On the selection of parameters of double-flow hydromechanical transmission for industrial and forestry tractors

Full Text

Введение Особенность работы промышленных и лесопромышленных тракторов заключается в высокой динамичности внешних нагрузок при выполнении технологических операций различными агрегатами на их базе [1, 2]. Поэтому в конструкции этих тракторов широкое распространение получили гидромеханические передачи (ГМП) с гидродинамическими трансформаторами (ГТ) или комплексными гидродинамическими передачами, обеспечивающие автоматическое изменение крутящего момента при изменении внешней нагрузки на трактор. Методика конструирования и расчета однопоточных (полнопоточных) ГМП в настоящее время достаточно хорошо отработана [1-7]. В однопоточных ГМП КПД, кинематическое и силовое передаточные числа равны произведению КПД и передаточных чисел соответствующих механизмов. Эти передачи имеют большой диапазон регулирования, но низкий КПД [3-7]. Более высоким КПД обладают двухпоточные ГМП, в которых мощность передается двумя потоками через механические и гидравлические звенья. Такая передача обычно состоит из ГТ и дифференциального звена, выполненного в виде трехзвенного дифференциального механизма (ТДМ) со смешанным или внешним зацеплением шестерен. При этом через ГТ передается только часть мощности, остальная же мощность передается через механическую передачу, имеющую значительно более высокий КПД по сравнению с ГТ. Цель исследования В настоящее время отсутствуют четкие рекомендации по выбору основных параметров двухпоточных ГМП, поэтому цель исследования - выбор параметров двухпоточной ГМП для промышленных и лесопромышленных тракторов. Определение основных показателей двухпоточной ГМП Основные показатели двухпоточных ГМП - это кинематическое и силовое передаточные числа и КПД . В зависимости от расположения дифференциального звена по отношению к ГТ различают двухпоточные ГМП с дифференциальным звеном на входе или на выходе [3, 4, 6, 7]. В качестве примера рассмотрим наиболее распространенную схему двухпоточной ГМП с дифференциальным звеном на выходе (рис. 1) [3, 4, 7]. В данной передаче мощность передается с ведущего на ведомый вал двумя потоками. Первый поток мощности передается чисто механическим путем через солнечную шестерню на сателлиты и далее на водило, связанное с ведомым валом передачи. Здесь присутствуют только механические потери потока мощности, КПД передачи в данном потоке мощности высокий. Второй поток мощности передается через ГТ на эпициклическую шестерню и далее через сателлиты на водило. Здесь присутствуют потери потока мощности как в ГТ с низким КПД, так и в механической части передачи с высоким КПД. Потери мощности здесь более высокие. Таким образом, на водиле ТДМ осуществляется суммирование двух потоков мощности. Для рассматриваемого примера двухпоточной ГМП максимальный КПД , где - максимальный КПД ГТ. Это связано с тем, что через ГТ здесь передается только часть потока мощности с ведущего вала ГМП. Другая же часть потока мощности передается через механические звенья передачи с высоким КПД. Выбор основных параметров двухпоточных ГМП рассмотрим на примере схемы ГМП с дифференциальным звеном на выходе, представленной на рис. 1. Показатели двухпоточной ГМП определяют по следующим выражениям [3, 4, 7]: - кинематическое передаточное число (1) - силовое передаточное число (2) - КПД ГМП (3) - коэффициент нагрузки насосного колеса ГТ (учитывает долю крутящего момента, подводимого от ведущего вала ГМП к насосному колесу ГТ) - коэффициент нагрузки солнечной шестерни ТДМ (учитывает долю крутящего момента, подводимого от ведущего вала ГМП к солнечной шестерне ТДМ) Здесь - характеристика планетарного ряда (по абсолютной величине равна передаточному числу планетарного ряда при остановленном водиле); , - число зубьев эпициклической и солнечной шестерен ряда; , - коэффициенты трансформации ГТ и ГМП; , - крутящие моменты на солнечной шестерне ТДМ и насосном колесе ГТ. В табл. 1 приведены все возможные схемы двухпоточных ГМП с дифференциальным звеном, выполненным в виде ТДМ со смешанным зацеплением шестерен [3, 4, 7]. В ряде схем, приведенных в табл. 1, в силовом контуре возникает циркулирующая мощность . В результате КПД такой передачи , а циркулирующая мощность дополнительно нагружает механические или гидравлические звенья ГМП. В схемах 1, 2, 7, 8 циркулирующая мощность отсутствует [3, 4, 7]. Эти схемы повышают КПД передачи, снижают силовое передаточное число (коэффициент трансформации) и позволяют уменьшить размеры ГТ по сравнению с полнопоточной передачей. Наиболее рациональна схема 1, получившая широкое распространение (см. рис. 1). В схемах 3, 4, 9, 10 циркулирующая мощность перегружает ГТ, что приводит к увеличению его размеров, снижению КПД передачи и повышению ее силового передаточного числа [3, 4, 7]. В схемах 5, 6, 11, 12 циркулирующая мощность перегружает механические звенья передачи, что приводит к снижению КПД передачи и силового передаточного числа по сравнению с ГТ. Поэтому данные схемы интереса не представляют [3, 4, 7]. Таблица 1 Схемы двухпоточных ГМП Дифференциальное звено на выходе Дифференциальное звено на входе Внешняя характеристика двухпоточной ГМП Внешняя характеристика двухпоточной ГМП представляет собой зависимость крутящих моментов на ведущем и на ведомом валах передачи и ее КПД от отношения при постоянной частоте вращения ведущего вала. Она может быть построена по внешней характеристике ГТ для заданной величины характеристики планетарного ряда. Крутящий момент на ведущем валу ГМП можно представить по аналогии с ГТ в виде: , (4) где , - коэффициенты моментов ведущего вала ГМП и насосного колеса ГТ, мин2/м; - активный диаметр ГТ, м; - удельный вес рабочей жидкости, Н/м3. Наиболее часто внешняя характеристика двухпоточной ГМП представляется в виде зависимостей , и от отношения при постоянной частоте вращения ведущего вала. Из выражения (4) следует: - для схем 1-6 ГМП из табл. 1 , (5) так как здесь ; - для схем 7-12 ГМП из табл. 1 где Величина определяется из уравнения кинематики ТДМ [3, 4] с использованием соответствующей схемы ГМП из табл. 1. Здесь , , - частоты вращения солнечной и эпициклической шестерен ТДМ и водила. Крутящий момент на ведомом валу ГМП: . Рассмотрим методику построения внешней характеристики двухпоточной ГМП (см. рис. 1) с ГТ, внешняя характеристика которого приведена на рис. 2. Необходимо отметить, что в данной схеме двухпоточной ГМП возможен режим работы, когда турбинное колесо ГТ вращается в сторону, противоположную вращению насосного колеса (противовращение турбинного колеса). Этот фактор необходимо учитывать при построении внешней характеристики двухпоточной ГМП. Из выражения (1) получим: . (6) Тогда, задаваясь величиной из выражения (6), определим соответствующее ей значение при заданной величине характеристики планетарного ряда. Примем в качестве примера и сведем результаты расчета в табл. 2. Таблица 2 Результаты расчета величины при 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 -0,5 -0,35 -0,2 -0,05 0,1 0,25 0,4 0,55 0,7 0,85 0,925 Для каждого значения из графика на рис. 2 определим величины и . Далее по выражениям (5), (2) и (3) определим соответствующие им значения ; ; . Полученные результаты используем для построения внешней характеристики двухпоточной ГМП (рис. 3). Внешние характеристики однопоточной и двухпоточных ГМП (см. рис. 1) с различными характеристиками планетарного ряда и внешней характеристикой ГТ, приведенной на рис. 2, представлены на рис. 4. Поскольку в однопоточной ГМП отсутствует режим противовращения турбинного колеса ГТ, то при построении внешней характеристики однопоточной ГМП принято, что , так как ; . Из анализа приведенных графиков следует, что двухпоточные ГМП имеют более высокие значения максимального КПД . При этом с уменьшением характеристики планетарного ряда значение повышается. При заданной внешней характеристике ГТ (см. рис. 2) и получим , а при получим (режим противовращения турбинного колеса). Изменение характеристики планетарного ряда сказывается также на других параметрах внешней характеристики ГМП. Так, увеличение приводит к снижению прозрачности ГМП и повышению ее коэффициента трансформации . Согласование нагрузочной характеристики ГМП с внешней скоростной характеристикой дизельного двигателя Нагрузочная характеристика ГМП представляет собой зависимость крутящего момента на ведущем валу ГМП от частоты вращения ее ведущего вала. Поскольку ведущий вал ГМП связан с валом двигателя, то при изменении крутящего момента на ведущем валу будет изменяться загрузка двигателя. Эту характеристику иногда называют входной характеристикой ГМП. Для построения нагрузочной характеристики ГМП используют выражение (4). Прежде чем приступить к проектированию остальных элементов ГМП, необходимо проверить возможность ее совместной работы с двигателем трактора. Для этого на внешнюю скоростную характеристику двигателя наносят нагрузочную характеристику ГМП. Число парабол нагрузочной характеристики определяется степенью прозрачности ГМП. В настоящее время при согласовании нагрузочной характеристики ГМП с внешней скоростной характеристикой двигателя принимают, что максимальный КПД ГМП должен соответствовать работе двигателя на номинальном режиме. Расчетная схема силового блока «двигатель - двухпоточная ГМП» представлена на рис. 5. Согласование нагрузочной характеристики ГМП с внешней скоростной характеристикой двигателя можно выполнить тремя способами: - изменением активного диаметра гидротрансформатора; - выбором необходимого передаточного числа согласующего редуктора; - выбором соответствующей характеристики планетарного ряда. Согласование нагрузочной характеристики ГТ с внешней скоростной характеристикой двигателя изменением его активного диаметра Примем с учетом выражения (4) и расчетной схемы на рис. 6, что: , (7) где - КПД согласующего редуктора. При отсутствии согласующего редуктора принимают ; . В то же время крутящий момент на ведущем валу ГМП: (8) Тогда, приравняв правые части выражений (7) и (8) и приняв и , получим необходимый активный диаметр ГТ, м: , (9) где - коэффициент момента ведущего вала ГМП при ее максимальном КПД . На рис. 3 и 4 показано значение для ГМП с характеристикой планетарного ряда и внешней характеристикой ГТ, представленной на рис. 2. Выражение (9) - общее для всех схем ГМП, приведенных в табл. 1. Согласование нагрузочной характеристики ГТ с внешней скоростной характеристикой двигателя выбором соответствующего значения передаточного числа согласующего редуктора Приравняв правые части выражений (7) и (8) и приняв и , определим необходимое значение передаточного числа согласующего редуктора: (10) Выражение (10) - общее для всех схем ГМП, приведенных в табл. 1. Согласование нагрузочной характеристики ГТ с внешней скоростной характеристикой двигателя выбором соответствующего значения характеристики планетарного ряда В данном случае для каждой схемы ГМП из табл. 1 будет свое выражение для определения необходимого значения характеристики планетарного ряда. Получим расчетное выражение для на примере двухпоточной ГМП, приведенной на рис. 1 и на схеме 1 в табл. 1. Для этой схемы , где . Тогда, заменив на , а - на в выражении (7), получим: . (11) Здесь соответствует значению коэффициента момента ведущего вала ГМП при ее максимальном КПД (см. рис. 3, 4). При согласовании нагрузочной характеристики двухпоточной ГМП с внешней скоростной характеристикой двигателя из выражения (11) получим: . Аналогично можно получить расчетные формулы, позволяющие определять необходимые значения характеристик планетарных рядов, и для других схем двухпоточных ГМП, приведенных в табл. 1. При согласовании нагрузочной характеристики двухпоточной ГМП с внешней скоростной характеристикой двигателя желательно обеспечить пересечение левой параболы нагрузочной характеристики с кривой крутящего момента двигателя в точке А (см. рис. 6), соответствующей величине максимального крутящего момента. Это позволит наиболее полно использовать преобразующее свойство двигателя изменять величину крутящего момента при изменении внешней нагрузки на двигатель. Особенно важно это для двигателей постоянной мощности, у которых коэффициент приспособляемости по величине крутящего момента может достигать значений 1,4-1,65 [1-3]. Крайняя левая парабола на рис. 6 соответствует режиму работы, когда имеет максимальное значение (точка 1 на рис. 3), крайняя правая парабола построена для минимального значения (точка 4 на рис. 3) . Расчеты показали, что в двухпоточной ГМП левая парабола нагрузочной характеристики пересекает кривую крутящего момента дизельного двигателя в точке В, расположенной ближе к точке А, соответствующей величине его максимального крутящего момента, по сравнению с однопоточной ГМП. Следовательно, рассмотренная схема двухпоточной ГМП по сравнению с однопоточной позволяет наиболее полно использовать преобразующее свойство двигателя изменять величину крутящего момента при изменении внешней нагрузки на двигатель. Определение относительных частот вращения сателлитов ТДМ Для схемы ТДМ со смешанным зацеплением шестерен (см. рис. 6) относительные частоты вращения сателлитов определяются по одному из выражений [3, 4, 8-11]: (12) Данные выражения можно использовать для всех схем двухпоточных ГМП, приведенных в табл. 1. При выборе параметров ТДМ для двухпоточной ГМП одно из основных ограничений - предельная относительная частота вращения сателлитов, которая должна удовлетворять условию нормальной работы подшипниковых узлов в течение заданного срока службы машины. Применяемые для сателлитов серийные подшипники качения допускают под нагрузкой относительную частоту вращения колец до 6000 мин-1. Поэтому при проектировании двухпоточной ГМП будем принимать, что , где - допускаемая частота вращения сателлитов. Рассмотрим пример определения частоты вращения сателлитов ТДМ для схемы двухпоточной ГМП, представленной на рис. 1. При определении будем использовать выражение (12). В рассматриваемом случае ; (см. рис. 1). Рассмотрим худший случай, когда ; . Здесь - частота вращения вала двигателя на холостом ходу (см. рис. 6). Примем . Результаты расчетов частоты вращения сателлитов приведены в табл. 3. Таблица 3 Частота вращения сателлитов ТДМ в двухпоточной ГМП 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,2 , мин-1 9000 7500 6428,6 5625 5000 4500 3750 Из приведенных в табл. 3 результатов следует, что в данной схеме двухпоточной ГМП ТДМ с характеристикой ряда не удовлетворяют требованию по допустимой частоте вращения сателлитов. При уменьшении характеристики планетарного ряда увеличивается частота вращения сателлитов ТДМ. Выводы 1. Приведенная методика позволяет определять все необходимые параметры двухпоточной ГМП на стадии проектирования. 2. Установлено, что при уменьшении характеристики планетарного ряда повышается максимальный КПД двухпоточной схемы ГМП, представленной на рис. 1, уменьшается активный диаметр гидротрансформатора и увеличивается относительная частота вращения сателлитов ТДМ. Увеличение характеристики планетарного ряда приводит к снижению прозрачности ГМП и к повышению ее коэффициента трансформации . 3. Двухпоточная ГМП по схеме, представленной на рис. 1, позволяет наиболее полно по сравнению с однопоточной ГМП использовать преобразующее свойство двигателя изменять величину крутящего момента при изменении внешней нагрузки на двигатель, что очень важно для промышленных и лесопромышленных тракторов.

About the authors

V. M Sharipov

University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trak@mami.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

G. O Kotiev

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: kotievgo@yandex.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

Yu. S Shchetinin

University of Mechanical Engineering (MAMI)

PhD in Engineering Moscow, Russia

M. V Vyaznikov

MIKONT, LLC

Email: mv1532@yandex.ru
PhD in Engineering Cheboksary, Russia

S. V Gaev

MIKONT, LLC

Engineer Cheboksary, Russia

M. G Rozenoer

MIKONT, LLC

Engineer Cheboksary, Russia

References

Supplementary files