Design of four shaft misaligned semi-automatic transmissions for agriculture tractors

Full Text

Введение Преселекторные коробки передач (ПрКП) получают все большее распространение в трансмиссиях тракторов и автомобилей [1-3]. В настоящее время конструкторы машиностроительных предприятий при создании ПрКП для машин различного назначения используют графоаналитический метод проектирования на основе большого количества итераций. Данный метод является достаточно трудоемким и не обеспечивает гарантии повторяемости результата. Однако на сегодняшний день других методов определения рациональных параметров конструкции ПрКП не существует. Цель исследования Целью настоящего исследования является разработка методики проектирования ПрКП, заключающейся в выборе ее рациональных параметров на стадии проектирования для обеспечения технологичности конструкции и минимальных габаритов по ширине. Разбивка передаточных чисел в ПрКП Методика проектирования коробок передач с неподвижными осями валов и планетарных достаточно подробно рассмотрена в работах [4-12]. Однако в настоящее время в конструкциях современных тракторов и автомобилей все большее распространение получают ПрКП [1-3], вопросы конструирования и расчета которых применительно к отечественным сельскохозяйственным тракторам частично изложены в работах [13-18]. Методику проектирования ПрКП рассмотрим на примере ее кинематической схемы с несоосным расположением входного и выходного валов, представленной на рис. 1 [13, 14, 18]. Применение ПрКП с несоосным расположением входного и выходного валов позволяет упростить согласование двигателя трактора и центральной передачи при их разновысотном размещении, а также рационально использовать пространство картера для размещения механических передач диапазонной части ПрКП и независимого привода вала отбора мощности. Рис. 1. Схема ПрКП с несоосным расположением валов: ДВС - двигатель внутреннего сгорания; , ... - синхронизаторы включения соответственно , и т.д. передач; , - фрикционные муфты (ФМ) промежуточных валов соответственно нечетных и четных диапазонов передаточных чисел; , ... - передаточные числа соответственно , и т.д. пар шестерен; , - согласующие передаточные числа пар шестерен соответственно на и ФМ На рис. 2 представлена схема четырехвальной ПрКП с несоосным расположением валов. В инженерной практике при проектировании тракторных ПрКП основным геометрическим критерием формирования схемы расположения валов является минимизация габаритной ширины . Для обеспечения технологичности конструкции и упрощения сборки ПрКП желательно уменьшать номенклатуру шестерен ее синхронизированной части. Учитывая сказанное, целесообразно принять для передаточных чисел , … , а для диаметров шестерен . При этом межосевые расстояния будут равными для всех передаточных чисел . Общие передаточные числа ПрКП для каждой передачи выбираются заранее, на основании исходных данных и требуемых скоростных и силовых показателей трактора. При распределении общих передаточных чисел внутри схемы ПрКП между входными и выходными парами шестерен необходимо руководствоваться их расположением, показанным на рис. 1, и рекомендациями, приведенными далее. В конструкциях современных тракторов наиболее часто (высшая передача является понижающей или прямой). Тогда перераспределить передаточные числа нужно так, чтобы числа зубьев и при этом соблюдалось условие , где ; ; - числа зубьев шестерен, соответствующие их диаметрам делительных окружностей на рис. 2. В этом случае обеспечивается максимально возможное сведение промежуточных валов к вертикальной оси, проходящей через входной и выходной валы (см. рис. 2). Рис. 2. Схема расположения валов четырехвальной ПрКП с несоосным расположением валов: , - обозначения осей соответственно входного и выходного валов; , - обозначения осей промежуточных валов соответственно нечетных и четных передач; , - межосевые расстояния передаточных звеньев, связанных с ФМ соответственно нечетных и четных диапазонов передаточных чисел; - межосевые расстояния шестерен синхронизированной части ПрКП; - диметр делительной окружности шестерни входного вала; , - делительные диаметры шестерен промежуточного вала, связанных с ФМ соответственно нечетных и четных диапазонов передаточных чисел; , - делительные диаметры шестерен промежуточного вала, связанных с синхронизаторами соответственно нечетных и четных передаточных чисел на низшей передаче; , - делительные диаметры шестерен промежуточного вала, связанных с синхронизаторами соответственно нечетных и четных передаточных чисел на высшей передаче; , - делительные диаметры шестерен выходного вала соответственно на низшей и высшей передачах; - габаритная высота зацепления ПКП по вершинам зубьев шестерен; - расстояние между входным и выходным валом ПрКП; - габаритная ширина зацепления ПрКП по вершинам зубьев шестерен Если (высшая передача является повышающей), тогда для тех же условий необходимо обеспечить . Остальные передаточные числа ПрКП находят в обратном порядке, в направлении от ее высшей передачи к низшей. При этом необходимо учитывать отличия при расчете ряда передач ПрКП от коробки передач с классической структурой передаточного ряда. При проектировании ПрКП наиболее распространенным является геометрический ряд передаточных чисел, при котором определяющим в соотношении соседних передаточных чисел является знаменатель геометрического ряда [4-7]. В ПрКП аналогичный знаменатель прогрессии применятся в отношении передаточных чисел, связанных с ФМ, и, по сути, исполняет роль коэффициента перекрытия, показывающего величину перепада частот вращения дисков в ФМ соседних передач. В синхронизированной же части ПрКП применяется коэффициент рассинхронизации , где - число ФМ. Методика проектирования поперечного расположения несоосных валов ПрКП Данная методика включает в себя этапы, приведенные ниже. 1. На основании подобранных передаточных чисел и исходных данных, устанавливающих величины нагрузок в ПрКП, определяются межосевые расстояния ( , , ) и диаметры ( , , , , , , ) шестерен исходя из известных зависимостей [4-7, 19]. 2. ПрКП делится на два контура: передний - контур фрикционов (несимметричный) (рис. 3), и задний - контур синхронизаторов (симметричный) (рис. 4). 3. Исходя из диаметров и межосевых расстояний строится треугольник заднего симметричного контура так, чтобы вершины зубьев находились друг от друга на расстоянии зазора . Зазор между зубьями (см. рис. 3) выбирается на основании рекомендаций работы [19]. Рис. 3. Несимметричный контур ПрКП (контур фрикционов): - диаметр вершин зубьев шестерни входного вала; , - диаметры вершин зубьев шестерен промежуточных валов, связанных с ФМ соответственно нечетных и четных передач; - минимально допустимый или желаемый зазор между вершинами зубьев шестерен; - несущая хорда, определяющая габаритные размеры несимметричного контура; - угол раствора несимметричного контура; - угол у хорды для несимметричного контура Рис. 4. Симметричный контур ПрКП (контур синхронизаторов): , - диаметры вершин зубьев шестерен промежуточных валов, связанных с синхронизаторами соответственно нечетных и четных передаточных чисел на высшей передаче; - диаметр вершин зубьев шестерни выходного вала на высшей передаче; - несущая хорда, определяющая габаритные размеры симметричного контура; - угол раствора симметричного контура; - угол у хорды для симметричного контура В результате угол раствора контура (см. рис. 4) , (1) где . 4. На основании рассчитанных межосевых расстояний и несущей хорды заднего симметричного контура строится передний несимметричный контур с учетом того, чтобы вершины зубьев, входящих в него шестерен, имели аналогичный зазор . Для этого рассчитывается несущая хорда (см. рис. 3) для несимметричного контура по выражению: Для последующего расчета выбирается большая величина из двух хорд или , т.е. В результате угол раствора для несимметричного контура Если несущая хорда была выбрана по несимметричному контуру, то с учетом ее значения пересчитывается и угол раствора симметричного контура по формуле 5. При отсутствии специальных требований к расположению осей входного и выходного валов, с учетом обеспечения технологичности корпусных деталей, а также достижения общей симметрии машины стремятся к такому расположению осей входного и выходного валов, при котором они лежат на одной вертикали. Далее рассмотрим именно такой случай. Так как в текущем расчете на данном этапе входной и выходной валы занимают неопределенное положение в пространстве, то требуется найти главный угол наклона ромба (рис. 5), на который отклонены высоты, построенные из углов растворов и контуров на несущую хорду от вертикали, проходящей через входной и выходной валы. Из рис. 5 видно, что для определения главного угла наклона ромба , требуется знать расстояние или и высоты или . Рис. 5. Схема к определению главного угла наклона ромба: - главный угол наклона ромба; , - высоты, построенные из углов раствора соответственно несимметричного и симметричного контуров на несущую хорду; , - расстояния, отложенные вдоль несущей хорды от вертикальной оси до высот соответственно для несимметричного и симметричного контуров Для этого сначала определим высоты контуров по выражениям: ; , где - площадь треугольника несимметричного контура ПрКП; - площадь треугольника симметричного контура ПрКП. Здесь , - полупериметры треугольников соответственно несимметричного и симметричного контуров ПрКП. При этом , а . Далее определим углы и треугольников: · для симметричного контура · для несимметричного контура После этого находим составляющую взаимного пересечения проекций межосевых расстояний на несущую хорду . Для определения главного угла наклона ромба требуется найти одну из составляющих , определяющих расстояние от вертикальной оси до высоты вдоль несущей хорды. В данном случае находим расстояние (относящееся к несимметричному контуру) по формуле: . Тогда угол наклона ромба , завершающий геометрическое описание расположения валов ПрКП и его положение в пространстве. Данный ромб определяет минимальную возможную габаритную ширину ПрКП в заданных начальных условиях и высоту между входным и выходным валом при минимальной габаритной ширине. 6. Находим значение габаритной ширины ПрКП и высоту расположения входного и выходного валов. Габаритная ширина ПрКП зависит от параметров ромба и размеров шестерен и определяется из выражения: где - диаметр вершин зубьев шестерни, расположенной на промежуточном вале с одной стороны от вертикали (в нашем случае слева) (рис. 6) и участвующей в определении несущей хорды, принятой за расчетную (может принимать значения или ); - диаметр вершин зубьев шестерни, расположенной на промежуточном вале с противоположной стороны от вертикали (в нашем случае справа) (рис. 6) и участвующей в нахождении несущей хорды, принятой за расчетную (может принимать значения или ); - диаметр вершин зубьев наибольшей шестерни, расположенной на промежуточном вале с одной стороны от вертикали (рис. 6) (не обязательно равен ); - диаметр вершин зубьев наибольшей шестерни, расположенной на промежуточном вале с противоположной стороны от вертикали (рис. 6) (не обязательно равен ); - тангенциальная составляющая зазора . Расстояние между тангенциальными составляющими зазора и вершинами зубьев шестерен: где , а . Рис. 6. Пояснение к нахождению габаритной ширины ПрКП: - расстояние между тангенциальными составляющими зазора , участвующего в расчете, являющееся наименьшим; - расстояние между тангенциальными составляющими зазора другой пары шестерен, не являющегося принятым для расчета зазором ; , - составляющие угла раствора несимметричного контура, отсчитываемые от ; , - составляющие угла раствора симметричного контура, отсчитываемые от Расстояние между входным и выходным валом ПрКП (см. рис. 2): . Здесь . Тогда вертикальная габаритная высота ПрКП по вершинам зубьев шестерен где и - диаметр вершин зубьев шестерни соответственно входного вала и первой ступени, установленной на выходном валу ПрКП. Данная методика была использована при проектировании ПрКП для сельскохозяйственных тракторов класса 4. Выводы 1. Предложенная методика проектирования четырехвальных ПрКП с несоосным расположением валов обеспечивает технологичность конструкции и минимальную габаритную ширину, что позволяет рационально использовать подкабинное пространство трактора под размещение агрегатов трансмиссии. 2. Установлено, что исходя из кинематических параметров передаточных звеньев можно построить ромб, который полностью определяет расположение валов ПрКП. 3. Получены расчетные зависимости, полностью описывающие геометрию ромба расположения валов ПрКП и его положение в пространстве. 4. Получены расчетные зависимости для нахождения габаритных размеров ПрКП и расстояния между входным и выходным валами без выполнения сложных геометрических построений, основанных на графоаналитическом методе итераций. 5. Разработанная методика может быть использована при проектировании ПрКП для автомобилей.

About the authors

V. M. Sharipov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trak@mami.ru
Dr.Eng.

V. F. Platonov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng.

V. A. Kryuchkov

FGBNU “FNATs VIM”

Ph.D.

E. M. Alendeev

NII STALI research institute

Ph.D.

References

Supplementary files