Совершенствование эксплуатационных свойств автомобильного фрикционного вариатора с металлической цепью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Каменсков, Вадим Юрьевич

• Каменсков, Вадим Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Каменсков, Вадим Юрьевич

Список терминов и сокращений.

1. Обзор и анализ работ в области совершенствования механических фрикционных бесступенчатых передач КМ с гибкой связью.

1.1. Фрикционный клиноременный вариатор с металлической цепью в составе трансмиссии автомобиля.

1.1. Динамические нагрузки в дискретных ФКВ.

1.2. Эффект дискретного возбуждения.

1.3. Поперечный изгиб ветви гибкого элемента.

1.4. Выводы.

2. Повышение усталостной долговечности и снижение величины поперечного изгиба ветви вариаторной цепи.

2.1. Поперечный изгиб ветви гибкого элемента.

2.2. Минимизация величины поперечного изгиба ветви гибкого элемента.

2.2.1. Общий вид образующей шкива.

2.2.2. Дугообразная образующая шкива.

2.3. Контактное взаимодействие.

2.4. Усталостная прочность. Перемещение пятна контакта.

2.4.1. Накопление повреждений.

2.4.2. Перемещение площадки контакта.

2.4.3. Распределение ресурса по поверхности силового элемента.

2.5. Алгоритм проектирования образующих.

2.6. Выводы.

3. Моделирование вариатора с гибким элементом - цепью Р1У.

3.1. Математическая модель.

3.1.1. Модель шкива.

3.1.2. Модель цепи как системы упругих тел.

3.1.3. Взаимодействие шкива и цепи.

3.1.4. Трение в пятне контакта.

3.1.5. Силы, действующие на элементы модели.

3.1.6. Формулировка и решение системы уравнений.

3.2. Оценка математической модели. Выводы.

4. Связные колебания. Эффект дискретного возбуждения.

4.1. Эффект дискретного возбуждения.

4.2. Снижение динамических нагрузок путем варьирования шагов вариаторной цепи.

4.3. Варьирование шага вариаторной цепи.

4.4. Наилучшая последовательность шагов вариаторной цепи.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование эксплуатационных свойств автомобильного фрикционного вариатора с металлической цепью»

Перспективность автомобильного вариатора, бесступенчатой трансмиссии (БСТ), подтверждена не только рядом научных трудов, но и спектром серийно выпускаемых агрегатов в составе трансмиссий легковых автомобилей.

Первый патент на тороидный вариатор зарегистрирован в 1886 году, а первое упоминание о бесступенчатой передаче принадлежит Леонардо да Винчи и датируется 1490 годом. Таким образом, уже более 500 лет теоретические преимущества будоражат сознание ученых и воодушевляют называть вариатор идеальным устройством механической трансформации энергии.

Несмотря на теоретическое совершенство, широкое практическое применение вариаторов вплоть до середины 20-ого века сдерживалось, как неготовностью технологических методов реализовать теоретические свойства, так и недостатком фундаментальных знаний. Ряд попыток внедрения бесступенчатых передач в автомобильную промышленность был безуспешным в связи с их низкой эффективностью, которая явилась следствием недостатка теоретических знаний.

Одним из наиболее значимых в современной автомобильной истории вариаторов явился этап создания голландским инженером Хубертом ванн Доорном передачи Variomatic в 1958 году для автомобиля с объемом двигателя 600см . Революционной в Variomatic стала замена привычного полимерного гибкого элемента металлическим толкающим ремнем. Этот этап не только отстоял право вариаторов претендовать на место в автомобильном транспорте, но в более широком смысле стал стимулом научной мысли, о чем свидетельствует большое число появившихся в те годы работ.

Для маломощных автомобилей решение Van Doorne было весьма успешным. Однако увеличение нагрузок при попытках распространить трансмиссию на сектор более тяжелых транспортных средств не увенчалось успехом и вновь устремило внимание ученых в теоретическую работу.

В настоящее время эталоном совершенства среди бесступенчатых передач можно заслужено считать вариатор Multitronic с тянущей пластинчатой цепью. Вариатор способен работать с двигателем V6 мощностью 200кВт. За 2005 год было выпущено порядка 350 тысяч таких передач. В настоящее время вариаторы предлагаются серийно наравне с механическими, секвентальными и гидромеханическими передачами на автомобилях таких производителей как GM, Audi, Honda, Nissan, BMW. Только в Европе разработки ведут VDT, ZF, Audi, LuK Getriebe-Systeme GmbH, Porsche и Robert Bosch Gmbh.

Перспективность вариаторов в наши дни не ограничивается применением в паре с двигателями внутреннего сгорания, что могло бы создать впечатление, что это конструкторское решение является временным в свете исследований альтернативных источников топлива. Напротив, вариаторы широко серийно применяются в гибридных установках и являются объектом изучения в исследованиях трансмиссий с разделенными потоками. Таким образом ряд исследователей видят в вариаторах большое будущее и практическую ценность.

Бесступенчатые передачи с гибкой связью подвержены динамическим нагрузкам, что негативно сказывается на шуме и эффективности. В более глобальном понимании сказанное влечет повышенный расход топлива и загрязнение окружающей среды. Другим камнем преткновения является надежность, долговечность и износ, так как детали передачи испытывают значительные контактные нагрузки, затрудняющие в большинстве случаев применение вариатора на мощном грузовом автомобиле.

Изложенное выше позволяет подчеркнуть неразрывность практической и теоретической сторон технического прогресса и необходимость дальнейшего совершенствования принципов бесступенчатой механической трансформации энергии.

Общая цель исследования заключается в разработке метода совершенствования эксплуатационных свойств автомобильного фрикционного вариатора с металлической тянущей цепью. Под эксплуатационными свойствами понимаются: эффективность, динамические нагрузки, долговечность, требования к системе управления вариатором, динамичность и комфорт (автомобиля), экономичность (автомобиля). Для достижения цели в работе решаются следующие задачи: разработка метода расчета криволинейных образующих контактирующих поверхностей шкива и штифтов гибкого элемента, обеспечивающих: минимальный поперечный изгиб ветви цепи, постоянное перемещение пятна контакта по образующим и максимальную долговечность по критерию усталостного выкрашивания; создание имитационной математической модели работы фрикционного клиноременного вариатора с металлической тянущей цепью; разработка метода снижения динамических нагрузок и рассеивания энергии во фрикционном вариаторе с тянущей цепью.

В первой главе произведен обзор и рассмотрен современный уровень развития автомобильных бесступенчатых трансмиссий, проведена оценка улучшения эксплуатационных свойств автомобиля при комплектации вариатором, проведен обзор отечественных и зарубежных научных трудов в области совершенствования эксплуатационных свойств автомобильного фрикционного вариатора, выявлены основные вопросы, остающиеся нерешенными и по сей день, проведен обзор подходов к моделированию работы вариатора и основных недостатков существующих методов.

Во второй главе разработана новая математическая модель перемещения гибкого элемента по шкивам и предложена новая методика оптимизации форм образующих поверхностей контактирующих тел, позволяющая повысить долговечность по критерию усталостного выкрашивания, при одновременной минимизации величины поперечного изгиба ветви цепи.

Во третьей главе разработана математическая имитационная модель работы автомобильного вариатора с тянущей цепью на плоскости с рассмотрением цепи как многомассовой системы кинематически несвязанных упругих тел и учетом дискретности контакта. Данная методика позволяет моделировать движение и взаимодействие компонент вариатора в степени, достаточной для изучения внутренних механизмов возбуждения колебаний и анализа их влияния на внешние характеристики передачи.

Во четвертой главе найден источник внутреннего возмущения связанных колебаний в вариаторе, доказано первостепенное влияние конфигурации (шагов) цепи на характер колебательного движения, разработан метод снижения вибронагруженности и рассеивания энергии в вариаторе с тянущей цепью путем варьирования шага цепи, проведен поиск наилучшей конфигурации из представленной выборки, доказавший эффективность метода.

Научная новизна работы заключается в:

Разработке математической модели перемещения гибкого элемента во фрикционном клиноременном вариаторе с металлической тянущей цепью, позволяющей оценить влияние геометрических параметров образующих трущихся поверхностей на величину поперечного изгиба ветви гибкого элемента.

Разработке метода расчета образующих трущихся поверхностей геометрически минимизирующих поперечный изгиб ветви цепи и обеспечивающих постоянное перемещение пятна контакта по образующим.

Разработке метода расчета распределения усталостной долговечности (по критерию усталостного выкрашивания) по поверхности силового элемента цепи.

Разработке метода поиска оптимальной образующей по критерию максимальной долговечности (по усталостному выкашиванию) и минимальному поперечному изгибу. 8

Разработке динамической модели движения автомобильного вариатора с тянущей цепью на плоскости с рассмотрением цепи как многомассовой системы кинематически несвязанных упругих тел и с учетом дискретности контакта.

Разработке метода снижения вибронагруженности и снижения рассеивания энергии в вариаторе с тянущей цепью путем варьирования шага цепи.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Получены результаты, которые ложатся в основу проектирования автомобильных фрикционных вариаторов с тянущей цепью.

На основе разработанной математической модели и методов в приложении МАТЪАВ создано программное обеспечение, позволяющее проектировать оптимальные образующие штифта гибкого элемента и шкива и исследовать влияние конструктивных параметров на долговечность по критерию усталостного выкрашивания.

На основе разработанной имитационной математической модели создано программное обеспечение для приложения МАТЪАВ, позволяющее имитировать работу вариатора и гибкого элемента, рассчитывать векторы состояния системы в любой момент времени, исследовать динамику гибкого элемента в вариаторе, влияние на нее конструктивных параметров вариатора (включая различные шаговые конфигурации вариаторной цепи), а так же визуализировать результаты интегрирования системы уравнений

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Каменсков, Вадим Юрьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанный метод оптимизации геометрии контактирующих поверхностей обеспечил: повышение долговечности по критерию усталостного выкрашивания на 6.50% (в зависимости от нагрузочного режима) и минимизацию поперечного изгиба ветви, по сравнению с геометрией контактных поверхностей, применяемых в настоящее время в автомобилестроении.

2. Разработанная математическая модель связанной динамической системы позволяет имитировать движение элементов клиноременного фрикционного вариатора с тянущей цепью, рассчитывать динамические параметры элементов модели и движение привода в целом с произвольными шаговыми последовательностями цепи. Адекватность математической модели оценена визуальным сходством и среднеквадратическим отклонением 20.34Н относительно экспериментальных данных, приведенных в литературном источнике.

3. На основе разработанного метода снижения рассеивания энергии и вибронагруженности путем варьирования шагов звеньев вариаторной цепи найдены две последовательности шагов цепи:

- последовательность, позволяющая на 52.7% снизить амплитуды пиков на АЧХ поперечной реакции в опорах ведущего вала вариатора в диапазоне наибольшей слуховой восприимчивости человека при одновременном увеличении КПД на 1.51%,

- последовательность, позволяющая на 40% снизить амплитуды пиков на АЧХ поперечной реакции в опорах ведущего вала вариатора в диапазоне наибольшей слуховой восприимчивости человека при одновременном увеличении КПД на 1.64%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Каменсков, Вадим Юрьевич, 2009 год

1. Avramidis S. A «state of the art» chain driven CVT design // SAE Technical Paper Series. SAE Transactions 1986. - Vol. 95. - №861354. - P67-72

2. Bonsen B. Analysis of slip in a continously variable transmission

3. IMECE Congress and RD&D Expo 2003. Washington. - 2003. - P28-34

4. Bonsen B. Measurement and Control of slip in a CVT / Steinbuch M., Veenhuizen P. A. Eindhoven : Eindhoven University of Technology, 2006. - 127 P

5. Bonsen B. Efficiency optimization of the push-belt CVT by variator slip control. Eindhoven : Universiteitsdrukkerij, 2006. - 107 p.

6. Bradely Т. H., Huff B. R., Frank A. A. Test and Evaluation of the UC Davis Servo-Hydraulic CVT Control System and the GCI CVT Chain in Hybrid Electric Vehicle. Sacramento (California) : University of California, 2002. - 85 p.

7. Bradley Т. H. Simulation of Continuously Variable Transmission Chain Drives with Involute Inter-element Contact Surfaces. Sacramento (California) : Univercity of California, 2003. - 154 p.

8. Cheng Naishi Liu Wen, Zhang Weihua Analysis and amendment on the dynamic deviation of the belt-type (or chain-type) CVT // Journal of Northeastern University. Natural Science. 2000 - №21(3). - P 309-311.

9. Englisch A. Development of High Performance CVT Components // VDI-Berichte. 2004. - №1827. - P 649-668.

10. Englisch A. Potentials for the Development of Continuously Variable Transmissions / Englisch A., Faust H., Homm M. // ATZ worldwide. 2003. - №78. -P 11-14.

11. Englisch A. Potentials for the Development of Continuously Variable Transmissions / Englisch A., Teubert A., Reuschel M., Luainger C. // ATZ worldwide. 2003. - 7-8. - P 676-680.

12. Faust H. CVT Development at LuK / Faust H., Linnenbrugger A. // 6th LuK Symposium. Buhl (Germany). - 1998. - P 157-159.

13. Faust H. Efficiency Optimised CVT Hydraulic and Clamping System / Faust H., Homm M., Reuschel M. // VDI-Berichte. 2002. - №1709. - P 43-58.

14. Fritz P. Dynamics of High Speed Roller Chain Drives / Fritz P., Pfeiffer F. // 15th Biennial Conf. on Mechanical Vibrations and Noise. Boston (Massachusetts). - 1995. - P 17-21.

15. Fritzer A. Nichtlineare Dynamik von Steuertrieben // VDI FortschrittBerichte. VDI-Verlag. 1992. - №176. - Sil.

16. Getreuer Pascal Writing fast MATLAB code. Los-Angeles. - 2006. - 26 p.

17. Indlekofer N. Latest Results in the CVT Development // 7th LuK Symposium. Münich. - 2002. - P 63-72.

18. Johnson K. L. Contact Mechanics. Cambridge : Cambridge University Press, 1985. - 232 p.

19. Linnenbruger A. High performance chain CVTs and their tribological optimization / Linnenbruger A., Baumann M., Endler T. Bühl, Germany : LuK GmbH, 2005. - 24 p.

20. Linnenbrugger A. Tribilogical optimization of CVT chain / Linnenbrugger A., Baumann M., Endler T. Münich : Luk GmbH, 2006. - 39 p.

21. Nakanishi T. Contact Forces in the Non-Linear Analysis of Tracked Vehicles / Nakanishi T., Shabana A. A. // Int. Journal for Numerical Methods in Engineering. 1994. - №37. - P 115-127.

22. Nikravesh P. E. Computer-Aided Analysis of Mechanical Systems. -London : Prentice-Hall, 1988. 205 p.

23. Nowatschin K. Multitronic The New Automatic Transmission from AUDI // ATZ worldwode. - 2000. - 7-8. - P 25-27.

24. Nowatschin K. Multitronic The New Generation of Automatic Transmission//VDI-Berichte. - 2000. - 1565. - P 195-213.

25. Pfiffner R. A. Optimal Opertaion of CVT-Based Powertrains // Swiss Federal Institute of Thechnology. Zurich : SFIT, 2001. - 141 p.

26. Robertson A. J. Misalignment equation for the Van Doorne metal V-belt continuously variable transmission / Robertson A. J., Tawi K. B. // Proc. of IMechE. PartD. 1997. - Vol. 211. - P 121-128.

27. Sedlmayr M. Spatial contact mechanics of cvt chain drives / Sedlmayr M., Pfeiffer F. Pittsburgh : ASME 2001 Design Engineering Technical Conference and Computers and Information in Engineering Conference. - 2001. - 112 p.

28. Sedlmayr M. Spatial dynamics of CVT chain drives / Sedlmayr M., Bullinger M., Pfeiffer F. // VDI Berichte. 2002. - 71 p.

29. Takahashi M. International Congress on Continuously Variable Power Transmission CVT'99 // Design and development of a dry hybrid belt fo CVT vehicles. ICCVPT. 1999. - №1. - P 36-42

30. Tanaka H. International Congress on Continuously Variable Power Transmission CVT'99 / Tanaka H., Goi T. // Traction drive of a high speed double cavity half-toroidal CVT. ICCVPT. 1999. - №1. - P 115-123

31. Vroemen Bas G. Component Control for The Zero Inertia Powertrain. -Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2001. 202 p.

32. Wagner G. CTF30 A Chain Driven CVT for FWD 6 Cylinder Application / Wagner G., Remmlinger U., Fischer M. // SAE Technical Paper Series. SAE Technikal Paper Series. - 2004. - №01-0648. - P 143-146

33. Wagner U. Development of CVT chains for automotive applications up to 400Nm / Wagner U., Teubert A., Endler T. // VDI-Berichte. 2001. - №1610. - P 61-68

34. Wagner U. Entwicklung von CVT-Ketten fur Pkw-Anwendungen / Wagner U, Teubert A., Endler T. // VDI Berichte. 2001. - №1610. - S 223-243.

35. Wagner U. Entwicking von CVT-Ketten Fur PKw-Anwendungen bis 400 Nm / Wagner U. Teubert A. Endler T. // VDT-Berichte. 2001. - №1612. - S 223255.

36. Wang K. W. On the Stability of Chain Drive Systems under Periodic Sprocket Oscillations // ASME Design Technical Conf. 13th Biennieal onf. on Mechanical Vibration and Noise. Atlanta (Georgia). - 1991. - DE-36. - P 41-50

37. Yue G. Belt Vibration Considering Moving Contact between Belt and Pulley / Yue G., Eng L. // JSME Int. Conf. on Motion and Powertransmissions. -Hiroshima (Japan). 1991. - Nov. 23-26. - P 411-416

38. Zhang W. Design method of cone disc generatix in a metal V-belt Continuously Variable Transmission / Zhang W. Cheng N., Sun D. C. // Journal of Northwestern University. Natural Science. - 2001. - №22(3). - P 279-281

39. Есипенко Я. И. Механические вариаторы скорости. Киев : Государственное издательство технической литературы УССР, 1961. - 86 с.

40. Каменецкий В. А. Испытание трактора с автоматической фрикционной трансмиссией / Каменецкий В. А., Слабоспицкий А. // Тракторы и сельхозмашины. Машгиз. 1963. - №5. - С 45-51

41. Каменсков В. Ю. Автоматическая бесступенчатая трансмиссия автомобиля / Каменсков В. Ю., Полунгян А. А. // Журнал Автомобильных Инженеров. 2007. - №4(45). - С20-21

42. Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа. Москва : Высшая школа, 1981.- 198 с.136

43. Misalignment costs time and money 11 Maintainance products direct. URL. http://www.maintenanceproductsdirect.com/Alignment.htm. (request date 11.10.2009)

44. Полунгян А. А. Проектирование полноприводных колесных машин. -Москва : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 488 с.

45. Пронин Б. А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи / Пронин Б. А., Ревков Г. А. Москва : Машиностроение, 1980. - 112 с.

46. Светлицкий В. А. Предачи с гибкой связью. Теория и расчет. Москва : Машиностроение, 1967. - 94 с.

47. Светозаров В. А. Бесступенчатые фрикционные передачи и автоматические фрикционные трансмиссии в сельскохозяйственной технике. Москва : Ц И Н Т И А М, 1963. - 69 с.

48. Светозаров В. А. Применение фрикционных бесступенчатых передач для автоматизации и повышения рабочих качеств машин и установок

49. Научно технические общества / ЦИНТИАМ. 1960. - №4. - С 32-41

50. Светозаров В. А. Тракторам фрикционные трансмиссии // Научно-технические общества /ЦИНТИАМ.- 1962. - 11. - С 15-24

51. Степнов М. Н. Усталость материалов и конструкций // MYsopromat.ru: Расчётные методы оценки характеристик сопротивления усталости. URL. http://mysopromat.ru/uchebnyekursy/ustalost/ (дата обращения 11.10.2009).

52. Фаробин Я. Е. Фрикционные передачи автомобилей и тракторов. -Москва : Машгиз, 1962. 84 с.