Estimation of parameters of clutch slipping for their various installation in tractor gearboxes when shifting without torque interruption

Full Text

В конструкциях современных коробок передач (КП) с неподвижными осями валов переключение передач без разрыва потока мощности от двигателя выполняется с помощью фрикционных муфт (ФМ) [1]. В зависимости от выбранной кинематической схемы КП могут применяться различные варианты размещения ФМ на ее валах. При этом ФМ могут устанавливаться как одном, так и на разных валах в КП. При переключении передач в КП с помощью ФМ совершается работа буксования, которая является одним из важнейших показателей, определяющих теплонапряженность и ресурс ФМ. До настоящего времени процесс переключения передач с помощью ФМ в КП изучен недостаточно полно. Поэтому при существующих теоретических наработках по переключению передач без разрыва потока мощности возникает необходимость схематизации самого процесса переключения для определения значений времени и работы буксования ФМ. Безразрывное переключение, обеспечиваемое одновременной работой двух передач в течение короткого отрезка времени (перекрытия передач), имеет ряд особенностей. Протекание процесса безразрывного переключения передач зависит от параметров ФМ, обеспечивающих переключение, длительности перекрытия, параметров машинотракторного агрегата (МТА) и условий его эксплуатации [2-6]. Процесс переключения передач с перекрытием с низшей передачи на высшую в КП с неподвижными осями валов рассмотрим на примере так называемого «элементарного узла» [2], который состоит из двух параллельных валов, соединенных между собой двумя зубчатыми передачами. Передачи включаются и выключаются с помощью ФМ и . В таком узле ФМ могут работать поочерёдно и совместно. При рассмотрении работы КП с неподвижными осями валов без разрыва потока мощности можно выделить в КП четыре возможных варианта элементарных узлов (рисунок 1). Рисунок 1. Варианты элементарного узла КП с двумя ФМ В результате любую рассматриваемую сложную кинематическую схему КП можно разбить на несколько элементарных узлов, а затем анализировать работу каждого в интересующих режимах и условиях нагружения. Когда обе ФМ установлены на ведущем валу (рисунок 2) их параметры буксования при переключении передач без разрыва потока мощности для элементарного узла КП определены в работах [3-6]. Здесь шестерни 3 и 4 установлены на ведущем валу 1 свободно и могут быть связаны с ним с помощью ФМ и соответственно. Шестерни 5 и 6 жестко связаны с ведомым валом 2. Пара шестерен 3 и 5 и ФМ образуют передачу, а пара шестерен 4 и 6 и ФМ – передачу. В этом случае уравнения динамики для ведущих и ведомых частей включаемой ФМ имеют вид (см. рис. 2): (1) (2) где: момент трения включаемой ФМ ; момент, передаваемый выключаемой ФМ . Для исследования процесса разгона МТА и работы буксования ФМ в КП с различной степенью перекрытия передач использовалась диаграмма разгона МТА, приведенная на рисунке 3 [3-6]. На основе этой диаграммы были получены зависимости для определения угловой скорости ведомого вала включаемой ФМ в КП в конце буксования, времени и работы её буксования, когда обе ФМ расположены на ведущем валу КП, и времени разгона МТА на заданной передаче [3-6]. Рисунок 2. Двухмассовая динамическая модель МТА с элементарным узлом КП: 1, 2 – ведущий и ведомый валы КП соответственно; и - ФМ соответственно и передачи; и - крутящий момент и угловая скорость вала двигателя, приведенные к валу включаемой ФМ; - момент инерции двигателя и связанных с ним деталей, приведенный к валу включаемой ФМ; и - момент сопротивления движению и момент инерции МТА, приведенные к ведомому валу КП; - угловая скорость ведомого вала КП; и - передаточное число КП соответственно на и передаче а) б) Рисунок 3. Диаграмма разгона МТА при переключении передач без разрыва потока мощности от двигателя: а - с «полкой» (); б - «треугольная» () Здесь и номинальный крутящий момент двигателя и момент сопротивления движению МТА, приведенные к валу включаемой ФМ ; , , угловые скорости соответственно вала двигателя, ведомого вала КП и вала двигателя при эксплуатационной загрузке, приведенные к валу включаемой ФМ ; угловая скорость вала включаемой ФМ в конце её буксования; время буксования включаемой ФМ до начала движения МТА; время перекрытия передач; и время соответственно включения и буксования ФМ ; время разгона МТА на включаемой передаче; - коэффициент запаса включаемой ФМ ; коэффициент приспособляемости двигателя; коэффициент загрузки двигателя на включаемой передаче с помощью ФМ ; коэффициент загрузки двигателя на предыдущей передаче. Рассмотрим теперь элементарный узел КП, в котором ФМ выключаемой передачи установлена на ведущем валу КП, а ФМ включаемой передачи – на ведомом (рисунок 1,б). Запишем уравнения динамики для ведущих и ведомых частей включаемой ФМ (рисунок 4): (3) (4) Рисунок 4. Двухмассовая динамическая модель МТА с элементарным узлом КП с ФМ включаемой передачи на ведомом валу: и - крутящий момент и угловая скорость вала двигателя, приведенные к ведущему валу КП; - момент инерции двигателя, приведенный к ведущему валу КП; и - момент сопротивления движению и момент инерции тракторного агрегата, приведенные к валу включаемой ФМ С учетом закона схематизации момента на включаемой ФМ (рисунок 3) получим, что уравнение для момента двигателя будет иметь вид: Из уравнений (3) и (4), с учетом, допущения, что угловые скорости вала двигателя и ведомого вала КП в период переключения в интервале времени () не изменяются, определим характер изменения момента на валу выключаемой ФМ : Следовательно, здесь выражения для , , так же как и все, вычисляемые на их основе: работа буксования , , и на интервалах времени от 0 до , время буксования, угловая скорость в конце буксования и время разгона МТА будут аналогичны выражениям для случая, когда ФМ располагаются на ведущем валу [3-6]. Когда ФМ включаемой передачи находится на ведущем валу, а ФМ выключаемой передачи находится на ведомом валу (рисунок 1,в), уравнения моментов запишутся в виде: (5) (6) Уравнения моментов для случая, когда обе ФМ расположены на ведомом валу КП (рисунок 1,г): (7) (8) При внимательном рассмотрении уравнений для всех четырех случаев (1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8) расположения ФМ в элементарном узле КП видно, что они различаются только характером приведения момента , передававемого выключаемой ФМ . Это еще раз доказывает, что при принятых допущениях относительное расположение ФМ в элементарном узле КП не оказывает влияния на итоговый результат вычислений параметров буксования включаемой ФМ , процесса переключения передач и разгона МТА. Таким образом, работа и время буксования ФМ будут вычисляться по формулам (вывод которых представлен в работах [3-6]), приведенным ниже, вне зависимости от места установки ФМ в КП (для любого вида элементарного узла). Если разгон происходит по диаграмме «с полкой» (рисунок 3,а), то: , где: (9) (10) Если разгон происходит по «треугольной» диаграмме (рисунок 3,б), то: , где: (11) (12) Для того чтобы определить, по какому из вариантов будет происходить разгон МТА (рисунок 3), необходимо вычислить время включения ФМ, при котором : (13) Если , то (рисунок 3,а). Тогда работа и время буксования ФМ включаемой передачи определяются соответственно из выражений (9) и (10). Если , то (рисунок 3,б). Тогда работа и время буксования ФМ определяются соответственно из выражений (11) и (12). Одним из важнейших параметров процесса разгона МТА является минимальная угловая скорость вала двигателя в конце буксования ФМ, которая для обоих случаев, когда и , будет вычисляться по общей зависимости: (14) С учетом выражения (14) формула (13) для расчета примет вид: Для определения времени разгона МТА на включаемой передаче рассмотрим временной интервал , когда разгон обеспечивается запасом крутящего момента двигателя. Запишем уравнение моментов на основе двухмассовой динамической модели применительно к элементарному узлу КП (рисунок 2) с условием того, что фрикционный узел на данном интервале уже не буксует: (15) При прочих равных условиях время разгона МТА будет зависеть от вида диаграммы разгона (рисунок 3). Поэтому, решая уравнение (15), получим: · для случая разгона, когда (рисунок 3,а), · для случая разгона, когда (рисунок 3,б), Достоверность данной математической модели процесса буксования ФМ в КП трактора и методики расчета ее работы буксования при переключении передач с различной степенью перекрытия и при трогании машины с места подтверждена сопоставлением расчётных и экспериментальных значений работы L и времени буксования ФМ, угловой скорости вала включаемой ФМ в конце её буксования. Экспериментальные данные для сравнения были взяты из работ А.Д. Ананьина [7], К.Я. Львовского [2], В.И. Чунихина [8], В.А. Петренко [9], В.Е. Захарова [10], Е.М. Шапиро [11] и собственных исследований [3-6]. В результате установлено, что расхождение результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований по величине работы буксования ФМ в КП с различной степенью перекрытия передач не превышает 10,9%, а при трогании МТА с места – 17%. Таким образом, полученные выражения для расчета работы и времени буксования ФМ при переключении передач в КП с различной степенью перекрытия являются универсальными, так как позволяют выполнять расчеты работы и времени буксования ФМ и разгона МТА как при переключении передач с различной степенью перекрытия, так и при трогании и разгоне МТА с места и являются справедливыми для любого типа элементарного узла КП. Для случая трогания и разгона МТА с места на заданной передаче принимаем время перекрытия и отношение .

About the authors

V. M Sharipov

Moscow State University of Mechanical Engineering

Email: trak@mami.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 (495) 223-05-23, ext. 1111

M. I Dmitriev

Moscow State University of Mechanical Engineering

Email: trak@mami.ru
Ph.D.; +7 (495) 223-05-23, ext. 1111

A. S Zenin

Moscow State University of Mechanical Engineering

Email: trak@mami.ru
+7 (495) 223-05-23, ext. 1111

S. M Kruglov

Moscow State University of Mechanical Engineering

Email: trak@mami.ru
+7 (495) 223-05-23, ext. 1111

I. A Malanin

Moscow State University of Mechanical Engineering

Email: trak@mami.ru
+7 (495) 223-05-23, ext. 1111

References

Supplementary files