сотрудник
Челябинск, Челябинская область, Россия
сотрудник
Челябинск, Челябинская область, Россия
Челябинск, Челябинская область, Россия
Челябинск, Челябинская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 73.31 Автомобильный транспорт
Исследовано функционирование двухпоточной гидромеханической трансмиссии промышленного трактора. Разработана математическая модель для описания разворота трактора на месте. Получены графики переходного процесса входа в поворот и установившегося разворота на месте. Доказано, что специального тормоза для остановки водил планетарных механизмов в указанных условиях не требуется.
трансмиссия, передача, планетарные механизмы, разворот, гидрообъёмная передача
Введение
На большинстве гусеничных промышленных тракторах применяют традиционную кинематическую схему моторно-трансмиссионной установки (МТУ), в которой мощность на ведущие колеса подводится от коробки передач, задний мост и бортовые редукторы. Задний мост содержит центральную (коническую) передачу, разделяющую силовой поток, и механизмы поворота. Такие МТУ хорошо сочетают относительную простоту конструкции, не высокую металлоемкость, широкие компоновочные возможности и сравнительно высокий КПД передачи.
В данной схеме возможны разнообразные кинематические схемы МТУ более низкого уровня. В русле действующих тенденций [1-5] перспективным является кинематическая схема МТУ с гидромеханической трансмиссией (ГМТ), содержащей гидрообъемные передачи (ГОП). Гидромеханическая часть трансмиссии и ГОП создают два независимых параллельных потока мощности, которые далее эффективно используются в двухпоточном дифференциальном механизме поворота трактора. Трансмиссий на основе только ГОП уступают механическим передачам в силу сравнительно более низкого КПД (0,75 …0,85) и проявляют свои положительные свойства только при наличии автоматизированной системы управления.
Теоретическая часть
Применение ГОП в двухпоточном механизме поворота трактора позволяет получить прирост производительности при сохранении КПД трансмиссии на уровне простой механической.
Схема двухпоточного механизма поворота с дифференциальным звеном показана на рис. 1.
При прямолинейном движении трактора силовой поток от гидромеханической коробки передач (КП), в состав которой входит гидротрансформатор (ГТ), поступает на центральную (коническую) передачу 1, где он разделяется на две части. Каждая из частей силового потока передается чисто механическим путем через водило 4, сателлиты 3, эпициклическое колесо 2 и цилиндрическую пару колес 10 на бортовые редукторы 8 и ведущие колеса 9 соответствующего борта. При этом солнечные шестерни 5, связанные через привод поворота 7 с гидромотором 6 гидравлически заторможены. Наличие жесткой кинематической связи всех звеньев в приводе обеспечивает одинаковые угловые скорости вращения ведущих колес 9 правого и левого бортов трактора.
В режиме поворота трактора с произвольным радиусом создается дополнительный силовой поток от ГОП, который через гидромотор 6 приводит во вращение привод поворота 7, обеспечивая вращение солнечных шестерен 5 с равными по величине, но противоположно направленными скоростями. Оба силовых потока суммируются на эпициклических колесах 2, обеспечивая соответственно разные угловые скорости вращения ведущих колес 9 правого и левого бортов трактора. Управление ГОП производится автоматически установленной на тракторе системой управления.
Рис. 1. Схема бесступенчатого дифференциального
механизма поворота: 1 – центральная передача;
2 - эпициклическое колесо; 3 – сателлит; 4 – водило;
5 – солнечная шестерня 6 – гидромотор ГОП;
7 – привода поворота; 8 – бортовой редуктор;
9 – ведущее колесо; 10 – бортовая передача
При повороте трактора с нулевым радиусом, то есть вокруг центра масс, КП устанавливается на нейтраль, что исключает подвод силового потока от КП. Поворот вокруг центра масс осуществляется только за счет силового потока от ГОП, вращающего солнечные шестерни 5 с одинаковой угловой скоростью, но в противоположных направлениях. Силы сопротивления вращению правого и левого ведущих колес практически одинаковы. Поэтому противоположно направленные реактивные моменты, возникающие на водилах 4, равны по величине. В результате, ведомый вал центральной передачи 1, являющийся также общим валом водил, находится в неподвижном состоянии и в принудительной остановке, например, за счет применения центрального тормоза не нуждается.
Тем не менее, существует мнение ряда специалистов, что одним лишь включением нейтрали в коробке передач (без принудительной остановки общего вала водил) невозможно осуществить поворот вокруг центра масс. Это обстоятельство требует принципиальной теоретической оценки кинематики звеньев двухпоточного механизма поворота с дифференциальным звеном.
Результаты исследования
Для описания разворота на месте при нейтрали в коробке передач (КП) разработана математическая модель движения гусеничного промышленного трактора специально для случая разрыва силового потока от КП к ведущим колесам.
Для этого уравнение (1) математической модели [6]:
(1)
разбито на две части:
- соединенной с турбиной ГТ:
(2)
- соединенной с водилами СПМ
(3)
где – частота вращения турбины гидротрансформатора (по рис. 1 – от КП), р/с;
– время, с;
– момент на турбине ГТ, Нм;
,
– силы тяги по бортам, Н;
– радиус ведущего колеса, м;
– кинематический параметр суммирующего планетарного механизма;
– передаточное число бортового редуктора;
– передаточное число бортовой передачи;
– момент инерции масс, приведенных к турбине ГТ, кг*м2;
– частота вращения водил суммирующих планетарных механизмов, р/с.
Основные ограничения:
- Грунт под обеими гусеницами одинаковый. Трудно поспорить с этим утверждением, так как машина крутится на одном и том же месте.
- Коэффициент сопротивления повороту максимальный, не зависящий от радиуса поворота [7].
- Задающим воздействием является мгновенное отклонение джойстика управления поворотом. В математической модели поворот гусеничного трактора задается подачей насоса ГОП, при прямолинейном движении подача насоса равна нулю. Положение джойстика управления поворотом задается в относительном виде от нуля до единицы. В данном случае, в терминологии теории автоматического управления, задан скачок возмущения от 0 до 0,5 от максимально возможного перемещения джойстика, что соответствует физическому процессу разворота трактора на месте со скоростью вдвое меньшей от максимально возможной по кинематике.
Решение проведено в среде программирования ALTAIR EMBED. Результаты приведены на рис. 2-7.
На рис. 2 частоты вращения насоса и турбины ГТ, совпадающие друг с другом, так как турбина разгружена при нейтрали в КП. Некоторые колебания частоты вращения в первые 2 сек движения объясняются загрузкой ДВС от ГОП МП.
Рис. 2. Частота вращение насоса и турбины ГТ, р/с
На рис. 3 частота вращения свободного, в данном случае, вала, соединяющего водила левого и правого СПМ. В переходном процессе, в пределах 1 сек водила подкручиваются на небольшой угол с мгновенной скоростью 2 р/с в течение 0,08 сек, после этого водила обоих СПМ неподвижны.
Рис. 3. Частота вращения вала, соединяющего
водила СПМ левого и правого борта, р/с
Рис. 4. Момент на коленчатом валу ДВС, Нм
Следует заострить внимание читателя на том, что вал, соединяющий водила левого и правого СПМ не связан ни с каким тормозом, имеет нулевую скорость только под действием моментов на правом и левом ведущих колесах трактора.
О нагрузках в трансмиссии при развороте на месте: на рис. 4 момент на коленчатом валу ДВС. После переходного периода устанавливается на уровне 120 Нм. На рис. 5 моменты на турбине ГТ, насосе и моторе ГОП. После переходного периода «входа в поворот» момент на турбине и насосе гидротрансформатора устанавливается равным нулю, то есть гидротрансформатор полностью разгружен, водила правого и левого СПМ уравновешены. Момент на насосе ГОП равен моменту на коленчатом валу ДВС, и равен 120 Нм, а момент на моторе ГОП – в 4 раза больше, примерно 450 Нм. Это связано с тем, что объёмные постоянные насоса и мотора различаются примерно в 2 раза, и подача насоса установлена на уровне 0,5 от максимума.
Рис. 5. Моменты на турбине ГТ (нижний график, равный нулю),
на насосе ГОП (средний график) и моторе ГОП (верхний график), Нм
И о кинематике: на рис. 6 угловая скорость поворота трактора на месте, устанавливается на уровне 0,2 р/с; на рис. 7 частоты вращения ведущих колес, на «забегающем» борту, на котором гусеница вращается вперед, частота вращения ведущего колеса 0,5 р/с, на «отстающем» борту, на котором гусеница вращается назад, частота вращения ведущего колеса -0,5 р/с.
Рис. 6. Угловая скорость поворота трактора, р/с
Рис. 7. Частоты вращения ведущих колес по бортам (р/с)
«забегающего борта» - верхний график,
«отстающего» - нижний график
Заключение.
Методом имитационного моделирования доказано, что выходной вал КП не надо удерживать специальными тормозами. Утверждение учебников [8-11] о повороте аналогичных гусеничных машин на месте на нейтрали КП справедливо. В процессе исследования создана математическая модель, обладающая научной новизной, адекватно описывающая разворот на месте гусеничного трактора с дифференциальным механизмом поворота на базе гидрообъёмной передачи. Результаты могут быть использованы для дальнейшей научной работы в области, например, количественной оценки буксования при вращении трактора вокруг центра тяжести, существенно влияющей на контролируемые кинематические параметры гусеничной машины – угловую скорость разворота на месте.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Разработка бесступенчатого дифференциального механизма поворота со следящей системой управления для внедорожных и дорожно-строительных машин нового поколения» по соглашению №074-11-2018-006 от 31.05.2018г. между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Обществом с ограниченной ответственностью Производственная компания «Ходовые системы» в кооперации с Головным исполнителем НИОКТР - Федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)».
1. Гинзбург, Ю.В. Промышленные тракторы / Ю.В. Гинзбург, А.И. Швед, А.П. Парфёнов. – М.: Машиностроение,1986. – 293 с.
2. Злотник, М.И. Трансмиссии современных промышленных тракторов / М.И. Злотник, И.С. Кавьяров. – М.: Машиностроение, 1971. – 248 с.
3. Исаков, П.П. Теория и конструкция / П.П. Исаков. – Т.5. Трансмиссии. – Л.: Машиностроение, 1985. – 367с.
4. Объёмные гидромеханические трансмиссии: под ред. Е.С. Кисточкина. – Л.: Машиностроение, 1987. – 256 с.
5. Петров, В.А. Гидрообъёмные трансмиссии транспортных машин / В.А. Петров. – М.: Машиностроение, 1988. – 248 с.
6. Кондаков, С.В. Повышение управляемости криволинейного движения гусеничного трактора путем установки дифференциального механизм поворота и следящей системы / С.В. Кондаков, А.А. Дьяконов, О.О. Павловская [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Машиностроение». – 2018. - №2. - С. 23 – 33.
7. Kondakov S.V., Kharlapanov D.V., Vansovich E.I. Models of the Turn Resistance for High-Speed Caterpillar Vehicles / S.V. Kondakov, D.V. Kharlapanov, E.I. Vansovich. – 2016. - Vol. 36. - No.1. - Pp. 1–5. - ISSN 1068-798X Russian Engineering Research.
8. Военные гусеничные машины: учеб. в 4-х т. - Т. 1. - Кн. 2. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1990. - 336 c.
9. Забавников, Н.А. Основы теории транспортных гусеничных машин Н.А. Забавников. – М.: Машиностроение, 1968. – 396 с.
10. Красненьков, В.И. Основы теории управляемости транспортных гусеничных машин / В.И. Красненьков. – М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1977. – 264 с.
11. Теория движения танков и БМП: учебник. - М.: Военное издательство. 1984. – 263 с.
