 мин - условно годным, а при пВо> 10000

мин"1 - негодным.

Таким образом, годными являются уравнения 3, 10 и 19 (таблица 1).

Искомая схема ПКП с двумя степенями свободы должна включать четыре ТДМ, так как она должна обеспечивать получение четырех передач с передаточными числами и ^ 1. Следовательно, из трех ТДМ, описываемых годными уравнениями 3, 10 и 19, построить схему ПКП нельзя. Поэтому в группы механизмов, входящих в схему ПКП, необходимо включить и условно годные ТДМ, описываемые уравнениями 1,7, 11, 12и15.

Рассмотрим пример построения схемы ПКП, используя из таблицы 1 уравнения 10,7, 1 и 2 кинематики ТДМ. Здесь мы дополнительно к годному уравнению 10 и условно годным 7 и 1 добавили уравнение 2, которое ранее нами было отбраковано по величине К характери-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели, стики планетарного ряда. Для уравнения 2 характеристика планетарного ряда к = 1,35 . Ее величина может быть реализована в схеме ПКП путем использования присоединяемого ряда внешнего или смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. Предположим, что данное уравнение является годным и по величине пВо относительной частоты вращения колец подшипника. Структурная схема ПКП для группы уравнений 10. 7. 1. 2 представлена на рисунке 1 а.

Таблица 1

Анализ схем ТДМ на возможность дальнейшего использования

№ Уравнение кинематики ТДМ к "Во /7 вщ Структурная схема Примечание

1 2 3 4 5 6

1 2,2 3,6 1 -ем вщ Условно годное

2 Щ +1,35/7^ -2,35^=0 1,35 Исключить по к

3 П«Н -3,б7?ч =0 2,6 1,95 вм --1 вщ Годное

4 "™+1Дб77м(-2,1б77_2=0 1Д6 Исключить по к

5 1,62/7,-2,62^=0 1,62 Ю,1 Исключить по пВо

6 /71+1,01/7^-2,01/7^=0 1,01 Исключить по к

7 77] + 2,14/?ет( - 3,14/? , = 0 2,14 3,76 вщ --2 1 Условно годное

8 /?, + 2,25 пац - 3,25/?, = 0 2,25 5,5 Исключить по пВо

9 /?, + 4,07/?вМ( - 5,07/?_, = 0 4,07 Исключить по к

10 "еЩ +1,78/?_1 -2,78/?_, =0 1,78 2,56 -1 --2 вщ Годное

11 /?, +1,98/7^ - 2,98/?1 = 0 1,98 3,54 вм -1 2 Условно годное

12 /?, +1,64/?ч -2,64/?^ =0 1,64 3,09 -вм 1 Условно годное

13 /7_2+1,18/7,-2,18/7^=0 1ДВ Исключить по к

14 77, + 4,85 /?_, - 5,85 /;„, =0 4,85 Исключить по к

15 7?,+2,5/?_,-3,5/?^ =0 2,5 3,67 г2 -вм '2 Условно годное

16 пвм +1,07/? , -2,01л г = 0 1,07 Исключить по к

17 /?, +1,23 /?, -2,23 /?, =0 1,23 Исключить по к

18 /7 , +1,11/7, -2,11/7, = 0 1Д1 Исключить по к

19 /?, + 2,82 /?_, -3,82/?, =0 2,82 1,74 -2 / Годное

20 /?, + 6,23 /? , - 7,23 /?_, = 0 6,23 Исключить по к

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

1

V

-1

вщ

вщ

-2

вщ -2

1

V

Г~~1

I вщ

вщ

2

V

1

ф

Г,

гТ

вщ

Г'

п

_г

Т:

и

ф

© ©

а)

© © ©

б)

Рисунок 1 - Схема ПКП с присоединенным рядом внешнего зацепления: а — структурная; б — кинематическая

На схеме у основного ряда 1 и присоединяемого 2 совпадают индексы у водила, а также солнечной шестерни основного ряда и индекс верхней стрелки для присоединяемого ряда.

Тогда, согласно правилу [4], если у основного планетарного ряда совпадающий индекс, кроме водила, имеет солнечная шестерня, то присоединяемый ряд будет внешнего зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами.

На структурной схеме ПКП большая солнечная шестерня присоединяемого ряда внешнего зацепления обозначена штриховой стрелкой, так как данная солнечная шестерня является общей для основного ряда 1 и присоединяемого 2, а связь между солнечными шестернями этих рядов обозначена штриховой линией. Это обозначение введено для удобства построения кинематической схемы ПКП, которая представлена на рисунке 1 б. Здесь видно, что солнечная шестерня основного ряда 1 одновременно является большой солнечной шестерней присоединяемого ряда 2 внешнего зацепления.

В результате мы получили кинематическую схему ПКП с присоединенным рядом внешнего зацепления, обеспечивающую получение трех передач переднего хода и двух заднего. Здесь включение передачи с передаточным числом и ф 1 осуществляется соответствующим тормозом Тр, а прямой передачи - блокировочным фрикционом Ф.

Рассмотрим пример построения схемы ПКП с присоединенным рядом смешанного зацепления, используя из таблицы 1 уравнения 11, 1, 3 и 16 кинематики ТДМ. Здесь мы дополнительно к годному уравнению 3 и условно годным 11 и 1 добавили уравнение 16, которое ранее нами было отбраковано по величине К характеристики планетарного ряда. Для уравнения 16 характеристика планетарного ряда к = 1,07 . Ее величина, как и в ранее рассмотренном примере, может быть реализована в схеме ПКП путем использования присоединяемого ряда внешнего или смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. Предположим, что здесь, как и в предыдущем случае, уравнение 16 является годным по величине пВо относительной частоте вращения колец подшипника.

Структурная схема ПКП для группы уравнений 11. 1. 3. 16 представлена на рисунке 2а. На схеме у основного ряда 3 и присоединяемого 16 совпадают индексы у водила, а также эпицикла основного ряда и индекс нижней стрелки для присоединяемого ряда.

Тогда, согласно правилу [4], если у основного планетарного ряда совпадающий индекс кроме водила имеет эпицикл, то присоединяемый ряд будет смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. Следовательно, в рассматриваемом примере можно использовать присоединяемый ряд смешанного зацепления с двумя эпициклическими шестернями.

На структурной схеме ПКП малый эпицикл присоединяемого ряда смешанного зацепления обозначен штриховой стрелкой, так как он является общим для основного ряда 3 и присоединяемого 16, а связь между эпициклами этих рядов обозначена штриховой линией. Это обозначение, как и в ранее рассмотренном примере, введено для удобства построения кинематической схемы ПКП, которая представлена на рисунке 26. Здесь видно, что эпицикл

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели, основного ряда 3 одновременно является малым эпициклом присоединяемого ряда 16 смешанного зацепления.

1 вм -2 ф

2 1 V ч.

ф

вм

U

вм 11

-2 -1 V V

вм

вщ

-1

вщ

-1

LJ

вм

1

вщ

1 Li

т

® ®

® 0>

а) б)

Рисунок 2 - Схема ПКП с присоединенным рядом смешанного зацепления: а — структурная; б — кинематическая

Полученная схема ПКП с присоединенным рядом смешанного зацепления обеспечивает, как и в ранее рассмотренном примере, получение трех передач переднего хода и двух заднего.

Таким образом, мы разобрали метод построения компактных кинематических схем ПКП с использованием присоединяемых рядов.

Для принятия решения о выборе наиболее рациональной схемы ПКП необходимо выполнить все этапы ее синтеза [4].

Литература

1. Красненьков В.П., Вашец А.Д. Проектирование планетарных механизмов транспортных машин. - М.: Машиностроение, 1986. - 272 с.

2. Шарипов В.М. Построение кинематических схем планетарных КП с использованием присоединяемых рядов// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2001, № 4.

3. Шарипов В.М., Крумбольдт Л.Н., Маринкин А.П. Планетарные коробки передач. - Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. - 149 c.

4. Шарипов В.М. Конструирование и расчет тракторов. - М.: Машиностроение, 2009. - 752

5. Тракторы. Конструкция/ Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: Машиностроение, 2012. -790 с.

6. Балдин В. А. Планетарные передачи в общем, транспортном и специальном машиностроении. - М.: МАДИ (ТУ), 2000. - 185 с.

Буксование выравнивающего элемента синхронизатора в преселекторной

коробке передач

д.т.н. проф. Шарипов В.М., к.т.н. Крючков В.А.

Университет машиностроения, ОАО «НИИ Стали» 8(495)223-05-23 (1111), trammiami.ru. 8(916)679-44-51, Smashmist.ru Аннотацня. Рассмотрен процесс переключения передач с помощью синхронизатора в коробке передач автомобиля и трактора с учетом действующего поводкового момента от выключенной фрикционной муфты. Предложен метод расчета работы буксования и времени синхронизации для условий нагружения синхронизатора с учётом действующего от выключенной фрикционной муфты поводкового момента.

Ключевые слова: синхронизатор; коробка передам; переключение передам; работа буксования, время сннхронизацшi В настоящее время в автомобиле- и тракторостроении постепенно внедряются пресе-лекторные коробки передач (КП), где переключение передач осуществляется без разрыва по-