Kinematic analysis of double-flow hydromechanical transmissions

Full Text

Введение Двухпоточные гидромеханические передачи (ГМП) получают все большее распространение в конструкциях современных тракторов и автомобилей. В табл. 1 приведены все 12 возможных схем двухпоточных ГМП с дифференциальным звеном, выполненным в виде трехзвенного дифференциального механизма (ТДМ) со смешанным зацеплением зубчатых колес [1-4]. В зависимости от принятой схемы изменяются основные параметры работы двухпоточной ГМП, такие как КПД, коэффициент трансформации, прозрачность [4]. Выбор схемы сказывается также на величине и направлении угловых скоростей вращения звеньев механизма. Последнее может привести к тому, что при реализации некоторых режимов гидротрансформатор (ГТ) будет работать в нехарактерных для его функционирования условиях. Таблица 1 Схемы двухпоточных ГМП Дифференциальное звено на выходе Дифференциальное звено на входе Цель исследования В настоящее время отсутствуют четкие рекомендации по выбору основных параметров всех 12 возможных схем двухпоточных ГМП с ТДМ со смешанным зацеплением зубчатых колес. Поэтому целью данного исследования стал кинематический анализ, позволяющий оценить эти схемы. Кинематический анализ двухпоточных ГМП Работа двухпоточной ГМП с использованием наиболее распространенной схемы 1 подробно проанализирована в исследованиях [4, 5]. В данной же работе приводятся результаты выполненного на основе теоретических расчетов кинематического анализа всех схем двухпоточных ГМП, данных в табл. 1. При выполнении кинематического анализа двухпоточных ГМП использованы следующие термины и обозначения: , - угловые скорости ведущего и ведомого валов ГМП; - передаточное число ГМП; , - угловые скорости насосного и турбинного колес ГТ; - передаточное число ГТ; , , , - угловые скорости солнечной и эпициклической шестерен, водила ТДМ и сателлитов; - характеристика планетарного ряда ( , - число зубьев эпициклической и солнечной шестерен планетарного ряда). В расчетах использованы известные зависимости [1]: ; Рассмотрена работа двухпоточной ГМП в диапазоне изменения от 0 до 1, т.е. от стопового режима до режима прямого хода. Принято, что из конструкционных соображений характеристика k планетарного ряда может изменяться в пределах от 1,5 до 5. В табл. 2 представлены результаты расчетов, позволяющие определить режим работы ГТ при всех возможных вариантах его включения в конструкцию двухпоточной ГМП. Таблица 2 Режимы работы ГТ в двухпоточной ГМП Схема ГМП Диапазон работы ГМП Диапазон работы ГТ Противовращение турбины, Турбина обгоняет насос, Противовращение насоса, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Результаты кинематического анализа двухпоточных ГМП О характере изменения угловых скоростей насосного и турбинного колес можно судить по графикам, представленным на рис. 1. Расчеты выполнены для планетарного ряда с характеристикой k = 2. Здесь и далее цифрами обозначены номера схем, - относительная угловая скорость i-го звена. В схемах с дифференциальным звеном на выходе (схемы 1-6) насосное колесо всегда вращается со скоростью ведущего вала и . На рис. 1 для этих схем представлены зависимости относительной угловой скорости турбинного колеса от параметра . В схемах с дифференциальным звеном на входе (схемы 7-12) турбинное колесо вращается со скоростью ведомого вала. Для этих схем на рис. 1 даны зависимости изменения относительной угловой скорости насосного колеса. Для схем 1 и 2 возможен режим, когда турбинное колесо будет вращаться в противоположную сторону по отношению к насосному колесу. Для схемы 1 это произойдет левее точки А, а для схемы 2 - левее точки В. В точках А и В турбина остановлена . При использовании схем 3 и 4 диапазон изменения передаточного числа ГТ не выходит за пределы его нормальной работы ( ), однако он используется не полностью. При использовании схем 5 и 6 турбинное колесо всегда будет обгонять насосное колесо. При этом максимальная скорость вращения турбины соответствует стоповому режиму. В схемах 7 и 8 насосное колесо всегда обгоняет ведущий вал и достигает максимальной скорости в стоповом режиме. При использовании схем 9 и 10 насосное колесо вращается медленнее ведущего вала, но в ту же сторону. С уменьшением параметра угловая скорость насосного колеса уменьшается. В схемах 11 и 12 возможен режим противовращения насосного колеса (в зоне левее точек соответственно А и В). Возможность работы ГТ в нестандартном режиме ( ; ; ) может вызвать серьезные затруднения при проектировании двухпоточной ГМП по ряду причин. Во-первых, при проектировании существующих конструкций ГТ (а именно их предполагается использовать в двухпоточной ГМП) не ставилась задача их эффективной работы в этих режимах. Во-вторых, для выполнения расчетов необходимо иметь внешнюю характеристику ГТ. К настоящему моменту мы не располагаем экспериментальными данными, позволяющими судить о внешней характеристике ГТ, работающего в области отрицательных значений , в области, когда турбина обгоняет насосное колесо и когда насосное колесо вращается в противоположную сторону по отношению к реактору. Теоретически прогнозировать изменение значений коэффициента трансформации и коэффициента момента насосного колеса при работе в этих режимах также проблематично. Можно использовать методы аппроксимации, но в определенных пределах. Для схем с дифференциальным звеном на входе, возможно, придется разрабатывать новую методику согласования работы двигателя и ГТ, так как традиционная методика предполагает, что угловая скорость насосного колеса изменяется в незначительных пределах. Кроме того, параметры внешней характеристики ГТ зависят от угловой скорости насосного колеса. Характеристика k планетарного ряда оказывает существенное влияние на величину относительных угловых скоростей насосного и турбинного колес, а значит, и на диапазон работы ГТ. Поскольку представленные на рис. 1 зависимости линейны, и все графики выходят из точки с координатами (1; 1), то для оценки границ диапазона работы ГТ достаточно исследовать стоповый режим. На рис. 2, а даны графики изменения относительных угловых скоростей турбинного колеса (для схем 1-6) и насосного колеса (для схем 7-12) при работе в стоповом режиме ( ) и различных значениях k из диапазона 1,5-5. Для схем 1 и 2 возможен режим, когда турбинное колесо будет вращаться в противоположную сторону по отношению к насосному колесу. В схеме 1 это может произойти при = 0,4; k =1,5. При этом в стоповом режиме (выходной вал остановлен) будем иметь . В схеме 2 в лучшем случае (k = 1,5) турбина перейдет в режим противовращения при ; . В худшем случае (k = 5) практически во всем диапазоне работы ГМП ( ) будет наблюдаться противовращение турбины, . В схемах 3, 4, 7-10 диапазон изменения передаточного числа ГТ не выходит за пределы его нормальной работы ( ). Однако в схемах 3 и 4 диапазон используется не полностью. Для схемы 3 при k = 5 имеем левую границу используемого диапазона , а при k = 1,5 параметр . Для схемы 4 диапазон еще уже: при k = 1,5 и при k = 5. При использовании схем 5 и 6 турбина всегда будет обгонять насосное колесо. В этих схемах правая граница диапазона работы ГТ соответствует стоповому режиму. Для схемы 5 ее значение изменяется от (при k = 5) до (при k = 1,5). Для схемы 6 будем иметь при k = 1,5; при k = 5. Левая граница для этих схем соответствует . В табл. 3 приведены зависимости, позволяющие оценить угловые скорости вращения звеньев планетарного ряда для всех возможных схем ГМП. Относительные угловые скорости звеньев линейно зависят от параметра . Для режима, при котором , во всех случаях имеем ; С учетом этого ограничимся рассмотрением влияния параметра k на значения угловых скоростей только для стопового режима работы ГМП. Результаты расчетов представлены на рис. 2, б-д. Таблица 3 Угловые скорости вращения звеньев планетарного ряда Схема ГМП 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 10 1 11 1 12 1 Предварительный анализ результатов показывает, что при использовании схем 2, 6, 8, 12 возникнут трудности при проектировании подшипниковых опор, так как для любого значения характеристики k планетарного ряда значения угловых скоростей либо сателлитов, либо солнечной шестерни превысят пределы возможной работы подшипников качения. Для схем 1, 5, 7, 11 угловые скорости звеньев значительно меньше, чем в предыдущем случае, но и здесь угловая скорость сателлитов при малых значениях характеристики k планетарного ряда может выйти за допустимые пределы. Для схем 3, 4, 9, 10 угловые скорости всех звеньев не превышают угловой скорости ведущего звена, а угловая скорость сателлитов лежит в допустимых пределах работы подшипников. Выводы 1. При использовании схем 3, 4, 7-10 во всем рабочем скоростном диапазоне двухпоточной ГМП ( ) гидротрансформатор работает в нормальном режиме. При этом в схемах 7-10 рабочий скоростной диапазон ГТ используется полностью, а в схемах 3 и 4 - частично. 2. При использовании остальных схем ГТ работает в нетипичных для него условиях. 3. При использовании схем 3, 4, 9, 10 угловые скорости центральных звеньев ТДМ относительно малы и не превышают скорости ведущего звена. Угловая скорость вращения сателлитов лежит в пределах допустимых значений. 4. При использовании схем 1, 5, 7, 11 угловая скорость вращения сателлитов при малых значениях характеристики k планетарного ряда может выйти за пределы значений, обеспечивающих нормальную работу подшипников качения. Угловые скорости основных звеньев планетарного ряда лежат в допустимых пределах. 5. В схемах 2, 6, 8, 12 угловые скорости либо солнечной шестерни (при больших значениях k), либо сателлитов (при малых значениях k) всегда превышают допустимые пределы.

About the authors

V. M Sharipov

Moscow Polytechnic University

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

Yu. S Shchetinin

Moscow Polytechnic University

PhD in Engineering Moscow, Russia

M. I Dmitriev

Moscow Polytechnic University

PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files