Исследование потерь и повышение КПД инерционного трансформатора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Тесаков, Роман Викторович

• Тесаков, Роман Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тесаков, Роман Викторович

ВВЕДЕНИЕ б

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНЫХ РАБОТ ПО ОЦЕНКЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

§1. Коэффициент полезного действия различных передач.

1.1. КПД зубчатых редукторов. ^

1.2. КПД гидродинамических муфт и гидротрансформаторов. ^

1.3. КПД клиноременного вариатора.

1.4. КПД фрикционной передачи. ^

§2. Анализ работ по коэффициенту полезного действия бесступенчатых передач. №

§3. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНЕРЦИОННОГО ТРАНСФОРМАТОРА, ВЫПОЛНЕННОГО ПО ЖЕСТКОЙ СХЕМЕ 2 б

2.1. Физическая модель инерционного трансформатора с жесткой схемой. ^ б

2.2.Математическая модель инерционного трансформатора. ^

2.3. Построение периодического решения системы нелинейных дифференциальных уравнений. . 3 ч

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В ИНЕРЦИОННОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА

3.1. Оценка потерь на трение в зубчатом зацеплении импульсного механизма Левина.

3.2. Оценка потерь на трение качения при перекатывании сателлитов в импульсном механизме Левина.

3.3. Оценка потерь мощности на трение скольжения в храповом механизме свободного хода инерционного трансформатора.

3.4. Потери мощности на перемешивание смазки.

3.5. КПД инерционного трансформатора.

3.6.Методика расчета коэффициента полезного действия инерционного трансформатора.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИТВМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО КПД И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ. ^Ц

4.1. Сравнительный анализ основных схем инерционных трансформаторов по коэффициенту полезного действия.

4.2. Оптимизация параметров импульсного механизма с целью увеличения КПД инерционного трансформатора.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА ИНЕРЦИОННОГО ТРАНСФОРМАТОРА ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА НА СТЕНДЕ.

5.1. Цели и задачи эксперимента. S

5.2. Описание экспериментального стенда и измерительной аппаратуры.

5.3. Проведение экспериментальных исследований.

5.4. Обработка экспериментальных данных. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследовании. ^

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование потерь и повышение КПД инерционного трансформатора»

Одним из путей повышения производительности современных машин и точности воспроизведения ими технологических процессов является применение автоматических бесступенчатых передач. Из существующих в настоящее время механических бесступенчатых передач наиболее широкое распространение получили фрикционные передачи. В данных передачах крутящий момент с входного вала на выходной передается непрерывно с помощью сил трения. Преимуществом подобных передач является бесшумность работы и отсутствие колебаний угловой скорости выходного вала. Однако, как и всем фрикционным передачам, им свойственен следующий недостаток: наличие в механизме нормальных сил, не участвующих непосредственно в передаче момента. Эти силы значительно, на порядок и больше, превышают силы, осуществляющие рабочий процесс. Появление их ведет к дополнительным потерям мощности, увеличению контактных напряжений и к снижению долговечности передачи. Поэтому использование бесступенчатых фрикционных передач ограничивается лишь преимущественно маломощными машинами.

К нефрикционным передачам, работающим на основе зацепления, можно отнести импульсные вариаторы и инерционные трансформаторы, которые лишены недостатков, свойственных фрикционным трансмиссиям.

Инерционные трансформаторы вращающего момента относятся к передачам механического типа и являются автоматическими по своей природе. Перспективность их применения обуславливается наличием ряда положительных свойств, основными из которых являются [51]:

1. автоматическое изменение выходного момента в зависимости от оборотов ведомого вала, без применения каких-либо дополнительных регулирующих устройств;

2. компактность конструкции инерционных трансформаторов, позволяющая вписываться в габариты ступенчатых приводов и в ряде случаев снижать габариты;

3. защита двигателя от перегрузки и остановки в моменты торможения рабочих органов-так называемый «стоповый» режим;

4. возможность работы на режиме прямой передачи, при которой трансформатор работает как упругая динамическая муфта, значительно снижая крутильные колебания в трансмиссии по сравнению со ступенчатой передачей.

Из всего вышесказанного следует, что инерционный трансформатор является перспективным для использования в современной технике, в частности, в трансмиссиях мото- и автотранспорта.

Инерционный трансформатор включает импульсный механизм и два механизма свободного хода (МСХ). Вращательное движение ведущего вала преобразуется импульсным механизмом в колебательное движение промежуточного, которое, с помощью корпусного и выходного МСХ трансформируется во вращательное движение выходного вала. Таким образом, в инерционном трансформаторе отсутствует непрерывный поток энергии, а изменение вращающего момента и угловой скорости происходит за счет накопления энергии грузовыми звеньями и импульсной ее передачи с помощью МСХ.

В качестве импульсного механизма наиболее успешно используется планетарный гармонический механизм Левина с «плавающими» сателлитами, так как он имеет наиболее низкую неравномерность вращения ведущего маховика и грузовых звеньев, а также сравнительно прост в изготовлении и сборке. В качестве механизмов свободного хода наиболее перспективны храповые МСХ [18],[65], [66], [67]. Их основные достоинства: передача крутящего момента с помощью нормальных сил, что позволяет снизить действующие в механизме силы на порядок; четкость процесса заклинивания и расклинивания, неприхотливость к точности изготовления и сборке.

Поскольку коэффициент полезного действия (КПД) является важнейшей характеристикой любого привода, то задача повышения КПД инерционного трансформатора является актуальной.

В представленной работе исследуется КПД инерционного трансформатора, выполненного по жесткой схеме, с использованием импульсного механизма Левина и храповых МСХ на различных режимах работы, разрабатывается методика расчета КПД, а также проводится оптимизация параметров трансформатора с целью повышения его коэффициента полезного действия.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Тесаков, Роман Викторович

108 ВЫВОДЫ

1) Анализ потерь мощности в инерционном трансформаторе показал, что наибольшие потери имеют место в зубчатом зацеплении планетарного ряда и опорных кольцах сателлитов и эпицикла (в импульсном механизме), наименьшие - в МСХ и на перемешивание смазки.

2) С уменьшением передаточного отношения i разность потерь в импульсном механизме и МСХ возрастает. При i=0.75 потери в импульсном механизме (зубчатое зацепление и опорные кольца) превышают потери в МСХ и на перемешивание смазки в два раза, а при i=0.2- в восемь раз.

3) На основе разработанной методики расчета КПД проведен сравнительный анализ основных схем инерционных трансформаторов по коэффициенту полезного действия-классической и схемы с использованием энергии обратного импульса. Установлено, что КПД первой схемы трансформатора выше, чем у второй на 5% при i=0.5.

4) В результате оптимизации найдены значения параметров импульсного механизма, при которых имеет место наибольший КПД: модуль зацепления т =1.5 мм, числа зубьев центральной шестерни и сателлита: z,= 38, z2= 24, масса грузовых звеньев т=0.292 кг.

5) Сравнение оптимального варианта и варианта реализованного ранее опытного образца показывает, что за счет выбора оптимальных параметров получено увеличение КПД на 1.2 % .

6) Для проверки достоверности разработанной методики расчета КПД был спроектирован и изготовлен опытно-промышленный образец ИТВМ с храповыми МСХ планетарным импульсным механизмом Левина. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили основные положения работы и соответствие разработанных алгоритмов реальному образцу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тесаков, Роман Викторович, 2005 год

1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справочник/ Под ред. Э.Б. Булгакова. М.: Машиностроение, 1981.-374 с.

2. Антонов А.С. Силовые передачи колесных и гусеничных машин. JL: Машиностроение, 1975г.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т.2. М.: Машиностроение, 1982г.-576 с.

4. Балжи М. Ф. Автотракторный инерционный трансформатор крутящего момента / Сб. трудов ЧПИ «Расчет и конструирование машин» (дополнение к выпуску №10). ЧПИ, Челябинск, 1957г. с. 36-50.

5. Балжи М.Ф. и др. К анализу переходных процессов в бесступенчатом инерционном трансформаторе крутящего момента / «Автомобили, тракторы и двигатели» ЧПИ сборник научных трудов №52. Челябинск, 1969г.

6. Батуев Г.С. и др. Инженерные методы исследования ударных процессов. М.: Машиностроение, 1977г.

7. Благонравов А.А Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. М.: Машиностроение, 1977 г.

8. Благонравов А.А., Воронцов А.А. Механический выпрямитель / Сборник научных трудов «Бесступенчатые передачи и механизмы свободного хода» КГТУ. Калининград, 2001г. С. 129-133.

9. Благонравов А.А., Мишутин В.В., Шаламов Б .Я. Выпрямитель с уравновешивающим устройством ./Межвузовский сборник науч. Трудов «Бесступенчато-регулируемые передачи». Выпуск 2 1978 г., Ярославль.

10. Болдырев Р.Н., Злотник М.И. Использование инерционного трансформатора вращающего момента в тяговых механизмах//«Автомобили, тракторы и двигатели» Сборник научных трудов Челябинского политехнического института №52,Челябинск 1969г. (стр.111-116)

11. Бондалетов В.П., Тесаков Р.В., Кашицын Д.А. К определению параметров соударения элементов МСХ с помощью пластической твердости / Сборник научных статей «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении». Калининград, 2002г. С. 195-197.

12. Тесаков Р.В., Кашицын Д.В. Кинематика храпового механизма внутреннего зацепления // Вибрационные машины и технологии: Сборник научных трудов/ Курский государственный технический университет. Курск.-2003г., 450с.-С. 166-169

13. Тесаков Р.В., Годовицын А.С. Возможности применения храповых механизмов свободного хода.//Наука и практика. Диалоги нового века: Материалы конференции. Часть II.-Наб. Челны: Изд-во Камского государственного политехнического института, 2003 .-427с.

14. Бондалетов В.П. Кинематика микрохрапового механизма свободного хода внешнего зацепления / Межвузовский сборник научных трудов «Прогрессивные машины и механизмы для пищевых производств» КГТУ. Калининград, 1999г. С.72-80.

15. Бондалетов В.П., Любкин А.В., Шенкман Л.В. Элементы динамики микрохрапового инерционного трансформатора / Межвузовский сборник научных трудов «Прогрессивные машины и механизмы для пищевых производств» КГТУ. Калининград, 1999г. С.85-92.

16. Бондалетов В.П. Кинематика импульсного механизма Левина при различных режимах трансформации / Межвузовский сборник научных трудов «Бесступенчатые передачи и механизмы свободного хода» КГТУ. Калининград, 2001г. С. 235-242.

17. Бондалетов В.П., Крылов С.В., Любкин А.В. Оценка контактных напряжений в храповом механизме при стопорении обратного импульса / Сборник научных статей «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении». Калининград, 2002г. С. 181-183.

18. Бондалетов В.П., Крылов С.В., Любкин А.В. Динамика движения собачки и храповика МСХ на режиме холостого хода / Сборник научных статей «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении». Калининград, 2002г. С. 235-239.

19. Васин Г.Г. О выборе параметров импульсного механизма в инерционном трансформаторе момента./ «Известия высших учебных заведений» №6. М.: Машиностроение, 1960г.

20. Ганькова Т.А., Тесаков Р.В. К вопросу о математической модели инерционного трансформатора на режиме трансформации момента.// Сборник научных статей международной научно-технической конференции «Балттех-маш-2002».-Калининград,2002. С.197-199

21. Гузенков П.Г. Детали машин: Учеб. Пособие для студентов вту-зов.-М.: Высш. школа, 1982.-341 с.

22. Данилов Н.П. Исследование микрохрапового механизма свободного хода с дифференциально упругим устройством. / кн. Машиноведение №215, ЧПИ, Челябинск, 1979г. С. 70 78

23. Данилов Н.П. Бесшумные пластины в микрохраповых механизмах свободного хода / Тематический сборник «Инерционно импульсные системы» ЧПИ, Челябинск, 1983 г. с. 73 - 75

24. Динник А.Н. Удар и сжатие упругих тел. Избранные труды. Т.1. Издание АН УССР, 1952г

25. Дрозд М.С., Маглин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упруго пластической деформации. М.: Машиностроение, 1986г. 230с.

26. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965 г.

27. Дубровский А.Ф. К теории инерционных трансформаторов. Сборник «Динамика инерционных трансформаторов, приводов и устройств», ЧПИ, Челябинск, №173, 1976 г. с. 32-41.

28. Дубровский А.Ф. Исследование нагруженности корпусного МСХ инерционного трансформатора. Сборник трудов «Динамика инерционныхтрансформаторов, приводов и устройств», ЧПИ, Челябинск, №173, 1976 г. с. 121 125.

29. Дубровский А.Ф. Ударное включение микрохрапового механизма свободного хода инерционного трансформатора вращающего момента. Известия вузов, Машиностроение, 1977г. №2, с. 29 34

30. Ионов В.Н., Огибалов П.М. Напряжения в телах при импульсном на-гружении. М.: Высшая школа, 1975 г.

31. Калинин А.В., Васильев А.Н. Динамические нагрузки на механизмы свободного хода в системе приводов стартеров. Межвузовский сборник научных трудов «Бесступенчатые передачи и механизмы свободного хода», КГТУ, Калининград, 2001 г. с. 204 217

32. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1976 г. 225 с.

33. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1973 г.-592 с.

34. Колчин Н.М. Механизмы Машин. Т. 2.

35. Крагельский И.В., Михин Н.М, Узлы трения машин: Справочник.- М.: Машиностроение, 1978 г.

36. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1987-560с.

37. Кропп А.Е. Приводы машин с импульсными вариаторами. М.: Машиностроение, 1988 г.

38. Крупицкий С.М., Болдырев Р.Н. К вопросу об обеспечении перехода инерционной передачи с режима муфты на режим трансформации момента. Труды ЧПИ «Автомобили, тракторы и двигатели» № 62, 1968 г. с. 35 41

39. Крылов С.В. Теория инерционного трансформатора с учетом зазоров в МСХ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ковров-2002 г.

40. Конструкции и расчет зубчатых редукторов. Справочное пособие. Кудрявцев В.Н., Державец Ю.А., Глухарев Е.Г. JL: Машиностроение, 1971-328с.

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

42. Леонов А.И. Микрохраповые механизмы свободного хода. М.: Машиностроение, 1982 г. 219 с.

43. Леонов А.И., Дубровский А.Ф. Механические бесступенчатые нефрикционные передачи непрерывного действия. М.: Машиностроение, 1984 г. 192 с.

44. Любкин А.В. Влияние параметров храпового механизма на движение собачки в режиме холостого хода при высоких скоростях вращения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ковров,2002г.

45. Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи. М,: Машиностроение, 1978 г. 367с.

46. Мальцев В.Ф., Кузьмин Н.Г. Определение потерь в период свободного движения в пружинных механизмах свободного хода / Межвузовский сборник научных трудов «Бесступенчато регулируемые передачи», выпуск 2, Ярославль, 1978 г.

47. Мальцев В.Ф. Механизмы свободного хода в современной технике. / Межвузовский тематический сборник «Инерционно импульсные системы», ЧПИ, Челябинск, 1983 г. с. 6 - 10.

48. Мельник А.Н., Морозов А.И. К выбору оптимальных параметров микрохрапового механизма свободного хода. / Сборник научных трудов «Динамика инерционных трансформаторов, приводов и устройств» №215, ЧПИ, 1978 г. с. 134-137

49. Морозов А.И., Мельник А.Н. Особенности работы микрохрапового МСХ в инерционном трансформаторе вращающего момента. / Сборник научных трудов «Динамика инерционных трансформаторов, приводов и устройств» №215, ЧПИ, 1978 г. с. 137 139

50. Морозов А.И. К теории инерционных трансформаторов с микрохраповыми МСХ. / Сборник научных трудов «Инерционно импульсные механизмы, приводы и устройства» №221, ЧПИ, 1978 г. с. 73 - 76

51. Морозов В.В., Панюхин В.И., Панюхин В.В. Механические передачи: КПД и самоторможение. ВПИ, Владимир, 2002 г.

52. Морозов А.И. Экспериментальные характеристики КПД инерционного трансформатора вращающего момента //Динамика инерционных трансформаторов, приводов и устройств. Челябинск, 1981 г.

53. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1977 г. 223 с.

54. Патент №2238459 МКИ F16H 48/20, 48/16, В60К 17/16. Самоблокирующийся дифференциал / Тесаков Р.В., Бондалетов В.П., Заплаткин А.А.- 2004 г.

55. Патент №2232671, МКИ F16H 48/20. Ключ монтажный/ Тесаков Р.В., Бондалетов В.П., Заплаткин А.А. -2004 г.

56. Патент №2243428 МКИ F16H 48/20. Блок храповых механизмов свободного хода/ Тесаков Р.В., Воркуев С.А., Заплаткин А.А. -2005 г.

57. Пилипенко М.Н. Механизмы свободного хода. М. Л.: Машиностроение, 1966 г.

58. Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1985 г.

59. Полецкий А.Т., Поляков А.П. Исследование движения реактора инерционного трансформатора крутящего момента. Сборник научных трудов «Теория механизмов и машин». Выпуск 98 99. Изд. АН СССР, Москва, 1964 г.

60. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы) М.: Машиностроение, 1967-404с/

61. Прудников А.Н. К определению нагруженности механизмов свободного хода в импульсном вариаторе, ЧПИ, Челябинск, 1979 г.

62. Рязанов А.А. Динамика и основы расчета храповых механизмов свободного хода с самоустанавливающимися рабочими телами. Диссерт. Канд. Техн. Наук, Владимир, 1992 г. 196 с.

63. Смирнов А.А. Конструкция и оптимизация параметров микрохрапового механизма свободного хода. Диссерт. Канд. Техн. Наук, Владимир, 1999 г. 195 с.

64. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М.: Наука, 1964478с.

65. Трение, изнашивание и смазка: Справочник.В2-х кн./под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина.-М.: Машиностроение, 1984.-280с.

66. Умняшкин В.А. Предпосылки и проблемы создания импульсных бесступенчатых передач транспортных машин. «Межвузовский сборник научных трудов». ЯПИ, г. Ярославль, вып. 3-1978г., с. 36-50.

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

68. Хельдт П.М. Автомобильные сцепления и коробки передач. Государственное научно-техническое издательство. М., 1947г.

69. Шуп Т. Решение практических задач на ЭВМ: Практическое руководство. Пер. с англ.-М.: Мир, 1982.-238с.

70. Яковлев В.А. К вопросу создания механических бесступенчатых передач с храповым преобразующим механизмом. В кн. Динамика инерционных трансформаторов, приводов и устройств. ЧПИ, Челябинск, 1981 г. №261 с. 122 -127.