Совершенствование методики проектного расчета фрикционных элементов гидромеханических трансмиссий транспортных машин

Актуальность проблемы.

В настоящее время разрабатываемые и модернизируемые транспортные машины оснащаются новыми, превосходящими по техническому уровню зарубежные образцы, гидромеханическими трансмиссиями, которые должны обеспечить необходимую долговечность силового блока трансмиссии и ходовой части. Принято считать, что требуемая долговечность элементов трансмиссии обеспечивается благодаря применению гидротрансформатора, который является активным демпфером возмущений на входе и выходе трансмиссии. В ходе экспериментальных исследований опытных образцов транспортных машин с перспективными гидромеханическими трансмиссиями наблюдается высокая динамическая нагруженность, формируемая внешними и внутренними возмущениями при переходных процессах трогания с места, переключения передач, блокировке гидротрансформатора, а также и на установившихся режимах движения транспортных машин. Вследствие этого ограничивается долговечность деталей и узлов силового блока. В наибольшей степени подвержены динамическим нагрузкам и в результате имеют ограниченный ресурс фрикционные элементы системы управления гидромеханических трансмиссий.

Задача снижения динамической нагруженности элементов современных трансмиссий решается многими отечественными и зарубежными учеными и специалистами. Тем не менее, во многих исследованиях не учитываются некоторые факторы, которые, при соблюдении определенных условий, способны значительно снизить ресурс трансмиссии. Современные гидромеханические трансмиссии являются сложными и дорогостоящими изделиямизатраты на их восстановление и убытки, связанные с простоем вышедших из строя эксплуатируемых машин оказываются также значительными. Учитывая перечисленные аспекты, проблема прогнозирования динамической нагруженности на ранних этапах проектирования и> повышения долговечности фрикционных элементов гидромеханических трансмиссий является актуальной.

В диссертационной работе выдвигаетсяи обосновывается гипотеза о разрушении металлокерамических дисков фрикционных элементов системы управления гидромеханической, трансмиссии вследствие возникновения резонансных режимов, причиной которых являются высокочастотные возмущения, генерируемые гидротрансформатором. На основании результатов исследования приводится усовершенствованная* методика расчета фрикционных элементов.

Цель и задачи исследования

.

Цель исследования* заключаетсявг разработке усовершенствованной методики расчета фрикционных элементов гидродинамических трансмиссий, позволяющей учесть динамические факторы их нагружения и частотные характеристики дисков трения. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Проведение анализа условий работы фрикционных элементов и теоретическое исследование условий возникновения резонансных режимов дисков трения. Обоснование выдвинутой, гипотезы о разрушении металлокерамических дисков вследствие негативного влияния гидротрансформатора.

2. Расчет частотных характеристик фрикционных дисков: определение собственных частот и форм колебанийчастотный анализ* отклика металлокерамических дисков.

3. Создание математической модели динамического процесса включения фрикционной муфты с учетом закона изменения давления в системе управления и нелинейности характеристики коэффициента трения.

4. Экспериментальное исследование динамических свойств металлокерамических дисков фрикционных элементов.

5. Обобщение результатов исследования, обоснование необходимости совершенствования существующей методики расчета фрикционных элементов, представление усовершенствованной методики расчета.

Методы исследования.

В ходе решения поставленных задач в программном пакете Майюаё была создана математическая модель динамического* процесса включения фрикционной муфтой с учетом закона изменения давления в системе управления и нелинейности характеристики коэффициента трения. Решение задачи по определению собственных частот дисков трения проводилось по приближенной зависимости в соответствии с уравнением волновой* теории и математической физики. Моделирование фрикционных дисков, определение точных значений их собственных частот и построение эпюр собственных форм их колебаний было получено методом конечных элементов с использованием программы ИЛЗТИАК. В этой же программе был проведен анализ частотного отклика дисков трения. Экспериментальное определение собственных частот металлокерамических дисков проводилось в соответствии с разработанным методом на специально созданной экспериментальной установке.

Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием программных пакетов МаШсас! и РолуеЮгарЬ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснована необходимость совершенствования существующей методики расчета фрикционных элементов системы управления трансмиссии и предложена методика, позволяющая учесть большее количество факторов нагружения, спрогнозировать негативные резонансные явления в трансмиссии и определить пути снижения динамической нагруженности ее элементов.

2. Разработана расчетная схема и математическая модель динамического процесса включения фрикционной муфты с учетом закона, изменения давления в системе управления и нелинейности характеристики коэффициента трения.

3. Разработана^ математическая модель для расчета собственных частот колебаний фрикционных дисков и их динамического расчета. Разработанная^ математическая. модель позволяет также решать обратную задачу по выбору параметров' конструкции фрикционных дисков, исключающих резонансные режимы в процессе их работы.

Практическая ценность.

Разработана усовершенствованная методика расчета фрикционных элементов системы управления. гидромеханической" трансмиссии, учитывающая динамические характеристики режимов" их работы. Предложенная методика расчета дает возможность на ранних этапах проектирования трансмиссии спрогнозировать резонансные режимы работы фрикционных дисков, и разработать рекомендации попринятию мер по предотвращению их неблагоприятных последствийвыбрать оптимальный закон управления трансмиссией с учетом реальной характеристики коэффициента трения. Это позволит ускорить процесс создания новых образцов гидромеханических трансмиссий и сократить затраты на доводочные работы при модернизации трансмиссий существующих машин.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная^ методика проектного расчета фрикционных элементов гидромеханических трансмиссий, позволяющая учесть динамические характеристики дисков трения.

2. Математическая модель динамического* процесса включения фрикционной муфты с учетом нелинейности характеристики коэффициента трения и закона изменения давления в системе управления.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований:

Реализация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в двух отчетах о НИР и семи актах, переданных в ОАО «СКБМ», г. Курган и ООО КАТЕ, г. Москва. Результаты диссертационной работы также использованы в учебном процессе при подготовке студентов специальности 190 202 Курганского государственного университета.

Апробация работы.

Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждалась: на научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки» (Курган, 2010) — на Международная научно-техническая конференция «Транспортные и транспортно-технологические системы» (Тюмень, 2010). В полном объеме диссертационная работа обсуждалась на научных семинарах кафедр гусеничных машин Курганского государственного университета, автомобилей и металлообрабатывающего оборудования Ижевского государственного технического университета.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (из них 2 работы — в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы из 53 наименований и Приложений на 2 страницах. Работа содержит 148 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков, 7 таблиц и Приложения.

Основные результаты работы и выводы.

1. На основе проведенного исследования в данной работе научно обоснована и решена задача совершенствования методики проектного расчета фрикционных элементов гидромеханических трансмиссий транспортных машин путем учета реальной зависимости коэффициента трения от относительной, скорости скольжения, закона управления фрикционными узлами, обеспечивающего минимум работы буксования при переходных процессах при исключения возникновения резонансных режимов работы фрикционных элементов и выполнении других функциональных условий, позволяющая обеспечить требуемую долговечность узлов и деталей гидромеханических трансмиссий, имеющая важное военное и народнохозяйственное значение.

2. При решении этой задачи теоретическими и экспериментальными исследованиями процессов, протекающих во фрикционных элементах трансмиссии при их работе, получены зависимости:

— коэффициента трения новых фрикционных материалов от относительной скорости скольжения при переходных процессах;

— собственной частоты металлокерамических дисков от параметров их конструкции и режимов работы.

Обоснован выбор параметров временной функции изменения давления управления фрикционными элементами трансмиссии.

3. Проведенные экспериментальные исследования динамической нагруженности опытной гидромеханической трансмиссии автомобиля многоцелевого назначения с колесной формулой 6×6 и статистическая обработка их результатов подтверждает адекватность разработанных математических, моделей, отражающих процессы, протекающие во фрикционных элементах системы управления.

4. Выдвинута и обоснована гипотеза о возможных причинах разрушения дисков трения. Показано, то гидротрансформатор при определенных условиях способен генерировать высокочастотные колебания в неисследованном ранее диапазоне частот (до 5000 Гц), вызывающие резонансные режимы в узлах и деталях трансмиссии.

5. На основе численного решения методом конечных элементов были определены значения собственных частот и формы колебаний металлокерамических дисков. Проведен частотный анализ отклика дисков на внешнее возмущающее воздействие, изменяющееся по периодическому закону.

6. Экспериментальные данные показали, что фрикционные элементы в значительной степени подвержены динамическим нагрузкам, не учитываемым существующими методиками расчета. В процессе проектировании перспективных и модернизации существующих гидромеханических трансмиссий важно учесть и правильно оценить динамические свойства гидротрансформатора.

7. На основе выполненных исследований — теоретических и экспериментальных — разработан ряд рекомендаций по выбору параметров дисков трения и режимов нагружения фрикционных элементов, благодаря которым можно снизить их динамическую нагруженность в процессе эксплуатации трансмиссии и повысить их долговечность.