Повышение несущей способности и КПД планетарного дискового фрикционного вариатора

Актуальность темы

В последнее время одним из наиболее перспективных механических приводов становится бесступенчатый привод на основе вариаторов.

Вариаторы выгодно отличаются от гидротрансформаторов, гидрообъемных и электрических передач хотя бы уже потому, что в них отсутствует преобразование форм и видов энергии.

Гидротрансформаторы и гидрообъемные передачи имеют ряд недостатков, например, низкий КПД, наибольшие значения которого находятся в узком диапазоне, сложность конструкции, высокая стоимость. Наиболее распространены в технике, особенно автомобильной, гидротрансформаторы. Однако они имеют узкий диапазон саморегулируемых передаточных отношений и требуют дополнительной, часто многоступенчатой, передачи.

Электрические передачи, в современном исполнении хоть и достаточно экономичны, однако имеют большую массу и стоимость. Это связано с тем, что каждая электромашина рассчитывается на определенный крутящий момент по своему максимальному магнитному полю. Повышение передаваемого крутящего момента происходит за счет увеличения размеров электромашины.

Вариаторы получают распространение как в виде мотор-вариаторов, выпускаемых многими фирмами в промышленно развитых странах, так и в качестве коробок передач автомобилей. Механические бесступенчатые трансмиссии современных машин в основном создаются на основе трех типов фрикционных вариаторов: ременного, цепного и тороидального. Все они не лишены недостатков.

Значительные контактные напряжения в фрикционных контактах требуют применения специальных сталей и синтетических материалов для обеспечения требуемой долговечности силовых элементов (ремня, цепи, шкивов, промежуточных роликов).

Во всех указанных конструкциях вариаторов присутствует сложная (обычно — с гидравлическим управлением) система создания нажимного усилия на рабочие фрикционы.

Диапазон варьирования передаточного отношения рассматриваемых вариаторов достаточно малпричем в указанном диапазоне осуществляются как понижающие, так и повышающие передачи, что является малопригодным, например, для применения таких передач в трансмиссии автомобиля.

Ни ременный, ни цепной вариаторы не могут быть выполнены по планетарной схеме, вследствие чего эти вариаторы имеют невысокий КПД при всех значениях передаточных отношений. Тороидальный вариатор принципиально может быть выполнен по планетарной схеме, однако гироскопические воздействия на опоры промежуточных роликов делает его малоэффективным для реальных (высоких) частот вращения. Между тем, именно работа по планетарной схеме обеспечивает существенное повышение КПД вариатора, особенно на низких передаточных отношениях.

Все три типа вариаторов требуют для своей работы сложных систем электронного управления, поскольку не обладают органически присущим конструкции свойством самоприспосабливаемости (адаптивности).

Для целого ряда машин представляются перспективными планетарные ' дисковые смазываемые вариаторы [71], тела качения которых контактируют через масляную пленку, а также те, в которых осуществляется точечный контакт, обеспечивающий наилучшие эксплуатационные показатели. Наличие большого количества точек контакта, а также большие приведенные радиусы кривизны в дисковом вариаторе позволяют получить существенно меньшие контактные напряжения, чем, например, в цепном и тороидальном вариаторах, а обязательное наличие разделительной упругогидродинамической (УГД) пленки между силовыми фрикционными элементами при передаче крутящего момента значительно повышает долговечность вариатора и позволяет изготовлять фрикционные диски из недорогих пружинно-рессорных сталей либо подшипниковых сталей [22].

Кроме того, вариаторы, выполненные по планетарной схеме и имеющие одну принципиальную особенность — упруго-податливые (гибкие) центральные фрикционные диски малой толщины, обладают рядом преимуществ по сравнению с другими вышеупомянутыми бесступенчатыми передачами. Гибкие центральные диски позволяют компенсировать погрешности • изготовления дисков, использовать до 95% пятен контактов и загрузить все точки фрикционного контакта практически равномерно, что дает возможность довести допускаемые напряжения в контакте до оптимальных для сопрягаемых материалов. Это означает, что допускаемые напряжения могут быть увеличены по сравнению с традиционными конструкциями вариаторов с жесткими дисками более чем в 3 раза. Упругость дисков позволяет создавать благоприятные условия их контактного взаимодействия и повышать линейные скорости качения, резко снижая динамические нагрузки и упругогидродинамическое (УГД) скольжение.

Кроме того, гибкие диски в многодисковых вариаторах позволяют совместить быстроходную и тихоходную ступени вариатора по оси, сокращая габариты механизма [30].

В результате, при заданном значении крутящего момента, объем и масса вариатора уменьшаются примерно в пять раз при одновременном увеличении КПД, упрощении и удешевлении конструкции. Так, например, мотор-вариатор с асинхронным двигателем мощностью 2,2 кВт, 3000 мин" 1 обеспечивает на выходе частоту вращения 2200.200 мин" 1 при максимальном моменте до 80 Нм. По своим показателям мотор-вариатор массой около 30 кг заменяет электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением массой 125 кг и всеми сложностями, свойственными последнему. При частотном регулировании мотор-вариатор заменяет асинхронный двигатель массой около 200 кг, не считая преобразователя (рисунок 1).

Кроме того, планетарный дисковый вариатор позволяет применить простое по конструкции устройство нажима на силовые фрикционные элементы.

Планетарный дисковый вариатор, как в адаптивном исполнении, так и с принудительным регулированием, может применяться в различных механических приводах, требующих регулировки по скорости, в которых необходимо заменить ступенчатое регулирование на бесступенчатое. Такие вариаторы выпускаются рядом зарубежных фирм, из которых можно отметить германскую фирму «Lenze» [22].

Внедрение такого вариатора в механизмы регулируемых приводов технологического оборудования позволяет уменьшить энергопотребление и.

Рисунок 1 — Мотор-вариатор и эквивалентный ему по моменту асинхронный двигатель, стоимость привода. Особенно актуально использование планетарного дискового вариатора в таких механизмах, где требуется «мягкая» (гиперболическая) характеристика привода, когда снижение частоты вращения автоматически вызывает повышение крутящего момента с сохранением практически постоянной мощности.

Вместе с тем, при всей перспективности применения планетарного дискового вариатора с гибкими дисками и точечным смазываемым контактом, к настоящему времени теория расчета основных параметров указанного вариатора является незаконченной и требует доработки и совершенствования.

Для научно-обоснованного проектирования планетарного дискового вариатора необходимо достоверное определение коэффициентов упруго гидродинамического (УГД) трения, КПД с учетом как силовых, так и скоростных потерь и других основных характеристик фрикционной передачи.

Отсутствие теории и методики определения скоростных потерь от УГД скольжения в фрикционном контакте не позволяет оценить составляющую этих потерь, ее роль в общем балансе потерь и предложить методы минимизации этих потерь с целью повышения КПД. Кроме того, без учета потерь скорости от УГД скольжения невозможно прогнозировать границы передаточных отношений для реальных конструкций дисковых вариаторов.

И, самое важное, без указанных выше исследований к настоящему времени невозможно определять рациональные нажимные усилия на фрикционные диски. Нерациональное нажатие на диски вызывает снижение КПД и несущей способности вариатора во всем диапазоне передаточных отношений, создает неблагоприятные условия в контактах, вызывает быстрый: износ дисков.

Проведение указанных выше исследований позволило бы эффективно проектировать вариаторную часть бесступенчатой передачи проводить анализ испытаний планетарного дискового вариатора.

Цель работы.

Повысить несущую способность и КПД планетарного дискового фрикционного вариатора путем установления его рациональных основных параметров.

Методы исследования. В работе использованы методы теоретической механики, трибологии и триботехники, математического моделирования, программирования, численные методы математического анализа, метод конечных элементов, расчетно-экспериментальные методы.

Объекты исследования — испытательные стенды: кафедры «Детали машин» МГИУ, О. Г. Ромашкина, X. Воячека, опытный образец планетарного дискового вариатора (МГИУ-АМО ЗиЛ).

Научная новизна:

1. Учтено влияние контактных напряжений, суммарной скорости качения, относительной скорости геометрического скольжения, температуры смазочного материала на коэффициент упругогидродинамического трения в широком диапазоне, определяющем все возможные режимы работы смазываемых вариаторов: <г = 467.2040 МПа, 1,68.50 м/с, р = 0,022. м/с, Г= 50.

100 °C. Предложенная ранее формула О. Г. Ромашкина для определения предельного коэффициента УГД трения достоверна в диапазоне: 36.50 м/с, а = 676. 1682 МПа- <р = 0,025. .0,082 м/с. ,.

2. Выявлено влияние УГД скольжения и коэффициента запаса по сцеплению на КПД и несущую способность планетарного фрикционного дискового вариатора. Практическая ценность состоит в:

— возможности автоматизированного проектирования и анализа испытаний планетарных дисковых фрикционных вариаторов с учетом наиболее значимых геометрических, силовых, скоростных, температурных параметров;

— определении нажимных сил на фрикционные диски с целью обеспечения максимальных КПД и несущей способности.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы изложены на технических совещаниях УКЭР АМО ЗИЛна расширенном заседании кафедры «Детали машин» МГИУ в 2004 г., на семинарах по вариаторам этой же кафедры. Разработанные методики расчета и проектирования планетарного дискового, вариатора опубликованы для их широкого использования как в промышленности, так и в учебном процессе. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 работ в центральной печати, в сборниках научных трудов и международном научно-техническом сборнике в Интернете.

Основные выводы по работе.

1. Полученные универсальные математические выражения для определения предельного коэффициента УГД трения в точечном смазываемом контакте фрикционной передачи позволяют определять этот коэффициент в широком диапазоне меняющихся геометрических, силовых и температурных параметров, а также типа смазочного материала, что подтверждено многочисленными экспериментальными данными, в том числе и полученными автором.

2. Определение реальных передаточных отношений для планетарной и непланетарной фрикционных дисковых передач с помощью программного комплекса позволяет на этапе проектирования прогнозировать потери скорости от смещения нескользящей точки и УГД скольжения в контактах <при различных режимах нагружения, а также оценить каждую составляющую этих потерь.

3. Расчет КПД с учетом предельного коэффициента УГД трения, УГД скольжения в контактах, рационального коэффициента запаса по сцеплению позволяет достоверно определять КПД планетарных и непланетарных фрикционных дисковых вариаторов, проектировать фрикционный вариатор с учетом этих параметров, проводить анализ экспериментальных данных.

4. Результаты расчета по комплексной программе на ЭВМ показали, что максимальные значения КПД будут наблюдаться при работе фрикцион юй передачи с коэффициентом запаса по сцеплению равным 1,15. 1,25, поэтому на стадии проектирования фрикционной передачи рекомендуется задавать коэффициент запаса по сцеплению близким к рациональному.

5. Разработанная методика расчета рациональных сил нажатия на фрикционные диски, основанная на определении КПД с учетом явления УГД скольжения, рационального коэффициента запаса по сцеплению и предельного коэффициента УГД трения в контактах позволяет получать максимальные КПД и несущую способность планетарного дискового фрикционного вариатора.

6. Возможность реализации нажимных устройств центральных фрикционных дисков с полученными рациональными характеристиками подтверждена расчетом их геометрических параметров, удовлетворяющих условиям компановки вариатора.