Application prospects of elastic reactive linkage in tractor power train

Full Text

УДК 629.114.2-235 ТСМ № 12-2014 Перспективы использования упругого реактивного звена в силовой передаче трактора Инж. А.В. Калмыков, д-ра техн. наук В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, канд. техн. наук Н.С. Соколов-Добрев (Волгоградский ГТУ, shehovtsov@vstu.ru), д-р техн. наук З.А. Годжаев (ВИМ) Аннотация. Выполнен анализ перспектив использования упругого реактивного звена в силовой передаче трактора с целью снижения ее динамической нагруженности на переходных режимах (поворот, разгон, торможение). Разработана и исследована пространственная динамическая модель силовой передачи трактора с упругой муфтой и без нее. Показано, что упругое реактивное звено наиболее эффективно (на 10-20%) снижает динамическую нагруженность участков силовой цепи на входе в поворот и выходе из него. Ключевые слова: трактор, силовая передача, динамическая нагруженность, упругое реактивное звено, снижение динамической нагруженности. Несмотря на то, что производители автотракторной техники при создании новых машин уделяют пристальное внимание конструкционным мероприятиям, направленным на снижение динамической нагруженности силовых передач в эксплуатации, эта нагруженность продолжает оставаться высокой. Это одна из главных причин накопления в материале деталей усталостных повреждений, отказов и поломок [1-5]. В мировом тракторостроении используется множество средств и методов снижения динамической нагруженности передач, в т.ч. [6]: - установка в силовую цепь специальных устройств с высокой податливостью; - целенаправленное конструирование отдельных деталей силовых передач с высокой податливостью; - использование упругих элементов в приводе ведущих колес; - использование упругих элементов в прицепном устройстве; - использование самоустанавливающихся «плавающих» или компенсационных звеньев; - использование обрезиненных элементов в гусеничной ходовой системе; - установка демпферов в силовую цепь; - целенаправленное конструирование отдельных деталей силовой цепи с повышенными демпфирующими свойствами; - снижение степени динамической связанности колебаний звеньев силовых передач. Один из методов, не распространенный в конструкторской практике, - использование в силовой цепи реактивного звена с упругой связью. Выполненные исследования свидетельствуют о том, что этот метод позволяет существенно снизить динамическую нагруженность участков силового валопровода при процессах нагружения с высокой динамикой. В гусеничных машинах одним из самых нагруженных режимами с высокой динамикой является узел конечной передачи [7-10]. В трансмиссии трактора «ЧЕТРА 6С-315» конечная передача планетарная, где остановленное звено - коронная шестерня. Она жестко связана с корпусом, служит опорой для вращающихся деталей передачи, т.е. реактивным звеном. Для снижения динамической нагруженности конечной передачи и связанных с ней элементов силового валопровода предложено вместо жесткого закрепления коронной шестерни использовать ограниченно упругое (5° вперед-назад). Выполнена конструкционная проработка установки между ступицей и венцом, связывающим барабан с коронной шестерней, пакетов упругих металлических пластин, т.е. своеобразной упругой муфты (рис. 1, 2). Упругие пакеты муфты воспринимают и сглаживают пиковые динамические нагрузки, а после их упругой деформации обеспечивается жесткое соединение между ступицей и венцом муфты по контактным поверхностям косых упоров ступицы и венца. Упругая характеристика муфты представлена на рис. 3. Для проверки эффективности предложенного метода снижения нагруженности силовой передачи в программном пакете «Универсальный механизм» создана ее модель с пространственным представлением элементов (рис. 4) [6]. В модели подробно описаны элементы коробки передач и дифференциального механизма поворота, отражены разделения потоков мощности. В кинематических парах сохранены передаточные отношения. Учтены реактивные силы и моменты, действующие на корпусные и несущие элементы, а также от двигателя. Описан дифференциальный механизм поворота с управлением от гидромотора. Предусмотрена возможность управления фрикционными элементами коробки передач для исследования динамических процессов на переходных режимах. Для анализа влияния на нагруженность силовой передачи комплекса кинематических и динамических нагружающих факторов, под действием которых формируется крутящий момент на ведущих колесах, с помощью пакета «Универсальный механизм» создана твердотельная модель [6] гусеничного движителя трактора «ЧЕТРА 6С-315» (рис. 5). Модель позволяет задавать характер изменения крутящего момента любого двигателя, предварительно определенный по индикаторным диаграммам, в частности моменты двигателя Д-442-24 для трактора «Агромаш-90» и 6-цилиндрового рядного двигателя Cummins QSM-C330 для трактора «ЧЕТРА 6С-315». Конечная передача с реактивным звеном представлена в динамической модели (см. рис. 4) схемой, показанной на рис. 6. Уравнения, описывающие движение ее элементов, записываются в следующем виде [5]: где Ii - моменты инерции сосредоточенных масс; Ci-j - крутильная жесткость их упругих связей; ki - коэффициенты демпфирования колебаний масс; - соответственно перемещения, скорости и ускорения масс в колебательном движении. С использованием модели в пакете «Универсальный механизм» выполнен комплекс расчетных исследований изменения нагруженности участков силовой передачи с упругой муфтой и без нее под действием основных кинематических и динамических факторов при прямолинейном движении трактора с постоянной скоростью с крюковой нагрузкой и без нее, а также при поворотах с разными радиусами [9-12]. В качестве оценочного показателя, характеризующего степень динамической нагруженности участков, использован коэффициент неравномерности нагрузки kн , пропорциональный отклонению максимального момента на участке от его средней величины. Во время прямолинейного движения без крюковой нагрузки при установке муфты kн уменьшается на 3-4%, а при движении со скоростью 2 км/ч на всех участках уменьшается в пределах от 16 до 38%. По оси абсцисс на графике (рис. 7) отложены номера участков: 1-7 - от двигателя внутреннего сгорания по карданный вал; 8-11 - коробка передач; 12-15 - от главной по конечную передачу [6]. С крюковой нагрузкой картина почти не изменяется, но снижение нагруженности имеет место в основном на участках, расположенных до главной передачи. На рис. 8 показано изменение kн по бортам трансмиссии с установкой муфты и без нее на установившемся повороте без крюковой нагрузки. Анализ показал, что в процессе поворота коэффициенты неравномерности нагруженности участков левого и правого бортов неодинаковы и отличаются в 1,3-1,5 раза. На рис. 9 показано изменение максимальных моментов по бортам - они разные только на участках, связанных с отстающей и забегающей гусеницами, отличаются при разных скоростях и радиусах поворота в пределах от 1 до 45%. При повороте с крюковой нагрузкой заметного изменения нагруженности участков не наблюдается. На всех участках неравномерность нагруженности снижается от 0 до 25% [6, 12]. Самая высокая динамичность нагрузок обычно наблюдается в начальной и конечной фазах поворота, т.е. на входе в поворот и выходе из него. На рис. 10 приведено сравнение изменения kн на участках при установившемся повороте и при входе в поворот, на многих участках kн снижается на 20-35%. На рис. 11 показаны участки цифровых осциллограмм изменения момента на ведущих колесах забегающей и отстающей гусениц. На них видно, что при входе в поворот (с 3-й по 4-ю секунды движения) максимальный момент в 3,5 раза превышает средний, а на выходе из поворота (с 7-й по 8-ю секунды) - в 2,5 раза. Анализ процесса изменения с 3-й по 7-ю секунду моментов на участках, расположенных рядом с ведущим колесом, показывает, что при входе в поворот максимальный момент на участках, связанных с забегающей гусеницей, в 9 раз превышает средний, а на выходе из поворота - в 2,5 раза. На рис. 12 показано изменение kн на тех же участках при выходе из поворота с упругой муфтой и без нее, момент при ее установке уменьшается на 5-6% [6, 12]. Выводы В результате анализа комплекта графиков установлено, что за счет изменения крутильной жесткости реактивного звена [6]: - при прямолинейном движении с крюковой нагрузкой и без нее на участках трансмиссии отношение максимального момента к среднему уменьшается на 3-4%, а при движении со скоростью 2 км/ч - от 16 до 38%; - при установившемся повороте с крюковой нагрузкой и без нее при разных скоростях движения и разных радиусах поворота отношение максимального момента к среднему уменьшается на отдельных участках до 25%; - на режимах с самой высокой динамичностью нагрузок, т.е. на входе в поворот и выходе из него, на большинстве участков отношение максимального момента к среднему снижается на 20-35%. Таким образом, в результате выполнения комплекса исследований доказана перспективность метода снижения динамической нагруженности силовой передачи трактора за счет изменения крутильной жесткости реактивного звена.

About the authors

A. V Kalmykov

Volgograd State Technical University

V. V Shekhovtsov

Volgograd State Technical University

Email: shehovtsov@vstu.ru

M. V Lyashenko

Volgograd State Technical University

N. S Sokolov-Dobrev

Volgograd State Technical University

Z. A Godzhayev

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

References

Supplementary files