Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема анализа и синтеза динамических характеристик силовых передач 22
1.1 Нагруженность силовых передач тягово-транспортных средств. 22
1.1.1 Факторы, влияющие на нагруженность силовой передачи в эксплуатации 22
1.1.2 Факторы, определяющие нагруженность силовой передачи в эксплуатации 24
1.1.3 Характер нагруженности деталей силовой передачи 32
1.1.4. Повышение долговечности элементов силовых передач вслед- 35
ствие снижения их динамической нагруженности
1.2 Обзор исследований в области динамики силовых передач 37
1.2.1 Анализ работ отечественных и зарубежных исследователей в области динамики силовой передачи 37
1.2.2 Анализ опыта разработки и тенденции совершенствования динамических моделей силовых передач ТТС 48
1.3 Анализ проблемы синтеза динамических характеристик
силовых передач. Задачи работы 53
Заключение по главе 62
2 Теоретические основы разработки динамических моделей силовых передач 64
2.1 Основные определения 64
2.2 Виды моделей 68
2.3 Принимаемые допущения 70
2.3.1 Допущения, принимаемые при построении моделей 70
2.3.2 Допущения, принимаемые при исследовании моделей 71
2.3.3 Линейные и нелинейные модели 72
2.4 Требования к моделям 75
2.5 Основные этапы создания модели 76
2.5.1 Определение цели и задачи исследований 76
2.5.2 Разработка структурной схемы передачи 78
2.5.3 Редукция модели 79
2.5.3.1 Методы редукции 19
2.5.3.2 Получение критерия ограничения редукции модели 83
а) понятие динамической связанности колебаний звеньев модели 84
б) сильная и слабая динамическая связанность колебаний звеньев модели 87
в) критерий ограничения редукции модели 88
г) физический смысл коэффициента динамической связанности 89
д) сложность получения аналитического выражения для коэффициента у 89
е) предлагаемый новый способ определения коэффициента динамической связанности 94
2.6 Предлагаемая методика разработки динамических моделей силовых передач ТТС и выбора способов их исследования 94
Заключение по главе 97
3 Разработка автоматизированной системы построения динамических моделей силовых передач 101
3.1 Необходимость автоматизации процесса создания модели 101
3.2 Автоматизированный расчет параметров элементов с одно- временным формированием начальной многомассовой модели.. 103
1 Методика расчетов и построения модели 103
2 Практическое применение метода 109
Автоматизированное редуцирование модели 111
1 Метод редукции 111
2 Практическое использование метода 112
Точность описания элементов разрабатываемой модели 116
Заключение по главе 119
Разработка методов автоматизированного анализа собственных частотных характеристик и степени динамической связанности звеньев силовых передач 120
Методы расчетного определения частот и форм собственных колебаний 122
Автоматизированное определение собственных частот и форм колебаний на основе программного комплекса DASP 127
1 Метод расчетного определения 127
2. Практическое применение метода 128
Метод анализа влияния изменения упруго-инерционных параметров элементов передачи на изменение спектра ее собственных частот 130
1 Методика исследования изменения собственных частот передач и их базовых компонентов 133
2 Результаты исследований 134
3 Анализ результатов исследования и их практическая ценность.. 138 Метод анализа влияния параметров элементов передачи
на динамическую связанность колебаний ее звеньев 141
1 Результаты исследований 143
4.4.2 Анализ результатов исследования 151
4.4.3 Возможность практического использования результатов исследования 153
Заключение по главе 154
5 Разработка метода анализа влияния упруго- инерционных параметров элементов передачи на характер распространения в ней крутильных колебаний 157
5.1 Анализ влияния параметров элементов передачи и возмущаю щего воздействия на распространение крутильных колебаний в валопроводе 157
5.1.1 Метод исследований . 158
5.1.2 Анализ влияния изменения жесткости связей 163
5.1.2.1 Результаты исследований 163
5.1.2.2 Влияние частоты возмущения при изменении жесткости связей 166
5.1.2.3 Влияние места приложения нагрузки при изменении жесткости связей 167
5.1.3 Анализ влияния изменения моментов инерции масс 168
5.1.3.1 Результаты исследований 168
5.1.3.2 Влияние частоты и места приложения возмущения при изменении моментов инерции масс 170
5.1.4 Анализ результатов исследования 171
5.1.5 Возможность практического использования результатов исследования 172
5.2 Анализ влияния параметров элементов передачи и возмущаю щего воздействия на передачу валопроводом энергии крутиль ных колебаний 174
1 Постановка задачи и метод исследований 174
Влияние степени динамической связанности колебаний звеньев передачи на характер распространения в ней колебательной энергии 175
1 Постановка задачи и методика исследования 175
2 Результаты исследований 178
3 Анализ результатов исследований 187
Метод определения оптимальных с точки зрения нагруженности параметров элементов силовой передачи 187
Заключение по главе 189
Применение разработанных методов для анализа динамических характеристик силовой передачи трактора ВТ-100 192
Анализ влияния изменения моментов инерции масс и жестко
сти связей передачи на изменение ее собственных частот 192
1 Постановка задачи и методика исследования 192
2 Результаты исследования 195
2.1 Анализ влияния изменения жесткости связей 195
2.2 Анализ влияния изменения моментов инерции масс 197
3 Анализ результатов исследования 200
Анализ влияния изменения упруго-инерционных параметров элементов передачи на распространение крутильных колебаний 201
1 Постановка задачи и методика исследования 201
2 Анализ характера прохождения колебаний по валопроводу 202
3 Влияние жесткости связей на нагруженность передачи 206
4 Влияние на нагруженность моментов инерции масс 214
5 Анализ результатов исследования влияния 218
6 Влияние изменения моментов инерции вращающихся масс двигателя на нагруженность участков передачи ^-17
6.2.7 Анализ возможностей снижения нагруженности силовой пере дачи от динамического воздействия гусеничного движителя 221
6.2.7.1 Влияние изменения жесткости связей 222
6.2.7.2 Влияние изменения моментов инерции масс 222
6.2.7.3 Анализ результатов 223
6.3 Исследование и многокритериальная оптимизация нагруженности силовой передачи 224
6.3.1 Результаты исследований первого этапа 224
6.3.1.1 Нагруженность при воздействии с частотой 0,1 Гц 224
6.3.1.2 Нагруженность при воздействии с частотами 1 и 2 Гц 225
6.3.1.3 Нагруженность при воздействии с частотами 12 и 24 Гц 226
6.3.1.4 Нагруженность при воздействии с частотой 30 Гц 228
6.3.1.5 Нагруженность при воздействии с частотой 45 Гц 229
6.3.1.6 Нагруженность при воздействии с частотами 60, 75 и 90 Гц 230
6.3.1.7 Нагруженность при воздействии с частотами 105 и 120 Гц 230
6.3.2 Результаты многопараметрической оптимизации нагруженно сти передачи 231
6.4 Анализ результатов оптимизации 240
Заключение по главе 243
7 Разработка метода анализа и синтеза диссипативных характеристик силовой передачи для управления нагруженностью на резонансных режимах 247
7.1 Опасность резонансных режимов работы 247
7.2 Метод анализа и целенаправленного синтеза совокупности диссипативных параметров элементов силовых передач 249
7.3 Исследование влияния изменения диссипативных параметров элементов силовой передачи трактора Т-5 на нагруженность ее
участков 253
7.4 Анализ результатов исследования 259
Заключение по главе 264
8 Разработка стендов для испытания трансмиссий и метода синтеза их динамических характеристик 266
8.1 Методики стендовых испытаний трансмиссий 266
8.1.1 Современные подходы к формированию нагрузочных режимов 266
8.1.2 Анализ нагруженности трансмиссий тракторов ВгТЗ в эксплуатации 268
8.1.3 Методика ускоренных стендовых испытаний трансмиссий тракторов ВгТЗ 270
8.2 Разработка стендового оборудования для испытания трансмис
сий 272
8.2.1 Стенд с гидрозамкнутым силовым контуром 272
8.2.1.1 Конструкция стенда 273
8.1.1.1 Характер изменения нагрузок в силовой цепи стенда 279
8.2.2 Стенд с механическим замыканием силового контура 280
8.2.2.1 Конструкция стенда 280
8.3 Несоответствие динамических характеристик силовых передач стенда и тягово-транспортной машины 285
8.4 Метод целенаправленного формирования спектра собственных частот силовой передачи испытательного стенда 287
8.4.1 Получение заданной частоты в собственном спектре
силовой передачи стенда за счет изменения жесткости связи 288
8.4.2 Получение заданной частоты в собственном спектре силовой передачи стенда за счет изменения момента инерции массы 290
8.4.3 Формирование спектра собственных частот силовой передачи 291
стенда
Использование метода для формирования динамических характеристик стенда с механическим замыканием силового контура 292
1 Динамические модели силовых передач трактора и стенда 292
2 Методика формирования частотных характеристик силовой передачи стенда 296
3. Оценка адекватности разработанных динамических моделей
автотракторных силовых передач и стендов 298
Формирование частотных характеристик силовой передачи
стенда с КЧПМ 307
Формирование частотных характеристик силовой передачи
стенда с ГЗСК 315
Устройства для управления упруго-инерционными свойствами
элементов силовой передачи 316
Заключение по главе 325
Основные результаты и выводы 328
Литература
- Характер нагруженности деталей силовой передачи
- Допущения, принимаемые при исследовании моделей
- Автоматизированный расчет параметров элементов с одно- временным формированием начальной многомассовой модели..
- Метод анализа влияния изменения упруго-инерционных параметров элементов передачи на изменение спектра ее собственных частот
Введение к работе
Круг задач, решаемых при помощи автотракторной техники, постоянно расширяется. Прогресс в области автотракторостроения в последнее время характеризуется созданием все большего разнообразия тяговых и транспортных средств - постоянно создаются новые и модернизируются серийно выпускаемые машины. При этом, в соответствии с требованиями прогресса, непрерывно повышаются требования к функциональным качествам машин, касающиеся их эффективности, производительности, универсальности, быстроходности, динамичности, энергонасыщенности. С другой стороны, к современным тягово-транспортным средствам (ТТС) предъявляются все более жесткие потребительские требования, касающиеся удобства в эксплуатации, надежности, долговечности, безотказности, бесшумности и малой виброактивности.
Как те, так и другие показатели машин впрямую зависят прежде всего от качества и нагруженности их основных рабочих узлов, определяющих в конечном итоге функциональные и потребительские показатели всей машины.
Одним из важнейших элементов ТТС является комплекс узлов трансмиссии, или силовой передачи, непосредственно задействованных в передаче мощности от двигателя к движителю.
Нагруженность силовой передачи ТТС в эксплуатации имеет динамический характер. Динамическая составляющая нагрузки формируется в результате действия как внешних (внешняя динамика), так и внутренних (внутренняя динамика) возмущающих воздействий. Основными внешними нагружающими факторами для передачи считаются флуктуации тягового сопротивления и крутящего момента двигателя, возмущения от колебаний остова на подвеске, для гусеничных машин - от неравномерности перемотки гусеницы, а также воздействия со стороны системы управления. Основными внутренними нагружающими факторами считаются кинематические и силовые возмущения от перезацеп 11
ления шестерен, несоосности валов, неравномерности вращения кардана, деформаций и смещений корпусных деталей.
Изменить нагруженность передачи от действия внешних нагрузок обычно не представляется возможным. Но ее полная нагруженность в не меньшей степени зависит от внутренних возмущений. Неравномерность действия внешних нагрузок приводит к возникновению в силовом валопроводе крутильных и изгиб-ных колебаний. Характер этих колебаний оказывает существенное влияние на интенсивность проявления внутренних возмущений, которые, в свою очередь, оказывают влияние на колебательные процессы. Колебательный характер нагрузок приводит к перекосам контактирующих зубчатых пар, шлицевых и шпоночных соединений, подшипников и других деталей. При этом в них постоянно возникают дополнительные концентрации напряжений, приводящие к усталостной потере прочности, отказам и поломкам. По современным данным, до 80 % отказов в силовой передаче обязано своим происхождением именно колебаниям.
Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что на нагруженность передачи от внутренних возмущений решающее влияние оказывает правильность выбора ее собственных динамических характеристик, определяемых комплексом упруго-инерционных и диссипативных параметров элементов.
При традиционных способах проектирования ТТС размеры деталей их силовых передач получают, исходя, в первую очередь, из требования обеспечения необходимой прочности и долговечности. При этом обычно учитывается действие на передачу только внешних нагрузок. Динамичность их действия учитывается вводом коэффициентов динамичности. Таким образом, упруго-инерционные и диссипативные параметры элементов силовой передачи, от которых в решающей степени зависит ее внутренняя динамика, получаются производными от геометрических параметров деталей, полученных без учета на-груженности от внутренних возмущений, то есть собственные динамические характеристики передачи формируются в условиях неполного учета степени действительной нагруженности элементов. Причиной этого является отсутст 12 виє на этапе проектирования данных об упругих, инерционных и диссипатив ных свойствах элементов передачи. При этом в результате одновременного действия внешних и внутренних возмущений часто оказываются недопустимо высокими виброактивность и шумность передачи, страдает долговечность элементов, а иногда и не обеспечивается требуемая прочность.
Устойчивой тенденцией в современном автотракторостроении является увеличение единичной мощности и универсальности выпускаемых машин. С повышением универсальности и энергонасыщенности ТТС нагруженность деталей их силовых передач, обусловленная действием внешних нагрузок, качественно изменяется - расширяется диапазон их амплитуд, спектров частот и законов изменения. Это неизбежно приводит к качественному изменению нагруженности передачи также вследствие действия внутренних возмущений. В соответствии с данными российских и зарубежных авторов, доля внутренних возмущений в нагруженности передач постоянно увеличивается и во многих случаях их повреждающее действие даже превышает действие внешних нагрузок.
В связи с этим, все более важное значение приобретает проблема целенаправленного формирования на этапе проектирования динамических характеристик автотракторных силовых передач на основе анализа влияния на их нагру-женность динамических параметров элементов передач и внешних и внутренних нагружающих факторов.
Ввиду того, что в настоящее время отсутствуют методы, позволяющие на этапе проектирования, то есть в условиях неполноты информации о динамических параметрах элементов, в достаточной мере учесть влияние на нагруженность передач внутренних возмущений, указанная проблема не получила полного разрешения. Тем временем именно на этапе проектирования имеются возможности целенаправленного формирования комплекса динамических параметров элементов передачи для обеспечения их требуемой нагруженности в эксплуатации. Следовательно, необходимо создание методов, позволяющих оценивать динамическую нагруженность каждого элемента силовой передачи при действии внешних и внутренних возмущений, когда параметры элементов задаются некоторыми предположительными диапазонами значений.
Изложенное позволяет сформулировать цель настоящей работы - повышение технического уровня автотракторных силовых передач путем снижения динамической нагруженности в эксплуатации за счет целенаправленного формирования на этапе проектирования их динамических характеристик с учетом внешних и внутренних нагружающих факторов.
Для реализации цели в работе предложен комплекс теоретически обоснованных методов и средств, обеспечивающих целенаправленное формирование собственных динамических характеристик силовых передач ТТС на этапах проектирования и доводки.
Важнейшими динамическими характеристиками силовой передачи являются собственные частотные характеристики, то есть частоты и формы собственных колебаний. Наряду с характеристиками возмущающих воздействий и диссипативными характеристиками они определяют возможность работы передачи в резонансных режимах и интенсивность резонансов.
Исходя из важности вопроса, в работе создан метод, позволяющий не только анализировать, но и целенаправленно формировать собственные частотные характеристики силовых передач. С использованием метода выполнены исследования, позволившие выявить ряд закономерностей, характеризующих изменение собственных частот при изменении упруго-инерционных параметров элементов в диапазоне, характерном для автотракторных силовых передач. Получен также комплект графиков, позволяющий определять характер изменения собственных частот таких передач без выполнения расчетов. Использова ниє в практике проектирования созданного метода, выявленных закономерностей и комплекта графиков позволяет решать задачи анализа и целенаправленного синтеза спектра собственных частот силовых передач произвольных ТТС.
Одной из динамических характеристик силовой передачи является динамическая связанность колебаний ее звеньев, то есть степень влияния колебаний одних звеньев на колебания других. От степени динамической связанности колебаний звеньев зависит скорость распространения колебательного движения и передачи энергии колебаний от одного звена передачи к другому.
В работе впервые предложено на основе анализа степени динамической связанности звеньев формировать динамические характеристики проектируемой передачи с целью максимального ограничения распространения колебаний. Для этой цели созданы метод исследования, программные средства и комплект графиков, отражающих характер изменения коэффициента динамической связанности колебаний звеньев передач при изменении их параметров. Использование этих средств позволяет при создании силовой передачи целенаправленно формировать комплекс ее упруго-инерционных параметров таким образом, чтобы исключать звенья, «настроенные» на быструю и беспрепятственную передачу колебаний.
Известно, что колебания определенной частоты в одной передаче проходят сквозь весь валопровод, в другой они гасятся вблизи от источника. Особенности распространения в силовой передаче крутильных колебаний и их энергии также определяются ее собственными динамическими характеристиками.
В работе впервые предложен метод, позволяющий исследовать влияние изменения упруго-инерционных параметров элементов силовой передачи, а также параметров и места приложения возмущающего воздействия, на характер распространения по валопроводу крутильных колебаний и их энергии. Метод реализован в программных средствах. На их основе выполнены исследования, которые позволили выявить ряд закономерностей, характеризующих способности элементов передачи к распространению колебаний. Созданные метод и программные средства позволяют на этапе проектирования или доводки передачи за счет целенаправленного подбора параметров ее элементов управлять нагруженностью каждого участка от колебаний в валопроводе.
( Собственные динамические характеристики силовой передачи определя ются также диссипативными характеристиками ее элементов. Особое значение знание диссипативных параметров элементов передачи приобретает при изучении ее работы в резонансных режимах.
В работе впервые предложено формировать комплекс диссипативных параметров элементов силовой передачи на основе анализа влияния каждого из них на нагруженность участков в режимах резонанса с каждой из собственных час тот. Для этой цели создан метод синтеза комплекса этих параметров, который
позволяет определить места установки в передаче и необходимые значения демпфирующих параметров устройств для гашения колебаний с каждой из собственных частот с тем, чтобы нагруженность каждого участка на всех возможных резонансных режимах не превышала заданную. На основе метода выполнены исследования нагруженности на резонансных режимах силовых передач ряда тракторов ВгТЗ, на основе которых выданы рекомендации по изменению диссипативных параметров элементов их силовых передач.
В работе приведены также результаты работ по созданию комплекса стендового оборудования для испытаний трансмиссий тракторов в режимах нагруже- ния, соответствующих режимам их работы в эксплуатации. Созданы стенды для испытания трансмиссий тракторов ВгТЗ с замыканием силового контура гидрообъемными трансмиссиями и кривошипными четырехзвенными параллело- граммными механизмами. На основе анализа условий работы трансмиссий тракторов в эксплуатации создана методика их стендовых испытаний с блочным формированием нагрузочных режимов. Впервые для повышения достоверности стендовых испытаний трансмиссий предложено формировать нагрузочный ре жим с учетом влияния крутильных колебаний в валопроводе на нагруженность деталей на режимах, на которых накапливается основная часть усталостных повреждений. Для этой цели создан автоматизированный метод целенаправленного синтеза собственных частотных характеристик силовых передач стендов. Метод обеспечивает получение в спектре собственных частот стенда значений собст венных частот силовой передачи машины за счет целенаправленного изменения упруго-инерционных параметров элементов стенда. На базе метода выполнен синтез собственных частотных характеристик созданных стендов.
В работе описана также предложенная и запатентованная автором новая группа устройств, названных упруго-инерционными вариаторами, способных для управления нагруженностью участков передачи бесступенчато изменять в определенных диапазонах момент инерции или крутильную жесткость участка, где они установлены.
Таким образом, созданные теоретические основы, методы и средства обеспечивают возможность на стадиях проектирования и доводки целенаправленно формировать собственные динамические характеристики силовых передач на основе учета их нагруженности при одновременном действии внешних и внутренних возмущений, что в существенной мере решает проблему создания передач с требуемыми для эксплуатации динамическими характеристиками. Комплекс созданных методов и средств может быть использован в качестве одной из основных подсистем при создании САПР, предназначенной для проектирования и доводки силовых передач ТТС.
Основными научными результатами диссертации, выносимыми на защиту, являются следующие:
- создан комплексный метод автоматизированного анализа и синтеза динамических характеристик автотракторных силовых передач, позволяющий создавать отвечающую задачам исследований динамическую модель передачи, выполнять анализ и целенаправленное формирование совокупности ее собственных динамических характеристик для управления нагруженностью элементов при учете одновременного действия внешних и внутренних возмущений;
- теоретически обоснован и создан ориентированный на применение ЭВМ метод анализа собственных частотных характеристик силовых передач ТТС, который, в отличие от известных, позволяет не только получать частоты и формы собственных колебаний масс, но и оценивать влияние изменения упруго инерционных параметров элементов на характер изменения собственных частот,
а также определять необходимые сочетания этих параметров для получения в спектре передачи заданных собственных частот. Выявлен ряд неизвестных ранее закономерностей изменения собственных частот при изменении параметров элементов в диапазоне, характерном для автотракторных силовых передач;
- впервые доказательно установлена важность использования для формирования силовых передач с требуемыми динамическими характеристиками понятия ди намической связанности колебаний их звеньев. На основе ряда расчетных экспери ментов показано, что степень динамической связанности звеньев является одним из основных факторов, определяющих характер распространения в передаче крутильных колебаний и их энергии. Предложен новый, существенно менее трудоемкий способ определения коэффициента динамической связанности колебаний звеньев многомассовых динамических моделей силовых передач. Разработан метод анализа влияния упруго-инерционных параметров элементов передачи на степень динамической связанности колебаний ее звеньев. Выявлены неизвестные ранее закономерности изменения степени динамической связанности звеньев в зависимости от их числа и упруго-инерционных параметров элементов модели передачи;
- впервые предложено при создании силовых передач оценивать и целенаправленно формировать комплекс их упруго-инерционных параметров, определяющих характер распространения крутильных колебаний и их энергии. Создан автоматизированный метод анализа влияния этих параметров на особенности распространения колебаний в валопроводе. Впервые предложена обобщенная динамическая модель передачи, позволяющая оценивать способ ность каждого участка к передаче колебаний. Получены неизвестные ранее за кономерности, отражающие влияние изменения параметров элементов, а также места приложения и частоты возмущающего воздействия, на характер распространения по передаче крутильных колебаний и их энергии;
- впервые предложено формировать комплекс диссипативных параметров элементов силовой передачи на основе анализа влияния каждого из них на на груженность участков в режимах резонанса с каждой из собственных частот. Раз работай метод анализа влияния диссипативных параметров элементов на нагруженность участков;
- созданы и запатентованы новые технические решения стендов для испытания механических трансмиссий ТТС с замыканием силового контура жесткими и гибкими КЧПМ;
- впервые для повышения достоверности стендовых испытаний трансмиссий предложено формировать нагрузочный режим с учетом влияния крутильных колебаний в валопроводе на нагруженность деталей на резонансных или околорезонансных режимах, на которых накапливается основная часть усталостных повреждений. Созданный для этой цели метод позволяет получать в собственном частотном спектре стенда основные собственные частоты трансмиссии ТТС. При этом при воспроизведении на стенде эксплуатационных нагрузок обеспечивается соответствующая эксплуатационной нагруженность каждого участка испытуемой передачи и приводятся в действие определяемые колебаниями эксплуатационные механизмы износа, разрушений и отказов, что повышает достоверность испытаний;
- разработана и запатентована новая группа технических устройств - упруго-инерционных вариаторов, позволяющих при их использовании в составе испытательных стендов бесступенчато изменять упруго-инерционные характеристики участков стенда для заданного изменения их нагруженности.
Важными для практики результатами работы являются следующие:
- на базе предложенных методов анализа и синтеза динамических характеристик силовых передач создана специализированная автоматизированная система, позволяющий при практическом использовании на этапе проектирования или доводки конструкции на базе созданного программного комплекса DASP в диалоговом режиме создавать динамическую модель силовой передачи и выполнять комплексный анализ и целенаправленный синтез ее динамических характеристик с формированием требуемой нагруженности каждого элемента;
- созданы программные средства, позволяющие не только получать собственные частоты и формы колебаний масс передач, но и определять влияние на характер изменения этих частот упруго-инерционных параметров каждого элемента. Предложен комплект графиков, содержащий информацию о характере изменения собственных частот наиболее распространенных моделей силовых передач и их компонентов, позволяющий безрасчетным методом выполнять оценку собственных частотных характеристик передач и прослеживать их изменение при изменении параметров модели в диапазоне, характерном для автотракторных силовых передач. Практическое использование программ, комплекта графиков, а также выявленных закономерностей, которым подчиняется изменение собственных частот таких моделей, позволяет на стадии проектирования и доводки целенаправленно формировать собственный частотный спектр передачи;
- разработаны программные средства для определения коэффициента динамической связанности колебаний звеньев моделей силовых передач с произвольным числом масс. Практическое использование этих программ и предложенного комплекта графиков, отражающих изменение коэффициента при изменении параметров модели, а также выявленных закономерностей этого изме-нения, позволяет на стадии проектирования оценивать и, с целью ограничения распространения колебаний, изменять степень влияния колебаний одних звеньев передачи на колебания других. На этапе редуцирования модели при помощи созданных программ значение упомянутого коэффициента используется в качестве практического критерия ограничения степени ее упрощения, что повышает степень динамической эквивалентности начальной и редуцированной моделей;
- созданы программные средства и комплекты графиков для анализа характера распространения крутильных колебаний и их энергии в валопроводе силовой передачи. Их использование в процессе проектирования позволяет оценивать роль каждого элемента передачи в усилении или ослаблении колебаний и, с учетом выявленных закономерностей этих процессов, выполнять целенаправленный синтез совокупности параметров передачи. При этом обеспе чивается возможность формирования в передаче звеньев, ограничивающих
распространение колебаний без применения демпферов;
- созданы метод и программные средства, позволяющие повысить степень соответствия нагруженности силовой передачи при испытаниях на стенде ее на-груженности в эксплуатации за счет включения в спектр собственных частот стенда значений собственных частот силовой передачи ТТС. При этом резонансные явления, колебательные нагрузки на которых максимальны, в силовых передачах стенда и ТТС имеют место на тех же частотах, что повышает достоверность испытаний. Для практической реализации изменения параметров элементов стенда предложена и запатентована новая группа устройств - упруго-инерционных вариаторов, способных в соответствии с управляющей программой бесступенчато изменять упруго-инерционные параметры участков силовой передачи стенда;
- предложена универсальная методика разработки и выбора способов исследования динамических моделей силовых передач, включающая в себя теоретические основы, программные средства и ряд последовательных рекомендаций, следование которым позволяет формировать отвечающую задаче исследований модель и выполнять комплексный анализ и синтез ее динамических характеристик для получения заданной нагруженности элементов.
По теме диссертации опубликована 101 печатная работа [3, 15-20, 63, 245, 307-309, 323-324, 326-333, 355-370, 383-453], включая 2 монографии (одна издана в Польше на польском языке), 6 статей в зарубежных журналах (Archiwum Motoryzacji, Napedy і sterowanie), 10 статей в центральных журналах (Тракторы и сельскохозяйственные машины, Справочник. Инженерный журнал, Наука -производству, Передачи и трансмиссии, Техника машиностроения, Известия вузов. Машиностроение), 3 статьи в межвузовских сборниках трудов, 6 авторских свидетельств СССР, 1 патент Российской Федерации, 8 статей депонировано в ЦНИИТЭИТракторосельхозмаше и ВИНИТИ, 37 докладов на зарубежных конференциях (Польша, Словакия, Болгария, Беларусь, Египет). Кроме того, мате риалы работы представлены в 7 отчетах о хоздоговорных и госбюджетных НИР
[137, 176 263 264 267 274 275]. Результаты ряда научно-исследовательских работ, выполненных при участии или под руководством автора, внедрены в производство, что засвидетельствовано приведенными в приложении актами внедрений.
Автор выражает глубокую признательность профессору Григорьеву Е.А. и доценту Ходесу И.В., под чьим научным руководством выполнен комплекс работ по созданию стендового оборудования.
Татарчуком Г.М. и Мезенцевым М. С.
Большую помощь автору в разработке программных средств оказал доцент Ляшенко М.В. Ряд ценных советов и замечаний по содержанию работы дан автору доцентами
Автор выражает свою высокую признательность профессорам Гршорен-ко Л.В. и Победину А.В., от которых на этапе окончательного формирования работы получен ряд замечаний и ценных советов.
Особую благодарность автор выражает профессорам Злотину Г.Н. и Фе-дянову Е.А., оказавшим неоценимую помощь в формировании окончательной структуры работы и редактировании.
Автор глубоко благодарен за консультирование Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, профессору кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана Полунгяну А.А., благодаря помощи которого сформулированы в окончательном виде основные положения работы.
Существенная помощь при подготовке к защите оказана автору профессором Шевчуком В.П.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту работы профессору Тескеру Е.И., который оказывал помощь на всех этапах работы.
Автор благодарит также за помощь и поддержку ректорат ВолгГТУ и коллег по кафедре «Автомобиле- и тракторостроение».
Характер нагруженности деталей силовой передачи
Прочность, долговечность и виброактивность деталей силовой передачи тягово-транспортного средства косвенно определяются их конструкцией, схемой и конструкцией узла, в который они входят, назначением, схемой и конст рукцией самой машины, прямо - характером действующих на них нагрузок в эксплуатации.
Детали, прямо или косвенно входящие в состав силовой передачи ТТС, по назначению и характеру работы можно условно разделить на 4 группы [146]: а) корпусные детали; б) вспомогательные детали - уплотнения, детали крепления агрегатов и другие; в) детали, участвующие в передаче силового потока; г) детали механизмов управления силовой передачей.
Корпусные детали, служащие опорами для деталей остальных групп, а также других механизмов и узлов машины, выполняют обычно с большим запасом прочности. Детали этой группы могут без ущерба для прочности выдержать статические нагрузки, в несколько раз превышающие номинальные расчетные. Опасными для этих деталей являются динамические нагрузки, особенно знакопеременного характера. Они способствуют появлению и развитию трещин в деталях и сварных соединениях, вытягиванию, пластической деформации и нарушению прочности крепежных - болтовых, заклепочных и иных-соединений. Деформации корпусных деталей приводят к искажению законов нагружения деталей остальных групп.
Ресурс машины в существенной мере определяется ресурсом ее силовой передачи [5]. Ресурс силовой передачи определяют детали группы в) - детали, непосредственно задействованные в передаче крутящего момента.
Несмотря на то, что эти детали подвержены воздействию нагрузок переменного характера со значительным коэффициентом динамичности, причем пиковые значения нагрузок часто кратковременно превышают номинальные значения в 2-2,5 раза и более [25], в соответствии с результатами исследований многих авторов, долговечность их определяется в основном не потерей прочности в результате разовой перегрузки, а накоплением усталостных повреждений [5].
Основные типовые детали этой группы - зубчатые передачи, валы, оси, подшипники, зубчатые муфты, фрикционные элементы и другие, имея различное назначение и условия работы, отличаются и характером нагружения. Так, нагружение зубчатых колес и подшипников носит ярко выраженный пульсирующий характер.
Нагруженность фрикционных элементов - дисков муфты сцепления, тормозов и других - определяется как динамической импульсной составляющей нагрузочного режима, так и частотой включения-выключения фрикционных элементов в различных условиях эксплуатации.
Для валов характерно нагружение переменной нагрузкой, амплитуда которой колеблется относительно некоторой постоянной или медленно изменяющейся средней величины. При этом основным повреждающим воздействием для валов обладают именно флуктуации передаваемого крутящего момента, то есть динамическая циклическая составляющая нагрузочного режима.
В целом процесс нагружения деталей этой группы можно охарактеризовать как полигармонический, так как в зависимости от режима работы тягово-транспортного средства он включает в себя в общем случае случайную последовательность импульсов переменной величины и длительности [146].
Вредное воздействие переменности нагрузок деталей этой группы сказывается и на работе двигателя. Его работа при традиционной регулировке топливной аппаратуры осуществляется при пониженной на 12-15 % мощности [96]. Это связано с ухудшением экономичности двигателя, вызванной нарушением процессов сгорания. Как следствие этого, колебания угловой скорости коленчатого вала приводит к снижению эффективности работы всего машинно-тракторного агрегата [96], к искажению законов движения агрегатируемых с трактором орудий и машин.
Переменный характер нагрузок в силовой передаче вызывает непрерывное изменение взаимного расположения деталей в пространстве, что приводит к перекосам в сопряжениях зубчатых колес, роликовых подшипников, шлице-вых и шпоночных соединений.
Допущения, принимаемые при исследовании моделей
Для исследования поведения динамической модели в тех или иных ус у ловиях нагружения создается математическая модель, которая содержит описание взаимодействия элементов динамической модели и параметров или законов изменения нагружающих воздействий. Очевидно при этом, что полный учет упругости всех звеньев точного распределения масс, а также зазоров во всех кинематических парах приведет к такому переусложнению модели, при котором ее динамический анализ становится практически неосуществимым. Достаточно сложной научной проблемой является при этом математическое описание поведения каждого упругого звена - при нелинейной характеристике оно зависит от параметров воздействия и массы других параметров и не может быть описано достаточно достоверно из-за отсутствия необходимой информации, получить которую возможно только экспериментально. В связи с этим при расчетных исследованиях динамических моделей также обычно принимается ряд допущений, позволяющих достичь определенного компромисса между сложностью модели и точностью получаемых при ее исследовании результатов. Так, например, при исследовании установившихся процессов в силовых передачах наиболее часто принимаются допущения о том, что фрикционные элементы замкнуты и работают без проскальзывания, зазоры в шарнирах и поступательных парах выбраны, контактирующие поверхности кинематических пар при силовом взаимодействии не деформируются, а колебания происходят с малыми амплитудами.
При выполнении исследований обычно принимается также допущение о том, что в процессе колебаний сосредоточенные массы обладают только кинетической энергией, упругие связи - только потенциальной.
Одним из самых важных допущений, принимаемых при создании и исследовании динамических моделей, является допущение о линейности свойств их элементов. В действительности практически не существует звеньев силовой цепи, упругодемпфирующие свойства которых были бы строго линейны - характер их изменения в той или иной степени зависит от параметров нагружающих воздействий, степени изношенности деталей, наличия и температуры смазки и так далее. Учет всех этих отклонений от линейности свойств при построении и исследовании моделей в инженерных задачах не представляется возможным. В связи с этим звенья, свойства которых при исследованиях данной категории лишь в незначительной степени отклоняются от линейности, принято считать линейными, а если в значительной степени - нелинейными. Так, свойства механической части силовой передачи часто считаются линейными, а немеханической (например, шины) - нелинейными.
Разрабатываемые современными исследователями динамические модели силовых передач, как правило, состоят как из линейных, так и нелинейных элементов.
Нелинейные модели обеспечивают возможность в принципе с большей степенью точности отслеживать характер изменения динамических процессов в исследуемой системе. Такие модели используются современными авторами для исследования динамических моделей конкретных машин или их узлов. Например, в работах [326, 328, 329, 330, 332, 333] приведено описание разработанных при участии автора настоящей работы сложных динамических моделей для исследования процессов взаимосвязанных колебаний остова гусеничного трактора ВТ-100 и крутильных колебаний в его силовой передаче.
Отличительной чертой нелинейной модели является ее малая универсальность - почти всегда такая модель может быть использована для исследования только одного конкретного объекта. Динамические характеристики нелинейных элементов отличаются тем, что могут существенно изменяться при включении этих элементов в состав другой силовой передачи. Такая малая степень универсальности не позволяет распространить результаты исследований одной нелинейной модели на другие.
В настоящей работе для анализа и синтеза динамических характеристик силовых передач использованы модели и цепные компоненты моделей с числом масс от трех до десяти, на которых выполнены исследования влияния упруго-инерционных параметров элементов моделей на изменение их собственных частот, на изменение степени динамической связанности колебаний их звеньев, на характер распространения по валопроводу передачи крутильных колебаний и их энергии. Результаты исследования таких моделей обеспечивают возможность выполнения анализа и синтеза динамических характеристик силовых передач реальных машин. Вследствие того, что это универсальные модели, которыми могут быть представлены силовые передачи или компоненты передач разных машин, в них отсутствуют нелинейные элементы. Для получения научной информации о динамических характеристиках передач, пригодной для разработчиков трансмиссий автомобилей, тракторов и испытательных стендов, могут использоваться только такие модели. При наличии в силовой передаче нелинейных элементов результаты ее исследования нельзя распространить на другие передачи. На основе динамической модели такой передачи невозможно выявить какие-либо закономерности, характеризующие динамические свойства ряда подобных передач.
Автоматизированный расчет параметров элементов с одно- временным формированием начальной многомассовой модели..
Расчетные исследования динамических моделей силовых передач в настоящее время практически немыслимы без применения вычислительной техники. Как отмечалось выше, существует устойчивая тенденция повышения сложности разрабатываемых и исследуемых моделей передач - это позволяет выполнить более подробные исследования и дает большую точность результатов.
При разработке динамических моделей передач в отсутствие экспериментальных данных необходимо выполнить большой объем подготовительных вычислительных работ. При анализе проектируемой передачи после разработки ее схемы - определения числа и положения сосредоточенных масс и их соединений - определяют моменты инерции масс и жесткости их связей, величины которых, как правило, неизвестны и должны быть получены расчетным путем, что при достаточно жестких требованиях к точности расчета весьма трудоемко. В настоящее время на рынке программных продуктов имеются программные средства, позволяющие на основе анализа трехмерного изображения детали или сборочной единицы определять масс-инерционные параметры деталей и жесткостные характеристики их соединений. Этими средствами удобно пользоваться при создании модели передачи на этапе определения динамических параметров ее элементов. Но определение упруго-инерционных характеристик элементов модели является только одним из этапов процесса создания модели, обычно включающего в себя разработку структурной схемы передачи, построение локальных моделей составляющих передачу узлов, определение упруго-инерционных и демпфирующих параметров элементов, приведение параметров элементов к выбранному участку передачи, анализ начальной многомассовой динамической модели с определением парциальных частот колебаний ее звеньев и редукцию модели на основе этого анализа. При обычно большом числе масс начальной модели передачи, особенно при наличии в ее составе узлов с переменным передаточным числом (коробка передач, раздаточная коробка) приведение их параметров к одному валу также занимает достаточно времени. Выполняемое после этого формирование эквивалентной динамической модели с меньшим числом масс и связей (редукция) тоже предполагает достаточно существенный объем вычислений. Таким образом, при создании модели всей передачи каждый из этапов может быть весьма трудоемким, хотя и предполагает выполнение в основном рутинных вычислительных операций. Трудоемкость создания модели в ряде случаев сравнима с трудоемкостью ее последующего расчетного исследования. При этом от точности каждой вычислительной операции при создании модели зависит ее адекватность реальной передаче и достоверность полученных при исследовании результатов. Следовательно, проектировщикам необходимы специализированные программные средства для автоматизированного построения моделей. Анализ литературных источников не позволил выявить наличия таких средств.
Силовая передача обычно включает в себя ограниченный набор основных типовых элементов - валов, зубчатых передач, фрикционных элементов, шлице-вых, шпоночных и фланцевых соединений, подшипников, и так далее. Расчет момента инерции каждой детали типового набора и жесткости их типовых соединений возможно алгоритмизировать. Сравнительно нетрудно алгоритмизируется также процесс приведения значений моментов инерции масс и жесткости связей к выбранному участку модели. Алгоритмизация процесса редукции имеющих более двух связей элементов разветвленной модели представляет определенную сложность, но также возможна. Таким образом, практически все рутинные, но трудоемкие работы, производимые на каждом этапе разработки модели, можно несравнимо более быстро и точно выполнить при помощи ЭВМ.
С этой целью создана автоматизированная система разработки динамической модели, расчетного анализа и целенаправленного синтеза элементов сило 103 вой передачи DASP. Она позволяет в автоматизированном режиме выполнить все предварительные работы, связанные с разработкой динамической модели: на основе двумерных чертежей или просто таблиц размеров определить упруго-инерционные параметры элементов произвольной силовой передачи, выполнить их приведение к выбранному участку модели, осуществить анализ начальной динамической модели и выполнить ее редукцию с использованием в качестве критерия коэффициента динамической связанности колебаний звеньев, а также исследовать и целенаправленно сформировать комплекс собственных динамических свойств передачи, выполнить исследование и, при необходимости, целенаправленное изменение нагруженности ее элементов на разных нагрузочных режимах. Укрупненный алгоритм программного комплекса системы DASP приведен на рис.5.1.
Автоматизированный расчет параметров элементов с одновременным формированием начальной многомассовой модели
Методика расчетов и построения модели Следующим этапом после определения цели и задачи исследований и построения структурной схемы передачи (см. п.п. 2.2.1 и 2.2.2) является разработка расчетной схемы каждого входящего в ее состав элемента - коробки передач, конечной передачи и так далее. При объединении расчетных схем всех элементов (то есть локальных динамических моделей - см. п.2.1) в одну в соответствии со структурной схемой получается начальная многомассовая разветвленная динамическая модель передачи, которая затем трансформируется в упрощенную эквивалентную. Однако перед этим необходимо определить значения динамических (упруго-инерционных) параметров каждого элемента развернутой схемы. Автоматизированную разработку модели целесообразно выполнять при помощи программ комплекса DASP.
Метод анализа влияния изменения упруго-инерционных параметров элементов передачи на изменение спектра ее собственных частот
В данном разделе рассмотрены предложенные методы автоматизированного анализа динамических характеристик силовых передач тягово-транспортных средств, позволяющие выполнить: - определение их частотных свойств и анализ влияния упруго инерционных параметров передач на эти свойства; - анализ влияния упруго-инерционных параметров элементов силовой пе редачи на изменение степени динамической связанности колебаний этих эле ментов.
При проектировании силовой передачи традиционными инженерными методами обычно выполняется расчет ее собственных частот и определяются формы собственных колебаний. При этом обычно не изучается характер влияния упруго-инерционных параметров элементов передачи на ее собственные частотные свойства [305, 313, 343, 453, 462], а если и изучается, то обычно анализируется влияние упругих параметров отдельных элементов передачи [196, 247, 255, 314, 315, 336, 375]. Но на собственные частотные свойства передачи оказывают влияние упруго-инерционные параметры каждого ее элемента. Понятно, что на практике часто бывает легче изменить на необходимую величину (например, для отстройки от резонанса) значение какой-либо собственной частоты передачи за счет изменения жесткости одного из участков путем изменения диаметра или конструкции вала, за счет иного способа соединения деталей либо за счет ввода в силовую цепь упругого элемента. Но известно, что добиться такого же изменения этой собственной частоты часто бывает возможно за счет незначительных изменений жесткости других участков передачи, в том числе удаленных от исследуемого, а также за счет изменения моментов инерции масс передачи. Их также возможно изменять за счет изменения конструк ции деталей. При этом можно не изменять их массу, а только удалять или приближать к оси вращения элементы деталей (если это конструктивно возможно). При традиционных методах проектирования такие возможности влияния на собственные частотные характеристики передачи упускаются.
В отличие от традиционных методов, при выполнении расчетных исследований собственных частотных свойств создаваемой передачи на основе предложенного метода анализируется влияние изменения упруго-инерционных параметров каждого элемента передачи на спектр ее собственных частот и формы собственных колебаний. Это позволяет выполнить более полный и глубокий анализ собственных частотных характеристик передачи, на основе которого произвести их оптимальный синтез.
В работе [208] показано, что при «сильной» динамической связанности («настроенности» колебаний одного звена динамической системы на колебания другого) колебания от одного звена быстро и практически без потерь энергии передаются к другому. При традиционных методах проектирования силовых передач степень динамической связанности колебаний их звеньев не анализи- , руется, за редким исключением [122]. Тем временем наличие информации о том, какова степень динамической связанности звеньев спроектированной передачи и как она изменяется при изменении параметров ее элементов, обеспечивает возможность уже на стадии проектирования сформировать передачу таким образом, чтобы ограничить распространение по ней крутильных колебаний.
Как и собственные частотные свойства, степень динамической связанности колебаний звеньев передачи определяется комплексом упруго-инерционных параметров ее элементов. В данном разделе предложен автоматизированный метод, который позволяет определить степень динамической связанности звеньев и проанализировать ее изменение упруго-инерционных параметров элементов произвольной автотракторной силовой передачи.
Одной из важнейших характеристик силовой передачи как динамической системы является спектр собственных частот. Знание параметров собственных колебаний необходимо для исследования особенно опасных для силовых передач транспортных средств резонансных режимов работы.
Правильное формирование этого спектра при проектировании передачи, знание мест расположения узлов колебаний и амплитудных отклонений каждой массы при колебаниях с разными собственными частотами, обеспечивают проектировщику возможность уменьшения до минимума вредного влияния резонансных режимов на долговечность передачи и позволяют определить уровень нагруженности участков во время резонанса.
Силовые передачи ТТС в основном состоят из элементов с линейными упругими характеристиками. Линейность характеристик искажается наличием зазоров в соединениях, проскальзыванием фрикционных элементов, нелинейной деформацией резиновых элементов в упругих муфтах и шинах, пробуксовкой колесных и гусеничных движителей, а также другими факторами. В общем случае силовая передача ТТС должна описываться нелинейной динамической моделью. Но определить собственные частотные характеристики такой модели практически невозможно, обо нелинейная модель в принципе обладает бесконечным числом собственных частот. Поэтому при решении инженерных задач для определения частот собственных колебаний передачи обычно нелинейные элементы заменяют линеаризованными [164].
Известно, что при свободных колебаниях величина демпфирования колебаний масс не оказывает существенного влияния на значения собственных частот колебательной системы [211], поэтому при практическом определении собственных частот силовых передач обычно принимают допущение о том, что трение в системе отсутствует.
