Содержание к диссертации
Введение
1. Динамические расчеты трансмиссии при оценке ее нагруженности. 9
1.1. Динамические схемы трансмиссии и методы их расчета. . 10
1.2. Характер, источники и спектральный состав динамических нагрузок в трансмиссии... 17
1.3. Анализ методик расчетной оценки низкочастотного динамического нагружения трансмиссии. 25
1.4. Методы прогнозирования и повышения надежности и долговечности трансмиссий. 30
1.5. Постановка и обоснование задач диссертационной работы 35
2. Динамическое нагружение трансмиссии на режимах трогания и переключения передач 38
2.1. Особенности нагружения основных деталей трансмиссии при трогании и переключении передач 39
2.2. Методы аналитического описания динамического нагружения основных деталей трансмиссии при трогании и переключении передач 43
2.3. Экспериментальные исследования режимов трогания и переключения передач 45
2.3.1. Задачи и объекты экспериментальных исследований... 46
2.3.2. Методико-аппаратурное обеспечение экспериментальных работ. 47
2.3.3. Результаты экспериментального определения характеристик нагружения трансмиссии при трогании и переключении передач 50
2.4. Анализ закономерностей формирования характеристик функций распределения динамических крутящих моментов в трансмиссии при трогании и переключении передач,,. 55
2,5, Методика расчетного определения характеристик функций распределения динамического момента в трансмиссии 65
Выводы по главе 69
3. Расчетно-экспериментальное исследование процессов формирования колебаний в трансмиссии неровностями дороги 72
3.1. Характеристики ровности дорожной поверхности . 73
3.2. Анализ кинематических характеристик колеса в составе динамической системы поступательно движущихся масс 75
3.3. Особенности воздействия коротких неровностей на трансмиссию через ведущие и ведомые колеса 82
3.4. Экспериментальные исследования процессов динамического нагружения трансмиссии при проезде коротких неровностей дороги 87
3.4.1. Задачи и методика проведения экспериментов 87
3.4.2. Результаты экспериментального исследования динамических процессов в трансмиссии при проезде единичной неровности 89
3.4.3. Резонансные колебательные процессы в трансмиссии колесной машины при движении по коротким периодическим неровностям 93
3.4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований и обоснование теоретических положений и зависимостей 97
3.5. Основные положения методики моделирования нагруженности трансмиссии колесной машины от воздействия коротких неровностей дороги 100
Выводы по главе 105
4. Снижение интенсивности низкочастотных колебаний в транс миссии колесной машины 108
4.1. Критерии оценки динамической нагруженности трансмиссий колесных машин 108
4.2. Методологические вопросы и анализ некоторых рекомендаций по снижению низкочастотных динамических нагрузок в трансмиссии. 112
4.3. Разработка и определение параметров расчетной динамической схемы машинного агрегата с подвижным креплением кузова 115
4.4. Моделирование процессов трогания колесной машины с подвижным кузовом 123
4.5. Динамические характеристики трансмиссии при воздействии периодических неровностей дороги. 132
Выводы по главе 138
5. Долговечность трансмиссий колесных машин при низкочастотном динамическом нагружении 141
5.1. Нагрузочные режимы трансмиссии на основе разложения нагрузок на составляющие 142
5.2. Методика расчетной оценки циклонапряженности основных деталей трансмиссии с учетом динамического нагружения
на режимах трогания и переключения передач 146
5.3. Расчет коэффициентов приведения форсированных полигонных испытаний трансмиссий на надежность... 152
5.4. Некоторые рекомендации по интенсификации низкочастотных колебательных процессов в трансмиссии при форсированных полигонных испытаниях. 155
Выводы по главе 156
3 а к л ю ч е н и е 158
Л и т е р а т у р а 161
П р и л о ж е н и е 172
- Динамические схемы трансмиссии и методы их расчета.
- Динамическое нагружение трансмиссии на режимах трогания и переключения передач
- Характеристики ровности дорожной поверхности
- Критерии оценки динамической нагруженности трансмиссий колесных машин
- Нагрузочные режимы трансмиссии на основе разложения нагрузок на составляющие
Введение к работе
Принятые ХХУІ съездом КПСС "Основные направления развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают резкое повышение технического уровня, надежности и долговечности транспортных средств наряду с ростом объемов их производства. Основы высокой надежности и долговеч -ности машин закладываются на этапе их проектирования с использованием расчетов на прочность и долговечность деталей, когда сопоставляются характеристики действующих нагрузок и несущей способности.
С ростом производительности, энергонасыщенности и грузоподъемности транспортных средств существенно увеличился вклад динамического нагружения в суммарный нагрузочный режим их систем, особенно трансмиссий. Исследованиям динамики рабочих процессов в трансмиссиях транспортных средств, прогнозированию и повышению надежности, долговечности их агрегатов посвящены работы В.Я.Ани-ловича, Р.Г.Армадерова, И.Б.Барского, В.В.Болотина, Н,Ф.Бочарова, Н.А.Бухарина, В.Л.Вейца, Б.В.Гольда, А.И.Гришкевича, В.П.Когаева, Р.В.Кугеля, И.С.Лунева, В.М.Семенова, Г.А.Смирнова, Ю.Г.Стефановича, А.К.Фрумкина, И.С.Цитовича, В.С.Шуплякова, Н.Н.Яценко и их учеников. Ими изучены многие аспекты формирования переменных нагрузок в трансмиссии, разработаны методики их динамического расчета и прогнозирования долговечности на базе расчетных нагрузочных режимов, предложены некоторые пути снижения динамической нагруженности трансмиссий на отдельных рабочих режимах. Отмеча -ется, что наиболее опасны по уровню нагрузок и цикличности действия низкочастотные колебания в трансмиссиях на режимах трогания и переключения передач, а также возбуждаемые неровностями дороги.
Вопросы аналитического описания и исследования основных закономерностей их формирования, снижения интенсивности и учета при оценке долговечности основных деталей трансмиссии требуют дальнейшего решения.
Поэтому целью работы является выявление закономерностей формирования низкочастотных динамических нагрузок в трансмиссии колесной машины и совершенствование на этой основе методов расчета и снижения нагруженности, прогнозирования долговечности трансмиссий.
В работе рассматриваются методы аналитического описания и расчета характеристик нагружения трансмиссии на режимах трогания и переключения передач с точки зрения их применения для оценки усталостной прочности (долговечности) деталей трансмиссии. На основе статистической обработки многочисленных эксперименталь -ных реализаций таких режимов в трансмиссиях легковых автомоби -лей получены характеристики их распределений по числу циклов действия (средние значения и среднеквадратические отклонения), используемые в совокупной оценке циклонапряженности при расче -тах долговечности деталей трансмиссии в различных условиях эксплуатации и испытаний. Разработана методика расчета численных характеристик распределений на аналоговых вычислительных маши -нах с использованием стандартных операционных блоков. Исследо -ваны факторы, влияющие на уровень среднего значения и дисперсию крутящего момента в трансмиссии на режимах трогания и переклю-- чения передач.
Выполнено расчетно-экспериментальное исследование основных закономерностей формирования колебательных процессов в трансмиссии от воздействия коротких неровностей дороги на основе анализа кинематических характеристик взаимодействия с неровностью колесного движителя в составе динамической системы поступательно движущихся масс колесной машины. Изучены особенности воздействия неровностей на колебания в трансмиссии через ведущие и ведомые колеса. Разработана методика введения кинематических возму -щений от воздействия неровностей дороги в динамическую систему агрегата.
Рассмотрены методологические вопросы снижения динамической нагруженности трансмиссий колесных машин при низкочастотных колебаниях и устройства для их практической реализации. Приведена реализованная на аналоговой вычислительной машине методика расчетной оценки динамических качеств колебательных систем по их дисперсионно-частотным характеристикам. Исследованы динамичес -кие характеристики машинного агрегата колесной машины с подвижным в продольном направлении креплением кузова на его раме, как наиболее эффективным средством снижения интенсивности низкочастотных колебаний в трансмиссии.
В заключительной части изложена методика расчетной оценки долговечности основных деталей трансмиссии с учетом повторяемости и степени интенсификации низкочастотного динамического нагру-жения, даны некоторые рекомендации по ускорению накопления повреждений при форсированных полигонных испытаниях трансмиссий колесных машин на надежность.
Работа выполнена в Институте проблем надежности и долговечности машин Академии наук Белорусской ССР. В ее основу положены результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором под научным руководством члена-корреспондента АН БССР И.С.Цитовича. Автор также выражает благодарность своим коллегам по работе за добрые советы и пожелания, высказанные при обсуждении результатов исследований, организационно-техническую помощь и консультации при выполнении отдельных этапов настоящей работы.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
Методика расчетного определения численных характеристик распределений динамических нагрузок в трансмиссии на режимах трогания и переключения передач и анализ определяющих их факторов.
Аналитически обоснованный и экспериментально подтвержденный с использованием оригинального устройства кинематический характер возбуждения колебаний в трансмиссии от воздействия коротких неровностей дороги.
Результаты расчетного исследования принципиально новых практических рекомендаций по снижению интенсивности низкочастотных колебаний в трансмиссии на основе анализа основных законо -мерностей динамико-энергетического взаимодействия трансмиссии и ходовой части колесной машины.
Инженерная методика расчета долговечности деталей трансмиссии с учетом повторяемости и степени интенсификации их дина -мического нагружения на режимах трогания и переключения передач.
Такие этапы работы, как методика расчета долговечности основных деталей трансмиссии с учетом повторяемости и степени интенсификации переходных процессов, методика и результаты моделирования на АВМ численных характеристик распределений низкочастотных динамических нагрузок в трансмиссии, механизм возбуждения колебаний в трансмиссии от воздействия неровностей дороги исполь -зованы при разработке программ форсированных полигонных испыта -ний узлов и агрегатов трансмиссий легковых автомобилей на надежность на Центральном научно-исследовательском автомобильном по -лигоне НАМИ с общим экономическим эффектом 161, 2 тыс.рублей.
Динамические схемы трансмиссии и методы их расчета
Важнейшим этапом, предшествующим математическому описанию динамических процессов в реальных системах машин, является схематизация этих систем. Схематизация реальной колебательной системы заключается в выборе идеализированной физической модели, правильно отображающей поведение этой системы при изучении определенного класса колебательных явлений. Одной из разновидностей физических моделей являются динамические схемы / 15 /.
Опыт многолетних научных исследований динамических процессов в основных колебательных системах колесных машин показывает, что допустима идеализация их динамическими схемами с сосредоточенными параметрами. Построенная динамическая схема может быть цепной, разветвленной или замкнутой с большим числом степеней свободы и огромным разбросом величин коэффициентов инерции и податливостей. Наиболее удобной для исследования представляется цепная динами -ческая схема, поэтому разветвленные и замкнутые динамические схемы целесообразно приводить к цепным (производить структурные преобразования динамических схем) с последующим уменьшением числа степеней свободы до минимума, определяемого задачами исследова -ния. Упрощение структуры и уменьшение числа степеней свободы динамических схем выполняется по известным методам / 16-18 /.
Как правило, при исследованиях нагруженности трансмиссии в ее колебательную систему включают также инерционную массу двигателя, соединенную с трансмиссией фрикционной муфтой сцепления силового агрегата, и поступательно движущуюся массу транспортного средства, связанную с трансмиссией сцеплением ведущих колес с дорогой через крутильную податливость эластичных шин. Выполненные исследования /19, 20 / рекомендуют применять расчетные схемы машинного агрегата с 3-5 степенями свободы, так как дальнейшая их детализация не уточняет результатов исследований. Причем, в работах / 21-24 / отмечается, что расчетные схемы должны учитывать реактивный контур "ведущий мост-рессоры" в продольной плоскости, оказывающий существенное влияние на низшую собственную частоту колебаний машинного агрегата. Если система не исследуется на возмущение с прохождением через реактивный контур, то его параметры более целесообразно учесть косвенным образом в цепных расчетных схемах.
В табл. I.I приведены весовые коэффициенты инерционных пара метров различных узлов отечественных легковых и грузовых автомо билей в суммарной инерционной характеристике расчетной схемы ма шинного агрегата в целом: двигателя -ЗЭЬ , поступательно движу щейся массы транспортного средства -За ,агрегатов трансмиссии- тр и ведущих колес - Зк .
Динамическое нагружение трансмиссии на режимах трогания и переключения передач
Динамические процессы в трансмиссии колесной машины при включении муфты сцепления машинного агрегата изучены достаточно полно, результаты их исследований широко представлены в научно-технической литературе /8, 9, 18, 45, 79, 96, 101 /. В итоге выполненных работ выявлены закономерности формирования пиковых значений динамического момента на таких режимах. Пиковые значения динамического момента в трансмиссии при трогании машины формируют нагрузочный режим для расчетов подшипников, зубчатых .колес и валов трансмиссии на статическую прочность.
Однако уровень нагружения трансмиссии и достаточно частая повторяемость процессов трогания и переключения передач в реальных эксплуатационных условиях колесных машин обеспечивают зна -чительное накопление усталостных повреждений в основных деталях трансмиссии на переходных режимах данного вида. Этот фактор использован при форсированных полигонных испытаниях трансмиссий транспортных средств на надежность, когда ускоренное накопление повреждающих действий нагрузок на трансмиссию обеспечивается путем интенсификации процессов трогания и переключения передач с одновременным существенным увеличением их числа на единицу измерения долговечности транспортного средства. Тем не менее, достаточно обоснованных рекомендаций по учету динамического нагружения на режимах трогания и переключения передач при оценке долговечности основных деталей трансмиссии нет. Сдерживающим факто -ром разработки таких рекомендаций является малая изученность в статистическом плане процессов нагружения деталей трансмиссии текущими значениями динамического момента, а также отсутствие аналитических методов расчета статистических характеристик распределения крутящих-моментов на этих режимах.
Характеристики ровности дорожной поверхности
Колебательные процессы в трансмиссии есть реакция ее упруго-инерционной системы на переменное во времени возмущение со стороны налагаемых внешних связей, среди которых особое место отводится поверхности дороги, как источнику наиболее интенсивных и продолжительных колебаний /5, б, 37, 56, 57, 69 /, Оценка реакции динамической системы на возмущение того или иного вида дос -таточно полно освещена в научно-технической литературе /5, 36, 67, 102 /, поэтому при исследовании динамического нагружения трансмиссии со стороны неровностей дороги основным вопросом ОС -тается аналитическое описание их возмущающего действия.
К настоящему времени можно считать достаточно изученным силовое воздействие длинных (по сравнению с длиной пятна контакта колеса с дорогой) неровностей на ведущие колеса машины, когда в трансмиссии формируются колебательные процессы, подобные колебаниям возмущающего действия. Однако, на современных автомобильных дорогах преобладают короткие, случайно расположенные по продольной оси неровности, имеющие импульсный характер воздействия / 5, 64 /. Особенности взаимодействия колесного движителя с короткими неровностями практически не изучены. Также не изучен механизм воздействия неровностей на трансмиссию через ведомые колеса, не проанализированы кинематические характеристики взаимодействия колеса с неровностью при движении в составе поступательно движущихся масс колесной машины.
Изучение и математическое описание закономерностей формирования возмущений в трансмиссии со стороны неровностей дороги позволит уточнить отдельные положения методик расчетной оценки нагру-женности трансмиссии при движении машины по дороге с неровностями, предложить эффективные методы и средства ее снижения.
Критерии оценки динамической нагруженности трансмиссий колесных машин
Динамические свойства трансмиссий колесных машин (как и любой колебательной системы) в зависимости от вида происходящих в них динамических процессов могут быть исчерпывающе описаны уравнениями движения сосредоточенных масс или переходными и частотными характеристиками системы / 18, 32, 33, 35, 41 /.
Из курса теории колебаний известно, что динамические процессы могут быть разделены на две группы - переходные и установив -шиеся /32, 33 /.
Качество переходных процессов в трансмиссиях колесных машин по аналогии с теорией автоматического управления / 67 / характеризуется тремя показателями:
- максимальными значениями крутящего момента в переходной период МЗтах ;
- временем длительности переходного процесса 1п ;
- числом колебаний системы за время длительности переходного процесса,
В теории транспортных средств первый показатель принято оценивать коэффициентом максимальной динамической нагрузки /6, 12, 18, 44, 47, 65 /, определяемой соотношением где Мрасч- номинальный (расчетный) момент в трансмиссии транспортного средства, реализуемый двигателем по условию сцепления ведущих колес с дорогой. Этот показатель используется при расчетах трансмиссий колесных машин на прочность.
Второй и третий показатели взаимно увязаны, так как время длительности переходного процесса (время затухания колебаний) определяется числом затухающих колебаний системы. При сравнении динамических качеств различных вариантов исследуемой системы на переходных режимах вместо второго и третьего показателей удобнее использовать более универсальный показатель - дисперсию процесса нагружения трансмиссии динамическим моментом. Дисперсия процесса определяется по зависимости / 35 /
Нагрузочные режимы трансмиссии на основе разложения нагрузок на составляющие
Квазистатические нагрузки в трансмиссии колесной машины формируются внешним сопротивлением ее движению. Зависят от макро -профиля дороги (рельефа местности), весового состояния машины, ее конструктивных особенностей. Такие нагрузки удовлетворительно описываются нормальными (иногда логнормальными) функциями распределения уровней крутящего момента в трансмиссии или удельных тяговых сил, характеристики которых определяются по рекомендациям работ / 3, 37, 76, 79, 87, 96 /.
Во второй главе настоящей работы показано, что динамическое нагружение трансмиссии на режимах трогания и переключения передач также может быть аналитически описано нормальными функциями распределения по числу циклов действия на зубчатые колеса и подшипники или по реальному времени их формирования. При этом отмечено, что природа их формирования отлична от квазистатических. Поэтому нагружение на режимах трогания и переключения передач (динамическое) и квазистатическое независимы между собой и могут характеризоваться весовыми коэффициентами по числу циклов их действия.
Процессы динамического нагружения зубчатых колес и подшипников трансмиссии от воздействия неровностей дороги налагаются на средний уровень квазистатических нагрузок, их амплитуда за -висит от среднего значения нагрузки. Поэтому они могут быть учтены лишь специальными коэффициентами динамичности, методика расчета которых достаточно подробно изложена в работе / ИЗ /.
Следовательно, на каждой отдельной передаче нагрузочный режим зубчатых колес и подшипников трансмиссии колесной машины может быть представлен в виде двух кривых распределения нагрузок - квазистатических и динамических при включении данной передачи (на режимах трогания или переключения). Схематично представление нагрузочного режима в виде двух кривых приведно на рис. 5.1. Обе кривые характеризуются средним значением, средним квадратическим отклонением и правыми границами. Кривая распре -деления квазистатических нагрузок ограничивается справа значе -нием максимального момента двигателя, так как по природе формирования их величина не может превышать это значение.
