Расчётно-экспериментальная внешняя характеристика механической бесступенчатой передачи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.83.062.1

РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ

© 2013 г. Б.Г. Гасанов, В.В. Мишустин

Гасанов Бадрудин Гасанович - д-р техн. наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-56-54. E-mail: atiodd@gmail.com

Мишустин Валерий Васильевич - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Кавмин-водский институт (филиал). E-mail: v.mishustin@ yandex.ru

Gasanov Badrudin Gasanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-54. E-mail: atiodd@gmail.com

Mishustin Valeriy Vasilievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute) Kavminvodskij institute (branch). E-mail: v.mishustin@ yandex.ru

Предложен расчётно-экспериментальный метод построения внешней характеристики механической бесступенчатой передачи. Механическая бесступенчатая передача обладает большими возможностями по трансформации момента при высоких значениях коэффициента полезного действия и является перспективной для применения в трансмиссиях автомобилей и других транспортных средств.

Ключевые слова: бесступенчатая передача; внешняя характеристика; коэффициент полезного действия.

Proposed by calculation-experimental method of construction of the external characteristic mechanical continuously variable transmission. Mechanical continuously variable transmission has great potential to transform the moment at high coefficient of efficiency and is promising for use in transmissions of cars and other vehicles.

Keywords: œntinuously variable transmission; stepless transmission; external characteristic; coefficient of efficiency.

Применение трансмиссий с бесступенчатыми передачами является эффективным средством повышения эксплуатационных качеств автомобилей. Известны три основных вида бесступенчатых передач: механические, гидравлические и электрические. Среди них можно выделить механические бесступенчатые передачи, которые имеют принципиальное преимущество по сравнению с другими видами передач, так как в них отсутствует преобразование одного вида энергии в другой и связанное с этим уменьшение коэффициента полезного действия (КПД).

В последнее время созданы механические бесступенчатые передачи, способные передавать большую мощность при малых размерах и высоком КПД [1, 2]. Преобразование энергии, но без изменения её вида, в механических системах может осуществляться следующим образом: вращение ведущего вала преобразуется в регулируемые по амплитуде колебания промежуточных элементов, затем эти колебания с помощью механических выпрямителей снова преобразуются во вращение одного направления, которое передаётся на ведомый вал. При изменении амплитуды колебаний от нуля до максимального значения соответственно изменяется передаточное отношение механической передачи. Кинематическая схема механической бесступенчатой передачи, составленная на основе конструкции, представленной в [3], показана на рис. 1. Передача содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы. Ведущий вал 1 через винтовой дифференциальный

механизм, содержащий гайку 3 и винты, выполненные на центральных валах 4 и 5, соединён с преобразующим механизмом.

6 7 9 10 11

Рис. 1. Кинематическая схема бесступенчатой передачи

Преобразующий механизм состоит из внутреннего эксцентрика 6, жёстко соединённого с центральным валом 4, и наружного эксцентрика 7, соединённого с центральным валом 5 через шестерню 8. На наружном эксцентрике 7 установлен пазовый диск 9, в кольцевой паз которого входят коромысла 10 ведущих элементов выпрямителей. Ведомые элементы 11 выпрямителей через зубчатое зацепление соединены с ведомым валом 2.

При фиксированном положении гайки 3 центральные валы 4 и 5 и соединённые с ними внутренний 6 и наружный 7 эксцентрики вращаются как одно целое с ведущим валом 1. При этом коромысла 10 совершают колебания заданной амплитуды, которые с помощью механических выпрямителей преобразуются во вращение ведомого вала 2. При осевом перемещении гайки 3 винтовой дифференциальный механизм поворачивает центральные валы 4 и 5 в разные стороны и, соответственно, поворачиваются эксцентрики 6 и 7. Эксцентрики имеют возможность поворачиваться на 180° и, поскольку их эксцентриситеты одинаковы, то суммарный эксцентриситет изменяется от 0 до 2е. В соответствии с изменением суммарного эксцентриситета изменяется амплитуда колебаний коромысел и, следовательно, передаточное отношение передачи. Кинематический диапазон при этом равен бесконечности.

Внешней характеристикой бесступенчатой передачи является зависимость моментов на ведущем М\ и ведомом M2 валах и КПД п от передаточного отношения /21 при полной нагрузке. В соответствии с определением КПД при построении внешней характеристики используются следующие зависимости: п = N/N1; N = М^; Ы2 = М2ш2; i21 = ш2/ш1; M2 = М^/г'и, где Ыь Ы2 - мощность на ведущем и ведомом валах соответственно; а>ь ш2 - частоты вращения ведущего и ведомого валов соответственно. В том случае, если нет возможности полностью нагружать передачу, можно построить внешнюю характеристику на основе частичной характеристики, т. е. при неполной нагрузке. При этом следует иметь в виду, что, кроме потерь мощности, абсолютная величина которых обычно принимается прямо пропорциональной мощности на ведущем валу и, соответственно, относительная величина считается не зависящей от неё, имеют место ещё потери, абсолютная величина которых не зависит от мощности на ведущем валу и, следовательно, их относительная величина изменяется с изменением мощности на ведущем валу.

Для сложных механизмов довольно трудно выделить потери, абсолютная величина которых или строго пропорциональна подводимой мощности, или полностью не зависит от неё. Поэтому построение внешней характеристики передачи будет основано на следующих допущениях:

- к потерям, абсолютная величина которых не зависит от мощности на ведущем валу, относится только мощность холостых потерь которая определяется экспериментально как мощность на ведущем валу, при отсутствии нагрузки на ведомом валу;

- абсолютная величина остальных потерь, которые в отличие от холостых будем называть силовыми, является прямо пропорциональной мощности на ведущем валу.

На основании этих допущений представим КПД передачи как функцию мощности на ведущем валу. Для этого запишем КПД передачи через коэффициенты потерь, равные отношению мощности потерь к мощности на ведущем валу:

п = 1 - Фхп - фсп ,

где фхп - коэффициент холостых потерь; фсп - коэффициент силовых потерь.

Коэффициент холостых потерь, который зависит от мощности на ведущем валу, заменим через отношение абсолютных величин мощностей. В результате получим

N "

п = 1--^

N

"Фс

(1)

Здесь и дальше звездочками обозначаются данные, полученные экспериментально, без звездочек -данные, полученные расчетным путем на основании принятых допущений. Выражение (1) при известных Ы^ и фсп позволяет определить КПД передачи при любой расчетной нагрузке Ы1. Значения Ы^ и фсп должны быть определены для данной передачи экспериментально. Как определяется было указано выше. Коэффициент силовых потерь, согласно принятым допущениям, может быть определен при любой мощности на ведущем валу передачи. Для этого необходимо определить мощность силовых потерь

N = N - N = NГ - N" - N

сп оп хп 1 2 хп'

где - мощность общих потерь.

В соответствии с этим коэффициент силовых потерь

Фсп =-

N

1 v сп

N"

. = 1 - N2 + NХп

N"

(2)

Подставляя (2) в (1), получим

П =

N2 + NХп NХп

NГ

N

(3)

В дальнейшем при построении внешней характеристики передачи используется также понятие силового КПД, который в соответствии с (2) имеет вид

п = 1 Ф = N2 +N Хп

пс =1 -фсп =-—•

N"

(4)

Таким образом, для построения внешней характеристики необходимы следующие экспериментальные данные: Ы*, N и Ы^. Зависимость мощности холостых потерь (Ып) от передаточного отношения при разных значениях частоты вращения ведущего вала приведена на рис. 2.

Внешняя характеристика передачи, построенная по изложенной методике, показана на рис. 3. На этой характеристике точка а соответствует максимальному передаточному отношению (г^), полученному экспериментально при отсутствии нагрузки на ведомом валу (М2 = 0), при этом момент на ведущем валу равен моменту холостых потерь (М1 = Мхп).

N, кВт 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

1 I 1 © = 180 с-1 ^

У

у

©1 = 100 1 с-1 <

0

Ос . = 2 5 с-1 ■

достигает своего максимального значения, общий КПД (п) также принимает максимальное значение, равное 0,92. На участке bc момент на ведущем валу принимался равным максимальному значению, соответствующему максимальной расчетной мощности на входе передачи. На большей части этого участка КПД передачи имеет значения выше 0,85. Благодаря этому момент на ведомом валу (М2) увеличивается по зависимости, близкой к идеальной гиперболической в соответствии с изменением передаточного отношения.

На участке cd учитывалось ограничение мощности на ведущем валу в соответствии с максимальным расчетным значением Ы2 = М2тах. На этом участке мощность на ведущем валу определялась выражением, которое следует из (4),

N =

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 121

N2+Nxn

Пс Пс

M2max©1*21 + N

Пс

Пс

Рис. 2. Зависимость мощности холостых потерь от передаточного отношения

В этой точке силовой КПД в соответствии с выражением (4) равен единице (пс = 1), а общий КПД в соответствии с (3) равен нулю (п = 0). Участок аЬ соответствует работе передачи при уменьшении передаточного отношения под действием нагрузки на ведомом валу без изменения величины суммарного эксцентриситета. В точке Ь момент на ведущем валу (М1)

М2 Н-м

Участок cd характеризуется постоянным максимальным значением момента на ведомом валу и резким уменьшением общего КПД, вызванным как уменьшением силового КПД, так и увеличением относительной мощности холостых потерь из-за уменьшения мощности на ведущем валу.

В точке d передаточное отношение (/21) принимает значение, равное нулю, при суммарном эксцентриситете, не равном нулю. Момент на ведомом валу по-прежнему равен максимальному значению.

Ь а

3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400

I -1-а J-

ч Лс _____—- Пс - ""coi=18( )с"' 4-— 1 ■^Ч— 1 1 4-

' *^^ о •— О со i=2 5 с1 о 1 \ 1 1 1 1

/ / /о\ У / J (öi=H 00 с1 1 1 1

/ V \о У' у* ü>i=180 с1 1 1 •

/ А л 1 1 1

L 1 / //, э ; 1 Г|* \мг 1 1 --

/Г / 17 // / / 1 i 1

г/ II Ц м 1 1 1

1-1 / / /

\

/ 1 \ | > 1

Л

1,( )

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

/\ О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 /21

м2 мхп

Рис. 3. Расчетно-экспериментальная внешняя характеристика передачи

При уменьшении суммарного эксцентриситета до нуля момент на ведомом валу уменьшается с максимального значения до нуля, а мощность и момент на входе становятся равными мощности холостых потерь (^*п) и соответствующему ей моменту холостых потерь (М*п). В соответствии с уравнением (4) силовой КПД, как и в точке а, принимает значение, равное единице (пс = 1) (на графике показано стрелками), общий КПД при этом равен нулю (п = 0). Эти изменения в точке d обусловлены податливостью элементов передачи, деформация которых при малых значениях суммарного эксцентриситета становится соизмеримой с амплитудой колебаний ведущих элементов выпрямителей.

Сравнение значений КПД, полученных расчетно-экспериментальным путем, со значениями, полученными экспериментально при полной нагрузке передачи и показанными на рис. 2 звездочками, указывает на их полное соответствие [4]. Этим подтверждается корректность сделанных допущений и выполненного на их основе построения внешней характеристики.

Таким образом, внешняя характеристика, полученная расчетно-экспериментальным путем, показывает большие возможности механической бесступенчатой передачи по трансформации момента при высоких значениях КПД. Максимальное значение КПД равно 0,92. Диапазон изменения коэффициента

,, М2

трансформации момента (к =-) при п > 0,8 равен

^М1

5,0, а диапазон изменения кинематического передаточного отношения - 5,6. Общий кинематический диапазон равен бесконечности. Максимальная вели-

чина коэффициента трансформации момента достигает значения к = 31 (М1 = 129 Н-м; М2 = 4000 Н-м). Эти показатели значительно выше, чем у существующих гидродинамических передач [5], получивших широкое распространение на современных автомобилях. Применение механических бесступенчатых передач в трансмиссиях автомобилей и других транспортных средств позволяет полнее использовать мощность двигателя, получить снижение расхода топлива и связанное с этим уменьшение выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Литература

1. Благонравов А.А. Механические бесступенчатые передачи. Екатеринбург, 2005. 202 с.

2. Благонравов А.А. Расчёт внешней характеристики механического трансформатора с колебательным движением внутренних звеньев // Вестн. машиностроения. 2011. № 10. С. 8 - 13.

3. А.с. 1019153 СССР. 1983. МКИ F 16 H 29/04. Импульсная регулируемая передача / А.А. Благонравов, В.В. Мишу-стин, Б.Я. Шаламов.

4. Мишустин В.В. Исследование динамики регулируемой бесступенчатой импульсной передачи: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Курган, 1980.

5. Нагайцев М.В., Харитонов С.А., Юдин Е.Г. Автоматические коробки передач современных легковых автомобилей. М., 2001. 98 с.

Поступила в редакцию

5 марта 2013 г.