Разработка и обоснование рациональных схем дифференциальных бесступенчато-регулируемых передач с внутренним разделением потока мощн о сти

На правах рукописи

Чепикова Татьяна Петровна

Разработка и обоснование рациональных схем дифференциальных бесступенчато-регулируемых передач с внутренним разделением потока мощности

Специальность: 05.02.18 – Теория механизмов и машин

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2008

Работа выполнена в Чайковском технологическом институте (филиале)

Ижевского государственного технического университета

Научный руководитель: заслуженный машиностроитель РФ,

доктор технических наук, профессор

Умняшкин Владимир Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Плеханов Федор Иванович;

кандидат технических наук, доцент

Галиев Радик Мирзашаехович.

Ведущая организация ОАО "ИжАвто", г. Ижевск.

Защита состоится « __6__ » июня 2008 года в _16__ часов на заседании диссертационного совета Д. 212.065.01 ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7, ИжГТУ, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « _25__ » апреля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ___________ Щенятский А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное кризисное состояние мирового энергетического комплекса требует постоянного поиска экономии энергоресурсов и повышения эффективности использования машинных агрегатов.

При всем разнообразии машин конструктивно каждую из них можно условно разделить на три составляющих, предназначенных для выполнения определенных функций: двигатель, преобразующее устройство (трансмиссия) и исполнительный механизм. От качества и надежности преобразующего устройства зависит согласованная работа двигателя и исполнительного механизма.

Полное использование мощности двигателя, экономию энергоресурсов и достижение максимальной производительности машины при переменных нагрузках можно получить бесступенчатым регулированием передаточного отношения и повышением КПД трансмиссии.

Осуществить бесступенчатое регулирование возможно механическими регулируемыми передачами (вариаторами), гидравлическими и электрическими регулируемыми приводами и др. Каждый из этих видов обладает помимо преимуществ, перечнем известных недостатков, которые не позволяют определенной передаче занять неоспоримое лидирующее место в машиностроении.

Наименьшие массогабаритные показатели имеют планетарные передачи. Бесступенчатое регулирование передаточного отношения планетарных механизмов возможно в замкнутых дифференциальных передачах.

Среди большого разнообразия замкнутых дифференциальных передач наименее изученными являются замкнутые дифференциальные передачи с внутренним разделением потока мощности, в которых возможно бесступенчатое регулирование и увеличение диапазона передаточного отношения на единицу, повышение передаваемой мощности при высоком КПД и малых габаритах и массе передачи.

Создание простых по конструкции и надежных в эксплуатации бесступенчатых передач (трансмиссий), имеющих максимальные несущую способность и КПД при минимальных массогабаритных показателях и низкой себестоимости, является одной из важнейших задач машиностроения.

В связи с этим разработка рациональной схемы и анализ условий работы замкнутой дифференциальной бесступенчато-регулируемой передачи с внутренним разделением потока мощности является весьма актуальной проблемой, решение которой позволит повысить КПД трансмиссии и экономические показатели машины в целом.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью исследования является повышение эффективности бесступенчато-регулируемых передач применением рациональных схем с разделением потока мощности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику исследования замкнутых дифференциальных передач с внутренним разделением потока мощности и провести анализ их основных свойств в сравнении с дифференциальными передачами со смешанным и внешним разделением потока мощности и с полнопоточными передачами;

- обосновать рациональные схемы и конструктивные параметры замкнутых бесступенчато-регулируемых передач с внутренним разделением потока мощности;

- проверить предлагаемые теоретические положения экспериментальным исследованием коробок передач с внутренним разделением потока мощности.

Объектом исследования являются дифференциальные бесступенчато-регулируемые передачи с внутренним разделением потока мощности.

Методы исследования. Теоретическое исследование реализовано на основе системного подхода и положениях теории машин с использованием численных и аналитических методов решения уравнений для обоснования рациональных конструктивных решений.

Экспериментальные исследования выполнены на специальных стендовых лабораторных установках с использованием стандартных и частных методик.

Обработка результатов экспериментальных данных проводилась методами математической статистики с применением ЭВМ.

Достоверность и обоснованность теоретических положений работы подтверждается реализацией их в конструкциях экспериментальных образцов передач различного типа, экспериментальными исследованиями и результатами лабораторных испытаний опытных передач.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- теоретически и экспериментально обосновано то, что повышение КПД при увеличении диапазона регулирования бесступенчатых замкнутых дифференциальных передач возможно только в передачах с внутренним разделением потока мощности;

- определены особенности замкнутой дифференциальной передачи с односторонними динамическими связями;

- разработаны и обоснованы рациональные схемы замкнутых бесступенчато-регулируемых передач с внутренним разделением потока мощности при высоком КПД в широком диапазоне бесступенчатого регулирования передаточного отношения;

- проведен анализ возможных схем планетарных импульсаторов с неуравновешенными сателлитами и возникающих динамических моментов на ведущем и ведомом валах, на основе которого выделена рациональная схема, позволяющая создавать новые виды инерционных трансформаторов вращающего момента.

Практическая значимость. Разработанные рекомендации могут быть использованы в конструкторских разработках для предприятий машиностроения и при создании новых конкурентоспособных технологических систем и машин.

Реализация результатов. Результаты исследований использованы в научной работе по гранту Минобразования РФ «Разработка научных основ создания автоматических трансмиссий с динамическими связями» (руководитель В.А. Умняшкин) и применяются в учебном процессе в Чайковском технологическом институте и в Ижевском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедры «Автомобильный транспорт» Чайковского технологического института (филиал ИжГТУ) и докладывались на следующих конференциях: «Транспортные системы Сибири»: III Всероссийская научно-техническая конференция, Красноярск, 2005 г.; «Значение научной работы в процессе подготовки конкурентоспособных специалистов для предприятий Удмуртской республики»: научно-методическая конференция, Ижевск, 2006 г.; «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники»: Всероссийская научная конференция, Ижевск, 2007 г.; «Прогрессивные технологии в транспортных системах»: VIII Российская научно-практическая конференция, Оренбург, 2007 г.; «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России:» Всероссийская научно-техническая конференция, Ижевск, 2007 – 2008 г.г.; «Политранспортные системы»: V Всероссийская научно-техническая конференция, Красноярск, 2007; Ижевск, 2008 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе в издании, реферируемом ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы (144 наименования). Общее количество страниц в диссертационной работе 162, в том числе 55 рисунков и 8 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определен объект исследования, проведена краткая аннотация всех глав диссертации и дается общее представление о диссертационной работе.

В первой главе выполнен обзор и анализ существующих типов трехзвенных планетарных механизмов, их конструкций и свойств. Исследования, выполненные автором настоящей работы, базируются на трудах отечественных и зарубежных ученых: О.М. Бабаева, Д.П. Волкова, Э.Б. Вулгакова, Ю.А. Державца, А.Ф. Крайнева, К.И. Заблонского, Ю.Н. Кирдяшева, С.Ф. Комисарика, В.И. Красненькова, М.А. Крейнеса, В.Н. Кудрявцева, А.В. Петрова, А.И Плужникова, В.Н. Прокофьева, Ю.П. Подгорного, В.Н. Руденко, К.Д. Шабанова, В.А. Умняшкина, В.М. Ястребова, М. Отта, Ф. Вильямса и других.

Известно, что дифференциальные передачи с двумя и более степенями свободы, используют при необходимости передачи мощности от входного вала к выходному двумя и более потоками с различной степенью трансформации вращающего момента в каждом из них. Они обеспечивает повышение КПД, надежности, в том числе и долговечности, используемого устройства. Данное свойство дифференциальных передач дает возможность не только значительно расширить область применения электрических, инерционно-импульсных, гидравлических и фрикционных передач, но и существенно уменьшить известные недостатки последних.

По способу разделения потока мощности замкнутые дифференциальные передачи, состоящие из вариатора и разделителя мощностного потока (дифференциального механизма), при одном источнике движения и одном потребителе можно разделить на три большие группы: со смешанным, внешним и внутренним разделением потока передаваемой мощности. Разделение потока мощности в дифференциальных передачах целесообразно применять для разгрузки наиболее слабого бесступенчатого звена и повышения КПД всей передачи. В основу выбора рациональной схемы дифференциальных передач необходимо поставить условие отсутствия либо уменьшения циркулирующих (замкнутых) мощностей.

Передачи с внешним разделением потока мощности хорошо известны и достаточно подробно освещены в работах В.Н. Кудрявцева, В.Н. Прокофьева, К.Д. Шабанова, А.В. Петрова, М.М. Ковальского, С.Ф. Комисарика, М.К. Кристи, Ю.П. Подгорного и др. Такие передачи или обеспечивают расширение диапазона регулирования бесступенчатой передачи, но уменьшают ее КПД, или обеспечивают повышение КПД передачи, но уменьшают диапазон регулирования.

Известные конструкции дифференциальных передач с внутренним разветвлением потока передаваемой мощности имеют недостатки, связанные с конструкционной и технологической сложностью механизма (передачи «Бадалини», Тома, Пирожкова и др.), недостаточной надежностью механизма свободного хода (импульсные передачи) и др., влияющими на снижение КПД передачи и машины в целом.

Вопросы повышения КПД замкнутых дифференциальных передач до сих пор изучены недостаточно. Многочисленные научные работы в этом направлении свидетельствуют о важности проблемы и необходимости ее анализа. Поэтому поиск рациональных схем передач с широким диапазоном бесступенчатого регулирования передаточного отношения при высоком КПД является актуальной задачей и требует теоретического обоснования.

Анализ проблем и состояния вопроса по теме диссертации позволил сформулировать цель и основные задачи исследования.

Во второй главе на примерах конкретных дифференциальных бесступенчато-регулируемых передач гидростатического, фрикционного и инерционно-импульсного типов выявлены их основные качества, выведены зависимости для определения основных параметров передач и показаны их преимущества и недостатки. Разработана методика синтеза, позволяющая обоснованно выбирать элементы замкнутых дифференциальных передач исходя из условия получения минимальных габаритов и максимального КПД при заданном диапазоне регулирования.

На рис. 1 представлены принципиальные схемы рассматриваемых дифференциальных передач. В общем виде вариатор, как и дифференциальный механизм, используемый для разделения потока мощности (рис. 1, схемы а и б), имеет две степени свободы и соответственно три внешних кинематических звена, например, это звенья а, b, с дифференциального механизма Д или звенья а1, b1, с1 вариатора В. Вариатором с внутренним разделением потока мощности может быть любой трёхзвенный механизм с числом степеней свободы больше единицы.

Рис. 1. - Принципиальные схемы замкнутых дифференциальных передач с разделением потока мощности: а - смешанным, б – внешним, в – внутренним;

Д – дифференциальный механизм; В – вариатор (трансформатор); а, б, с – звенья дифференциального механизма; а1, б1, с1 - звенья вариатора; 1 и 2 – ведущий и ведомый валы соответственно; У – кинематическая цепь от ведущего вала до ведомого, имеющая звено с бесступенчатым регулированием; Х и Z – кинематические цепи от ведущего вала до ведомого с постоянным передаточным отношением

Согласно схемам на рис. 1 уравнение кинематической связи между валами передачи для дифференциального механизма Д

, (1)

где - угловые скорости звеньев а, b и с дифференциала Д соответственно; - передаточные отношения от звена а к звеньям b и с при соответственно остановленных звеньях с и b дифференциального механизма.

Аналогично уравнение кинематической связи между валами вариатора В имеет вид

, (2)

где - угловые скорости звеньев а1, b1, с1 вариатора В; - передаточные отношения от звена а1 к звеньям b1 и с1 при соответственно остановленных звеньях с1 и b1 вариатора.

Решая совместно уравнения (1) и (2), имеем уравнение связи между угловыми скоростями ведущего и ведомого валов дифференциальной передачи

. (3)

Выразим общее передаточное отношение замкнутой дифференциальной передачи

, (4)

где 12 – показатель направления подсчета передаточных отношений, в данном случае от входного вала 1 к выходному валу 2; ix, iy, iz – передаточное отношение кинематической цепи X при условно отключенных и неподвижных кинематических цепях Y и Z, цепей Y и Z при аналогичных условиях соответственно.

Для дифференциальных передач с внутренним разделением потока мощности (рис. 1, схема в) при угловой скорости выходного вала механизм замыкается, тогда iy=1 и общее передаточное отношение дифференциальной передачи

i=iдф=ix+1. (4а)

Таким образом, в передачах с внутренним разделением потока мощности передаточное отношение на единицу больше, чем у обособленной коробки передач и достигается без уменьшения общего диапазона регулирования передачи.

Мощность, передаваемая через кинематические цепи X, Y и Z без учета потерь:

; ; , (5)

где N1 – мощность на ведущем валу 1 передачи.

Используя метод М.А. Крейнеса, КПД передачи со смешанным разделением потока мощности можно определить по зависимости

, (6)

где - силовое передаточное отношение передачи; , - КПД кинематической цепи X при условно отключенных и неподвижных цепях Y и Z при и соответственно; и - КПД цепей Y и Z соответственно при аналогичных условиях.

КПД замкнутой дифференциальной передачи выше КПД обособленного полнопоточного вариатора на всем диапазоне регулирования.

Приведенные зависимости (4-6) выведены при условии расположения разделителя мощности (дифференциального механизма либо вариатора) на входе в передачу.

Диапазон регулирования передаточного отношения D замкнутой дифференциальной передачи со смешанным разделением потока мощности составляет

D= , (7)

где очевидно, что он меньше диапазона регулирования обособленного полнопоточного вариатора, включенного в цепь, причем, увеличение КПД вызывает уменьшение диапазона регулирования.

При расположении разделителя мощности на выходе замкнутой дифференциальной передачи передаточное отношение

(8)

Выражение (6) для определения КПД передачи также изменится, но порядок его нахождения будет определяться прежней формулой . Предложенная запись основных зависимостей замкнутых дифференциальных передач позволяет исследовать передачи с любым числом потоков мощности независимо от места расположения разделителя потока мощности в общей структурной схеме, вследствие чего является универсальной.

Зависимости (4-8) удобны для анализа дифференциальных передач, но для их синтеза целесообразно, чтобы в них входили параметры дифференциального механизма и вариатора, включенного в замкнутую схему. Анализируя замкнутые передачи с дифференциалом на входе (рис. 1) и вводя выражение параметра дифференциального механизма

,

с учетом уравнения (1), получим зависимость

, (9)

где iB= - кинематическое передаточное отношение вариатора В, включенного в замкнутую схему.

При и получим и т.д.

Для ветви, в которую включено бесступенчатое звено, получим условие отсутствия циркулирующей мощности

. (10)

Решая неравенство с учетом выражения (9), получим

. (11)

Выражение (11) позволяет выбрать не только схему дифференциального механизма, но и его параметр для каждого конкретного случая.

Значение КПД дифференциальной передачи с дифференциалом на входе можно определить по зависимости

, (12)

где - КПД дифференциального механизма при остановленном водиле (ставится сомножителем только к параметру дифференциального механизма); - КПД примененного полнопоточного вариатора (при применении вариатора с внутренним разделением потока мощности ставится сомножителем к составляющей передаточного отношения, характеризующего бесступенчатое звено).

Диапазон регулирования вариатора

. (13)

Тогда параметр дифференциального механизма

. (14)

Аналогичным способом можно получить зависимости для передач с дифференциалом на выходе (рис. 1, при передаче мощности от вала 2 к валу 1).

Передаточное отношение с учетом параметра дифференциального механизма (15)

при и ;

при и и т.д.

Условие отсутствия циркулирующей мощности запишется в виде

, (16)

тогда . (17)

Отношение мощности в кинематической цепи включения вариатора к подведенной мощности

. (18)

Диапазон регулирования вариатора

. (19)

Значение параметра при выбранных величинах D, DВ, imin определяется из выражения

. (20)

Предложенная методика позволяет выбрать параметры дифференциальных передач из условия получения максимального КПД при заданном диапазоне регулирования для силовых приводов машин различных отраслей промышленности.

Рассмотрим работу динамических связей в дифференциальных передачах, выполненных по замкнутой схеме.

На выходные характеристики замкнутой дифференциальной схемы при замыкании динамическими трансформаторами вращающего момента с односторонними связями, например, инерционными и непрозрачными гидродинамическими, накладываются определенные ограничения, связанные с необратимостью и возможностью работы таких трансформаторов в определенном интервале передаточных отношений. Использование дифференциальной схемы изменяет условия работы динамического трансформатора вращающего момента, его силовой и кинематический диапазон, обеспечивает увеличение надежности и КПД наиболее слабого звена трансмиссии – бесступенчатого трансформатора.

Свойства дифференциального механизма с тремя основными внешними звеньями а, b и с независимо от количества основных звеньев и схемы их соединения, независимо от числа составляющих его простых механизмов, характеризуются одним параметром Ф, который в общем случае может принимать любое рациональное значение, равное передаточному отношению дифференциальной передачи от ведущего звена к ведомому при неподвижном замыкающем звене, т.е.: или , где звено с связано с ведущим валом механизма.

Для двух групп замкнутых дифференциальных передач, различных по виду замыкания, кинематические, силовые и энергетические параметры выразим зависимостями (21-28).

1.При замыкании на ведомое звено: ; (21) ; (22) ; (23) ; (24)

2. При замыкании на ведущее звено: ; (25) ; (26) ; (27) ; (28)

где i и К – соответственно передаточное отношение и коэффициент трансформации всей передачи; iт и Кт – передаточное отношение и коэффициент трансформации динамического трансформатора; и – потоки мощностей в ветвях передачи, причем, =N/Nт и =N/Nт, где Nт, N, N – мощности, передаваемые через динамический трансформатор и ветви передачи соответственно.

Возможные конструкции замкнутых дифференциальных передач, представленные обобщенными структурными схемами на примере дифференциального механизма и инерционного трансформатора вращающего момента, а также их характеристики, приведены в таблице 1, где приняты следующие обозначения: МСХ – механизм свободного хода; И – импульсатор; Д – дифференциальный механизм с тремя основными звеньями а, b, с; Ф - параметр дифференциального механизма.

Для характеристики работы инерционного трансформатора вращающего момента (ИТВМ) в схеме (рис. 7, 9) с дифференциальным механизмом применимы следующие оценочные критерии:

1) отношение вращающих моментов на основных звеньях импульсатора МИ и ведомого маховика ММ к моменту на ведущем звене механизма М0, т.е. , ; 2) коэффициент трансформации передачи К; 3) отношение максимальной разности угловых скоростей ведущего звена импульсатора И и ведомого маховика М к угловой скорости вращения ведущего вала передачи 0:. Следует отметить, что с уменьшением величины jmax облегчается динамический режим работы ИТВМ, а максимум величины jmax соответствует режиму начала движения и зависит от величины параметра Ф дифференциального механизма; 4) отношение величины потока мощности, передаваемой ИТВМ Nт, к мощности, передаваемой передачей N (без учета потерь) .

Таблица 1 - Обобщенные структурные схемы замкнутых дифференциальных передач с инерционным трансформатором вращающего момента

№ схемы	Структурная схема	Передаточное отношение передачи, i	Коэффициент трансформации, К	Отношение потоков мощности,	Отношение моментов		jmax
					mИ	mM
1
2
3
4

В табл.1 с учетом зависимостей между параметрами дифференциального механизма и параметрами ИТВМ получены выражения для каждой возможной схемы соединения, которые характеризуют принятые оценочные критерии в функции этих параметров.

Для структурных схем при соединении дифференциального механизма с ИТВМ, возможны следующие варианты (табл.1), где .

1. Если , то в режиме начала движения b=0, угловая скорость a замыкающего звена одинакова по знаку, но меньше по величине угловой скорости ведущего звена 0 (схемы 1 и 3);

2. Если , то в режиме начала движения b=0, угловая скорость a замыкающего звена одинакова по знаку, но больше по величине угловой скорости ведущего звена 0, поэтому ИТВМ может быть включен в схему только так, как показано на схемах 2 и 3.

3. Если , то при b=0 и a<0 работа ИТВМ в режиме противовращения невозможна, и в этом случае замыкающее звено дифференциального механизма через два МСХ замыкается на корпус, вследствие чего в данном случае режим трогания b = 0 отсутствует, а стоповому режиму инерционного трансформатора соответствует режим выходного вала, при данных условиях действительны только схемы 1 и 4.

Выполненный анализ позволяет в зависимости от условий работы выделить и оценить пригодные комбинации схем замкнутых дифференциальных передач, содержащих трансформаторы вращающего момента с односторонними динамическими связями.

В третьей главе рассмотрены вопросы синтеза и конструирования замкнутых дифференциальных бесступенчато-регулируемых передач с внутренним разделением потока мощности.

Выбор конструктивных решений дифференциальных бесступенчато-регулируемых коробок передач с внутренним делением потока мощности был осуществлен по следующим главным критериям: ширине диапазона бесступенчатого регулирования и коэффициенту полезного действия (потерям мощности в передаче), и дополнительным: возможности регулирования передаточного отношения, а также простоте изготовления, надежности в эксплуатации и малым массогабаритным показателям.

На основе выбранных критериев в ОАО «ИжМАШ» спроектированы коробки передач для мотоцикла («Иж-Юпитер»), где в качестве бесступенчатых звеньев рассмотрены три типа вариаторов: фрикционный, инерционно-импульсный и гидростатический. Разработанные передачи удалось вписать в существующие габариты аналога мотоциклетной коробки передач (см. рис. 3, 4, 6, 10).

Для дифференциальной гидростатической передачи, построенной по принципу планетарных шестеренчатых насосов и гидромоторов (рис. 2 - 4), на основе зависимостей, предложенных А.В. Петровым, получены основные характеристики передачи без учета потерь энергии.

Мощность, подводимая к насосу и передаваемая через гидростатическую передачу

Nдф = MН (nН - nМ) = NН(1-), (29)

где MН, NН, nН – вращающий момент, мощность и частота вращения ведущего вала передачи соответственно; nМ – частота вращения ведомого вала передачи; - передаточное отношение дифференциальной передачи.

а б

Рис. 2. - Схемы дифференциальной гидропланетарной коробки передач (а – кинематическая, б – гидравлическая):

Н - насос; М – гидромотор; h - водило – корпус; g - сателлиты насоса; f - сателлиты гидромотора; а - солнечная шестерня насоса; b - солнечная шестерня гидромотора;

1- винтовой механизм; 2 – клапан

Рис. 3 - Общий вид гидростатической коробки передач

Рис. 4 – Двигатель мотоцикла с дифференциальной шестеренчатой гидравлической коробкой передач

КПД дифференциальной передачи

, (30)

- полный механический и объемный КПД используемой гидростатической полнопоточной передачи.

Передаточное отношение дифференциальной передачи

iдф=1+iГ, (31)

iГ - передаточное отношение гидростатической полнопоточной передачи.

При iГ 0 в насосе передачи осуществляется разделение мощности на два потока. С учетом всех энергетических потерь получены зависимости для определения мощности на выходном валу передачи, КПД и коэффициента трансформации передачи

, (32) , (33)

, (34)

где - полный механический и гидравлический КПД применяемой гидростатической полнопоточной передачи; - КПД опор и уплотнений входного и выходного валов; - объемный КПД полнопоточной передачи; - механический КПД насоса.

По своему устройству и изготовлению передача не сложнее обычной мотоциклетной коробки передач (см. рис. 3, 4). Технические характеристики разработанной передачи следующие: N = 18кВт, D = 3,77, = 0,70,84.

Замкнутая дифференциальная фрикционная бесступенчатая многодисковая передача (рис. 5, 6) была спроектирована по типу передачи Байера, но в отличие от прототипа является планетарной.

Рис. 5 - Кинематическая схема планетарной фрикционной передачи с внутренним разделением потока мощности

Рис. 6 - Двигатель мотоцикла с дифференциальной фрикционной передачей

Передача обладает внутренней автоматичностью, т.е. способностью изменять передаточное отношение в зависимости от сопротивления на ведомом валу.

Зависимости, полученные для данной передачи, аналогичны зависимостям для дифференциальных гидростатических передач с внутренним разделением потока мощности и подтверждают преимущества дифференциальных бесступенчато-регулируемых передач с внутренним разделением потока мощности.

Технические характеристики передачи: N = 18кВт, D =4, = 0,830,92.

Основные характеристики инерционных передач рассмотрены на примере инерционно-импульсного трансформатора вращающего момента с импульсатором в виде неуравновешенных сателлитов (типа передачи Хоббса) (рис.7).

Рис. 7 - Схема инерционно-импульсного трансформатора вращающего момента с импульсатором в виде неуравновешенных сателлитов:

1- водило планетарного механизма; 2 - неуравновешенные сателлиты;

3 - промежуточный вал; 4 - ведомый вал; 5 - муфта свободного хода;

6 - механизм свободного хода

В момент передачи импульса инерционно-импульсные передачи являются двухпоточными с внутренним разделением потока мощности.

Зависимости, полученные для данной передачи, также аналогичны зависимостям для дифференциальных (гидростатической и фрикционной) передач с внутренним разделением потока мощности.

Как известно, инерционно – импульсные передачи имеют внешнюю характеристику, отличающуюся от характеристики гиперболического вида (рис. 8).

Рис. 8 - Характеристики инерционно-импульсной передачи:

- внешняя характеристика гиперболического вида;

- расчетная характеристика инерционно-импульсного трансформатора с неуравновешенными сателлитами; МТ – теоретическая внешняя характеристика при 0,67

Улучшить характеристику инерционно – импульсной передачи и облегчить условия работы МСХ возможно за счет включения передачи в замкнутую схему, т. е. за счет построения замкнутой дифференциальной передачи со смешанным разделением потока мощности, рис. 9.

На рис. 10 представлена конструкция замкнутой дифференциальной инерционно-импульсной автоматической передачи со смешанным разделением потока мощности, спроектированной и изготовленной также для мотоцикла.

Рис. 9 - Замкнутая дифференциальная инерционно – импульсная передача со смешанным разделением потока мощности: 1 - водило; 2 – солнечная шестерня; 3 – промежуточный вал; 4 – коронная шестерня; 5 – неуравновешенные сателлиты; 6 - грузы; 7 – ведущий вал муфты свободного хода; 8 – механизм свободного хода; 9 – муфта свободного хода; 10 – ведомый вал

Рис. 10 - Двигатель мотоцикла с дифференциальной инерционно-импульсной передачей со смешанным разделением потока мощности

За аналог была взята схема автотракторного трансформатора вращающего момента, разработанного М.Ф. Балжи. Передача имеет следующие технические характеристики: N = 18кВт, D = 10, = 0,70,98.

Отличительная особенность разработанной передачи от аналога – наличие дифференциала на входе, примененного для осуществления торможения мотоцикла двигателем и пуска его буксировкой. Передача обладает внутренней автоматичностью и отличается устойчивой работой.

Известные схемы инерционно-импульсных передач не могут работать без механизмов свободного хода, долговечность работы которых и определяют работоспособность и надежность передач такого типа. Кроме того, автоматизация изменения передаточного отношения осуществляется за счет упругого вала с одним МСХ или за счет момента инерции промежуточного вала с двумя МСХ (рис. 7).

Рассмотрим возможности создания инерционных передач, имеющих иной принцип изменения передаточного отношения. В табл. 2 приведены возможные схемы планетарных импульсаторов с неуравновешенным сателлитом.

Полученные в табл. 2 выражения записаны без учета влияния углового ускорения неуравновешенных сателлитов в цикле работы импульсатора. В таблице обозначено: mc – масса неуравновешенного груза; rm – расстояние от оси вращения груза до центра тяжести груза mc; rВ – радиус водила; rс - радиус сателлита; rск - радиус солнечного колеса; rк – радиус коронного колеса; - угловая скорость ведущего звена; - угол поворота сателлита относительно водила.

Таблица 2 - Возможные схемы планетарных импульсаторов и динамические моменты на ведомом и ведущем звеньях

№	Схема импульсатора	Динамический момент на ведомом валу (Мимп 3)	Динамический момент на ведущем валу (Мимп 1)
1
2
3
4
5
6

На рис. 11 представлено относительное изменение амплитуды момента на ведомом валу импульсного механизма по передаточному отношению передачи для оценки влияния только кинематической схемы (без учета массогабаритных размеров). Для построения графиков был задан относительный размер звеньев импульсатора rск=2rс, тогда rВ=3rс и rк=4rс.

Рис. 11 - Изменение амплитуды момента на ведомом валу импульсатора:

1 – механизм с ведущим водилом при ведомом солнечном колесе по типу передачи Хоббса, 2 и 3 – с ведущей солнечной и коронной шестернями при ведомом водиле,

4 – с ведомым коронным колесом при ведущем водиле, 5 и 6 – импульсаторы механизма С.Ф. Левина

Из рис. 11 видно, что схема 4 обеспечивает необходимое протекание функции и может служить основанием для разработки автоматической коробки передач (без промежуточного вала-реактора или упругого вала), т.к. .

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований опытных коробок передач гидростатического и инерционно-импульсного типа. Стендовые испытания коробок передач проводились в испытательных службах главного конструктора ОАО «ИжМАШ».

Экспериментальные исследования проводились с целью опытной проверки основных теоретических положений, изложенных во второй и третьей главах. Отсюда вытекают следующие задачи: исследование соответствия коробок передач коэффициенту полезного действия и диапазону бесступенчатого регулирования передаточного отношения.

Для испытаний был разработан и изготовлен стенд разомкнутого типа с балансирной установкой коробки передач и тормоза (рис. 12, 13).

Условие равновесия для моментов, действующих на коробку передач, выразится уравнением:

М1 - МП + МР - М2=0, (35)

где М1 – подводимый вращающий момент от двигателя внутреннего сгорания к коробке передач; М2 – отводимый вращающий момент от коробки передач;

МР – реактивный момент на картере коробки, вызванный наличием в ней передаточного отношения (при понижающей передаче реактивный момент совпадает по направлению с подводимым моментом М1); МП – момент, приложенный к картеру коробки передач для уравновешивания момента внутреннего трения, взбалтывания масла и т.д., направление момента МП противоположно по отношению к подводимому моменту М1.

Тогда КПД коробки передач составляет

, (36)

где iК – передаточное отношение коробки передач.

Рис. 12 - Структурная схема стенда: 1 – ДВС мотоцикла «Иж-Ю»; 2 - опытная коробка передач; 3 и 5 – весовое устройство; 4 - 6 – нагрузочное устройство

Рис. 13 - Общий вид стенда

Таким образом, в процессе испытаний замерялись следующие величины: 1) частота вращения ведущего вала двигателя n1 за время опыта (по стробоскопическому тахометру) – об/мин; 2) частота вращения выходного вала n2 за время опыта (по стробоскопическому тахометру) - об/мин; 3) вращающий отводимый момент М2 – кгм; 4) реактивный момент МР корпуса коробки – кгм; 5) момент МП, приложенный к картеру коробки передач – кгм; 6) температура рабочей жидкости в картере коробки передач – t, 0С.

Приборы для измерений: весовое устройство балансирной машины с пределом измерения 100 кгс (цена деления – 0,1 кгс; тарировка шкалы устройства осуществлена посредством рычага с набором грузов); стробоскопический тахометр; термопара и прибор марки М890.

Методика проведения эксперимента по определению КПД коробки передач заключается в следующем. Все опыты подразделяются на серии, которые проводятся при нагрузках, изменяющихся от 0 до номинального значения. Приработка на каждой ступени нагружения осуществлялась до стабилизации температуры масла в картере.

Необходимое число испытаний определяем исходя из принятого доверительного интервала и доверительной вероятности =95%. Коэффициент Стьюдента для принятых ограничений составляет 2,3 и требует проведения не менее 7 опытов на каждом режиме нагружения.

Таким образом, каждая серия испытаний включает в себя семь опытов. Двигатель внутреннего сгорания от мотоцикла «Иж-Юпитер» вращает входной вал испытываемой коробки передач. Выходной вал передачи связан с тормозным устройством 4 – машиной постоянного тока.

Опытная дифференциальная гидростатическая коробка передач с планетарными шестеренчатыми гидроагрегатами перед началом испытаний была подвергнута обкатке на протяжении 10 часов. Испытания коробки передач проходили на гидравлическом масле МГ-22-Б (ГОСТ 38.1011258-89) и индустриальном масле И-ЛГ-А-15 (ГОСТ 17479.4-87). Какого-либо влияния сорта масла на результаты испытаний при проведении экспериментов не выявлено, так как температура масла в картере испытуемой коробки поддерживалась примерно постоянной благодаря наличию обдува на стенде и большому объему масла в коробке передач (около 5л).

Вращающие моменты на валу коробки передач и тормозной машины 4 определялись по реактивным моментам по шкалам весовых устройств, связанных с корпусами коробки и тормозным устройством.

По замеренным величинам рассчитывается КПД коробки передач

, (37)

где М= МР – МП - разность моментов; - действительное передаточное отношение дифференциальной передачи, определяемое по зависимости

; (38)

Полученные экспериментальные данные были подвергнуты обработке методами теории вероятностей.

По полученным экспериментальным данным построено механическая характеристика передачи при различных нагрузках выходного вала (рис. 14) и для всего диапазона регулирования построен график зависимости изменения объемного КПД передачи от передаточного отношения: =f(i) (рис. 15), где наглядно прослеживается резкое увеличение передаточного отношения iдф (до 3,77) при открывании канала, соединяющего насос и гидромотор.

Рис. 14- Механическая характеристика передачи и объемный КПД насоса Рис. 15 - График зависимости изменения КПД от передаточного отношения

По результатам испытаний получен общий КПД передачи (рис. 16 и 17), значения которого находятся в пределах 0,700,84, который можно повысить увеличением КПД гидромотора.

Рис. 16 - График зависимости f(iГ): 1- при М2 = 17,66Нм; 2 - при М2=8,83Нм

Рис. 17 – Зависимость КПД (1) и коэффициента трансформации передачи (2) от передаточного отношения iГ

При испытании инерционно-импульсной передачи выходной вал коробки соединяется непосредственно с валом электрической машины. Результаты стендовых измерений инерционно-импульсной передачи приведены на рис. 18 и в табл. 3.

Рис. 18 - Внешние характеристики инерционной передачи:

1 – идеальная характеристика при числе оборотов коленчатого вала двигателя nДв=5500 об/мин; 2 – расчетная внешняя характеристика трансформатора при m3=1,4кг; r4=0,012м; J4=5,110-4кгм; R=0,062м; r2=0,042м; r3=0,036м; r1=0,075м; 3 - расчетная внешняя характеристика коробки, отличающаяся от предыдущей массой груза m3=1кг; 4 – стендовая характеристика Мт=f(n5) при m3=1,4кг; 5 - стендовая характеристика Мт=f(n5) при m3=1кг; 6 - изменение оборотов двигателя с изменением нагрузки на выходном валу - nДв=f(n5) при m3=1,4кг; 7 - изменение оборотов двигателя с изменением нагрузки на выходном валу - nДв=f(n5) при m3=1кг; точки А1 и А2 – показывают момент прямого замыкания коробки

Таблица 3 - Экспериментальные значения передаточного отношения и КПД инерционного трансформатора вращающего момента

i	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
	0,7	0,81	0,85	0,92	0,93	0,94	0,95	0,96	0,97	0,98

Полученные экспериментальные данные по определению КПД передач подтвердили теоретические преимущества дифференциальных передач с внутренним разделением потока мощности и доказали целесообразность и перспективность их разработок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы, посвященной разработке и обоснованию рациональных схем дифференциальных бесступенчато-регулируемых передач с внутренним разделением потока мощности, позволяют сформулировать следующие выводы и заключения.

1. Полученные зависимости для замкнутых дифференциальных передач являются универсальными и позволяют исследовать передачи с любым числом потоков мощности и независимо от места расположения разделителя мощностного потока (дифференциала) в общей структурной схеме.

2. Увеличение диапазона передаточных отношений в замкнутых дифференциальных передачах с одной коробкой передач независимо от вида разделителя потока мощности возможно только с такой циркуляцией, при которой абсолютная величина мощности, передаваемая через коробку, больше величины мощности, передаваемой через передачу в целом.

3. В передачах с внутренним разделением потока мощности диапазон передаточного отношения в сравнении с обособленной коробкой увеличивается на единицу. При уменьшении диапазона регулирования передачи использование дифференциальной схемы с внутренним разделением потока мощности повышает ее КПД.

4. Дифференциальные замкнутые схемы передач с динамическими трансформаторами момента с односторонними связями (непрозрачные гидротрансформаторы, инерционные и др.) изменяют условия работы передачи в связи с возможностью их работы в определенном интервале передаточных отношений. Приведенные обобщенные схемы таких передач позволяют в зависимости от условий работы выбрать наиболее рациональную схему.

5. Дифференциальные гидростатические передачи с внутренним разделением потока мощности в приемлемом диапазоне регулирования передаточных отношений в сравнении с гидродинамическими, имеют значительно более высокий КПД, находящийся в пределах 0,700,84.

6. Гидростатические передачи, построенные по принципу планетарных шестеренчатых насосов и гидромоторов, являются дифференциальными с внутренним разделением потока мощности, менее трудоемки в изготовлении и эксплуатации, чем аксиально-поршневые, однако, требуют разработки системы управления изменения передаточного отношения.

7. Фрикционные передачи могут быть с внутренним разделением потока мощности при планетарном исполнении фрикционной пары и имеют достаточно высокий КПД, равный 0,83 0,92.

8. Инерционно-импульсные передачи с неуравновешенными сателлитами являются передачами с внутренним разделением потока мощности, имеют КПД, равный 0,70,98. Их внешняя характеристика в значительной степени зависит от рационального выбора массы неуравновешенных грузов и размерных параметров механизма.

9. Стендовые испытания инерционного трансформатора вращающего момента подтвердили теоретические выводы, но при этом отмечается недостаточная долговечность МСХ, практически ставящая под сомнение применение известных схем.

10. Анализ возможных схем планетарных импульсаторов с неуравновешенными сателлитами и возникающих динамических моментов на ведущем и ведомых звеньях позволил выделить рациональную схему, на основе которой можно создавать новые виды инерционных трансформаторов вращающего момента.

11. Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе по гранту Минобразования РФ «Разработка научных основ создания автоматических трансмиссий с динамическими связями».

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Разработка научных основ создания автоматических трансмиссий с динамическими связями: Заключительный отчет о научно-исследовательской работе, выполненной в рамках гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук Минобразования РФ. Код НИР: ВНТИЦ, 01.200.2-04989/ Ижевский государственный технический университет; Руководитель работы В.А. Умняшкин. – Ижевск: ИжГТУ, 2002. – 125 с. – Отв. исполн. Н.М. Филькин; соисполнители: И.С. Набиев, Т.П. Чепикова.
2. Каверина Э.В., Чепикова Т.П. К вопросу разработки математической модели межколесных дифференциалов// Транспортные системы Сибири: Материалы III Всероссийской научно-технической конференции Красноярского государственного технического университета. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. – С. 90 - 92.
3. Умняшкин В.А., Буторин В.А., Чепикова Т.П. Замкнутые дифференциальные бесступенчато-регулируемые передачи// Значение научной работы в процессе подготовки конкурентоспособных специалистов для предприятий Удмуртской республики: Сборник трудов научно-методической конференции Воткинского филиала ИжГТУ. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2006. - С. 109 - 112.
4. Бибиков М.Н., Чепикова Т.П., Каверина Э.В. О возможностях использования гидравлических и дифференциальных передач для обеспечения рационального режима работы автомобильного двигателя// Политранспортные системы: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. – Красноярск: Сиб. федер. Ун-т; Политехн. ин-т, 2007. – С. 203-209.
5. Умняшкин В.А., Чепикова Т.П. Экспериментальное исследование дифференциальной гидростатической передачи с внутренним разделением потока мощности// Проблемы и перспективы автомобилестроения в России: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Ижевск: Издательство ИжГТУ. – 2007. – С. 192 - 196.
6. Умняшкин В.А., Чепикова Т.П., Каверина Э.В. Анализ динамических свойств дифференциальных устройств// Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники: Сборник докладов Всероссийской конференции. – Ижевск, 2007. – С. 159 - 167.
7. Чепикова Т.П. Исследование внешней характеристики замкнутой дифференциальной инерционно-импульсной передачи// Прогрессивные технологии в транспортных системах: Сборник докладов VIII Российской научно-практ. конференции. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2007. – С. 321 - 326.
8. Умняшкин В.А., Чепикова Т.П. Исследование мощности и КПД замкнутой дифференциальной гидростатической передачи с внутренним разделением потока мощности// Вестник ИжГТУ [Текст]: периодический научно-теоретический журнал ИжГТУ. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ. – 2008. – №1. – С. 6 –10.

Подписано в печать 15.04.08. Формат 60х84/16

Усл.печ.л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 1053

Отпечатано в ЧТИ ИжГТУ 617766, г.Чайковский, ул.Декабристов, 23.