СПОСОБ ИСКЛЮЧЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО РЕЖИМА ИЗ ДОТРАНСФОРМАТОРНОЙ ЗОНЫ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
METHOD FOR EXCLUDING RESONANT MODE FROM ZONE OF HYDROMECHANICAL TRANSMISSION OF TRANSPORT VEHICLE BEFORE TRANSFORMER

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при разработке и модернизации транспортных машин, оснащенных гидромеханическими трансмиссиями.
Проведенные авторами экспериментальные исследования динамической нагруженности гидромеханических трансмиссий многих гусеничных и колесных машин показывают, что одним из наиболее нагруженных элементов является дотрансформаторная зона, образованная маховиком двигателя, насосным колесом гидротрансформатора и упругими деталями, их соединяющими. Анализ статистики отказов опытных машин свидетельствует об ограниченной долговечности элементов дотрансформаторной зоны - происходит усталостное разрушение деталей вследствие резонансных режимов (Держанский В.Б., И.А.Тараторкин, А.С.Климова. Прогнозирование резонансных режимов в гидромеханической трансмиссии транспортной машины. - Вестник ЮУрГУ, серия «Машиностроение, вып.11, №10(110). 2008 С.30-35).
В технике широко применяется способ исключения резонанса снижением собственной частоты дотрансформаторной зоны за счет уменьшения жесткости пружинно-фрикционных гасителей (Сцепления транспортных и тяговых машин. / И.Б.Барский, С.Г.Борисов, В.А.Галягин и др.; М.: Машиностроение, 1989, стр.47-64). Однако возможности снижения жесткости ограничены - угловая податливость не превышает 2…3 градусов при требуемых 8…12. При использовании пружин шведской фирмы «Oteva» податливость достигает 5…8 градусов. Значение требуемой податливости может быть достигнуто при использовании в качестве гасителя упругой муфты Centa». Амплитудно-оборотная характеристика системы с такой муфтой характеризуется графиком 2 на фиг.2.
Однако возможность широкого применения таких муфт определяется долговечностью, ограничиваемой биологическим старением резиновых деталей, стабильностью их свойств в широком диапазоне температур.
Известен способ уменьшения собственной частоты дотрансформаторной зоны, в котором в качестве упругого элемента используют торсионный вал (Боевая машина пехоты БМП-3. Руководство по эксплуатации. Часть I. Техническое описание. - Ростов-на-Дону: Изд-во ООО БелРусь, рис.7.1, с.335).
Основными недостатками этого способа являются сложность конструкции и большие габариты, что усложняет условия компоновки длинных валов, особенно при модернизации - применении более мощных двигателей с отличающейся амплитудно-оборотной характеристикой момента.
Необходимость исключения резонансных режимов возникает не только при разработке новых машин, но и при модернизации существующих. Например, при оснащении автомобилей КАМАЗ опытной гидромеханической трансмиссией существенно возрастает момент инерции ведущих частей трансмиссии, определяемый параметрами массивного насосного колеса гидротрансформатора. При использовании серийного гасителя возникают резонансные режимы на определенном скоростном диапазоне двигателя, значительно ограничивающие долговечность входного вала трансмиссии. Традиционные меры повышения его прочности приводят к усталостному разрушению коленчатого вала двигателя.
Наиболее близким является способ (Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник. / Под общ. Ред. А.И.Гришкевича. - М.: Машиностроение, 1984, - с.67-69, с.155-159) исключения резонансных режимов, заключающийся в выполнении следующих операций.
1. Определение собственной частоты дотрансформаторной зоны по твердотельным чертежам элементов и их упругости.
2. Расчет функции полигармонического возмущения момента двигателя по индикаторной диаграмме одного цилиндра с учетом порядка работы и особенностей конструкции, на основе спектрального анализа полученной функции определение мажорных гармоник.
3. Построение совмещенной частотной характеристики двигателя и дотрансформаторной зоны трансмиссии. Прогнозирование резонансного режима по точкам пересечения линий собственных частот системы и мажорных гармоник двигателя, а также определение соответствующего им диапазона частот вращения вала двигателя.
4. Определение границ допустимого скоростного диапазона частот вращения вала двигателя, за которые необходимо вывести резонанс.
5. При прогнозировании резонансного режима рассчитывают требуемые параметры упруго-диссипативной характеристики (жесткость, момент трения, сила предварительного поджатия), исключающие резонансный режим; строят упруго-диссипативную характеристику и синтезируют один из видов гасителя.
Однако возможности варьирования собственной частоты дотрансформаторной зоны с известными гасителями ограничены, а существенная нелинейность упруго-диссипативной характеристики приводит к нежелательным бифуркационным процессам в дотрансформаторной зоне, вызывающим быстрый износ и поломки деталей.
Для повышения долговечности и надежности элементов дотрансформаторной зоны трансмиссии транспортной машины предлагается способ исключения резонансных режимов из ДТЗ, заключающийся в определении частот собственной дотрансформаторной зоны и мажорных гармоник возмущения момента двигателя, прогнозировании резонансных режимов по условию совпадения собственной частоты с мажорными гармониками двигателя, определении границ скоростного диапазона вращения вала двигателя, за который необходимо вывести резонанс. Новизна предлагаемого способа исключения резонансных режимов дотрансформаторной зоны гидромеханической трансмиссии заключается в том, что в диапазоне скоростного режима работы двигателя, при котором возможно возникновение резонансного режима вала, соединяющего двигатель с насосным колесом гидротрансформатора, снижают собственную частоту дотрансформаторной зоны увеличением приведенного момента инерции вращающихся деталей при нейтрали в трансмиссии путем принудительной блокировки гидротрансформатора.
На фиг.1 приведен фрагмент осциллограммы, характеризующий динамическую нагруженность - изменения динамического момента М в дотрансформаторной зоне трансмиссии в процессе изменения оборотов n при пуске двигателя, разгоне и заглохании. На фиг.2 изображена амплитудно-оборотная характеристика момента и совмещенная с ней частотная характеристика дотрансформаторной зоны: 1 - со штатным гасителем; 2 - с эластичной муфтой CentaMax; 3 - с блокировкой гидротрансформатора; I - диапазон собственных частот дотрансформаторной зоны со штатным гасителем; II - то же с эластичной муфтой.
dk
пр
Динамическая нагруженность при нейтрали в трансмиссии на определенном скоростном режиме работы двигателя, вызванном совпадением одной из мажорных гармоник двигателя ω (k=0.5; 1; 1,5; 2; 3; …n) с собственной частотой дотрансформаторной зоны, определяемой по формуле , где C - жесткость механической системы (дотрансформаторной зоны), J - приведенный момент инерции.
дв
c
д
Из экспериментальных данных следует, что в диапазоне оборотов вала двигателя от 400 до 900 об/мин наблюдается резонансный режим с амплитудой момента M, достигающей 1300 Нм. По экспериментальным данным построена амплитудно-оборотная характеристика М=М(n) (кривая 1 на фиг.2). Из характера кривой 1 следует, что система является существенно нелинейной, что может привести к нежелательным бифуркационным процессам. Для прогнозирования условия возникновения резонансного режима строится совмещенная частотная характеристика двигателя и дотрансформаторной зоны. Собственная частота механической системы ω, составляющая 90…105 рад/с, на фиг.2 изображена горизонтальной полосой. Наклонными линиями показаны частоты гармоник двигателя. Для рассматриваемой системы с двигателем ЯМЗ 236 мажорной гармоникой является полуторная (k=1,5). Точки пересечения горизонтальной полосы и наклонной линии полуторной гармоники соответствуют условиям образования резонансного режима. Для рассматриваемого примера резонанс происходит на частоте вращения вала двигателя n=750…850 об/мин из-за совпадения собственной частоты системы с мажорной полуторной гармоникой двигателя. Исключение резонансного режима может быть достигнуто вариацией параметров, определяющих собственную частоту ДТЗ.
Предлагаемый способ осуществляется выполнением следующих операций.
1. Определение собственной частоты дотрансформаторной зоны по твердотельным чертежам элементов и их упругости.
2. Расчет функции полигармонического возмущения момента двигателя по индикаторной диаграмме одного цилиндра с учетом порядка работы и особенностей конструкции; на основе спектрального анализа полученной функции определяются мажорные гармоники.
3. Построение совмещенной частотной характеристики двигателя и дотрансформаторной зоны трансмиссии. Прогнозирование резонансного режима по точкам пересечения линий собственных частот системы и мажорных гармоник двигателя, а также определение соответствующего им диапазона частот вращения вала двигателя.
4. Определение границ допустимого скоростного диапазона частот вращения вала двигателя, за который необходимо вывести резонанс.
5. На скоростном режиме работы двигателя, при котором начинается резонанс, производят принудительную блокировку гидротрансформатора.
Эффективность этого способа иллюстрируется фрагментом осциллограмм, приведенных на фиг.3 и кривой 3 на фиг.2. Из осциллограммы видно, что при блокировке гидротрансформатора динамический момент снижается. При предлагаемом способе вывода резонансных режимов в систему не вводятся элементы с существенными нелинейностями характеристик, что исключает условия возникновения нежелательных бифуркационных процессов.
Таким образом, предлагаемый способ исключения резонансных режимов конструктивно значительно проще, так как нет необходимости устанавливать новые дополнительные элементы. Применение предлагаемого способа позволит значительно повысить долговечность и надежность работы элементов дотрансформаторной зоны гидромеханической трансмиссии.