На правахрукописи

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМОВ И СИСТЕМ АДАПТИВНОГО ДИСКОВОГО ФРИКЦИОННОГО ВАРИАТОРА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском государственном индустриальном университете на кафедре «Детали машин»

профессор Гулиа Н.В.

профессор Нарбут А.Н.

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской

Научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (ГНЦРФНАМИ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «МАМИ». Автореферат разослан ноября 2004 года

Ученый секретарь

СВ. Бахмутов

Актуальность проблемы

Фрикционные вариаторы имеют ряд преимуществ перед другими видами бесступенчатых передач.

В отличие от электрических передач, при создании систем, рассчитанных на передачу значительных крутящих моментов, фрикционные вариаторы, в частности многодисковые, имеют значительно меньшие массу и стоимость.

Вариаторы имеют огромный потенциал для развития, что сопровождается все более активным вытеснением ступенчатых и рассмотренных типов немеханических бесступенчатых передач на самом массовом их потребителе -автомобилях. Вариаторы также позволяют получить наиболее простую и экономичную схему гибридного привода.

перспективе, для создания гибридных механических приводов, безусловно, является актуальной.

Разработка и определение рациональных параметров и конструкций механизмов и систем адаптивного дискового фрикционного вариатора для автоматической бесступенчатой трансмиссии автомобиля.

В работе использованы методы теоретической механики, теории автомобиля, сопротивления материалов, математического моделирования, программирования, численные методы математического анализа, расчетно-экспериментальные методы.

1. Получены уточненные и универсальные математические выражения для расчета коэффициента упругогидродинамического (УГД) трения во фрикционных контактах дискового вариатора отличающиеся простотой и удобством практического применения при конструировании.

3. Описана взаимосвязь различных параметров движения автомобиля с такой трансмиссией в основных дорожных условиях.

- принципиальные схемы и конструкции механизмов и систем автоматической бесступенчатой коробки передач автомобиля на основе адаптивного планетарного дискового вариатора;

- методики расчета, проектирования и анализа испытаний дисковых планетарных вариаторов, созданные на основании теоретических и экспериментальных исследований;

Достоверность результатов

Практическая ценность

2. Полученные зависимости изменения параметров адаптивного дискового фрикционного вариатора в основных условиях движения автомобиля обеспечивают предпосылки для разработки алгоритмов систем управления автомобилем с такой бесступенчатой трансмиссией.

По разработанным методикам и данным исследований на кафедре «Детали машин» МГИУ и в УКЭР АМО ЗИЛ спроектирован, изготовлен и испытан опытный образец мотор-варитора, спроектирована и готовится к изготовлению бесступенчатая коробка передач на основе адаптивного дискового фрикционного вариатора для автобуса ЗИЛ-3250.

Основные положения диссертационной работы изложены в статьях в рамках XXXIX международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ), МГТУ «МАМИ», в 1999 г.; научно-практической интернет-конференции «Техника, технология и перспективные материалы», МГИУ, 2002; на технических совещаниях УКЭР АМО ЗИЛ; на семинарах по вариаторам кафедры «Детали машин» МГИУ и на расширенном заседании кафедры «Детали машин» МГИУ в 2004 г.

По теме диссертации опубликовано 12 работ в центральной печати, в сборниках научных трудов и международном научно-техническом сборнике в Интернете.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 160 страниц машинописного текста, 88 рисунков, 4 таблицы, 92 литературных источника.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований и дана краткая характеристика работы.

В практике сложились следующие основные схемы фрикционных механических бесступенчатых передач - это ременный, или, как разновидность, цепной вариатор, торовый, и планетарный дисковый вариаторы. В автомобилях, в основном, применяются только ременные (цепные) и торовые вариаторы.

Проведенный анализ существующих систем управления вариаторами показал, что такие схемы не могут быть применены в автоматической механической бесступенчатой трансмиссии, рассматриваемой в настоящей работе, т.к. построение их по наиболее удобной и компактной планетарной схеме, невозможно или, по крайней мере, крайне затруднительно, в них присутствует принудительное воздействие извне, управляемое теми или иными датчиками и приводимое с помощью различных сервоприводов, и, главное, не реализована адаптивность бесступенчатой трансмиссии к изменению момента на выходном элементе.

Поэтому, появилась необходимость в разработке новых механизмов и систем адаптивного дискового фрикционного вариатора для автоматической адаптивной бесступенчатой трансмиссии автомобиля и определение их рациональных параметров, что и является темой настоящей работы.

Работы по созданию дисковых фрикционных вариаторов базировались на трибологических исследованиях проф. Ю.Н. Дроздова, к.т.н. О.Г. Ромашкина, д.т.н. И.М. Елманова и иностранных ученых Lutz О., Vojacek H. и других.

Кинематическая схема вариатора с системой регулирования степени адаптивности и общий вид автоматической бесступенчатой коробки передач на его основе для автобуса ЗИЛ-3250 показаны на рис. 1. Вариатор может включать несколько рядов центральных фрикционных дисков (10 и 5), между которыми с помощью тарельчатых (или плоских дисковых) пружин 4 и 9 зажаты сателлиты 7. Число сателлитов в одном ряду — шесть, хотя для мощных устройств с малым диапазоном варьирования их может быть и до 12.

При изменении крутящего момента на выходном валу 19 ролик 13, находящийся до того на рабочей поверхности 22 кулачкового регулятора 14 в уравновешенном состоянии, под действием усилий пружин 4, 9 и штока 15, а

а)

Рис 1 Схема (а) и общий вид (б) автоматической бесступенчатой коробки передач автомобиля на основе нового планетарного дискового адаптивного вариатора 1 - ось поворотных рычагов, 2 - соединительная муфта, 3 • водило, 4 - тарельчатая пружина, 5 - внутренний центральный фрикционный диск, 6-подшипники сателлитов, 7- сателлит, 8-фрикционы, 9-плоская дисковая пружина, 10- внешний центральный фрикционный диск, 11 - ось сателлитов, 12 - противовес, 13 -ролик, 14 - кулачковый регулятор, 15-шток, 16-зубчатая полумуфта, 17-рычажный механизм, 18-каретка, 19 - выходной вал, 20-эпицикл, 21-поворотныйрычаг, 22-рабочая поверхность кучачковогорегулятора, ЖСМ— жидкий смазочныйматериал

На ролики 13 может оказываться дополнительное воздействие, через рычажный механизм 17, на который, через систему выжимных подшипников от штока 15, подводится упругая сила (например, от пневмокамер, управляемых от пневмосистемы автомобиля). Это позволяет изменять степень адаптивности вариатора, чем, собственно, и ведется управление скоростью автомобиля.

Таким образом, свойство адаптивности действительно является "врожденным" свойством, присущим конструкции вариатора, и достигается лишь подбором формы прорези 22 и усилием на штоке 15

Но для обеспечения работы тормозных механизмов на грани самозаклинивания (самоторможения) необходимо подобрать число дисков и угол захода винтовых нарезок.

определения угла самоторможения

Для изменения степени адаптивности сила создаваемая пневмокамерами передается рычажным механизмом, в котором также создается некоторое самоусиление, подобранное специальным образом. Наибольшее усиление около 2,5 создается при тех режимах, где требуется наибольшее воздействие на ролик, на остальных режимах оно близко к 1.

Для сателлитов был выбран именно такой тип подшипников, т.к. они лучше вписываются в компоновку, грузоподъемность таких подшипников увеличивается пропорционально угловой скорости, в то время как, долговечность подшипников качения с увеличением угловой скорости падает даже без увеличения полезной нагрузки.

При установившемся конкретном передаточном отношении вариатора, поворотный рычаг механизма изменения передаточного отношения должен находиться в положении равновесия (здесь и далее предполагается использование принципа Даламбера); при этом сумма моментов, действующих на поворотный рычаг относительно точки его поворота, равна нулю.

(по Даламберу), действующей на ролик при вращении водила (момент от запланированной неуравновешенности рычага); момент от нормальной реакции на ролик со стороны рабочей поверхности кулачкового регулятора.

со стороны промежуточных конических дисков: 1 -рабочая поверхность кулачковогорегулятора; 2 -ролик поворотногорычага; 3 - поворотныйрычаг; 4— фрикционный промежуточный конический диск; 5— внешний центральный фрикционный диск; б-внутренний центральный фрикционный диск; 7-СЭН,

Момент от тангенциальной силы, приведенной к центру промежуточного

М1 = Е-Ь= , Им

Л-(Л| + Лг)

Момент от радиальных составляющих сил нажима на фрикционные диски в верхнем и нижнем контактах:

,Нм

где - радиальная составляющая силы нажима основных упругих элементов (ОУЭ) на фрикционные диски в наружном контакте, Н; Рп - радиальная составляющая силы нажима ОУЭ на фрикционные диски во внутреннем контакте, Н.

М,

гсэн-'ксэн->^№

Направление силы Рсэн зависит от вида СЭН и его расположения и в каждом случае определяется индивидуально.

МцСЭН = РцСЭН • К,СЭН = 0>5 • ' тсэн ■г • ЬчСЭН >Нм (4)

Момент от центробежной силы инерции, действующей на ролик при вращении водила определяется по формуле:

где - масса, необходимая для статической балансировки поворотного

Момент от нормальной реакции на ролик со стороны кулачковой поверхности является суммой рассмотренных выше пяти моментов:

Для построения кулачковой поверхности был определен угол между направлением действия нормальной реакции на ролик со стороны кулачковой поверхности и отрезком, соединяющим центр поворота рычага и центр ролика. Обобщенно, для положения переднего и заднего хода котангенс искомого угла а выражается формулой:

где (+) - для переднего хода; (-) - для заднего хода.

По известным значения угла а с использованием разработанной методики был построен профиль кулачкового диска адаптивного планетарного дискового вариатора.

По данной методике был рассчитан рабочий профиль кулачкового регулятора для бесступенчатой коробки передач для автобуса ЗИЛ-3250 и проведен его прочностной расчет методом конечных элементов.

Испытания включали две серии режимов работы вариатора: без фиксации передаточных отношений (адаптивный режим) и с фиксацией передаточных отношений. Схема стенда для испытаний показана на рис. 3. Мотор-вариатор У установлен на станине 17. На выходном валу вариатора зафиксирован тормозной барабан с кольцевой полостью для заливки охлаждающей воды, а также установлен прорезной диск 11 для фотоэлектрического датчика 9 электронного тахометра. Аналогичным диском 15 снабжен задний конец вала электродвигателя. С этим диском взаимодействует фотоэлектрический датчик 13.

В крышке вариатора установлен термометр 5. Тормозной барабан взаимодействует с колодками нагрузочного тормоза 3. Зажим колодок производится винтом 2. Конец нагрузочного тормоза имеет отверстие на

Обе серии испытаний проводились при входных частотах вращения 1420 мин"1 и 2850 мин'1 и при смазке двумя видами масел: минеральным М-8 и трактантом «Сантотрак-50» с фиксацией температуры вариатора.

в адаптивном режиме представлены на рис. 4 и 5.

По результатам испытаний видно, что конструкция нового вариатора отличается от других фрикционных вариаторов и передач тем, что в ней не наступает «срыва» передачи момента, т.е. снижения коэффициента трения при определенных значениях скольжения. Также видно неоспоримое преимущество трактантов типа «Сантотрак-50» перед минеральными маслами. Кроме существенно большего коэффициента трения, эта смазка обеспечивает в несколько раз меньшее скольжение, что существенно отражается на КПД и долговечности фрикционных дисков.

Чаще всего коэффициент трения / определяют по формуле, полученной на основе испытаний вариатора Е. И. Пирожкова:

Рис. 4. Хцхжгщжппки вариатора наадаптивнаирежиме с жктродвихттем 80А4/1420 в зависимости от частоты вращения выходного вата п2 при смазке М-8 (а) и Сантотрак-50

часовой стрелке соответственно; 3 - КПДвариатора; 4 - крутящего момента Т где К„ - коэффициент, зависящий от типа ЖСМ, заливаемого в вариатор; а и b-оси эллипса а И Ь пятна контакта; ру-приведенный радиус кривизны фрикционных дисков в направлении вектора скорости качения; сг„ - контактные напряжения в наружном и внутреннем контактах; V/ -наибольшая в направлении вектора скорости качения скорость геометрического скольжения; - суммарная скорость качения в контакте

часовой стреме соответственно; 3 • КПДвариатора; 4-крутящего момента Т I Однако экспериментальные исследования планетарного дискового вариатора показали, что эта формула дает расхождения на 50% и выше при низких суммарных скоростях качения Ух- Это вызвано как особенностями контакта Байера по сравнению с фрикционным контактом вариатора

С целью получения простых и удобных математических выражений для определения коэффициентов УГД трения, соответствующих экспериментальным данным, прежде всего, были введены поправочные коэффициенты в формулу (8), учитывающие тип ЖСМ и величину У^. В результате получились выражения, достаточно близко описывающие

г т, . ,/■ / л 1-у,/У; V -

,-0,2919 _ -0,0631 0,486} „ -0,4749 „ -0.3103

■Уц

где - поправочный коэффициент, учитывающий влияние суммарных скоростей качения,

1. Характер влияния типа ЖСМ, его температуры и контактных напряжений на коэффициент УГД трения в роликовых стендах и в вариаторе достаточно близок друг к другу. Это соответствует мировой практике конструирования вариаторов, где материалы стендовых исследований закладывают в исходные данные при расчете вариаторов.

В результате модификации формулы СА Юркова получилось простое выражение для расчета коэффициентов УГД трения:

" 1 + Ь-е-сУ*'

Поправочный коэффициент К'у определяется по формуле:

для наружного контакта

-0,09}^

для внутреннего контакта

(12)

На рис. 6 и 7 приведены сравнительные характеристики коэффициентов УГД трения по данным испытаний вариатора для различных частот вращения входа, а также значения /кц/Д по формуле (9) для различных типов смазки.

(а) и трактантом «Сантотрак-50» (б): _ - по данным испытаний;

Рис. 7. Зависимость коэффициентов трения {р от передаточного отношения г при частоте вращения входа П/ =2850мин1 и смазкеминеральныммаслом М-8

___- по формуле (10); _._._ - по формуле (9)

В пятой главе рассмотрено управление тягово-динамическими свойствами автомобиля с адаптивным вариатором в трансмиссии.

Имея реальный профиль рабочей поверхности кулачкового регулятора, можно получить характеристики усилия системы изменения степени адаптивности вариатора от момента выхода. Это усилие является функцией от давления в пневмокамерах, которым управляет водитель. Имея эти характеристики можно рассчитать любую тягово-скоростную характеристику.

Как видно из графиков, снижение скорости движения в последнем режиме вызывается не повышением, а напротив, снижением передаточного отношения вариатора. Т.е. увеличением нагрузки на двигатель, что приводит к снижению частоты вращения его вала, чем обеспечивается лучшая экономичность движения, особенно на невысоких скоростях 50-80 км/ч.

В заключение можно сказать, что, используя характеристики регулятора адаптивности вариатора можно определять динамические характеристики автомобиля в зависимости от способа управления скоростью. Таких способов можно отметить три:

Рис. 8. Характеристики автобуса ЗИЛ-3250нарежимемаксимально интенсивногоразгона: а) -ускорения а и передаточного отношения вариатора 1Шр; б) - времени Г и пути разгона 5

О 20 40 60 80 100

Рис. 10. Характеристики автобуса ЗИЛ-3250нарежиме движения с постоянными скоростями (пунктирныелинии до выхода на внешнюю скоростную характеристику двигателя)

упоминалось выше. В первой фазе движения всё равно нужно будет регулировать скорость величиной подачи топлива.

Безусловно, третий способ является наиболее универсальным, но требует максимальных усложнений системы управления.

По изложенным в работе методам, позволяющим осуществить комплексное проектирование была разработана бесступенчатая коробка передач на основе дискового планетарного фрикционного вариатора для автобуса ЗИЛ-3250. В настоящее время она подготавливается к изготовлению.

1. Разработанные методы определения параметров и принципиальные конструктивные исполнения механизма торможения водила и эпицикла, системы смазки и гидродинамических опор скольжения, механизма изменения степени адаптивности дискового позволяют автоматизировано проектировать автоматическую бесступенчатую трансмиссию автомобиля на основе планетарного фрикционного вариатора.

3. Полученное математическое выражение для расчета коэффициента упругогидродинамического трения отличается универсальностью и удобством использования при конструировании вариаторов рассматриваемого типа. Достоверность подтверждена результатами экспериментальных исследований опытного образца адаптивного дискового планетарного фрикционного

4. Адаптированные и систематизированные методы расчета тягово-динамических параметров автомобиля с автоматической бесступенчатой трансмиссией позволяют определить характеристики движения автомобиля на основных режимах, таких как движение с максимально интенсивным и фиксированным, в том числе нулевым ускорением при условии обеспечения работы двигателя на внешней скоростной характеристике и наиболее экономичном режиме.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

2. Гулиа Н.В., Петракова ЕА, Юрков С А, Ковчегин Д.А., Волков Д.Б. Расчет основных параметров фрикционного дискового вариатора: метод, указания. - МГИУ, 2000. - С. 35.

4. Gulia N.V., Martin F., Jurkov S.A., Kovchegin D.A. New adaptive variator for automobile automatic stepless transmission and its experimental characteristics. [Электронный ресурс] // Наука и техника: Международный научно-технический сборник. - http://www.n-t.org/tpe/ts/av.htm.

6. Гулиа Н.В., Юрков СА, Ковчегин Д.А., Медведев Д.В. Новый вариатор для автоматической бесступенчатой коробки передач для автобуса ЗИЛ-3250 // Грузовик & - 2003. - №3. - С. 6-8

технология и перспективные материалы: Сборник статей. - М: МГИУ, 2002. -С. 12-19.

9. Гулиа Н.В., Ковчегин Д.А., Юрков С.А., Петракова Е.А. Простая формула для определения коэффициента трения в смазываемых дисковых вариаторах. [Электронный ресурс] // Наука и техника: Международный научно-технический сборник. - http://www.n-t.oig/tpe/ts/pf.htm

И. ГулиаН.В., Ковчегин Д. А., Юрков СА, Петракова Е. А. Пассивная адаптивность и "живучесть" фрикционного вариатора. [Электронный ресурс] // Наука и техника: Международный научно-технический сборник. -http://www.n-t.oig/tpe/ts/pa.htm

Ковчегин Дмитрий Александрович

АВТОРЕФЕРАТ

Формат бумаги 60 х 90/16 Бум. множит.

Тираж 100 Заказ №720

»268 0 ?