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


Cite item

Abstract

The article describes the method of calculation of the work and time of clutch slipping during gear shifting without torque interruption for any variations in the relative position of friction-clutch coupling in a tractor gearbox.

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

  1. Тракторы. Конструкция/ В.М. Шарипов, Л.Х. Арустамов, К.И. Городецкий и др.; Под общ. ред. В.М. Шарипова. – М.: Машиностроение, 2012. – 790 с.
  2. Львовский К.Я. Исследование процессов переключения передач под нагрузкой в тракторных трансмиссиях: Дисс…канд. техн. наук. – М., 1970. – 276 с.
  3. Работа сцепления в коробке передач при переключении передач без разрыва потока мощности от двигателя. / В.М. Шарипов, М.И. Дмитриев, А.С. Зенин, Я.В. Савкин // Справочник. Инженерный журнал, 2010, № 11. с. 8-15.
  4. Шарипов В.М., Дмитриев М.И., Крючков В.А. Нагруженность фрикционных муфт и синхронизаторов в коробке передач. - Saarbrücken: LAP LAMBERT Aсademic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. – 122 с.
  5. Математическая модель процесса переключения передач с помощью фрикционных муфт/ В.М. Шарипов, К.И. Городецкий, М.И. Дмитриев и др. // Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. – М., МГТУ «МАМИ», № 1 (13), 2012. - с. 112-121.
  6. Переключение передач в КП трактора без разрыва потока мощности/ В.М. Шарипов, К.И. Городецкий, М.И. Дмитриев и др. // Тракторы и сельхозмашины, 2012, № 5. - с. 19-23.
  7. Ананьин А. Д. Исследование энергонагруженности муфты сцепления колесного трактора при трогании скоростного машинно-тракторного агрегата: Дисс…канд. техн. наук. – М., 1972. – 156 с.
  8. Чунихин В.И. Исследование долговечности пар трения тракторных муфт сцепления и некоторых путей её повышения: Дисс…канд. техн. наук. - М., 1977. - 204 с.
  9. Петренко В.А. Исследование режимов работы муфт сцепления тракторов высокой энергонагруженности: Дисс.. канд. техн. наук. – Харьков, 1973. – 181 с.
  10. Захаров В.Е. Исследование нагруженности, износа деталей и уточнение методов стендовых испытаний муфт сцепления тракторов: Дисс…канд. техн. наук. – М., 1981. – 210 с.
  11. Оценка работы трения фрикционной муфты в гидромеханической и механической трансмиссиях пахотного колёсного трактора класса 3 при трогании. / Е.М. Шапиро, В.М. Иванов, Л.П. Соколов и др. // Тракторы и сельхозмашины, 1979, № 8. – с. 12, 13.

Copyright (c) 2013 Sharipov V.M., Dmitriev M.I., Zenin A.S., Kruglov S.M., Malanin I.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies