Определение параметров буксования фрикционных муфт для различных вариантов их установки в тракторных коробках передач при переключении передач без разрыва потока мощности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Геккер Ф.Р. Динамика машин, работающих без смазочных материалов в узлах трения. -М.: Машиностроение, 1983. - 168 с.

2. Вопросы долговечности муфт сцепления тракторов / С.Г. Борисов, С.А. Лапшин, В.Я. Юденко, В.Б. Захаров // Тракторы и сельхозмашины. - 1980, № 3. - С. 22-24.

3. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х книгах. Кн.2/ Под ред. И.В. Крагель-ского и В.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1979. - 358 с.

4. Теория и проектирование фрикционных сцеплений колесных и гусеничных машин / В.М. Шарипов, H.H. Шарипова, A.C. Шевелев, Ю.С. Щетинин; Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: Машиностроение, 2010. - 170 с.

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

6. Щеренков Г.М. Пары трения автомобильных сцеплений (теория, испытания и расчет): Дисс... д-ра техн. наук. - Ярославль, 1976. - 370 с.

7. Вернигор В.А., Солонский A.C. Переходные режимы тракторных агрегатов. - М.: Машиностроение, 1983. - 183 с.

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

9. Чунихин В.П. Исследование долговечности пар трения тракторных муфт сцепления и некоторых путей ее повышения: Дисс. канд. техн. наук. - М., 1977. 204 с.

Ю.Лялин В.П. Выбор оптимальных геометрических параметров пар трения с целью улучшения характеристик теплового режима и работоспособности муфты сцепления трактора: Дисс... канд. техн. наук. - М., 1984. - 167 с.

Определение параметров буксования фрикционных муфт для различных вариантов их установки в тракторных коробках передач при переключении

передач без разрыва потока мощности

д.т.н. проф. Шарипов В.М., к.т.н. Дмитриев М.И., Зенин A.C., Круглов С.М., Маланин П.А.

Университет машиностроения (495) 223-05-23, доб. 1111, [email protected]

Аннотация. В статье приведена методика расчета работы и времени буксования фрикционной муфты при переключении передач без разрыва потока мощности для любых вариантов относительного расположения фрикционных муфт в тракторной коробке передач

Ключевые слова: фрикционная муфта, работа буксования, переключение передач без разрыва потока мощности В конструкциях современных коробок передач (КП) с неподвижными осями валов переключение передач без разрыва потока мощности от двигателя выполняется с помощью фрикционных муфт (ФМ) [1]. В зависимости от выбранной кинематической схемы КП могут применяться различные варианты размещения ФМ на ее валах. При этом ФМ могут устанавливаться как одном, так и на разных валах в КП.

При переключении передач в КП с помощью ФМ совершается работа L буксования, которая является одним из важнейших показателей, определяющих теплонапряженность и ресурс ФМ.

До настоящего времени процесс переключения передач с помощью ФМ в КП изучен недостаточно полно. Поэтому при существующих теоретических наработках по переключению передач без разрыва потока мощности возникает необходимость схематизации самого процесса переключения для определения значений времени и работы буксования ФМ.

Безразрывное переключение, обеспечиваемое одновременной работой двух передач в течение короткого отрезка времени (перекрытия передач), имеет ряд особенностей. Протекание процесса безразрывного переключения передач зависит от параметров ФМ, обеспечивающих переключение, длительности перекрытия, параметров машинотракторного агрегата

(МТА) и условий его эксплуатации [2-6].

Процесс переключения передач с перекрытием с низшей передачи на высшую в КП с неподвижными осями валов рассмотрим на примере так называемого «элементарного узла» [2], который состоит из двух параллельных валов, соединенных между собой двумя зубчатыми передачами. Передачи включаются и выключаются с помощью ФМ Фк_1 и Фк. В таком узле ФМ могут работать поочерёдно и совместно. При рассмотрении работы КП с неподвижными осями валов без разрыва потока мощности можно выделить в КП четыре возможных варианта элементарных узлов (рисунок 1).

[Щ

м Щ 3 <1 Л >л Щ

1 [и — (

б>

М, \ ^ ш щ

} — и,,, -Ф 1Л| и* - ТУ иК4 -ф Л] ы щ -> ф, л — (

[И "Ш ) ма [1

Рисунок 1. Варианты элементарного узла КП с двумя ФМ

В результате любую рассматриваемую сложную кинематическую схему КП можно разбить на несколько элементарных узлов, а затем анализировать работу каждого в интересующих режимах и условиях нагружения.

Когда обе ФМ установлены на ведущем валу (рисунок 2) их параметры буксования при переключении передач без разрыва потока мощности для элементарного узла КП определены в работах [3-6]. Здесь шестерни 3 и 4 установлены на ведущем валу 1 свободно и могут быть связаны с ним с помощью ФМ Фк_1 и Фк соответственно. Шестерни 5 и 6 жестко связаны с ведомым валом 2. Пара шестерен 3 и 5 и ФМ Фк _1 образуют К — 1 передачу, а пара шестерен 4 и 6 и ФМ Фк - К передачу.

В этом случае уравнения динамики для ведущих и ведомых частей включаемой ФМ Ф к имеют вид (см. рис. 2):

Мд - Мт - Мтч = Iд ^; (1)

М

и „

Т-1

- + Мт -М„ = I„

ёсо.

(2)

и к ё

где: Мт - момент трения включаемой ФМ Ф к; Мт_1 - момент, передаваемый выключаемой ФМ Ф к1.

Для исследования процесса разгона МТА и работы буксования ФМ в КП с различной степенью перекрытия передач использовалась диаграмма разгона МТА, приведенная на рисунке 3 [3-6]. На основе этой диаграммы были получены зависимости для определения угловой скорости ведомого вала включаемой ФМ в КП в конце буксования, времени и работы её буксования, когда обе ФМ расположены на ведущем валу КП, и времени разгона МТА на заданной передаче [3-6].

Рисунок 2. Двухмассовая динамическая модель МТА с элементарным узлом КП: 1, 2 - ведущий и ведомый валы КП соответственно; Ф к _1 и Ф к - ФМ соответственно К -1 и К передачи; Мд и со д - крутящий момент и угловая скорость вала двигателя, приведенные к валу включаемой ФМ; Iд - момент инерции двигателя и связанных с ним деталей, приведенный к валу включаемой ФМ; М* и 1П - момент сопротивления движению и момент инерции МТА, приведенные к ведомому валу КП; со П - угловая скорость ведомого вала КП; и К_1 и ик - передаточное число КП соответственно на К - 1

и К передаче

а) б)

Рисунок 3. Диаграмма разгона МТА при переключении передач без разрыва потока мощности от двигателя: а - с «полкой» (1;б > 1 м ); б - «треугольная» (1 б < 1 м )

Здесь Мдн и Мс - номинальный крутящий момент двигателя и момент сопротивления

движению МТА, приведенные к валу включаемой ФМ Фк; сод, соп, сор - угловые скорости

соответственно вала двигателя, ведомого вала КП и вала двигателя при эксплуатационной загрузке, приведенные к валу включаемой ФМ Фк; соб - угловая скорость вала включаемой

ФМ Ф к в конце её буксования; 10 - время буксования включаемой ФМ Ф к до начала движения МТА; 1 п - время перекрытия передач; 1 м и X б - время соответственно включения и буксования ФМ Фк; 1 - время разгона МТА на включаемой передаче; Р - коэффициент запаса включаемой ФМ Фк; к - коэффициент приспособляемости двигателя; к3 - коэффициент загрузки двигателя на включаемой передаче с помощью ФМ Фк; к'3 - коэффициент загрузки двигателя на предыдущей передаче.

Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. Рассмотрим теперь элементарный узел КП, в котором ФМ Ф К_1 выключаемой передачи установлена на ведущем валу КП, а ФМ ФК включаемой передачи - на ведомом (рисунок 1,6).

Запишем уравнения динамики для ведущих и ведомых частей включаемой ФМ Ф К (рисунок 4):

Мд - Мт - М^ик = Iд %; (3)

Л

Мтчик_1 + Мт - Мс = Тп , (4)

ш

Рисунок 4. Двухмассовая динамическая модель МТА с элементарным узлом КП с ФМ

" Л /Г* * "

включаемой передачи на ведомом валу: Мд и сод - крутящии момент и угловая скорость вала двигателя, приведенные к ведущему валу КП; I* - момент инерции

двигателя, приведенный к ведущему валу КП; Мс и Тп - момент сопротивления движению и момент инерции тракторного агрегата, приведенные к валу включаемой

ФМ ФК

С учетом закона схематизации момента Мт = Мдн • кз 1Д0 на включаемой ФМ Ф К (рисунок 3) получим, что уравнение для момента двигателя Мд будет иметь вид: Мд = Мс ик/ик_х + Мт (1 - ик/ик_х). Из уравнений (3) и (4), с учетом, допущения, что угловые скорости сод вала двигателя и юп ведомого вала КП в период переключения в интервале времени (0..Лп) не изменяются, определим характер изменения момента МТ1 на валу выключаемой ФМ ФК_1: Мт_1 = к' Мдн - Мдн • кз 1Д0 • ик/ик_1. Следовательно, здесь выражения для Мд , Мт_х, так же как и все, вычисляемые на их основе: работа буксования Ь0, Ь1, Ь2 и Ь3 на интервалах времени от 0 до 1 б, время 1 б буксования, угловая скорость соб в конце буксования и время 1 р разгона МТА будут аналогичны выражениям для случая, когда

ФМ располагаются на ведущем валу [3-6].

Когда ФМ Ф К включаемой передачи находится на ведущем валу, а ФМ Ф К1 выключаемой передачи находится на ведомом валу (рисунок 1,в), уравнения моментов запишутся в виде:

Мд - ■Мт -Мт 1 -1- и к-1 т ^ д . 1 д & ; (5)

мт_ 1 — + Мт - Мс и к т а®п т п & . (6)

Уравнения моментов для случая, когда обе ФМ расположены на ведомом валу КП (рисунок 1,г):

Мд - Мт - Мт_1

и „

= I „ ^ д •

и

к—1

Мт_1 + Мт - Мс = I,

д ё1

ёсо „

ё1

(7)

(8)

При внимательном рассмотрении уравнений для всех четырех случаев (1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8) расположения ФМ в элементарном узле КП видно, что они различаются только характером приведения момента Мт_1, передававемого выключаемой ФМ Фк_1. Это еще раз доказывает, что при принятых допущениях относительное расположение ФМ в элементарном узле КП не оказывает влияния на итоговый результат вычислений параметров буксования включаемой ФМ Фк, процесса переключения передач и разгона МТА.

Таким образом, работа Ь и время 1б буксования ФМ будут вычисляться по формулам

(вывод которых представлен в работах [3-6]), приведенным ниже, вне зависимости от места установки ФМ в КП (для любого вида элементарного узла).

Если разгон происходит по диаграмме «с полкой» (рисунок 3,а), то:

Ь = Ь0 + Ь1 + Ь2 + Ь3, где:

(9)

Ьо + Ь =

Мдн шр 1 п(1 п р2 - 21 м р кз) ^ _ ^

21 м Р

и

к-1 У

Ь2 =

М дн Р

со.

1 -

и „

V

и

к-1 У

12 -12 -

Ь3 =

М дн ®рР(1: -1 п): 1 _ и

(1 м -1 п)3[30(1 м +1 п)-2кз 1 м]'

61 м (С -1 п )(в - Кз )

2 ( „Л

4 (1: -1 п) 1 „+1

и

К-1 У

1 к =

2

Если разгон происходит по «треугольной» диаграмме (рисунок 3,6), то:

Ь = Ь0 + Ь1 + Ь2, где:

(10) (11)

Ь„ + Ь, =

Мдн Шр 1 п(1ПР2 - 21МРкз)

(

21 м Р

и „

Л

Ь =

М дн N р

21,

1 -

и _

и

К-1 У

12 -12 -1 б 1 п

1 -

V и к-1 у

1

6(1 -1 )(1' -1 )

V м п / V м п/

(*б - К)3(3^ + *п)-

- *м )3 (3/в + *м) + (*м - *п )3 + *м)}|

1 к =

РК - * и * и {Р~ ^ )

V1 м (р-кз ХР 1: - к31 м)+к31

р

(12)

Для того чтобы определить, по какому из вариантов будет происходить разгон МТА (рисунок 3), необходимо вычислить время включения ФМ, при котором 1 м = 1 б:

2со _

1=

1 -

и„

V

и

К-1 у

^в - к в - к, ^

ДГ+1 у

+1.

(13)

м„

Если 1'м > 1 м, то 1 б > 1 м (рисунок 3,а). Тогда работа Ь и время 1 б буксования ФМ включаемой передачи определяются соответственно из выражений (9) и (10).

2

1

Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. Если 1;'м < 1 м, то tб < tм (рисунок 3,6). Тогда работа Ь и время 1 б буксования ФМ определяются соответственно из выражений (11) и (12).

Одним из важнейших параметров процесса разгона МТА является минимальная угловая скорость соб вала двигателя в конце буксования ФМ, которая для обоих случаев, когда

1 б > 1 м и 1 б < 1 м, будет вычисляться по общей зависимости:

1 + 1 (в ~ к) и , Iп (в - к,)

^ , (в-к) '' ■ (14)

I«(в - к,)

С учетом выражения (14) формула (13) для расчета ^ примет вид:

21

' и к ^ шб - — шр

1

М Мдн (в - к3) ^ Для определения времени 1 р разгона МТА на включаемой передаче рассмотрим временной интервал (1 б -1 р), когда разгон обеспечивается запасом крутящего момента двигате-

Запишем уравнение моментов на основе двухмассовой динамической модели применительно к элементарному узлу КП (рисунок 2) с условием того, что фрикционный узел на данном интервале уже не буксует:

Мд - мс =(тд +1пУ-+. (15)

При прочих равных условиях время 1 разгона МТА будет зависеть от вида диаграммы

разгона (рисунок 3). Поэтому, решая уравнение (15), получим: • для случая разгона, когда \б > \м (рисунок 3,а),

, _, + 2(Щр - X1 д +1 п ).

1Р " 16 + Мдн (к - к3) .

для случая разгона, когда 1 б < 1 м (рисунок 3,6),

1 р = 1 б +

2(шр -шб)(1 д +1 п)

Мдн (к - к3) V*

Достоверность данной математической модели процесса буксования ФМ в КП трактора и методики расчета ее работы буксования при переключении передач с различной степенью перекрытия и при трогании машины с места подтверждена сопоставлением расчётных и экспериментальных значений работы Ь и времени 1 б буксования ФМ, угловой скорости соб вала

включаемой ФМ в конце её буксования. Экспериментальные данные для сравнения были взяты из работ А.Д. Ананьина [7], К.Я. Львовского [2], В.И. Чунихина [8], В. А. Петренко [9], В.Е. Захарова [10], Е.М. Шапиро [11] и собственных исследований [3-6]. В результате установлено, что расхождение результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований по величине работы буксования ФМ в КП с различной степенью перекрытия передач не превышает 10,9%, а при трогании МТА с места - 17%.

Таким образом, полученные выражения для расчета работы и времени буксования ФМ при переключении передач в КП с различной степенью перекрытия являются универсальными, так как позволяют выполнять расчеты работы и времени буксования ФМ и разгона МТА как при переключении передач с различной степенью перекрытия, так и при трогании и разгоне МТА с места и являются справедливыми для любого типа элементарного узла КП. Для случая трогания и разгона МТА с места на заданной передаче принимаем время перекрытия

Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. t п = 0 и отношение u к/u к1 = 0 .

Литература

1. Тракторы. Конструкция/ В.М. Шарипов, Л.Х. Арустамов, К.И. Городецкий и др.; Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: Машиностроение, 2012. - 790 с.

2. Львовский К.Я. Исследование процессов переключения передач под нагрузкой в тракторных трансмиссиях: Дисс.. .канд. техн. наук. - М., 1970. - 276 с.

3. Работа сцепления в коробке передач при переключении передач без разрыва потока мощности от двигателя. / В.М. Шарипов, М.И. Дмитриев, A.C. Зенин, Я.В. Савкин // Справочник. Инженерный журнал, 2010, № 11. с. 8-15.

4. Шарипов В.М., Дмитриев М.И, Крючков В.А. Нагруженность фрикционных муфт и синхронизаторов в коробке передач. - Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. - 122 c.

5. Математическая модель процесса переключения передач с помощью фрикционных муфт/ В.М. Шарипов, К.И. Городецкий, М.И. Дмитриев и др. // Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. - М., МГТУ «МАМИ», № 1 (13), 2012. - с. 112-121.

6. Переключение передач в КП трактора без разрыва потока мощности/ В.М. Шарипов, К.И. Городецкий, М.И. Дмитриев и др. // Тракторы и сельхозмашины, 2012, № 5. - с. 19-23.

7. Ананьин А. Д. Исследование энергонагруженности муфты сцепления колесного трактора при трогании скоростного машинно-тракторного агрегата: Дисс. канд. техн. наук. - М., 1972. - 156 с.

8. Чунихин В.И. Исследование долговечности пар трения тракторных муфт сцепления и некоторых путей её повышения: Дисс. канд. техн. наук. - М., 1977. - 204 с.

9. Петренко В.А. Исследование режимов работы муфт сцепления тракторов высокой энергонагруженности: Дисс... канд. техн. наук. - Харьков, 1973. - 181 с.

10.3ахаров В.Е. Исследование нагруженности, износа деталей и уточнение методов стендовых испытаний муфт сцепления тракторов: Дисс.канд. техн. наук. - М., 1981. - 210 с. 11. Оценка работы трения фрикционной муфты в гидромеханической и механической трансмиссиях пахотного колёсного трактора класса 3 при трогании. / Е.М. Шапиро, В.М. Иванов, Л.П. Соколов и др. // Тракторы и сельхозмашины, 1979, № 8. - с. 12, 13.

Электрогидравлические аппараты для управления фрикционными

механизмами трансмиссий

д.т.н. проф. Шипилевский Г.Б., Строков A.M.

Университет машиностроения gbship@mail. ru

Аннотация. Электрогидравлические аппараты широко применяются для управления фрикционными механизмами трансмиссий, содержащими многодисковые «мокрые» муфты или тормоза. В зависимости от назначения и условий включения механизмов применяются аппараты либо релейного, либо пропорционального действия. В последних применяются электромагниты пропорционального действия, в которых при определённом зазоре между якорем и сердечником усилие притяжения между ними зависит только от величины тока через обмотку. По устройству и принципу действия такие аппараты могут быть прямого действия или с серводействием.

Ключевые слова: фрикционные механизмы, многодисковые муфты, электрогидравлические аппараты, электромагниты, пропорциональное действие В трансмиссиях машин широко применяются фрикционные механизмы для включения и выключения различных приводов. Часто они представляют собой многодисковые муфты или тормоза, работающие в масле (мокрые) и сжимаемые при включении давлением рабочей жидкости гидросистемы трансмиссии, действующим на поршень цилиндра (бустера). Управ-