Содержание к диссертации
Введение
CLASS 1 Анализ силовых приводов колесных транспортных машин и классификация автоматических трансмимссий CLASS 13
1.1 Анализ и классификация силовых приводов колесных транспортных машин 13
1.2 Проектирование трансмиссий. Методы расчета элементов трансмиссии и классификация методов задания нагрузочных режимов 34
Выводы по главе и задачи исследования 40
2 Теоретические исследования рабочих процессов гидромеханического дифференциального вариатора 43
2.1 Рабочие процессы шестеренных гидромашин с внешним и внутренним зацеплением 43
2.2 Определение сил и моментов в шестеренных гидромашинах 58
2.3 Кинетостатический анализ гидромеханических дифференциальных механизмов 66
23Л Кинематический анализ гидромеханических дифференциальных механизмов 67
2.3.2 Силовой анализ гидромеханических дифференциальных механизмов 69
2.3.3 Анализ параметров гидравлического потока гидромеханического дифференциального механизма с приводом на центральное колесо 82
2.4 Кинематические схемы дифференциальных гидромеханических вариаторов 83
Выводы по главе 85
3 Методика расчета и проектирования гидромеханических вариаторов 87
3.1 Расчет коэффициента полезного действия дифференциального гидромеханического вариатора 87
3.2 Методика проектирования дифференциального гидромеханического вариатора 97
3.3 Определение параметров гидромеханических вариаторов для привода легкового автомобиля малого класса и седельного тягача 103
Выводы по главе 112
4 Экспериментальные исследования дифференциальных гидромеханических вариаторов, разработка конструкции бесступенчатой коробки передач и оценка ее экономической эффективности 115
4.1 Задачи исследования 115
4.2 Исследование неуравновешенного гидростатического момента в зубчатых гидромашинах внутреннего зацепления 115
4.3 Дорожные испытания дифференциального гидромеханического вариатора в составе легкового автомобиля ВИС-2345 117
4.4 Конструкции бесступенчатых автоматических коробок передач на базе
дифференциальных гидромеханических вариаторов 120
4.5 Расчет экономической эффективности автомобиля ВИС-2345 с
бесступенчатой коробкой передач 123
Заключение и выводы 131
Литература
- Проектирование трансмиссий. Методы расчета элементов трансмиссии и классификация методов задания нагрузочных режимов
- Кинетостатический анализ гидромеханических дифференциальных механизмов
- Методика проектирования дифференциального гидромеханического вариатора
- Исследование неуравновешенного гидростатического момента в зубчатых гидромашинах внутреннего зацепления
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одной из основных проблем технического прогресса в автомобилестроении является автоматизация систем и агрегатов автомобиля, в том числе создание автоматических трансмиссий с целью обеспечения бесступенчатого регулирования крутящего момента на выходном валу силового агрегата автомобиля в зависимости от изменяющейся в процессе его движения нагрузки, обеспечения максимального комфорта и безопасности АТС.
Условия работы водителя автомобиля все время усложняются из-за увеличения количества автомобилей и из-за роста грузовых и пассажирских потоков. Возникла необходимость облегчения работы водителя и повышения эффективности АТС при одновременном повышении безопасности движения. Эффективным средством решения этих сложных задач является автоматизация управления автомобилем путем применения автоматических трансмиссий или вариаторов. Причем второе направление совершенствования автоматических трансмиссий имеет больше перспектив. Однако все существующие вариаторы имеют недостатки - это передача крутящего момента ограниченным участком поверхности (линией, а иногда и точкой), что вызывает повышенные контактные напряжения; необходимость создания больших прижимных усилий для предотвращения проскальзывания поверхностей относительно друг друга; необходимость отбора мощности для привода масленого насоса. Все эти недостатки отсутствуют в дифференциальном гидромеханическом вариаторе.
Дифференциальный гидромеханический вариатор предназначен для автоматического бесступенчатого преобразования вращательного движения между валом двигателя и валом рабочего органа машин и механизмов без использования систем управления, регулирования вращающего момента на выходном валу в зависимости от изменения внешней нагрузки и диапазоне регулирования вариатора. В дифференциальных гидромеханических вариаторах автоматическое бесступенчатое регулирование кинематических и силовых параметров осуществляется при полном отсутствии какой-либо
7 системы управления, достигается простота вариантов конструкции, высокие
значения коэффициента полезного действия, высокая эксплуатационная
надежность, малые удельные габариты и вес, что обуславливает
многофункциональное использование предлагаемых механизмов во всех
областях машиностроения.
В АТС дифференциальные гидромеханические вариаторы, используемые в качестве автоматических трансмиссий, при совместной работе с двигателем позволяют последнему, при изменяющейся во всем диапазоне внешней нагрузке, работать в области режима равных мощностей, что приводит к оптимальнму использованию мощности и, соответственно, к уменьшению расхода топлива.
Сравнительный анализ состава конструкций автоматических коробок передач, клиноцепных и торроидных вариаторов, выпускаемых современной автомобильной промышленностью разных стран, показывает высокую степень конструкторско-технологической преемственности по отношению к существующему производству зубчатых передач и гидромашин, высокую степень унификации, значительно меньшую стоимости материалов и трудозатрат и, соответственно, гораздо более низкую стоимость. Все вышесказанное позволяет сделать вывод о перспективности, актуальности и важности этой темы, как с научной, так и с практической точки зрения.
Целью диссертационной работы является разработка рациональных схем и конструкций высокомоментных гидромеханических вариаторов для транспортных средств, разработка методики расчетных и экспериментальных исследований дифференциальных гидромеханических вариаторов в составе трансмиссии автомобиля и реализация этой методики в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.
Задачи исследований. Сформулированная цель и анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи диссертационной работы:
- провести исследование рабочего процесса шестеренных гидромашин с
8 внешним и внутренним зацеплением, параметров гидравлического потока в
гидромеханическом дифференциальном механизме, определить
перераспределения моментов от неуравновешенных гидростатических сил;
провести исследование возможных схем гидромеханических дифференциальных механизмов, выполнить их кинетостатический анализ и провести их классификацию;
провести расчетные исследования и вывести формулу для расчета КПД как гидромеханических дифференциальных механизмов в частности, так и вариатора в целом;
разработать методику расчета и обоснования основных параметров ВГМВ для транспортных средств и реализовать ее в виде комплекса программных средств на ПЭВМ;
разработать новые конструкции бесступенчатых трансмиссий для легковых и грузовых автомобилей с ВГМВ, предложить и обеспечить реализацию разработанных рекомендаций и научных положений диссертации в экспериментальных образцах ВГМВ;
провести экспериментальные исследования функциональных возможностей дифференциального гидромеханического вариатора в составе трансмиссии АТС.
Объектом исследования является высокомоментный гидромеханический вариатор (ВГМВ) автотранспортного средства, а предметом исследования -методики расчета, обоснования закономерности кинематических и силовых факторов и оптимизации основных параметров ВГМВ для транспортных средств.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на принципе возможных перемещений, теории комплексно-системного подхода к проектированию машин; методах математического анализа, анализа и синтеза сложных технических систем, программирование; расчетные исследования проведены на основе разработанных автором диссертации программных средств; экспериментальные исследования выполнены на автомобиле с целью
проверки и подтверждения функциональных возможностей бесступенчатого
трансформирования крутящего момента и основных теоретических положений.
Достоверность и обоснованность. Достоверность исследований обеспечена корректным применением теоретических положений анализа и синтеза гидромеханических дифференциальных механизмов, обоснованностью теоретических положений, реализацией их в конструкции опытно-экспериментального образца бесступенчатой автоматической КП легкового автомобиля ВИС-2345, экспериментальной проверкой в лабораторных и дорожных условиях.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, имеющие научную новизну и которые выносятся на защиту:
разработаны и классифицированы принципиально новые конструкции гидромеханических дифференциальных механизмов, отличающиеся от известных наличием динамической гидравлической связи между кинематическими звеньями, представляющими собой дифференциальные схемы шестеренных гидромашин, что позволяет получить различные значения распределение потоков гидравлической и механической мощностей, и обеспечивает автоматическое регулирование параметров дифференциального гидромеханического вариатора;
впервые определены закономерности рабочих процессов дифференциальных гидромеханических вариаторов, разработана методика анализа, синтеза и расчета, учитывающая особенности рабочего процесса шестеренных гидромашин и дифференциальных механизмов различных типов, заключающаяся в последовательном выборе передаточных чисел кинематических звеньев механизма из условия равновесия ротора вариатора (водила), а также основных параметров зубчатых зацеплений, обеспечивающих необходимые рабочие объемы гидромашин для передачи максимального крутящего момента, что позволяет подобрать основные кинематические и силовые параметры передачи для разного класса транспортных средств на стадии проектирования;
- предложена формула для расчета КПД дифференциальных
гидромеханических вариаторов, учитывающая основные кинематические, геометрические и силовые параметры передачи, позволяющая осуществить оптимизацию при выборе различных кинематических схем гидромеханических дифференциальных механизмов и оценить влияние их на КПД вариатора в целом;
- разработаны новые конструкции бесступенчатых КП по патенту РФ
№2298125 для легкового и грузового автомобилей, отличающиеся от известных
использованием в качестве трансформатора крутящего момента
дифференциальных гидромеханических вариаторов, что обеспечивает диапазон
автоматического регулирования, охватывающий весь спектр частоты вращения
выходного вала и бесступенчатое автоматическое изменение кинематических и
силовых параметров без внешних регулирующих устройств и не требующих
решение задачи логистики управления.
Практическая ценность. Внедрение в практику проектирования разработанной методики, реализованной в виде комплекса программных средств позволяет обоснованно выбирать основные кинематические и геометрические параметры дифференциальных гидромеханических вариаторов, а также дает возможность проведения исследований влияния различных параметров вариатора на КПД вариатора и эксплуатационные показатели автомобиля в целом еще на ранней стадии проектирования.
Реализация результатов. Разработанные теоретические положения диссертационной работы внедрены в практику проектирования в ОАО «КАМАЗ» и применены при разработке новых конструкций бесступенчатых КП, спроектированных проблемной лабораторией «Дифференциальные зубчатые и гидромеханические вариаторы», а также в учебном процессе при подготовке дипломированных инженеров в Камской государственной инженерно-экономической академии по специальности «Автомобиле- и тракторостроение».
Апробация работы. В период с 2004-2007 г.г. автор диссертации
принимал активное участие в исследованиях и проектировании экспериментальных образцов дифференциальных гидромеханических вариаторов. Основные положения работы докладывались на всероссийских научно-технических конференциях: «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, УГТУ, 2006 и 2007 гг.), «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» (г. Ижевск, ИжГТУ, 2007 г.). Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедры «Автомобили и автомобильные перевозки» Камской государственной инженерно-экономической академии.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных трудах, в том числе 2 в центральных журналах и 1 патенте РФ.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 144 страницах текста, в том числе 57 рисунках, 14 таблиц и 121 наименования списка литературы и состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, а также из списка использованной литературы.
В первой главе проведен анализ силовых приводов колесных транспортных средств и вопросов, связанных с проектированием трансмиссий, определены проблемы в данной области и задачи исследования.
Во второй главе рассматриваются рабочие процессы шестеренных гидромашин с внешним и внутренним зацеплением с целью определения возможностей их использования в качестве исполнительных механизмов в дифференциальных гидрообъемных передачах; выводятся формулы для определения коэффициентов перераспределения моментов в шестеренных гидромашинах и момента от неуравновешенных гидростатических сил в гидромашине с шестернями внутреннего зацепления; проведен кинетостатический анализ гидромеханических дифференциальных механизмов, определены силы и моменты, а также перераспределение механической и гидравлической мощностей в гидромеханических дифференциальных механизмах; предложены возможные схемы гидромеханических дифференциальных механизмов и проведена их классификация; определены
12 наиболее рациональные схемы дифференциальных гидромеханических
вариаторов и области их применения.
» В третьей главе решаются вопросы, связанные с проектирование
дифференциальных гидромеханических вариаторов; выводятся формулы для
определения КПД как гидромеханических дифференциальных механизмов
отдельно, так и дифференциальных гидромеханических вариаторов в целом.
В четвертой главе определены задачи экспериментальных исследования,
приведены результаты экспериментов, разработаны конструкции
автоматических КП для легкового и грузового автомобилей; проведена оценка
экономической эффективности легкового автомобиля, оборудованного
автоматической бесступенчатой КП на базе дифференциального
гидромеханического вариатора; проведена сравнительная оценки
проектируемого автомобиля с аналогами по коэффициентам качества и
конкурентоспособности; доказана целесообразность и перспективность
разработки и адекватность основных теоретических положения
диссертационной работы.
Проектирование трансмиссий. Методы расчета элементов трансмиссии и классификация методов задания нагрузочных режимов
Другая часть потока мощности через эпицикл трехзвенного дифференциального механизма и редуктор с передаточным числом uj передается на ведомый вал ГОМП, пройдя преобразование в ГОП, состоящей из регулируемого насоса и регулируемого гидромотора. Таким образом, в данной схеме ГОМП на ведомом валу суммируются два потока мощности.
Очевидно, что работы связанные с устранением недостатков присущих гидростатическим приводам и повышение их КПД должны быть связаны с созданием принципиально новых схем, которые обеспечивали бы: - автоматическую бесступенчатую трансформацию крутящего момента, развиваемого двигателем, пропорционально величине внешней нагрузки; - коэффициент трансформации крутящего момента, развиваемого двигателем, перекрывающий весь диапазон изменения внешней нагрузки, как для легковых, так и для грузовых автомобилей, и его величина для различных типов автомобилей может быть в «стоп-режиме» равна 2-12 в диапазоне чисел оборотов выходного вала от п2 = 0 до п2 = Пдв (где п2 - число оборотов выходного вала; пдв- число оборотов двигателя); - исключение из состава силовой установки узла сцепления, так как рассоединения двигателя и трансмиссии при необходимости осуществляется за счет разрыва потока в гидравлическом контуре; - исключение из состава конструкции какой-либо системы управления, за исключением клапана, обеспечивающего разрыв потока в гидравлическом контуре.
Дифференциальный механизм, включенный в конструкцию гидрообъемной передачи, позволяет получить новые свойства, которые в большинстве своем устраняют недостатки существующих гидрообъемных передач.
Представляется наиболее эффективным использование в качестве исполнительных механизмов в дифференциальных гидрообъёмных передачах шестерёнчатых гидронасосов и гидромоторов. Это обусловлено следующими свойствами последних: -рабочий процесс происходит с разделением мощности на два потока между ведущей и ведомой шестернями с последующим суммировании их на входном валу, если это гидронасос, и на выходном валу, если это гидромотор; - величина потока мощности на каждой из шестерён зависит от размеров шестерён и, соответственно, от передаточного числа между ними; - суммирование мощности происходит за счёт силового взаимодействия в зубчатом зацеплении при передаче части мощности с одной шестерни на другую; зубчатые шестеренные гидромашины легко трансформируются в дифференциальный механизм, в котором центральная шестерня является ведущей, если это гидронасос, или ведомой, если это гидромотор, шестерни в количестве не менее двух, установленные на осях в подвижном корпусе являются сателлитами; - зубчатые шестеренные гидромашины с наружным зацеплением являются обратимыми механизмами, самыми простыми и имеющими наименьшую стоимость из всех гидрообъёмных гидромашин; - уровень давления, при котором они сохраняют удовлетворительные значения КПД составляет 6-Ю МПа, что соответствует реализации небольших и средних мощностей.
Проектирование - это комплекс конструкторско-экспериментальных работ, необходимых для создания нового или модернизации выпускаемого автомобиля. Проектирование трансмиссий транспортных средств трудоемкий и в тоже время многовариантный процесс [35, 83]. И в зависимости от типа трансмиссии, которую предполагается устанавливать на транспортное средство, будет отличаться методика проектирования. Несмотря на это обстоятельство можно расписать общую последовательность проектирования.
Для движения автомобиля в различных эксплуатационных условиях необходимо, чтобы усилия на ведущих колесах и частота их вращения изменялась в значительных пределах. Однако современные двигатели внутреннего сгорания не обладают достаточными диапазонами крутящих моментов и частот вращения, это и приводит к необходимости использовать трансмиссию в конструкции транспортных средств.
При проектировании трансмиссий необходимо, прежде всего, установить минимальное Umpmin и максимальное Umpmax ее передаточные числа, а затем -общий диапазон и число передач [26, 27]. При выборе числа передач (для трансмиссий со ступенчатым изменением передаточного числа) расширяется вопрос о том, какие агрегаты обеспечат получение передач (коробка передач, раздаточная коробка и др.) [13,101,107, 108].
В работе [118, 119] говориться, что три передаточных числа характеризуют трансмиссию: передаточное число первой передачи, передаточное число передачи, на которой достигается максимальная скорость на горизонтальном участке пути и передаточное число ускоряющей передачи. Считается, что максимальную скорость обеспечивает выбранная мощность двигателя, и расчет минимального передаточного числа трансмиссии ведется исходя из максимальной скорости, которую должно развить транспортное средство. А максимальное передаточное число определяется исходя из необходимого максимального усилия на ведущих колесах и требуемой минимально устойчивой скорости движения.
Кинетостатический анализ гидромеханических дифференциальных механизмов
Исходя из анализа сил и моментов, действующих в шестеренных гидромашинах можно сделать вывод, что шестеренные гидромашины можно преобразовать в гидромеханические дифференциальные механизмы, которые можно рассматривать как первую ступень гидромеханических вариаторов.
Гидромеханический дифференциальный механизм имеет следующие особенности: - имеет две степени свободы; - использование потока рабочей жидкости в качестве гидравлической связи между гидромеханическим дифференциалом и одним из возможных механизмов преобразования гидравлической энергии в механическую, позволяет создать бесступенчатую гидромеханическую передачу; - механический момент, снимаемый с водила гидромеханического дифференциального механизма можно суммировать с другим механическим моментом, получаемым после преобразования мощности гидравлического потока; - при изменении угловых скоростей звеньев гидромеханического дифференциального механизма, происходит изменение подачи гидронасоса, что обеспечивает внутренний автоматизм при преобразовании мощности гидравлического потока в механический. 2.3.1 Кинематический анализ гидромеханических дифференциальных механизмов Рассмотрим кинематическую схему гидромеханического дифференциального механизма с приводом на центральное колесо изображенного на рисунке 2.14. Передача мощности от ведущего звена 1 осуществляется двумя параллельными потоками: - первый в виде механического потока на водиле Н, описываемый уравнением NH = Мна н; - второй в виде гидравлического потока рабочей жидкости, описываемый уравнением Nr = QpH. Н \ / гн Н /У/ Рисунок 2.14 - Гидромеханический дифференциальный механизм с приводом на центральное колесо: 1 - колесо входного вала; 2 -ведомые колеса гидронасоса (сателлиты); Н- водило (корпус гидронасоса); ГН гидронасос Угловые скорости звеньев гидромеханического дифференциального механизма описываются уравнением кинематики: 0)2 = coxilx + сон (1 - i2X). (2.92) На основании уравнения кинематики при coi=const и задавая водилу Н равноускоренное изменение его угловых скоростей в диапазоне от 0 до со і, построим график угловых скоростей, т.е. сох = f(coH I сох)и со2 /( я / 1) Учитывая то обстоятельство, что уравнения скоростей для всех звеньев дифференциального механизма представляют прямо пропорциональную зависимость, на графике будут отображаться прямые линии с различными углами наклона. Построение графика осуществляется по точкам, соответствующим точкам изменения режимов движения звеньев гидромеханического дифференциального механизма, т.е. по точкам при (0\ = const, сон = (0+1)й)і. Рисунок 2.15 - Графики угловых скоростей кинематических звеньев гидромеханического дифференциального механизма На основании данных расчетов для случаев i2X =-1/3 и i2l=-\ строим графики угловых скоростей кинематических звеньев гидромеханического дифференциального механизма (рисунок 2.15).
Силовой анализ гидромеханических дифференциальных механизмов
В отличие от обычного дифференциального механизма, у гидромеханического дифференциального механизма взаимосвязь между крутящими моментами определяется равенством Мгн + Мн + М\ + М\ = О, (2.93) где Мгн - момент гидронасоса приложенный к ведущему звену, Нм; Мн внешняя нагрузка приложенная к водилу дифференциала, Н-м; М[, М2 гидростатические моменты сопротивления, действующие соответственно на ведущее и ведомое колеса гидронасоса, Н#м. Взаимосвязь между гидростатическими моментами сопротивления определяется коэффициентом Хн М[=М 2ЯН. (2.94) Согласно принципу возможных перемещений можно записать N,=NH+Nr, (2.95) т.е. подведенная мощность затрачивается на преодоление мощностей сопротивления. Мощность гидравлического потока разделяется на два потока, один из которых реализуется на ведущем колесе, а второй на ведомом колесе Nr = М[о)[ + М 2й) 2, (2.96) где сох, (о2 - относительные угловые скорости вращения ведущего и ведомого колес гидронасоса. Уравнение (2.96) с учетом (2.94) запишется Nr = \М\ + М2со2 /о)[р)[= \М\ + M2i2l\о\ = [М2ЛН + М 2г21 \о\ = М2со[(Ян + /21). Относительную угловую скорость вращения ведущего колеса гидронасоса можно представить следующим равенством щ сох-сон. (2.91) Тогда гидравлический поток мощности лг=м;ц-А яХ4+»2і)- (2-98) Уравнение (2.95) представляет собой баланс мощностей в гидромеханическом дифференциальном механизме, которое имеет вид МХФХ +Мна)н + М2(сох -(0И\ХН +/21) = 0. (2.99) Момент на водиле определяется моментом сопротивление на ведомом колесе по формуле MH=M 2(l i2l). (2.100) Учитывая уравнение (2.98) баланс мощности запишется \МЫ = \м г -Н\)н + (2.101) М2{сох-о)н){Лн+і2Х). Для построения графиков моментов и баланса мощностей из уравнения (2.99) необходимо вывести зависимость М2 = f(Mx,coH Iо)х). М2 = Мхсох (2.102) Из формулы (2.102) видно, что на значение момента гидростатических сил сопротивления на ведомом колесе оказывают влияние параметры гидромеханического дифференциального механизма, а именно передаточное число гидронасоса и коэффициент Ян. Определим текущие значения моментов в гидромеханическом дифференциале для случая iX2 = -3 при изменении диапазона угловой скорости водила от ан = 0 до сон= со і. Результаты расчета моментов сведены в таблицу 2.1.
Методика проектирования дифференциального гидромеханического вариатора
Проектирование дифференциальных гидромеханических вариаторов представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой может быть разбито на несколько самостоятельных этапов. Первым этапом проектирования является установление кинематической схемы вариатора. Вторым этапом проектирования является разработка конструктивных форм механизма. Третьим этапом проектирования является разработка технологических и технико-экономических показателей проектируемого механизма.
Дифференциальные гидромеханические вариаторы могут быть весьма разнообразны по своей кинематической схеме и структуре. Как было сказано выше, дифференциальный гидромеханический вариатор можно рассматривать состоящим из двух гидромеханических дифференциальных механизмов. При этом для увеличения коэффициента трансформации в кинематическую схему вариатора могут быть включены дополнительно механический дифференциальный механизм с различным значением внутреннего передаточного числа и дополнительный ряд зубчатых передач.
Проектирование кинематической схемы дифференциального гидромеханического вариатора заключается в подборе основных размеров зубчатых колес, выборе передаточных чисел звеньев вариатора исходя из условия равновесия ротора вариатора (водила) при максимальном коэффициенте трансформации. При этом необходимо учитывать некоторые дополнительные условия, связанные с конструктивными требованиями.
Рассмотрим вопрос о проектировании схемы вариатора, которая изображена на рисунке 2.29. При проектировании приходиться предварительно задаваться необходимым коэффициентом трансформации и передаточным числом дифференциального гидронасоса. Дальнейший процесс проектирования можно проводить по алгоритму, схема которого представлена на рисунке 3.6.
Схема алгоритма для расчета основных кинематических параметров дифференциального гидромеханического вариатора схемы №1 При неподвижном водиле вариатора крутящий момент от внешнего источника энергии передается на входное звено дифференциального гидронасоса. При передаче максимального крутящего момента, на водиле со стороны дифференциального гидронасоса действует реактивный момент, определяемый по формуле из таблицы 2.3: .=- .. (3-25)
Этот момент имеет направление, совпадающее с направлением вращения входного звена вариатора. При относительном вращении шестерен дифференциального гидронасоса создается гидравлический поток рабочей жидкости, который создает крутящий момент на выходном валу дифференциального гидромотора МВЫХ = -ЩгЧнгПнд = " max l (3-26) Гидравлическое передаточное число необходимое для обеспечения максимального коэффициента трансформации определиться по формуле: /г =- -. (3.27) ПнгПнд Водило воспринимает также реактивный момент со стороны дифференциального гидромотора, направленный в противоположную сторону вращения входного звена вариатора и определяемый как мдуьО-Ь) (3.28) Условие равновесия водила дифференциального гидромеханического вариатора имеет вид Мт=Мт; (3.29) AZI , = :4,,. (3.30) Таким образом, при заданных передаточном числе дифференциального гидронасоса и максимальном коэффициенте трансформации вариатора из уравнения (3.30) определяется передаточное число дифференциального гидромотора.
После определения кинематических параметров звеньев дифференциального гидромеханического вариатора необходимо определить конструктивные и геометрические параметры, к которым относятся рабочие объемы и кратность действия дифференциальных гидронасоса и гидромотора, модуль, числа зубьев и ширина шестерен.
Для уменьшения габаритов гидромашин числа зубьев желательно выбирать при всех прочих равных условиях возможно меньшим, а модуль большим [23, 24]. Для устранения подрезания ножек зубьев выполняют положительное смещение исходного контура.
Рабочий объем дифференциального гидронасоса определяется максимальным крутящим моментом двигателя и давлением рабочей жидкости F0„=2/3fS (3.31) где Метах - максимальный крутящий момент двигателя, Н-м; рн - давление рабочей жидкости, МПа; кн - кратность действия насоса. Рабочий объем дифференциального гидромотора определяется по формуле: У0М=Щ -, (3.32) К где км - кратность действия мотора. При заданном рабочем объеме гидромашины, принятом числе зубьев шестерен и коэффициенте ширины шестерен можно определить предварительно значение модуля из уравнения m=J Хо (з.зз) где V0 - рабочий объем гидромашины, мм3; z - число зубьев шестерни, по которой определяется рабочий объем гидромашины; х - смещение исходного контура; щт - коэффициент ширины шестерни.
Исследование неуравновешенного гидростатического момента в зубчатых гидромашинах внутреннего зацепления
При выполнении экспериментальной части настоящей работы проведены дорожные испытания дифференциального гидромеханического вариатора в составе трансмиссии легкового автомобиля ВИС-2345 на дорогах общего пользования.
Целью этих испытаний являлось проверка работоспособности опытного образца и определение динамических возможностей вариатора при бесступенчатом изменении крутящего момента.
Внешний вид опытного образца бесступенчатой коробки передач представлен на рисунке 4.3. В нутрии корпуса (картера вариатора) установлен на двух подшипниках ротор вариатора, представленный на рисунках 4.4 и 4.5.
Пробеговые испытания автомобиля оборудованного бесступенчатой трансмиссией проводились по дорогам Республики Татарстан в летнее время на магистральных и грунтовых дорогах на предмет исследования тягово скоростных свойств. Тягово-скоростные свойства оценивались в соответствии с ГОСТ 22576 90 (СТ СЭВ 6893-890) «Автотранспортные средства. Скоростные свойства. Методы испытаний». Перед дорожными испытаниями проведена проверка соответствия атмосферных условий требованиям действующих стандартов. Испытательная дорога для определения динамических характеристик автомобиля имеет асфальтобетонное покрытие и является горизонтальной и прямолинейной в плане. С целью исключения влияния неровностей дороги и скорости ветра на определяемые показатели испытательные заезды проводились в двух направлениях. Максимально возможная скорость определялась при полной подачи топлива. Результаты расчетных и экспериментальных тягово-скоростных свойств автомобиля ВИС-2345 приведены в таблице 4.1.
Испытательная дорога для определения возможностей трансформации крутящего момента имеет грунтовое покрытие и подъем не менее двойной длины автомобиля и уклоном не менее 30%. Преодоление подъема осуществлялось плавным троганием автомобиля с полной массой с места передним и задним ходом.
Несоответствие экспериментальной максимальной скорости движения при определении тягово-скоростных свойств объясняется допущенной погрешностью при изготовлении опытного образца коробки передач, что приводило к утечкам жидкости через зазоры в дифференциальном гидронасосе и уменьшению расчетного минимального давления. Также в ходе испытаний был выявлен существенный недостаток опытного образца, а именно то, что при трогании с места и при преодолении препятствий большая часть масла проходила через клапан. Это приводило к нагреву и вспениванию жидкости. Однако, несмотря на допущенные погрешности изготовления, вариатор обеспечивал преодоления препятствий и бесступенчатое изменение скорости автомобиля в диапазоне скоростей от 0 до 96 км/ч, при плавном увеличении частоты вращения двигателя.
Результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований были положены в основу разработанных конструкций коробок передач для автомобилей ВИС-2345 и КАМАЗ-5460. Конструкция коробки передач с дифференциальным гидромеханическим вариатором легкового автомобиля ВИС-2345 изображена на рисунке 4.6, а конструкция коробки передач седельного тягача КАМАЗ-5460 с высокомоментным гидромеханическим вариатором изображена на рисунке 4.7.
Создание любой конструкции в настоящее время требует обоснование не только технических результатов, но и целесообразности разработки с точки зрения экономической эффективности. Помимо этого новый автомобиль должен быть конкурентоспособным, т.е. обладать наилучшим соотношением цена-качество [11,43,45].
В качестве объекта для оценки экономической эффективности разработки был принят легковой автомобиль особо малого класса ВИС-2345. Для инвестиционных товаров, к которым относится грузовой автомобиль, основным оценочным показателем является экономическая эффективность в эксплуатации. Сравнение экономических показателей проводилось с аналогами ВИС-2345 и ИЖ-2717, а расчеты экономической эффективности, качества и конкурентоспособности выполнялись в прикладной программе «Авто-инвест» написанной в среде Excel. Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.2, показатели качества сравниваемых автомобилей сведены в таблицу 4.3, результаты расчета экономической эффективности приведены в таблице 4.4, а результаты расчета качества - в таблице 4.5.
