The method of construction of compact kinematic schemes of planetary gearboxes

Abstract

There is considered the method of construction of compact kinematic schemes of planetary gearboxes on the example of planetary gearbox with two degrees of freedom.

Full Text

В настоящее время все более широкое применение в мощных промышленных тракторах, автомобилях и особенно в быстроходных гусеничных машинах получают планетарные коробки передач (ПКП), которые позволяют увеличить среднюю скорость движения машины ввиду сокращения времени на переключение передач, имеют более высокий кпд и облегчают процесс управления машиной при существенном снижении веса и габаритов конструкции [1 - 6]. После выполнения тягового расчета машины и разбивки передаточных чисел в ПКП перед конструктором стоит проблема выбора наиболее рациональной схемы ее конструкции, реализующей заданные передаточные числа. Выбор схемы ПКП является наиболее трудной и ответственной задачей для конструктора. Проблема состоит в том, что для заданных передаточных чисел можно построить большое многообразие схем ПКП. При этом эти схемы будут существенно отличаться между собой по сложности, величине кпд и целому ряду показателей, влияющих на технический уровень вновь разрабатываемой конструкции. Не зная принципов проектирования ПКП, практически невозможно построить все возможные схемы, реализующие заданные передаточные числа, и тем более выбрать из всего многообразия существующих схем наиболее рациональную. Методика построения наиболее рациональных кинематических схем ПКП для заданных значений ее передаточных чисел достаточно хорошо отработана [1, 3, 4] и широко используется в практике проектирования ПКП как с двумя, так и с тремя степенями свободы. При синтезе схем планетарных ПКП кроме одновенцовых трехзвенных дифференциальных механизмов (ТДМ) смешанного зацепления шестерен наиболее часто используют ТДМ внешнего зацепления с двумя солнечными шестернями или смешанного зацепления – с двумя эпициклами [1 - 4]. Эти механизмы могут иметь малые значения характеристик планетарного ряда () и их обычно компонуют с одновенцовыми ТДМ смешанного зацепления шестерен, образуя компактные структуры ПКП с присоединяемыми рядами. Получаемые компактные структуры упрощают конструкцию ПКП, так как в двух рядом расположенных независимых ТДМ насчитывают лишь четыре центральных звена вместо шести: две солнечные шестерни, эпицикл и общее водило или два эпицикла, солнечную шестерню и общее водило [2]. Однако в литературе очень мало внимания уделено вопросу проектирования ПКП с присоединяемыми планетарными рядами. Недостатком присоединяемых рядов является более низкий кпд в относительном движении (при остановленном водиле), что снижает общий кпд ПКП. Так, в присоединяемом ряде внешнего зацепления с двумя солнечными шестернями 0,91, в присоединяемом ряде смешанного зацепления с двумя эпициклическими шестернями 0,95, а в ТДМ смешанного зацепления 0,96 [3, 4]. Однако присоединяемые ряды в настоящее время применяют в схемах ПКП, где они работают, как правило, на не основных мало используемых по времени передачах. Условием присоединения (создания компактных структур ПКП) является совпадение индексов двух центральных звеньев, включая водило у основного и присоединяемого планетарных рядов. Если у основного планетарного ряда совпадающий индекс, кроме водила, имеет солнечная шестерня, то присоединяемый ряд будет внешнего зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. Если в основном ряде совпадающий индекс, кроме водила, имеет эпицикл, то присоединяемый ряд будет смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. В данной работе рассмотрен метод построения компактных кинематических схем ПКП с присоединяемыми планетарными рядами на примере построения кинематической схемы ПКП с двумя степенями свободы, реализующей следующие передаточные числа: ; ; ; и . Анализ схем ТДМ, которые могут быть использованы для построения схемы ПКП с заданными передаточными числами, представлен в таблице 1 [4], где и – частота вращения соответственно ведущего и ведомого вала ПКП; , , и – частота вращения тормозного звена ПКП соответственно первой и второй передачи переднего хода и первой и второй передачи заднего хода. Отбраковку ТДМ в таблице 1 производилась по величине характеристики планетарного ряда и частоте вращения сателлитов , предполагая, что частота вращения ведущего вала ПКП мин-1. Для схем ТДМ со смешанным зацеплением шестерен характеристика планетарного ряда может изменяться в пределах для ТДМ с двухвенцовыми (блочными) сателлитами , а для присоединяемых ТДМ [1, 3, 4]. Отбраковка ТДМ по величине характеристики планетарного ряда проводилась при условии, что схема ПКП будет составлена только из ТДМ со смешанным зацеплением шестерен, для которых Применяемые для сателлитов серийные подшипники качения допускают под нагрузкой относительную частоту вращения колец до 6000 мин-1, а без нагрузки – до 10000мин-1 [3, 4]. Поэтому при 6000 мин-1 уравнение кинематики ТДМ считается годным для дальнейшего исследования, при 6000 10000 мин –1 – условно годным, а при >10000 мин-1 – негодным. Таким образом, годными являются уравнения 3, 10 и 19 (таблица 1). Искомая схема ПКП с двумя степенями свободы должна включать четыре ТДМ, так как она должна обеспечивать получение четырех передач с передаточными числами . Следовательно, из трех ТДМ, описываемых годными уравнениями 3, 10 и 19, построить схему ПКП нельзя. Поэтому в группы механизмов, входящих в схему ПКП, необходимо включить и условно годные ТДМ, описываемые уравнениями 1, 7, 11, 12 и 15. Рассмотрим пример построения схемы ПКП, используя из таблицы 1 уравнения 10, 7, 1 и 2 кинематики ТДМ. Здесь мы дополнительно к годному уравнению 10 и условно годным 7 и 1 добавили уравнение 2, которое ранее нами было отбраковано по величине характеристики планетарного ряда. Для уравнения 2 характеристика планетарного ряда . Ее величина может быть реализована в схеме ПКП путем использования присоединяемого ряда внешнего или смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. Предположим, что данное уравнение является годным и по величине относительной частоты вращения колец подшипника. Структурная схема ПКП для группы уравнений 10. 7. 1. 2 представлена на рисунке 1а. Таблица 1 Анализ схем ТДМ на возможность дальнейшего использования № Уравнение кинематики ТДМ Структурная схема Примечание 1 2 3 4 5 6 1 2,2 3,6 Условно годное 2 1,35 Исключить по 3 2,6 1,95 Годное 4 1,16 Исключить по 5 1,62 10,1 Исключить по 6 1,01 Исключить по 7 2,14 3,76 Условно годное 8 2,25 5,5 Исключить по 9 4,07 Исключить по 10 1,78 2,56 Годное 11 1,98 3,54 Условно годное 12 1,64 3,09 Условно годное 13 1,18 Исключить по 14 4,85 Исключить по 15 2,5 3,67 Условно годное 16 1,07 Исключить по 17 1,23 Исключить по 18 1,11 Исключить по 19 2,82 1,74 Годное 20 6,23 Исключить по Рисунок 1 – Схема ПКП с присоединенным рядом внешнего зацепления: а – структурная; б – кинематическая На схеме у основного ряда 1 и присоединяемого 2 совпадают индексы у водила, а также солнечной шестерни основного ряда и индекс верхней стрелки для присоединяемого ряда. Тогда, согласно правилу [4], если у основного планетарного ряда совпадающий индекс, кроме водила, имеет солнечная шестерня, то присоединяемый ряд будет внешнего зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. На структурной схеме ПКП большая солнечная шестерня присоединяемого ряда внешнего зацепления обозначена штриховой стрелкой, так как данная солнечная шестерня является общей для основного ряда 1 и присоединяемого 2, а связь между солнечными шестернями этих рядов обозначена штриховой линией. Это обозначение введено для удобства построения кинематической схемы ПКП, которая представлена на рисунке 1б. Здесь видно, что солнечная шестерня основного ряда 1 одновременно является большой солнечной шестерней присоединяемого ряда 2 внешнего зацепления. В результате мы получили кинематическую схему ПКП с присоединенным рядом внешнего зацепления, обеспечивающую получение трех передач переднего хода и двух заднего. Здесь включение передачи с передаточным числом осуществляется соответствующим тормозом , а прямой передачи - блокировочным фрикционом Ф. Рассмотрим пример построения схемы ПКП с присоединенным рядом смешанного зацепления, используя из таблицы 1 уравнения 11, 1, 3 и 16 кинематики ТДМ. Здесь мы дополнительно к годному уравнению 3 и условно годным 11 и 1 добавили уравнение 16, которое ранее нами было отбраковано по величине характеристики планетарного ряда. Для уравнения 16 характеристика планетарного ряда . Ее величина, как и в ранее рассмотренном примере, может быть реализована в схеме ПКП путем использования присоединяемого ряда внешнего или смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. Предположим, что здесь, как и в предыдущем случае, уравнение 16 является годным по величине относительной частоте вращения колец подшипника. Структурная схема ПКП для группы уравнений 11. 1. 3. 16 представлена на рисунке 2а. На схеме у основного ряда 3 и присоединяемого 16 совпадают индексы у водила, а также эпицикла основного ряда и индекс нижней стрелки для присоединяемого ряда. Тогда, согласно правилу [4], если у основного планетарного ряда совпадающий индекс кроме водила имеет эпицикл, то присоединяемый ряд будет смешанного зацепления с двумя последовательно связанными сателлитами. Следовательно, в рассматриваемом примере можно использовать присоединяемый ряд смешанного зацепления с двумя эпициклическими шестернями. На структурной схеме ПКП малый эпицикл присоединяемого ряда смешанного зацепления обозначен штриховой стрелкой, так как он является общим для основного ряда 3 и присоединяемого 16, а связь между эпициклами этих рядов обозначена штриховой линией. Это обозначение, как и в ранее рассмотренном примере, введено для удобства построения кинематической схемы ПКП, которая представлена на рисунке 2б. Здесь видно, что эпицикл основного ряда 3 одновременно является малым эпициклом присоединяемого ряда 16 смешанного зацепления. Рисунок 2 – Схема ПКП с присоединенным рядом смешанного зацепления: а – структурная; б – кинематическая Полученная схема ПКП с присоединенным рядом смешанного зацепления обеспечивает, как и в ранее рассмотренном примере, получение трех передач переднего хода и двух заднего. Таким образом, мы разобрали метод построения компактных кинематических схем ПКП с использованием присоединяемых рядов. Для принятия решения о выборе наиболее рациональной схемы ПКП необходимо выполнить все этапы ее синтеза [4].