Обоснование выбора конструктивных параметров импульсных передач на основе исследований ударных процессов в храповых механизмах блочного типа

Высокая производительность большинства современных машин и автоматических линий может быть обеспечена путем регулирования режимов работы. Такое регулирование наиболее рационально достигается в бесступенчато-регулируемых передачах. Из существующих на данный момент механических бесступенчатых передач наиболее широкое распространение получили различные варианты фрикционных передач. В этих передачах движение с ведущего вала на ведомый передается непрерывно с помощью силы трения. Для таких передач характерно отсутствие колебаний угловой скорости ведомого вала и бесшумность работы. Однако использование силы трения в качестве основной ограничивает их применение в тяжело нагруженных передачах.

На нефрикционные передачи, работающие на основе зацепления, указанное ограничение не распространяется. Значительную их часть представляют импульсные передачи, такие как импульсные вариаторы и инерционные трансформаторы.

К приводам современных машин все чаще предъявляют требование не только бесступенчатого регулирования, но и его автоматического осуществления. Особое значение автоматическое регулирование приобретает при использовании в транспортных средствах, поскольку, повышая удобство и простоту эксплуатации, обеспечивает безопасность движения. Применение автоматической передачи также улучшает тягово-скоростные характеристики транспортного средства: повышается динамичность, уменьшается время разгона. Кроме того, автоматическое регулирование исключает перерасход топлива.

Инерционные трансформаторы являются бесступенчатыми автоматическими по своей природе передачами механического типа, предназначенными для преобразования скорости и вращающего момента на рабочих органах машин. Обладая высоким КПД, близким к КПД ступенчатых передач, они имеют в то же время компактные конструкции, вписывающиеся в габариты ступенчатых приводов и в ряде случаев снижающие габариты, защищают двигатель от перегрузки и остановки в моменты затормаживания рабочих органов, допускают создание конструкций с коэффициентами трансформации момента большими, чем, например, у гидротрансформаторов. На режиме прямой передачи, характерном для автомобилей, инерционный трансформатор работает как упругая динамическая муфта и значительно снижает крутильные колебания в трансмиссии по сравнению со ступенчатой передачей. При установке этого привода на горных, строительных, сельскохозяйственных, дорожных и других машинах, стендах для имитационных и ускоренных испытаний полезной оказывается вибрационная подача момента на рабочий орган.

Инерционный трансформатор состоит из импульсного механизма и двух механизмов свободного хода (МСХ). Вращательное движение ведущего вала преобразуется импульсным механизмом в колебательное движение промежуточного, которое с помощью корпусного и выходного МСХ трансформируется во вращательное движение выходного вала. Таким образом, в инерционном трансформаторе отсутствует непрерывный поток энергии, а изменение вращающего момента и угловой скорости происходит за счет накопления энергии грузовыми звеньями и импульсной ее передачи с помощью МСХ. Из принципа работы инерционного трансформатора следует, что МСХ являются важнейшими звеньями нефрикционной передачи, работающими в тяжелых условиях (частота срабатывания МСХ соизмерима с частотой вращения входного вала, а передаваемый пиковый момент в 7 — 8 раз превышает средний). Именно с отсутствием МСХ, удовлетворяющих таким условиям, связаны трудности внедрения инерционных трансформаторов. Первоначально в качестве МСХ инерционных трансформаторов использовались различные конструкции роликовых обгонных муфт, к достоинствам которых следует отнести бесшумность работы и значительный передаваемый момент. Однако обгонные муфты не удовлетворяют необходимой долговечности работы и требуют значительных усилий на расклинивание. В обгонной муфте имеет место «мертвый ход», достигающий 2−4° [65] и возникающее в процессе заклинивание муфты.

При использовании нефрикционных МСХ, например храповых, удается увеличить долговечность работы инерционного трансформатора. Однако включение храповых МСХ носит дискретный характер, что приводит ударам при заклинивании. Следовательно, для успешного применения храповых механизмов в качестве МСХ инерционного трансформатора необходимо точно знать напряжения, возникающие в элементах МСХ при заклинивании.

Целью настоящей работы является определение кинематики и обоснование метода расчета ударных нагрузок, возникающих в храповых МСХ, работающих в составе импульсной механической передачи, а также определение приемлемых режимов работы передачи и рациональных конструктивных параметров, обеспечивающих надежную работу.

К задачам работы следует отнести:

1). построение математической модели для определения кинематических характеристик МСХ при замыкании;

2). теоретический анализ влияния конструктивных параметров передачи и режимов ее работы на напряжения, возникающие в МСХ при замыкании;

3). анализ существующих теорий и гипотез удара применительно к рассматриваемому случаю работы МСХ;

4). экспериментальное определение нагрузок, возникающих в МСХ при работе передачи.

Методология исследования:

— теоретический анализ работы храпового МСХ блочного типа в составе импульсной передачи на основе уравнений теоретической механики, теории удара, сопротивления материалов и теории упругости;

— математическое моделирование замыкания МСХ в составе импульсной. передачи с использованием ЭВМ;

— экспериментальная проверка результатов исследования с использованием методов статистической обработки данных.

На защиту выносятся:

— результаты информационного научного поиска, определяющие цель и задачи исследований;

— математическая модель для расчета кинематических параметров МСХ при замыкании;

— анализ влияния конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи на величину силы удара при замыкании;

— результаты экспериментальных исследований;

— методика выбора конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи.

Научная новизна работы заключается в:

— математической модели, раскрывающей кинематические характеристики МСХ при замыкании и дополнительно учитывающей изменение скорости вала реактора при расчете движущего момента;

— научном обосновании критериев по выбору конструктивных параметров МСХ и режимов работы передачи;

— принципах построения экспериментальной установки, позволяющей имитировать ударв МСХ в составе импульсной передачи;

— обосновании методики расчета контактных напряжений в храповых МСХ блочного типа в составе импульсной передачи.

Практическая значимость результатов исследования заключается в решении актуальной задачи повышения работоспособности и надежности как МСХ, так и импульсной передачи в целом, что создает перспективу развития таких передач в автои мототранспорте, а также в других отраслях техники.

Общее содержание работы опубликовано в десяти научных статьях, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК. Также издана одна монография, получено два патента.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Конструирование, управление и эксплуатация в транспортном комплексе» (Ковров, КГТА, 2006), на международной научно-технической конференции Вибрация 2008 «Вибрационные машины и технологии» (Курск, КГТУ, 2008), на международной научно-технической конференции Вибрация 2010 «Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, КГТУ, 2010), на V научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (Ковров, КГТА, 2010).

Работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы и других источников и приложений.

Выводы по материалам главы 5.

1. Спроектирована и изготовлена ,. экспериментальная установка для определения скорости и силы удара.

2. Определена скорость удара в корпусном МСХ на разных режимах работы. Разница теоретических и экспериментальных значений не превышает 11%.

3. В результате косвенных измерений определена сила удара при замыкании корпусного МСХ экспериментальной установки.

4. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных показал, что из всех рассмотренных теорий и гипотез удара наиболее приемлемой для случая МСХ является гипотеза Батуева [17]. Отличие значений, рассчитанных по данной гипотезе, от экспериментальных не превышает 21,1%.

5. Разработаны рекомендации по выбору конструктивных параметров МСХ по заданным режимам работы и приемлемых режимов работы по заданным параметрам МСХ. Приведены примеры расчета для экспериментальной установки.

6. Проверочный расчет ранее разработанной автоматической инерционной трансмиссии мотоцикла «ЗиД-200» показал недостаточную надежность конструкции применяемых МСХ, подтвердив тем самым закономерность многочисленных поломок и остаточных деформаций собачек. Прогнозируемое время работы передачи до поломки первой собачки не превышает 15часов. В связи с этим предложены варианты конструкции МСХ, обеспечивающие требуемую долговечность работы передачи.

7. Обозначены этапы проектирования инерционно-импульсных бесступенчатых передач для транспортных средств. Разработана новая конструкция инерционно-импульсной автоматической трансмиссии для специального транспортного средства повышенной проходимости «ЗиД-200 4ШП-03».

Заключение

.

На основе проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель, позволяющая определить кинематические характеристики МСХ при замыкании в составе импульсной передачи. Экспериментальные исследования подтвердили достаточное соответствие разработанной математической модели реальным процессам (?- = 11%).

2. Проанализирован характер влияния различных геометрических параметров МСХ и режимов работы передачи на скорость удара при замыкании. Отмечено, что наиболее тяжелым для МСХ как корпусного, так и выходного, является период начала движения.

3. Одним из определяющих параметров силы удара является скорость удара, связанная с переменными скоростями движения всех элементов передачи. Крутящий момент, определяющий движение реактора сам, в свою очередь, зависит от его скорости, что необходимо учитывать при расчетах. Так, в частности, при частоте вращения эпицикла пъ = 4000 об ¡-мин и частоте вращения выходного вала пвых =1500 об/мин значения крутящего момента, рассчитанные с учетом переменной скорости реактора, примерно в 1,5 раза отличаются от значений, рассчитанных без учета влияния скорости реактора. Проведена оценка влияния приведенных масс импульсного механизма, детали которого совершают не только вращательное, но и поступательное движение.

4. Рассмотрены различные теории и гипотезы удара применительно к данному случаю, по каждой из них проведен расчет для храповых МСХ импульсной передачи. Выявлен большой разброс полученных значений силы удара — до двух порядков. Данный факт говорит о том, что основная проблема создания надежной конструкции инерционного трансформатора связана не столько с тяжелыми условиями работы механизмов свободного хода, сколько с тем, что при отсутствии достоверной, научно-обоснованной методики расчета ударных нагрузок не представляется возможным выбрать рациональные конструктивные параметры МСХ, от надежности которых зависит долговечность и работоспособность всей передачи. Так, в частности, проверочный расчет одной из таких ранее разработанных опытных передач, а именно автоматической трансмиссии мотоцикла «ЗиД-200», показал недостаточную надежность установленных в ней храповых МСХ блочного типа, подтвердив тем самым возможность появления вполне закономерных поломок и остаточных деформаций элементов МСХ. Контактные напряжения, возникающие при этом в корпусном МСХ при работе передачи, превышали допустимые в 2,5 раза, а в выходном МСХ — в 3,3 раза. При этом прогнозируемое время работы передачи составляло примерно 15 часов.

5. Отмечены особенности расчета напряжений при замыкании МСХ. Указано, что для конструкции храпового МСХ блочного типа опасными являются напряжения смятия и случаи неполного контакта.

6. Разработанный в процессе исследовательского поиска метод определения ударных нагрузок в корпусном МСХ позволил определить, что гипотеза Батуева является наиболее достоверной для данного случая, лучше других отражающей реальные процессы замыкания МСХ в составе импульсной передачи, и дать рекомендации по ее применению при расчетах. Отклонение теоретических значений, рассчитанных по данной гипотезе, от экспериментальных данных не превышает 21,1%.

Таким образом, на основе полученных результатов:

1) разработана методика выбора конструктивных параметров МСХ для заданных режимов работы передачи;

2) решена обратная задача определения допустимых режимов работы при заданной геометрии МСХ;

3) разработана инерционно-импульсная автоматическая трансмиссия для специального транспортного средства повышенной проходимости «ЗиД-200 4ШП-03» с учетом заданной долговечности МСХ.

Решение этих задач создает перспективу развития и широкого распространения импульсных передач, как на производстве, так и в учебном процессе.