Введение к работе
Актуальность темы. Одной из перспективных направлений повышения потребительских свойств транспортных средств (ТС) является автоматизация их систем и агрегатов, в том числе разработка и внедрение высокоэффективных автоматических трансмиссий, способствующих повышению производительности, технико-экономических, экологических показателей, созданию комфортных условий для водителя, пассажиров и обеспечению безопасности движения. Условия эксплуатации транспортных средств требуют изменения скоростей движения, крутящего момента на движителях в широких пределах. Трансмиссия ТС должна преобразовывать силово-скоростные характеристики двигателя таким образом, чтобы его тягово-динамические характеристики наиболее полно соответствовали условиям движения, обеспечивали рациональную скорость и минимальные затраты топлива.
В настоящее время известно множество типов и схем трансмиссий ТС, каждому из которых присущи свои достоинства и недостатки. В развитии трансмиссий с автоматической коробкой передач (АКП) можно выделить две тенденции: 1) характеризуется увеличением числа передач, что способствует повышению и улучшению тягово-динамических и топливно-экономических показателей; 2) совершенствование электронного блока управления и его программного обеспечения.
Сравнительная оценка технического уровня известных и проектируемых АКП возможна по таким критериям, как число планетарных рядов, основных звеньев, степеней свободы, управляющих элементов, передач; слойность валов; массо-габаритные показатели; использование переносного движения; сложность проектирования и изготовления; стоимостные параметры. Анализируя перечисленные критерии можно констатировать, что создание АКП, имеющих в своей основе конструкции модуль на базе новой планетарной системы универсальный многопоточный дифференциальный механизм (ПС УМДМ), позволяет более полно удовлетворять требования к АКП. ПС УМДМ - это планетарная система, где водило с тремя парами сцепленных сателлитов является общим для трех планетарных рядов, образуемых двумя независимыми солнечными центральными шестернями, сцепленными сателлитами и тремя коронными зубчатыми колесами. ПС УМДМ в структуре АКП в качестве модуля позволяет решать задачу создания конструкций различного назначения и для различных режимов работы. В настоящее время теоретико-прикладные положения создания рациональных АКП на основе ПС УМДМ, выполненной по патенту РФ №2384773 «Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач», изучены недостаточно, поэтому тема исследований является актуальной и перспективной как с научной, так и с практической точки зрения.
Автор выражает особую благодарность доценту КФУ В.В. Волошко, соавтору вышеупомянутого патента, за консультации и оказанную помощь в ходе исследований в рамках диссертационной работы.
Цель исследований - разработка и обоснование рациональных схем автоматических коробок передач на основе новой планетарной системы универсального многопоточного дифференциального механизма.
Сформулированная цель и анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие задачи диссертационной работы:
выполнить анализ силовых приводов колесных ТС, а также работ, выполненных по теме исследования;
провести классификацию принципиально новых конструкций ПС УМДМ и теоретические исследования их преобразующих свойств, кинематических связей между звеньями;
разработать методику определения возможных приемлемых схем ПС УМДМ;
разработать методику кинематического расчета ПС УМДМ и определения его КПД;
разработать новые модульные конструкции АКП на основе ПС для ТС;
проверить теоретические положения экспериментальными стендовыми исследованиями.
Объектом исследования является планетарная система универсальный многопоточный дифференциальный механизм и автоматические планетарные коробки передач (АПКП) на его основе, предметом исследования - закономерности кинематических и силовых взаимосвязей, методы выбора рациональных схем и параметров ПС УМДМ для АПКП транспортных средств.
Достоверность и обоснованность. Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов работы подтверждается корректным применением теоретических положений механики, анализа и синтеза механических дифференциальных механизмов, реализацией полученных результатов в конструкции действующего макета ПС УМДМ, согласованностью результатов экспериментов с результатами расчетов, публикацией и апробацией основных положений работы на международных и всероссийских научно- технических конференциях.
Методы исследований. Теоретическое исследование реализовано на основе системного подхода, положениях теории машин и технической механики с использованием численных и аналитических методов решения уравнений для обоснования рациональных конструктивных решений. Экспериментальное исследование реального образца проведено в соответствии с разработанной методикой испытаний на лабораторной установке.
Научной новизной диссертационного исследования являются:
классифицированы новые конструкции планетарных систем, отличающихся от известных наличием в силовой цепи общего водила для всех трех планетарных рядов при четырех дифференциальных механизмах с минимальным числом основных звеньев, что позволяет реализовать компактную конструкцию с короткими кинематическими цепями, расширенными кинематическими и силовыми возможностями, пять передач на ведомом звене при одном ведущем звене, определяя возможность использования их в качестве модуля проектируемых автоматических коробок передач транспортных средств;
методика определения рациональных кинематических схем ПС УМДМ, соответствующих заданным требованиям эксплуатации транспортного средства, позволяющая выбрать входные, выходные и тормозные звенья базового УМДМ при разработке автоматической коробки передач;
методика определения области существования передаточных чисел модуля, позволяющая применить условие сборки и учитывающая конструктивные особенности новой ПС, заключающаяся в представлении зависимости реализуемых передаточных чисел от шага передач в заданном диапазоне, позволяющая сократить материальные и трудовые затраты на разработку рациональных конструкций АКП;
алгоритм проектирования модульных АКП, позволяющий аналитически определить с помощью прикладных программ внутренние передаточные отношения модуля в зависимости от требуемых передаточных чисел АКП, подбор чисел зубьев модуля, проверить механизм по условиям соосности, сборки и соседства, сравнить полученный ряд передаточных чисел с исходными и гармоничности ряда по шагу;
новые конструкции модульных автоматических коробок передач транспортных средств, отличающиеся от известных использованием в качестве модуля ПС УМДМ по патенту РФ №2384773, позволяющие при высоком КПД и минимальном числе управляющих элементов реализовать широкий диапазон передаточных чисел и обеспечивать тем самым более высокую способность силового агрегата транспортного средства приспосабливаться к изменяющимся условиям дорожного сопротивления.
Практическая ценность. Полученные научные положения, предложенные методики, рекомендации выбора рациональных схем ПС УМДМ, их кинематического и силового расчета способствуют к разработке высокоэффективных АКП транспортных средств с минимальными трудовыми и материальными затратами. Разработанная методика стендовых испытаний ПС УМДМ позволяет адекватно оценивать ее конструкцию по полученным экспериментально рабочим характеристикам. Применение на автотранспортных средствах предложенной автоматической коробки передач на основе модуля ПС УМДМ по патенту РФ №2384773 будет способствовать улучшению их потребительских свойств, повышению конкурентоспособности на рынке.
Реализация результатов. Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования трансмиссий в ОАО «КАМАЗ», ООО «КОМ», а также используются проблемной лабораторией «Дифференциальные зубчатые и гидромеханические вариаторы» Казанского (Приволжского) федерального университета (КФУ) при разработке конструкций автоматических планетарных коробок передач ТС. Новые положения работы применяются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» в КФУ и Ижевском государственном техническом университете имени М.Т. Калашникова.
Апробация работы. В период с 2007-2013 гг. автор диссертации принимал активное участие в исследованиях и проектировании экспериментальных образцов ПС УМДМ и АКП на основе ПС, проводимых проблемной лабораторией «Дифференциальные зубчатые и гидромеханические вариаторы» КФУ. Основные положения работы докладывались на международных и всероссийских научно- технических конференциях: «Камские чтения» (Набережные Челны, ИНЭКА, 2009), «Авто-НН-2009» (Нижний Новгород, НГЛУ имени Н.А. Добролюбова, 2009), «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, УГФУ имени первого президента России Б.Н. Ельцина, 2011), «Перспективы развития автомобилей. Развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками» (Тольятти, НТЦ АвтоВАЗ, ТГУ, 2011), «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства» (Ижевск, ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2013 ). Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедры «Автомобили и автомобильные двигатели» КФУ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 38 научных трудах, в том числе 10 в центральных журналах и одном патенте РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 177 страницах машинописного текста и содержит 57 рисунков и 14 таблиц, состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 191 наименований.
