Динамика инерционной импульсной механической бесступенчатой передачи с упругим звеном тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Черепанов, Сергей Витальевич

• Черепанов, Сергей Витальевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черепанов, Сергей Витальевич

ВВЕДЕНИЕ.'.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЕРЦИОННОЙ

ИМПУЛЬСНОЙ ПЕРЕДАЧИ.

2.1 .Расчетная схема импульсной передачи.

2.2. Уравнения динамики инерционного импульсного механизма, полученные методом кинетостатики.

2.3. Уравнения динамики инерционного импульсного механизма, полученные методом аналитической механики.

2.4. Численное решение уравнений движения.

2.5 Уравнения динамики инерционной импульсной передачи с исключенной избыточной координатой \\f.

2.6. Упрощение уравнений движения.

2.7. Выводы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЕРЦИОННОЙ

ИМПУЛЬСНОЙ ПЕРЕДАЧИ.

3.1. Задачи и объект экспериментального исследования.

3.2. Конструкция испытательного стенда и информационноизмерительная аппаратура.

3.3. Оценка возможных погрешностей измерения экспериментальных величин.

3.4. Методика экспериментального исследования.

3.5. Выводы.

Глава 4. ОЦЕНКА РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЧИ.

4.1. Сопоставление результатов расчета и эксперимента.

4.2 Особенности внешней характеристики, определяющие возможные области применения передачи.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика инерционной импульсной механической бесступенчатой передачи с упругим звеном»

Применение бесступенчатых передач является одним из эффективных средств повышения производительности технологического оборудования, а так же улучшения основных эксплуатационных качеств транспортных и тяговых машин.

По сравнению с гидродинамическими и гидростатическими механические бесступенчатые передачи обладают принципиальным преимуществом, так как трансформирование механической энергии без промежуточного преобразования вида энергии может быть осуществлено с меньшими потерями. Но реализация этого преимущества связана с необходимостью решения ряда сложных технических задач.

Известны два принципиально различных вида механических бесступенчатых передач: непрерывные и импульсные. У первых на стационарных режимах скорости всех звеньев постоянны. У вторых скорости отдельных внутренних звеньев являются периодическими функциями времени.

Основным недостатком непрерывных бесступенчатых передач является наличие кинематического скольжения в контакте гладких криволинейных поверхностей рабочих тел, передающих крутящий момент силами трения при высоких контактных напряжениях. Определенные успехи в снижении практической значимости этого недостатка известны [32].

В импульсных передачах кинематическое скольжение исключается ценой использования колебательного движения внутреннего звена (звеньев), которое затем преобразуется во вращение выходного вала с помощью механизмов свободного хода (МСХ), выполняющих функцию механических выпрямителей [12]. Но колебательное движение связано с повышенными динамическими нагрузками, а работа МСХ при высокой частоте включений выдвигает на первый план вопросы их надежности. Это затормозило применение таких передач в автомобилестроении, где требования надежности росли быстрее, чем успехи в повышении надежности импульсных передач, но в приводах самого различного технологического оборудования они получили достаточно широкое применение [47].

Особый класс импульсных передач представляют инерционные импульсные бесступенчатые передачи. Они обладают рядом ценных свойств: могут быть достаточно просты по конструкции; не нуждаются в управлении, так как передаточное отношение автоматически изменяется при изменении нагрузки на выходном валу; не нагружают двигатель на стоповом или стартовом режимах, так как при передаточном отношении равном нулю (выходной вал остановлен) среднее, а в ряде схем и любое мгновенное значение момента на входном валу, близко к нулю. Последнее позволяет в приводах различного технологического оборудования в качестве двигателей применять самые простые асинхронные электромоторы. При нештатном увеличении сопротивления на выходном валу передачи вплоть до его остановки двигатель разгружается и не выйдет из строя без всякой электрической защиты. Пуск агрегата также происходит при отсутствии момента сопротивления на валу электродвигателя.

Исследованию инерционных импульсных бесступенчатых передач посвящено немало работ многих авторов. Однако до сих пор не разработан меха-но-математический аппарат, позволяющий полностью определять динамику передачи не только на стационарных, но и на переходных режимах. Решению этого вопроса посвящена представленная диссертация.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель движения инерционной передачи с импульсатором непараллелограммного типа и упругим звеном на выходе двумя методами: методом кинетостатики и методом аналитической механики с использованием уравнений Лагранжа II рода. Показана их равнозначность.

2. Получено практически полное совпадение расчетной и экспериментальной внешних характеристик инерционной импульсной передачи в широком диапазоне изменения передаточного отношения.

3. По результатам эксперимента получена оценка КПД такой передачи во всем диапазоне изменения передаточного отношения.

Методы исследований. В теоретическом исследовании использовались методы векторной и аналитической механики, теории механизмов и машин, методы математического и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование динамики инерционной передачи проводилось на специальном стенде.

Практическая ценность. Разработан механо-математический аппарат, позволяющий на этапе проектирования вычислять действующие в элементах передачи кинематические и силовые факторы.

Показана практическая целесообразность использования такой передачи с асинхронными электродвигателями в приводах различного технологического оборудования.

На защиту выносятся:

1 .Разработанная математическая модель движения инерционной импульсной передачи.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования динамики импульсной передачи на различных режимах работы.

3. Теоретическая и экспериментальная внешние характеристики инерционной передачи.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Черепанов, Сергей Витальевич

4.3 Выводы

Проведенное в главе 4 сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований инерционной передачи показало их удовлетворительную сходимость.

При работе передачи на стоповом режиме и на режиме трансформации момента с передаточным отношением меньшим 0,2 расхождение теоретических и экспериментальных результатов можно объяснить тем, что в расчетной модели не было учтено наличие углового люфта выпрямителя.

Проведена оценка нагруженности механического выпрямителя на различных режимах работы передачи. Наибольшая нагрузка на выпрямитель действует при работе передачи на стоповом режиме. На режиме трансформации момента с ростом передаточного отношения нагруженность выпрямителя снижается. С выходом передачи на режим динамической муфты (прямая передача) нагрузка на выпрямитель отсутствует.

По внешней характеристике передачи проведена оценка КПД для каждого значения передаточного отношения.

Даны рекомендации по практическому применению исследуемой инерционной импульсной передачи с упругим звеном.

130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработана механо-математическая расчетная модель, позволяющая определять параметры движения и нагружения всех звеньев инерционной импульсной бесступенчатой передачи с упругим звеном на стационарных и переходных режимах работы.

2. Адекватность расчетной модели подтверждена экспериментальными исследованиями. Впервые получено практически полное совпадение расчетной и экспериментальной внешней характеристики при передаточных отношениях i>0,2. При i<0,2 расхождение определяется неучетом в модели наличия углового люфта в выпрямителе, что может дать снижение действительного момента на выходе по сравнению с расчетным до 18%.

3. Предложенный метод расчетно-теоретического исследования применим не только для выбранной схемы рычажно-шарнирного непараллелограммного импульсного механизма, но и для других известных и возможных вариантов инерционных импульсных механизмов.

4. Инерционная импульсная бесступенчатая передача с непараллелограммным импульсным механизмом с одним корпусным выпрямителем и упругим звеном на выходе обладает внешней характеристикой, благоприятной для использования в приводах различного назначения. Передача имеет режим реверса. КПД передачи превышает 0,9 в кинематическом диапазоне более пяти.

5. Подобные передачи могут успешно использоваться совместно с двигателями внутреннего сгорания в приводах тягово-транспортных машин небольшой мощности, таких как малые тракторы, мотонарты, грузовые мотороллеры и т.п., а с асинхронными электродвигателями — в приводах различного технологического оборудования, таких как ленточные транспортеры, смесители, бурильные и буровые установки и т.п.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черепанов, Сергей Витальевич, 2005 год

1. Айзерман М.А. Элементы теории автоматических прогрессивных трансмиссий непрерывного действия // Труды НАТИ. 1941 - Вып.40 -С.33-76.

2. Андреев В.Е., Баженов С.П. К анализу трансмиссии автомобиля с автоматической инерционной передачей //Автомобили, тракторы и двигатели. 1972. - №119. - С.71-78.

3. Антонов А.С. Силовые передачи колесных и гусеничных машин. Теория и расчет. -Л.: Машиностроение, 1975. 480 с.

4. Артоболевский И.И. Теория механизмов. М.: Наука, 1967 - 720с.

5. Артоболевский И.И., Зиновьев В.А., Умнов В.Н. Динамика механической системы с вариатором // Динамика машин. М.: Машиностроение, 1969. С. 17-24.

6. Артоболевский И.И., Тишин М.М. Кинематика импульсных коробок передач// Вестник машиностроения. 1944. - №9-10. - С.10-18.

7. Баженов С.П. Дифференциальные уравнения движения инерционной трансмиссии транспортной машины // Автомобили, тракторы и двигатели. 1973. -№131. - С.156-158.

8. Баженов С.П. Механический бесступенчатый автоматический привод швартово-якорных механизмов //Тез.докл.Первой междунар. науч.-техн. конф. по бесступенчатым передачам, приводным механизмам и промысловому оборудованию. Калининград: КГТУ, 1997. - С. 15.

9. Балжи М.Ф. Бесступенчатая инерционно-импульсная передача для транспортных машин. Авт.свид.№153817 // Бюллетень изобретений и товарных знаков. 1963. - №7.

10. Балжи М.Ф. Инерционный бесступенчатый трансформатор крутящего момента: Дис. д-ра техн. наук. -Челябинск, 1970-210 с.

11. Балжи М.Ф., Леонов А.И. Автоматический трансформатор крутящего момента. Авт.свид.№195818 // Бюллетень изобретений. 1967. - №10.

12. Благонравов А. А. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. М.: Машиностроение, 1977. 143 с.

13. Благонравов А.А., Малородов А.Т. Бесступенчатая импульсная передача. Авт.свид.№1352120 // Бюллетень изобретений. 1987. - №42.

14. Благонравов А.А., Коновалова Е.Г., Стратечук A.M. Механический трансформатор // Вестник бронетанковой техники. 1988. - №12.

15. Благонравов А.А. Внешняя характеристика простейшей импульсной бесступенчатой передачи с упругим элементом // Тез.докл. Четвертой междунар. науч.-техн. конф. по инерционно-импульсным механизмам. -Владимир: ВПИ, 1992.

16. Благонравов А. А. Клиновой механизм свободного хода. Авт.свид.№1303764 // Бюллетень изобретений. 1996. - №36.

17. Благонравов А.А. Клиновой механизм свободного хода. Авт.свид.№2077794 // Бюллетень изобретений. 1997. -№11.

18. Благонравов А.А., Болотов В.В. Автоматический привод. Авт.свид.№2082050 // Бюллетень изобретений. 1997. - №17.

19. Благонравов А.А., Вязников М.В., Черепанов С.В. Трансформатор крутящего момента // Вестник. Сб.статей : Академия транспорта. Уральское межрегион.отд-ние. Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 1998. -С.138-141.

20. Благонравов А.А., Вязников М.В., Черепанов С.В. Условия существования стационарного режима работы инерционной передачи с упругим звеном // Вестник Челябинского агроинженерного университета. 1999. - Т.28. - С.70-75.

21. Благонравов А.А., Держанский В.Б., Черепанов С.В. Динамическая нагруженность элементов бесступенчатой трансмиссии трактора // Вестник Челябинского агроинженерного университета. 1996. - Т. 16. -С.70-76.

22. Бутенин Н.Ф., Фуфаев Н.А. Введение в аналитическую механику. -М.: Наука, 1991.-255 с.

23. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М.: Наука, 1965. 872 с.

24. Вязников М.В. Статические характеристики инерционной импульсной передачи с упругим элементом: Дис. . канд.техн.наук. Курган: КГУ, 1999.- 169с.

25. Вязников М.В., Черепанов С.В. Уравнения движения инерционной передачи с упругим элементом // Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. -Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 1999. С.44-48.

26. Вязников М.В., Черепанов С.В. Уравнения движения инерционного трансформатора с импульсным механизмом непараллелограммного типа //Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. -Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 1999. -С.48-52.

27. Вязников М.В., Черепанов С.В. Особенности внешней характеристики параллелограммного импульсного механизма// Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000. - С.84-88.

28. Еновский-Лашков Ю.К., Баранов В.В., Раскин В.Е. и др. Бесступенчатые фрикционные трансмиссии автомобилей. 4.II. Легковые автомобили и автобусы// Обзорная информация. М.: НАМИ, 1990. -48 с.

29. Забавников Н.А. Основы теории транспортных гусеничных машин. -М.: Машиностроение, 1975. 448 с.

30. Кропп А.Е. Приводы машин с импульсными вариаторами. -М.: Машиностроение, 1988. -144 с.

31. Куликов Н.К. Клиновые механизмы свободного хода // Труды НАМИ. -М.: Машгиз, 1954.-Вып.75. 68 с.

32. Ланде А.П., Лившиц В.А. Анализ двухпоточных импульсных передач // Автомобили, тракторы и двигатели. 1977. -№195. -С.96-98.

33. Левин С.Ф. Инерционная импульсная передача. Авторское свидетельство №199611 // Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1967. - №15.

34. Леонов А.И. Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента. М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.

35. Леонов А.И. Исследование импульсного механизма параллелограммного типа в инерционном трансформаторе момента // Теория машин и механизмов.-М.: Наука, 1965. -Вып. 105-106. -С.43-49.

36. Леонов А.И., Дубровский А.Ф. Механические бесступенчатые передачи непрерывного действия. М.: Машиностроение, 1984. -192 с.

37. Ли В.И. Импульсные кулачковые вариаторы // Передаточные механизмы. -М.: Машиностроение, 1971. -С. 161-167.

38. Лившиц В.А. Исследование импульсных приводов постоянной скорости: Автореф.дис.канд.техн.наук. -Челябинск: ЧПИ, 1978.

39. Лившиц В.А. Некоторые вопросы исследования импульсных механических систем // Автомобили, тракторы и двигатели. 1979. -№233. -С.84-85.

40. Лившиц В.А., Крупицкий С.М., Филичкин Н.В. Вопросы динамики инерционного трансформатора момента // Автомобили, тракторы и двигатели. 1976. -№174. -С.83-85.

41. Лобусов В.М. Динамика автоматического вариатора // Теория машин и механизмов.-М.: Наука, 1965. Вып.105-106. - С.88-102.

42. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. -М.: Энергия, 1976.- 104 с.

43. Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи. -М.: Машиностроение, 1978. -367 с.

44. Мальцев В.Ф. Роликовые механизмы свободного хода. -М.: Машиностроение, 1968.-416 с.

45. Мальцев В.Ф. Состояние и тенденции развития механизмов свободного хода // Вестник машиностроения. -1987. №3. - С. 17-19.

46. Отчет о научно-исследовательской работе. Экспериментальное исследование функционирования лабораторных образцов импульсной передачи (договор №2/96-3996 от 17.06.96). Курган, 1999.

47. Пилипенко М.Н. Механизмы свободного хода. -М.: Машиностроение, 1966.-288 с.

48. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление. М.: Наука, 1968.-Т.1.-552 с.

49. Пожбелко В.И. Инерционно-импульсные приводы машин с динамическими связями. -М.: Машиностроение, 1989. -136 с.

50. Ревняков Е.Н. Выбор параметров и расчет характеристик механической импульсной многопоточной бесступенчатой передачи: Дис. . канд. техн.наук. -Курган: КГУ, 2005. -158 с.

51. Стратечук A.M. Определение характеристик саморегулируемой бесступенчатой передачи с эксцентриковым генератором колебаний: Дис. . канд.техн.наук. -Курган: КМИ, 1986. -220 с.

52. Умняшкин В.А., Кондрашкин А.С., Сорока И.Ф. и др. Разработка и исследование гидромеханической передачи с механизмом свободного хода // Тез. докл. V Всесоюзной науч.-техн. конф. по вариаторам и передачам гибкой связью. Одесса, 1976.

53. Умняшкин В. А., Филькин Н.М., Набиев И.С. Инерционные трансформаторы вращающего момента транспортных средств. — Набережные Челны: Изд-во Камского гос. политехи, ин-та, 2004. -153 с.

54. Худорожков С.И. Пути повышения эффективности колесных тракторов малой мощности: Автореф.дис.д-ра.техн.наук. -Курган: КГУ, 1998.

55. Шенк X. Теория инженерного эксперимента / Пер.с англ. -М.: Мир, 1972.-382 с.

56. Шушкевич В.А. Основы электротензометрии. -Минск: Высшая школа, 1975.-351 с.

57. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. 4.1. Статика. Кинематика: Учебник для втузов. 5-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 1977. - 368 с.

58. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. Ч. II. Динамика: Учебник для втузов. 5-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 1977.- 430 с.