Совершенствование методики проектного расчета фрикционных элементов гидромеханических трансмиссий транспортных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Хомичев, Алексей Сергеевич

• Хомичев, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хомичев, Алексей Сергеевич

Введение.

1. Анализ конструкций, условий работы и нагрузок фрикционных элементов систем управления гидромеханических трансмиссий.

1.1 Конструкция дисковых фрикционных устройств.

1.2 Фрикционные материалы, их характеристики.

1.3 Условия работы дисков трения фрикционных устройств.

1.4 Факторы нагружения, характерные виды разрушения и расчет фрикционных элементов трансмиссии.

1.5 Задачи исследования.

2. Расчет частотных характеристик дисков трения фрикционных элементов трансмиссий.

2.1 Виды инженерного анализа, их характеристики.

2.2 Расчет собственных частот металлокерамических дисков по приближенной зависимости.

2.3 Расчет частотных характеристик дисков трения методом конечных элементов.

2.4 Методы повышения долговечности фрикционных элементов гидромеханических трансмиссий

3. Динамический расчет процесса функционирования фрикционных элементов трансмиссий.

3.1. Расчетная схема и математическая модель. 108'

3.2. Анализ результатов расчета.

3.3. Оптимизация параметров закона управления трансмиссией.

4. Экспериментальное исследование.

4.1. Экспериментальное исследование динамической нагруженности трансмиссии.

4.2. Экспериментальное определение частотных характеристик дисков трения.

4.3 Экспериментальное исследование процесса переключения передач при стендовых испытаниях трансмиссии.

4.3.1 Объект исследования.

4.3.2 Экспериментальный стенд, его характеристики.

4.3.3 Анализ результатов экспериментального исследования.

Основные результаты работы и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 изделиями; затраты 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 выдвигается- и 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* заключается- вг 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 колебаний; частотный 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 по- принятию мер по предотвращению их неблагоприятных последствий; выбрать 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 190202 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.

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Хомичев, Алексей Сергеевич

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 6x6 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хомичев, Алексей Сергеевич, 2010 год

1. Абдулов C.B. Динамика переходных процессов и синтез управления переключением передач гидромеханической трансмиссии транспортной машины. Дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 2005. - 144 с.

2. Антонов A.C. Армейские гусеничные машины. 4.1. Теория. — М.: Воениздат, 1974. 432 с.

3. Ахматов А. С. Молекулярная химия граничного трения. М.: Физматгиз, 1963.-472 с.

4. Барский И. Б., Борисов С. Г., Галягин В. А. Сцепления транспортных и тяговых машин. М.: Машиностроение, 1989. - 341 с.

5. Боуден Ф. Ф., Тейбор Д. Трение и смазка. М.: Машгиз, 1960. - 151 с.

6. Буяновксий И.А., Фуке И.Г., Шаболина Т.Н, Граничная смазка. Этапы развития трибологии. М.: Нефть и газ, 2002. 230 с.

7. Держанский В.Б., Тараторкин И.А. Алгоритмы управления движением транспортной машины: Монография. Курган: Редакционно-издательский центр КГУ, 2010.- 142 с.

8. Держанский В.Б., Тараторкин И.А. Механика и прогнозирование резонансных режимов металлокерамических дисков перспективных гидромеханических трансмиссий транспортных машин // Известия вузов. Машиностроение. 2007. № 11. - С. 15-23.

9. Держанский В.Б., Тараторкин И.А. Прогнозирование динамической нагруженности трансмиссий транспортных машин: Учебное пособие. — Курган: Редакционно-издательский центр КГУ, 2008. — 153 с.

10. Дерягин Б.В. Что такое трение? М.: Изд-во АН ССР, 1963.-230 с.

11. Динамика машин и управление машинами. Справочник /Под ред. Г. В. Крейнина. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

12. Заславский Ю.С., Заславский Р.Н. Механизм действия противоизносных присадок к маслам. М.: Химия, 1978. 224 с.

13. И.Зальцерман И. М., Каминский Д. М., Онопко А. Д. Фрикционные муфты и тормоза гусеничных машин. — М.: Машиностроение, 1965. -240 с.

14. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -543 с.

15. Косов В.П. проектирование гидромеханических передач транспортных машин. Часть 2. Фрикционные устройства ГМП: Учеб. Пособие. Курган: Изд-во Курганского гос. ун- та, 1998. -103 с.

16. Крагельский И. В., Гитис Н. В. Фрикционные автоколебания — М. Наука, 1987.-183 с.

17. Лаптев Ю.Н. Динамика гидромеханических передач. М.: Машиностроение, 1983.-104 с.

18. Огурцов А. И. Модель плоского возмущенного движения ползуна с учетом нелинейности подъемной силы // СТИН 2000.- №7 - С. 11-13.

19. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. 2-е изд. — М.: Наука, 1980.-255 с.

20. Петров В.А. Автоматические системы транспортных машин. М: Машиностроение, 1974. — 336 с.

21. Первозванский А. А. Системы с разрывными нелинейностями при высокочастотных возмущениях // Автоматика и телемеханика— 2000 — №7.- С.44-54.

22. Платонов В.Ф. Лекшвили Г.Р. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые машины. -М.: Машиностроение, 1986. — 296 с.

23. Платонов В.Ф. Полноприводные автомобили. М.: Машиностроение, 1994.-279с.

24. Расчет и конструирование гусеничных машин. Под ред. Н. А. Носова. Л.: Машиностроение, 1972. - 560 с.

25. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на надежность и долговечность машин. М.: Машиностроение, 1979. 310 с.

26. Рычков С. П. MSC.visual NASTRAN для Windows. М.: НТ-пресс, 2004.552 с.

27. Сегерлинд J1. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. -392 с.

28. Сергеев Л.В. Теория танка. -М.: Изд. ВАБТВ, 1973. 493 с.3Ol Справочник по триботехнике / Под. Ред. М. Хебды и A.B. Чичинадзе. Т.2: Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения» и качения. М.: Машиностроение, 1990.-420 с.

29. Стали и сплавы. Марочник. Под ред. В. Г. Сорокина, М. А. Гервасьева. М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. — 608 е.: ил.

30. Сурьянинов Н.Г., Дащенко А.Ф., Белоус П.А. Теоретические основы динамики машин: Учебное пособие. Одесса: ОГПУ, 2000. - 302 с.

31. Тимошенко С.П. Янг Д. X., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.-472 с.

32. Тараторкин И. А. Разработка расчетных и экспериментальных методов снижения динамической нагруженности и повышения долговечности' гидромеханических трансмиссий транспортных машин. Дисс. д-ра. техн. наук. Курган, 2009. - 302 с.

33. Тракторы. Проектирование, конструирование и расчет. Под. Ред. И. . Ксеневича. М.: Машиностроение, 1991. — 545 с.

34. Трение. Износ. Смазка. (Трибология и триботехника). Под ред. А. В. Чичинадзе. М.: Машиностроение; 2003. - 576 с.

35. Филькин Н. М. Оптимизация параметров конструкции энергосиловой установки транспортной машины. Дисс. д-ра. техн. наук. — Ижевск, 2001. — 430 с.

36. Фукс Г.И. Проблемы граничной смазки? // Сборник материалов, посвященных научнойдеятельности. Мл Нефть и газ, 2001. 192 с.

37. Хомичев А. С. Динамический: расчет фрикционных элементов гидромеханических трансмиссийс // Материалы» Международной научно-технической конференции «Транспортные и транспортно-технологические системы»- Тюмень: ТюмГШУ, 2010. С: 319-323.

38. Хомичев А. С. Совершенствования методики* расчета фрикционных элементов гидромеханических трансмиссий?; // Сборник научных трудов аспирантов? и соискателей Курганского государственного университета: Выпуск X. Курган, 20081 - С. 21-221

39. Хомичев А. С. Применение метода конечных элементов; для; расчета, фрикционных дисков; системы управления гидромеханической трансмиссии // Вестник ИжГТУ. 2009. - № 4. - С. 45-49.

40. Хомичев А. С. Фрикционные элементы современных автоматических трансмиссий: материалы; условия работы, нагрузки // Вестник ИжГТУ. -2009.-№2.-С. 36-38.

41. Хлебалин Н. А. Идентификация параметров механической системы станочного электропривода с целью расчета регуляторов и диагностики // Тр. международ, конф. «Идентификация систем и задачи; управления».

42. Чудаков Е.А. Избранные труды. Т.1. Теория автомобиля. М.: Изд-во АН СССР, 1961.-462 с.

43. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2003.-447 с.

44. Шор Г.И. Механизм действия и экспресс-оценка качества масел с присадками // Обзорная информация. Переработка нефти. Выпуск 1. М: ЦНИИИТЭнсфтехим, 1996. 109 с.

45. Щупляков B.C. Колебания и нагруженность трансмиссии автомобиля, М.: Транспорт, 1974.

46. Armstrong-Hélouvry B., Dupont P., Canudas De Wit C. A survey of models, analysis tools and compensation methods for the control of machines with friction //Automatica.- 1994.- V.30.- N.7.- P. 1083-1138.

47. Canudas De Wit C., Olsson H., Àstrôm K. J., Lischinsky P. A new model for control of systems with friction // IEEE Transactions on Automatic Control.- 1995.- V.40.- N.3.- P.419-424.

48. Armstrong B. Challendges to Systematically Engineered Friction Compensation // Proc. of IF AC Workshop on Motion Control. Munich.- 1995 .-P.21-30.

49. Canudas-De-Wit C. Comments on «A New Model for Control of Systems with Friction // IEEE Transactions on Automatic Control 1998 - V.43- N.8.-P. 1189-1190.

50. Dupont P., Hayward V., Armstrong B., Altpeter F. Single state elasto-plastic friction models // IEEE Transactions on Automatic Control- V.47.-N.5-May 2002 P.787-792.

51. Tribologia. Tribotechnika / Redakcia naukowa M. Szczerek, M. Wisniewski. Radom: Polskie Towarzystwo Tribologiczne, 2000. 728 s.