Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 13
1.1. Назначение коробки перемены передач (КПП), требования к ним, классификация 13
1.2. Планетарные коробки передач (ПКП) 20
1.3. Выводы по главе 28
Глава 2. Анализ существующих методов синтеза планетарных коробок передач 29
2.1. Обоснование выбора видов планетарных рядов, находящихся в составе ПКП 29
2.2. Синтез кинематических схем планетарных коробок передач с двумя степенями свободы по уравнениям кинематики 33
2.3. Назначение величин передаточных чисел ПКП и выбор числа передач 38
2.4. Пример построения схемы ПКП аналитическим методом синтеза 39
2.5. Синтез планетарных коробок передач с тремя степенями свободы 44
2.6. Синтез планетарных коробок передач с планетарным рядом на входе или выходе 47
2.7. Выводы по главе 50
Глава 3. Разработка вопросов синтеза схемных решений ПКП для перспективных транспортных машин 52
3.1. Математическая модель синтеза схемы ПКП на основе сложного планетарного механизма (СПМ) 54
3.1.1. Подбор передаточных чисел трансмиссии. 54
3.1.2. Структурный синтез СПМ 56
3.1.3. Номографический метод синтеза ПКП на основе СПМ 63
3.2. Графический метод синтеза ПКП с двумя степенями свободы на основе СПМ 80
3.3. Методика расчета коэффициента полезного действия ПКП на основе сложных планетарных механизмов 84
3.4. Оценка потенциальных свойств схем ПКП по результатам сило- вого и кинематического расчетов 126
3.5. Выводы по главе 130
Глава 4. Экспериментальное исследование вопросов автоматизации синтеза и выбора рациональных схем ПКП на основе СПМ и разработка на их базе технических решений 132
4.1. Постановка задачи исследования 132
4.2. Программа синтеза кинематических схем ПКП со сдвоенным сателлитом по заданной гамме передаточных чисел 135
4.3. Проверка адекватности вычислительного эксперемента 141
4.3.1. Синтез схемы ПКП на основе СПМ с параллельной работой 142
4.3.2. Синтез схемы ПКП на основе СПМ с демультипликатором 145
4.3.3. Подтверждение справедливости методики расчета КПД на имитационной модели. 147
4.4. Сравнительный анализ схем ПКП построенных различными методами 149
4.5. Выводы по главе 151
Основные результаты, выводы и рекомендации. 152
Библиографический список использованной литературы
- Планетарные коробки передач (ПКП)
- Пример построения схемы ПКП аналитическим методом синтеза
- Графический метод синтеза ПКП с двумя степенями свободы на основе СПМ
- Программа синтеза кинематических схем ПКП со сдвоенным сателлитом по заданной гамме передаточных чисел
Введение к работе
Развитие конструкций автомобилей, тракторов и быстроходных гусеничных машин направлено на повышение их производительности, экономических и экологических показателей и улучшение условий труда водителя. Решение вышеуказанных задач непосредственно связано с совершенствованием конструкции их трансмиссий.
Трансмиссия транспортной машины представляет собой совокупность устройств, осуществляющих передачу мощности двигателя машины к ведущим колесам. Двигатель (в большинстве случаев двигатель внутреннего сгорания^ (ДВС)) имеет ограничения по диапазону изменения рабочих оборотов и величине крутящего момента, в то время как требуемый диапазон скоростей движения машины изменяется в широких пределах и требуемые моменты на ведущих колесах многократно превышают момент двигателя. Поэтому трансмиссия должна не просто передавать мощность, но и трансформировать при этом ее составляющие таким образом, чтобы сформировать необходимые тягово-скоростные качества машины. Необходимым элементом трансмиссии, позволяющим осуществить эти преобразования, является коробка передач. Чем больше число передач, тем более полно используется мощность двигателя, и при этом он работает в более узком диапазоне, что способствует повышению тягово-скоростных и топливно-экономических показателей. Но требование обеспечения простоты конструкции и массово-габаритных показателей накладывает ограничения на увеличения числа передач. Из бесчисленного количества возможных схемных решений обеспечивающих при выбранном двигателе и заданной массе машины, желаемые тягово-скоростные характеристики, конструктор должен отобрать и реализовать в конструкции один, наиболее полно удовлетворяющий совокупности таких показателей как высокий коэффициент полезного действия (КПД), минимальные габариты и масса, надежность и долговечность, технологичность изготовления, простота обслуживания, низкая стоимость. Решение этой задачи достигается на стадии схемного проектирования трансмиссии, включающего в себя выбор типа и разработку кинематиче-
ской схемы трансмиссии и отдельных ее частей. (В частности — коробки передач.)
Подбор силовой передачи, с учётом повышения её эффективности, имеет целью оптимизировать топливную экономичность машины путём определения наилучшей совокупности параметров силовой передачи [113], удовлетворяющих всем заданным требованиям. Повышение топливной экономичности сопряжено с усовершенствованием коробки передач.
На сегодняшний день существует множество типов и различных схем коробок перемены передач транспортных машин, каждой из которых присущи свои достоинства и недостатки. Коробки передач по способу изменения передаточного числа подразделяют на ступенчатые, бесступенчатые и комбинированные.
Ступенчатые коробки передач по числу ступеней переднего хода делятся на трех-, четырех-, пяти- и многоступенчатые, а по положению осей — на коробки передач с неподвижными осями валов с вращающимися осями валов (планетарные) и комбинированные. Коробки передач с неподвижными осями валов подразделяют на двух-, трех- и многовальные. По способу управления коробки передач могут быть с автоматическим, полуавтоматическим, преселек-торным, командным и непосредственным управлением [20, 104, 127].
К коробкам передач предъявляют следующие требования:
обеспечение необходимых динамических и экономических качеств транспортной машины путем правильного выбора передаточных чисел и числа передач;
создание условий для возможности длительного отсоединения двигателя от трансмиссии при нейтральном положении;
обеспечение простоты и удобства управления;
создание условий для бесшумной работы;
обеспечение высокого КПД.
Кроме того, к коробкам передач предъявляют требования, общие для. большинства механизмов машины, — надежность работы, простота обслужи-
вания, малые габаритные размеры и масса, а также невысокая стоимость.
Ступенчатые коробки передач имеют высокий КПД и при передаче полной мощности г) = 0,96-ь 0,98. К числу важнейших факторов, оказывающих влияние на КПД ступенчатых коробок передач, относятся правильный выбор кинематической схемы, от которой зависит число пар зубчатых колес, находящихся в зацеплении при передаче момента (т.к. в зависимости от цепочки соединения на каждую зубчатую пару уходит 2% мощности) [1,104], а также частота вращения, передаваемая мощность, эффективность смазочной системы, точность изготовления зубчатых колес и деталей картера. Наибольшее распространение получили трех-и двухвальные коробки передач.
Увеличение числа ступеней приводит к повышению степени использования мощности двигателя, топливной экономичности, средней скорости движения и как результат — к повышению производительности транспортной машины, снижению себестоимости перевозок. С другой стороны; увеличение числа передач усложняет и утяжеляет конструкцию коробки передач; возрастают ее размеры, стоимость, усложняется управление.
К достоинствам ступенчатых коробок передач можно отнести относительную простоту конструкции, изготовления и управления; простота ремонта и обслуживания, высокая прочность и меньшая стоимость по сравнению с бесступенчатыми. Недостатками считаются меньшие возможности перед другими видами коробок передач по диапазону передаточных чисел, массе, габаритам, опасности перегрузки двигателя, сложности при выборе оптимального варианта управления машиной [5, 25, 31].
Главными преимуществами гидромеханических коробок передач является бесступенчатое изменение передаточного числа без разрыва потока мощности, достаточно высокая энергоёмкость, простота механической части конструкции, надёжность в работе, почти все их элементы практически не подвержены износу. Долговечность двигателя и силовой передачи вследствие этого значительно возрастает. Существенно упрощается и облегчается управление. Наличие гидротрансформатора в современной трансмиссии существенно по-
вышает проходимость машины по слабым грунтам. В гидромеханической трансмиссии исключена возможность самопроизвольной остановки двигателя. Вследствие плавного разгона без разрыва в тяге. и демпфирующего действия главного элемента узла - гидротрансформатора - повышается комфортабельность машины. Основной недостаток - низкий КПД. В некоторой степент указанный недостаток исправляется возможностью эксплуатации двигателя на экономичных режимах, но такие недостатки, как большие габариты, масса и стоимость, рассчитанных на передачу полной мощности двигателя, остаётся. В настоящее время гидромеханическими коробками оборудуют 98% выпускаемых в США легковых автомобилей. Для Японии эта цифра равна 60%, для Германии - 30% [2, 9, 19,20, 36].
Из анализа развития конструкций зарубежных транспортных машин [118, 119] и их трансмиссий можно выделить определяющие тенденции роста числа объёмных гидропередач. В простейшем исполнении объёмная гидропередача (ГОП) представляет собой совокупность однотипных объёмных гидромашин: одного насоса и одного или нескольких гидродвигателей. Подобная t передача позволяет раздельно размещать на машине насос и гидродвигатели. Для большинства машин ГОП является наиболее перспективными среди других типов непрерывных передач, вследствие следующих её достоинств: имеют достаточно большой диапазон регулирования передаточного числа, обладают по сравнению с другими бесступенчатыми передачами небольшими габаритами и весом и могут передавать большие мощности. ГОП не являются саморегулируемыми и поэтому позволяют изменять передаточные отношения по любому выбранному закону, защищает двигатель от перегрузок.
К недостаткам ГОП можно отнести следующие: более низкий > КПД по сравнению с другими видами трансмиссий (КПД серийныхТОП составляет 0,7 -*-0,85), большие габариты и вес при малых давлениях (10 — 15 МПа) и трудность уплотнения при больших давлениях (28 - 35 МПа), высокая стоимость и сложность производства [90, 104].
В трансмиссиях транспортных машин применяются электрические и
электромеханические передачи. В простейшем электроприводе в качестве электромашин используется генератор и электродвигатель. Электромеханические передачи имеют следующие преимущества: высокий коэффициент приспособляемости, достигающий 4-5, в то время как для асинхронного электродвигателя переменного тока он не превышает 2,5^ для газовой турбины - 2,5, а для поршневого ДВС - 1,3; простыми средствами осуществляется плавный пуск (трога-ние машины с места); реверсирование, использование электродвигателя в качестве тормоза-замедлителя, а также дистанционное питание и управление.
Наряду с этими* положительными особенностями электропередаче присущи значительные недостатки: большие размеры и масса, необходимость для изготовления дорогостоящих материалов (медь), низкий КПД, который даже на оптимальных режимах не превышает 75%. Областью применения элекропере-дач являются многоприводные транспортные машины и многозвенные автопоезда с активными прицепами. В этих случаях электропередачи сравнимы с механическими и объемными гидропередачами [20, 25, 115].
Из механических коробок передач наиболее перспективными являются; планетарные коробки передач (ПКП). Они обладают меньшими габаритами и массой при том, что значительно увеличивают диапазон передаточных чисел, высокий КПД передачи при отсутствии в ней циркулирующей мощности. Переключение передач в ПКП осуществляется с помощью фрикционов и тормозов, что даёт возможность переключать передачи без разрыва потока мощности, подводимой к ведущим колёсам, и легко автоматизировать управление. Срок службы и бесшумность работы планетарной передачи при одинаковых условиях выше, чем у коробки передач с неподвижными валами, вследствие менее напряжённой работы зубчатых колёс. К недостаткам планетарных передач следует отнести сложность их изготовления и сборки, а также потери на трение в выключенных фрикционах и тормозах, которые заметно снижают, КПД передачи.
Анализ тенденций развития трансмиссий показывает, что на абсолютном большинстве современных и перспективных транспортных машинах применя-
ются гидромеханические коробки передач основу которых составляет планетарная коробка передач. По-видимому, такое положение сохраниться ещё длительное время, пока не будут существенно улучшены характеристики бесступенчатых трансмиссий. Таким образом, исходя из сложившихся в машиностроении традиционных конструкторских решений и учитывая перспективы их развития, первым шагом решения поставленной задачи < является оптимальное управление режимами работы двигателя путём переключения передач трансмиссии и изменения скоростного режима двигателя.
Проектированию планетарных коробок передач для транспортных машин посвящена обширная учебная, научная и справочная литература, но проектирование ПКП на практике встречает затруднения уже на стадии выбора вида ПКП из-за отсутствия системы критериев оценки преимуществ и недостатков одного вида перед другими, а также из-за отсутствия современного метода синтеза одного из наиболее перспективных видов - ПКП на основе сложного планетарного механизма (СПМ) (планетарной передачи с двойным сателлитом, у которого число задействованных полюсов зацепления больше двух). Проблема состоит в том, что для заданных передаточных чисел (полученных после выполнения тягового расчёта машины) можно построить большое многообразие схем планетарных коробок передач. При этом эти схемы будут существенно отличаться между собой по сложности, величине КПД и целому ряду показателей, влияющих на технический уровень вновь разрабатываемой конструкции. Проектирование любого механизма начинается с проектирования его схемы. Последующие расчеты на прочность, конструктивное оформление звеньев и кинематических пар; выбор материалов и другие этапы проектирования, как правило, уже не могут существенно изменить основные свойства: механизма. При» проектировании схемы ПКП по заданным свойствам решается задача синтеза схемного решения. Не владея принципами проектирования ПКП практически, невозможно построить все возможные схемы, реализующие заданные передаточные числа, и тем более выбрать из всего многообразия существующих схем наиболее рациональную.
Таким образом, разработка современных методов синтеза кинематических схем и исследования возможностей планетарных коробок передач со сдвоенным сателлитом для перспективных и существующих трансмиссий многоцелевых транспортных машин является актуальной задачей.
В связи с изложенным, целью диссертационной работы является совершенствование конструктивных и повышение мощностных показателей агрегатов трансмиссии (коробки передач), достигаемых путем разработки новых методов синтеза и анализа схемных решений планетарных коробок передач со сдвоенным сателлитом для перспективных и существующих машин.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны методики синтеза кинематических схем ПКП со сдвоенным сателлитом. Методики позволяют оценить величину необходимой коррекции заданных передаточных чисел для возможности построения схемы ПКП.
Разработаны математическая модель ПКП на основе сдвоенного сателлита в виде совокупности структурных формул и методика инженерного расчета КПД, кинематических и силовых характеристик передачи со сдвоенным сателлитом.
Разработана программа синтеза кинематических схем ПКП на основе сложного пятизвенного механизма (СПМ), дающая возможность по заданной гамме передаточных чисел в автоматическом режиме осуществлять поиск рациональной схемы. Впервые предложена возможность существенно расширить диапазон варьирования внутренних передаточных чисел, вследствие чего возрастает вероятность попадания передаточных чисел необходимых для реализации в область существования определенных схемных решений.
Сравнительный анализ наиболее распространенных разновидностей ПКП с новым видом ПКП на основе СПМ позволяет сделать предпочтение в отношении последнего, относительно массово-габаритных показателей и величине КПД.
Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемые методики синтеза позволяют; во-первых, определить совокупность параметров схемы для ее структурной реализации, для исключения нерациональных схемных вариантов, с заведомо худшими кинематическими возможностями, во-вторых, разобрать функциональные схемы управления, в-третьих, методом моделирования подобрать наиболее приемлемую гамму передаточных чисел и оценить величину коррекции и работоспособность схемы на стадии проектирования. Это способствует сокращению времени и средств при разработке и испытаниях планетарных коробок передач.
Данная работа состоит из 4 глав, содержит 50 рисунков и 4 приложения.
В первой главе анализируется современное состояние вопроса, рассматриваются перспективы применения ступенчатых коробок передач в различных схемных вариантах. Особое значение уделено роли выбора схемы, перечисляются труды предшественников. Дается обоснование преимуществ и недостатков коробок передач (КП) с неподвижными осями, с различным расположением валов; приводятся расчетные зависимости для определения передаточных чисел. Определяются максимальные; диапазоны и КПД КП. Приводится классификация ПКП, определяется цель и задача работы по совокупности известных требований и технических решений.
Во второй главе рассматривается сравнительный анализ видов планетарных коробок передач, в частности - видов планетарных рядов, входящих в состав коробок передач, а также приводятся вопросы синтеза ПКП с двумя и тремя степенями свободы по уравнениям кинематики, построение схемы ПКП аналитическим и графическим методом. Исследуется вопрос выбора; схемного решения из большого числа возможных вариантов. Излагается методика назначения величины передаточных чисел ПКП и выбор числа передач, описан синтез ПКП с планетарным рядом на входе и выходе.
В третьей главе приводится разработка математической модели ПКП на основе СПМ. Целью исследований является оценка эффективности технических решений (в виде структурной схемы) для обеспечения совокупности требова-
ний к системе, из которых рассматриваются наиболее важные. Во-первых, в качестве динамической модели ПКП на основе СПМ рассматривается коробка передач состоящая из пяти звеньев и имеющая в своем составе сдвоенный сателлит. В качестве независимых целевых функций выступают заданные передаточные числа, получаемые в результате решения системы уравнений, представляющих собой аналитические зависимости кинематики движения. Наиболее полно возможности ПКП рассматриваются при структурном синтезе СПМ. Во-вторых, приводится номографический метод синтеза схемы ПКП; Номограммы - области существования t ПКП на основе СПМ. В третьих, исследуется графический метод синтеза ПКП на основе СПМ, суть которого заключается в использовании плана линейных скоростей, который строится по заданным передаточным числам. Приводится методика инженерного расчета КПД, кинематических и силовых характеристик передачи со сдвоенным сателлитом. В четвертых, излагается программа синтеза кинематических схем ПКП на основе СПМ; Программа позволяет существенно расширить диапазон ? варьирования внутренних передаточных чисел.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям, проводимым с помощью программы синтеза схем ПКП на основе СПМ^ суть которых состоит в возможности построения схемы реализующей заданные передаточные числа. Из полученных вариантов осуществляется выбор схемы с рациональными параметрами. Адекватность теоретических расчетов и аналитических зависимостей, используемых в алгоритме программы синтеза, была проверена решением этой же задачи графическим методом синтеза. Исследования имитационной* модели, ПКП (редукторная часть домкрата установки РСД-10) подтвердили справедливость теоретических предпосылок представленных в методике определения КПД ПКП на основе СПМ. Относительная простота схемных решений ПКП со сдвоенным сателлитом обеспечивает простоту конструкций и малые габариты при высоком КПД.
Диссертация выполнена на кафедре «Автоматические установки» Волгоградского государственного технического университета и является частью исследований по проектированию и совершенствованию трансмиссий транспортных и тяговых машин, проводимых под руководством к.т.н., доцента В.Ф.Зуб-кова, В работе использованы идеи В.Ф. Зубкова. Автор выражает признательность научному руководителю, заведующему кафедрой «Автоматические установки», д.т.н., профессору В.М. Труханову за помощь, оказанную при выполнении настоящей работы.
Планетарные коробки передач (ПКП)
Вопросами проектирования планетарных передач, синтеза схем, исследованиями их динамики и надежности в нашей стране и за рубежом в разное время занимались: А.С. Антонов, Э.А Арапетов, К.Б. Арнаудов, А.Л Вашец, Виллис, Ю.И. Волченко, Э.Б. Булгаков, А.Е. Гинсбург, Е.Г. Гинзбург, Л.М. Гаркави, E.F. Глухарев, Л.В. Григоренко, Б.С. Гахенсон, Е.А. Григорьев, Доб-белер, Ю. А.Державец, А.Н. Иванов, П.Н; Иванченко, К.И. Заблонский, А.Л. Запорожец, В.Ф. Зубков, Г.Ф. Камнев, М.А. Крейнес, В.Г. Марков, Ю.Н. Кирдя-шев, В.Н. Кудрявцев, Е.С. Кисточкин, И.С. Кузьмин, Н.Г. Кузнецов, В.Р. Каштан, B.C. Колесников, М.С. Розовский В.Н. Рудницкий, Е.П. Руденко, Н.Ф. Руденко, Д.Н. Решетов, Л.Н. Решетов, Р.А. Свани, Г.И. Скундин, B.C. Сафро-нов, Р.А Сакаев И.В. Сигов, Ю.А. Сушков Г.И. Татарчук, В.М. Труханов, А.Л. Филлипенков, В.М. Шарипов, Д.И. Шаткус, Н.А. Щельцин, К.И. Городецкий, В.М. Ястребов, другие учёные и исследователи.
В планетарных передачах одно или несколько зубчатых колёс, кроме относительного вращения вокруг своих осей, имеют ещё и переносное вращение вместе с осями, представляют собой соединение нескольких планетарных рядов, различное сочетание которых обеспечивает получение необходимого диапазона передаточных чисел и числа передач. Включение передач в ПКП достигается торможением или блокировкой отдельных её звеньев. В настоящее время планетарные коробки передач находят всё большее применение [26, 33, 45, 47, 49, 50] как в гусеничных, так и в колёсных машинах благодаря ряду присущих им существенных преимуществ, основными из которых являются следующие.
- Малые габариты и вес, которые зачастую предопределяют выбор типа коробки передач. Большая компактность планетарных передач в сравнении с не планетарными объясняется, прежде всего, распределением нагрузки в каждом ряду между несколькими сателлитами. Кроме того, подводимая мощность может быть передана параллельными потоками, если одновременно нагружено несколько планетарных рядов. Следовательно, в самой схеме планетарных передач заложена возможность получения значительно меньших габаритов и веса по сравнению с не планетарными. Таким образом, обеспечивается необходимая: жёсткость конструкции и исключается возможность. неполного контакта зуба. Кроме того, внутреннее зацепление обладает повышенной прочностью, так как имеет большой приведённый радиус кривизны в зацеплении. Вследствие уравновешенности системы большинство подшипников разгружены от радиальных сил, что даёт возможность применять малогабаритные подшипники скольжения. Исследования показывают, что переход от обычных передач к планетарным [43] при равных условиях приводит к снижению веса в 1,5 - 5раз.
- Малые модули зубчатых колес, которые в планетарных трансмиссиях современных гусеничных машин равны 3—5, а в не планетарных доходят до 10— 14. Изготовление же шестерен с большим модулем связано с повышенной приводной мощностью станков, с большей нагрузкой на них, с повышенным износом узлов станка и расходом режущего инструмента и т. п. Кроме того, от модуля непосредственно зависят габариты и вес зубчатых колес [43, 52, 55, 62].
- Отсутствие радиальных нагрузок на опоры основных звеньев планетарной передачи благодаря симметричному расположению сателлитов: Это позволяет использовать в качестве указанных опор подшипники минимальных размеров, устанавливаемые по конструктивным соображениям [13, 63, 65]. Кроме того, эта особенность планетарных передач позволяет применять конструкции с так называемыми плавающими звеньями: В этом случае одно из основных звеньев планетарного ряда вообще не устанавливается на подшипниках, а центрируется самимзубчатым венцом, что позволяет еще больше снизить габариты и вес. В: исключительных случаях можно устанавливать на подшипниках только водило планетарного ряда, а эпицикл и солнечную шестерню выполнять плавающими. - Высокий коэффициент полезного действия планетарной передачи при от 22 сутствии в ней циркулирующей мощности, что предопределяется правильным выбором ее кинематической схемы [48, 55, 58, 61, 62].
Использование фрикционных элементов для переключения передач. Благодаря этому имеется возможность переключать передачи на ходу машины без разрыва потока мощности, подводимой к ведущим колесам, и легко автоматизировать управление [48, 104].
Планетарные передачи обладают возможностью получения больших передаточных чисел при небольшом числе зубчатых колёс, а также наличием взаимной компенсации окружных усилий (эти усилия на центральные подшипники не передаются, они воспринимаются только подшипниками сателлитов).
Фрикционные элементы для включения передач в планетарной трансмиссии обеспечивают или передачу на картер реактивных моментов посредством тормозов, или блокировку планетарных рядов при помощи блокирующих фрикционов. Надежность работы планетарной трансмиссии в процессе эксплуатации в большой степени зависит от надежности фрикционных элементов. Срок службы и бесшумность работы планетарной передачи при одинаковых условиях эксплуатации выше, чем у коробки передач с неподвижными осями, вследствие менее напряженной работы зубчатых колес.
К числу недостатков планетарных передач [69, 70, 72] следует отнести сложность их изготовления и сборки, особенно при создании многорядных компактных трансмиссий, которые для обеспечения надежной работы требуют также повышенной точности изготовления основных деталей: В результате плотной компоновки увеличиваются барботажные потери, значительно возрастающие при использовании работающих в масле фрикционов: Для планетарных передач характерно наличие трубчатых соосных валов, сложных в изготовлении многодисковых фрикционов и тормозов, увеличивающих габаритные размеры коробок. Подшипники сателлитов (в зависимости от точности изготовления) нагружены значительными центробежными силами вследствие больших переносных скоростей.
Пример построения схемы ПКП аналитическим методом синтеза
Планетарными коробками передач с тремя степенями свободы называются ПКП, в которых для получения фиксированного передаточного числа необходимо включить два управляемых элемента (тормоза, муфты или их сочетания). По сравнению с ПКП с двумя степенями свободы они имеют преимущество по необходимому числу управляемых элементов при числе передач N 4, увеличивающееся с увеличением передач [104, 126, 134], поскольку: N = C2n, (2.38) где п — число управляемых элементов. Уравнение кинематики ПКП с тремя степенями свободы имеет вид: асо0 + Ьсох + ссор + dcor = 0, (2.39) где Q)Q — угловая скорость входного звена; СОх — угловая скорость выходного звена; СОр и СОг— угловые скорости тормозных звеньев или относительные угловые скорости двух звеньев, соединяемых муфтой; а, Ь, с, d — постоянные коэффициенты связанные зависимостью (2.43). a + b + c + d = 0. (2.40)
Выявление уравнений кинематики отдельных планетарных рядов, составляющих ПКП, и мест расположения; муфт по уравнению кинематики ПКП (2.41) затруднительно [50, 104], поэтому метод синтеза ПКП по уравнениям кинематики отсутствует. Применяются методы синтеза по плану угловых скоростей и последовательным соединением ПКП с двумя степенями свободы.
Синтез планетарных коробок передач с тремя степенями свободы основывается на плане относительных угловых скоростей.
В качестве исходных данных берём те же передаточные числа, что и для планетарной коробки передач с двумя степенями свободы, но одновременно имеем в виду, что строго реализовать заданную гамму передаточных чисел в трёхстепенной коробке передач в принципе невозможно из-за того, что число планетарных рядов меньше числа передаточных чисел.
План относительных угловых скоростей представлен на рис. 2.4, из которого видно, что для точной реализации намечены передаточные числа 0,4, 0,57, 0,75, 1,0, 1,33. Передаточные числа 1,75 и 2,5 объединены в одной точке, так, что / = 2,0. Одновременно появилось передаточное число / = — 1,2.
В соответствии с правилами построения кинематических схем [50, 104, 126, 134] ПКП с тремя степенями свободы по плану относительных угловых скоростей найдены планетарные ряды (для их получения пришлось ввести соединительные звенья а и р) и места установки блокировочных фрикционов Фх и Ф2.
Конструктивная сложность ПКП с тремя степенями свободы, ее масса и надежность в значительной степени определяются количеством трехзвенных дифференциальных механизмов (ТДМ) и числом элементов управления.
ПКП с демультипликатором (двухскоростным редуктором на выходе) выполняется для того, чтобы сократить число планетарных рядов при том же числе передач за счёт удвоения числа передач с помощью демультипликатора [50, 103]. При этом коробка передач превращается формально в коробку передач с тремя степенями свободы, поскольку на каждой передаче включены два управляемых элемента (один, собственно, в коробке передач, другой в демультипликаторе).
Первая задача синтеза состоит в назначении величин передаточных чисел демультипликатора. Естественно назначить одно из передаточных чисел равным единице, что в случае применения в качестве демультипликатора в виде планетарного ряда обеспечивается включением блокировочного фрикциона. При этом на выходе из системы «ПКП с двумя степенями свободы - демультипликатор» просто повторяется передаточные числа ПКП. Второе передаточное число следует определить по выражению: Таким образом, полный ряд передаточных чисел двухстепенной ПКП с демультипликатором выглядит так: /1=0,4; /2=0,57; /3=0,75; /4 =1,0 ;/5= 1,32 ; /б=1,88; /7=2,5; /8=3,3.
Это говорит о том, что диапазон передаточных чисел расширился в 1,32 раза за счёт того, что число передач стало не 7, а 8. Естественно, что при этом тягово - скоростные качества машины улучшаются. Синтез ПКП с двумя степенями свободы и демультипликатором, проведённый по аналогии с разделом 2.2 настоящей работы реализован в следующей схеме (рис. 2.6).
Графический метод синтеза ПКП с двумя степенями свободы на основе СПМ
Кинематическая схема коробки передач определяется так: Звено, линия скоростей которого занимает промежуточное положение из трёх, соответствует водилу (на плане скоростей это линия 1). На тройке лучей 00, 01 и 02 строится параллелограмм с вершиной в точке 0 на исходной горизонтали (диагональ параллелограмма bed является линией скоростей сателлита планетарного ряда, образованного звеньями 0, 1, 2); на тройке лучей 0Х, 01 и 03 также строится параллелограмм с вершиной в точке 1 (диагональ параллелограмма ае является линией скоростей сателлита элементарного планетарного ряда, образованного звеньями X, 1, 3). Условием существования сложного планетарного механизма, образованного звеньями X, 0, 1, 2 и 3, является совпадение линий скоростей (сателлитов) двух параллелограммов; если совпадения нет, то можно попытаться его добиться, смещая линии 01 02 и 03. При этом будет происходить отклонение величин ip от заданных значений. Вновь получаемые величины ip под считываются по выражению р Vn (3.22)
Разработчик коробки передач должен принять решение о приемлемости для конструкции отклонений передаточных чисел от заданных величин. Параметры элементарных планетарных рядов (внутренние передаточные числа), входящих в состав СПМ, определяются величинами отношений ординат вершин параллелограммов (а п е; b к d). Для упрощения работы предлагается на поле плана выделить зоны, расположение в которых вершин параллелограммов гарантирует получение параметров элементарных планетарных рядов в приемлемых пределах. Поскольку в практике машиностроения 1,5 /с = - 4,5, (3.23) Гс где гэ - радиус эпицикла; гс - радиус солнца.
Зоны приемлемых габаритных размеров КП выделяются следующим образом. От линии расположения осей сателлитов или, что тоже самое, от горизонтали расположения (горизонталь, расположенная на уровне радиусов водил гв=г0/2 в два раза меньше уровня исходной горизонтали) откладываются вверх и вниз горизонтали на расстояниях 0,2гв и 0,6гв. Зона, расположенная между двумя последними горизонталями, и есть зона, разрешённая для расположения вершин параллелограммов.
Полученные элементарные ряды объединяются в СПМ простым соединением венцов сателлитов. Кинематическая схема коробки передач на основе СПМ по заданным в примере передаточным числам представлена на рис. 3.18. Передача i - 1, получается блокировкой любых двух звеньев, но соединяться должны соседствующие звенья (наивыгоднейшее место установки блокировочной муфты там, где передаваемый ею момент наименьший) [36]. В нашем случае выгоднее блокировать звенья 0 и 2. При этом момент, передаваемый блокировочным фрикционом, составит Мбф=М0В, (3.24) где MQ - момент на входе в коробку передач; ХО и 02 - отрезки на исходной горизонтали. В результате синтеза ПКП, проведенного графическим методом (по плану скоростей) была разработана кинематическая схема, соответствующая схеме №10, полученной в результате номографического метода с измененной топологической структурой (структурной связью звеньев), но с одинаковой кинематикой. К преимуществам графического метода синтеза можно отнести: возможность определения момента блокировочного фрикциона (для получения прямой передачи) и место его установки в ПКП; определение величин внутренних передаточных чисел планетарных рядов входящих в состав КП в ходе проведения синтеза; корректировка отклонений передаточных чисел от заданных величин.
Методика расчета коэффициента полезного действия ПКП на основе сложных планетарных механизмов В п. 3.1.1 и п. 3.2 данной диссертации представлены методы синтеза кинематических схем планетарных коробок передач на основе сложных планетарных механизмов, представляющих собой планетарные ряды с двойными сателлитами, у которых число задействованных полюсов зацепления больше двух [53, 125]. Методы позволяют синтезировать ПКП по заданной гамме передаточных чисел, причем в получаемых схемах параметрами, характеризующими схемы, являются внутренние передаточные числа элементарных планетарных рядов с одновенцовыми сателлитами, входящих в состав сложных планетарных механизмов. Эти же параметры входят в состав аналитических выражений для; расчета скоростных передаточных чисел ПКП на каждой передаче. По аналитическим выражениям для расчета скоростных передаточных чисел можно, пользуясь методом М.А. Крейнеса [69, 104], найти аналитические выражения и численные значения для расчета силовых передаточных чисел, а делением силовых величин на скоростные найти и КПД.
Особенностью расчета КПД для рассматриваемых планетарных коробок передач состоит в том, что аналитические выражения для передаточных чисел содержат параметры элементарных рядов, а работа ПКП происходит часто с использованием двухвенцовых рядов, внутренние передаточные числа которых (параметры), отличаются от внутренних передаточных чисел элементарных рядов.
Дальнейшее изложение вопроса удобно провести на конкретном примере, в качестве которого возьмем трехскоростную ПКП на основе сложного планетарного механизма, схема которой представлена на рис. 3.19.
Программа синтеза кинематических схем ПКП со сдвоенным сателлитом по заданной гамме передаточных чисел
Основной информацией количественного характера для оценки схем являются результаты силового и кинематического расчета [1, 70, 71,130]. Они позволяют судить о нагрузочных и скоростных режимах работы основных элементов (зубчатых колес, подшипников сателлитов, фрикционов: моменты, угловые скорости и мощности на звеньях, а также КПД) коробок передач и выработать мнения о надежности конструкций реализующих рассматриваемые кинематические схемы.
Распределение мощности по звеньям. Мощность комплексно характеризует нагруженность зубчатых колес и подшипников сателлитов. (Для сателлитов и их подшипников рассматривается мощность на соответствующих водилах). На рис. 3.22 - 3.31 показаны функции изменения КПД по передачам при минимально и максимально возможных значениях передаточных чисел для каждой схемы.
Из данных графиков видно, что функции КПД при минимально и максимально возможных значениях передаточных чисел (как положительных, так и отрицательных) на разных передачах принимают различные значения, что свидетельствует о многофакторности и сложности процесса передачи мощности. К числу таких факторов можно отнести: назначение передачи (в качестве,замедляющей или ускоряющей); число полюсов зацепления участвующих на определенных передачах; наличие в схеме замкнутых контуров (циркуляция мощности - значение мощности на некоторых звеньях превышает значение входной мощности, что ведет к увеличению нагрузок и снижению КПД); величины передаточных чисел; значения внутренних передаточных чисел элементарных планетарных рядов задействованных на определенных передачах; точность изготовления передачи (повышение значения Г]0).
Для схем, в которых используются три полюса зацепления характерно наличие областей допустимых значений КПД (схема № 5 (первая и третья пере дачи) рис. 3.26; схема № 6 (первая и третья передачи) рис. 3.27; схемы № 7 и № 8 (вторая и третья передачи) рис. 3.28, рис. 3.29; схемы № 9 и № 10 (вторая и третья передачи) рис. 3.30 и рис. 3.31 соответственно). В случае трехполюсного зацепления в функцию КПД, помимо обобщенного передаточного числа, входит постоянная величина, полученная в результате решения системы уравнений (таблица 3.11), принимающая предельные значения внутреннего передаточного числа элементарного планетарного ряда.
Кинематический расчет ПКП с СПМ проводился аналогично расчету сложной передачи, путем ее разбивки на простые планетарные ряды с общим водилом и сателлитами, с исключением неработающих полюсов зацепления и ступени с неподвижными осями. Уменьшение значения КПД для некоторых схем объясняется наличием циркулирующей мощности, возникающей при следующих условиях (при рассмотрении простых планетарных рядов составляющих передачу) [Зубков]: 1) Если имеется замкнутый контур; 2) Если солнце и эпицикл вращаются в разные стороны.
Анализ формул на рис. 3.22 - 3.31 показывает, что КПД замедляющих передач с ведущим центральным колесом понижается незначительно при увели-чении передаточного отношения. КПД замедляющих передач с ведущим водилом быстро убывает с увеличением передаточного отношения.
Графики функции КПД остаются постоянными и равными значению Щ на всем интервале изменения; передаточного числа в том случае, если работает один планетарный ряд при остановленном водиле, с внутренним передаточным числом Kj или к2 (схемы № 5 и № 6 (вторая передача)), а также схемы № 7- № 10 (первая передача) с объединенным передаточным числом. Все теоретические расчеты проводились при условии, что значение TjQ близко к единице и для интервала значений КПД от 0,9 до 1. На некоторых интервалах передаточных чисел были получены значительно низкие или отрицательные значения КПД, что свидетельствует о неприменимости формул М.А. Крейнеса в данных областях.
У коробок передач современных транспортно-тяговых средств на передачах переднего хода, как правило, нет циркуляции мощности. На передачах заднего хода циркуляция мощности допускается, так как они используются сравнительно редко [4,26, 44, 68].
Нагрузки на фрикционах. Размеры фрикционов предварительно выбирают исходя из передаваемых ими моментов. В дальнейшем возможно уточнение этих размеров по результатам динамического расчета удельной работы и максимально удельной мощности буксования при включении фрикциона в наиболее неблагоприятных режимах. Во всех, случаях нагрузки на фрикционах во многом определяют надежность и габариты коробки передач.
Если на передаче включены два и более тормоза, то тормозной момент распределяется между ними [29, 34]. При этом возможны случаи, как разгрузки, так и перегрузки тормозов. Для оценки нагруженности тормоза можно использовать коэффициент Мп От- М0(/,-1) (3.40) где Мт- момент, передаваемый тормозом на /-й передаче; М0— момент на входе в ПКП.
Похожие диссертации на Синтез кинематических схем планетарных коробок передач со сдвоенными сателлитами для перспективных гусеничных машин
