ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЙ ЧЕХОЛ ДЛЯ ТРАНСМИССИИ МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ЗИМНЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к наземным транспортным машинам, в частности к техническим средствам, обеспечивающим уменьшения износов и повышение КПД агрегатов силовых передач.
Полезная модель может быть использована в коробках передач трансмиссий и ведущих мостах мобильных транспортных средств при работе в экстремальных зимних условиях, поскольку их тяговые свойства, производительность, экономичность и долговечность в значительной степени зависят от функционирования силовой передачи. В низкотемпературных условиях работа трансмиссии в свою очередь во многом зависит от изменения физико-механических свойств применяемых масел.
Масло в агрегатах силовой передачи нагревается в основном за счет теплоты, выделяющейся в зубчатых парах при передаче крутящего момента, перемешивания и дросселирования масла. Действительно, при анализе составляющих потерь мощности в трансмиссиях установлено, что при низких температурах доминирующими являются гидравлические [см. Крохта, Г.М. Повышение эффективности эксплуатации энергонасыщенных тракторов в условиях Западной Сибири: автореф. дисс.д-ра техн. наук. - Новосибирск, 1995. - 33 с].
При низких температурах увеличение вязкости масел в агрегатах трансмиссии и ходовой системы может привести к потерям 40…50% мощности двигателя, причем с увеличением количества трансмиссионного масла прирост сопротивления возрастает [см. Резник Л.Г., Ромалис Г.М., Чар-ков СТ. Эффективность использования автомобилей в различных условиях эксплуатации. - М.: Транспорт, 1989. - 128 с]. В отдельных случаях это обстоятельство делает невозможным начало движения машины с места, т.е. отпускание педали сцепления после включения передачи приводит к тому, что двигатель теряет обороты и глохнет. Повышение вязкости масла в коробке передач также затрудняет переключение передач в первый период движения машин после длительной стоянки.
Кроме того установлено [см. Авдонькин Ф.Н. Теоретичесие основы технической эксплуатации автомобилей: Учеб. пособие для вузов. - М.: Транспорт, 1985. - 215 с], что более половины всех отказов автомобиля приходится на агрегаты трансмиссии. Причем при ухудшении технического состояния одного агрегата повышается интенсивность изнашивания других последовательно связанных с ним агрегатов, уменьшается пробег машины до ремонта.
Науке и практике известны технические решения обеспечивающие уменьшение интенсивности износа агрегатов силовой передачи и потерь мощности в условиях низких температур окружающей среды.
Повышение КПД трансмиссии зимой достигается в основном по трем направлениям: применение масел с пологой вязкостно-температурной характеристикой; использование различного рода подогревателей и совершенствование узлов и агрегатов трансмиссии.
3
Так, применение специальных «северных» трансмиссионных масел марок ТМ-5-12(РК) [см. Стуканов В.А. Автомобильные эксплуатационные материалы: учебное пособие. Лабораторный практикум. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009. - 304 с] и МГТ - для гидромеханических коробок передач, обеспечивает удовлетворительную работу мобильных машин при температуре до минус 50°С.
Однако вышеуказанные трансмиссионные масла не всегда имеются в наличии. Кроме того, применение маловязких масел требует улучшения качества изготовления узлов и деталей, ужесточения допусков, уменьшения зазоров в сопряжениях и обеспечения правильности геометрических форм и чистоты поверхности трущихся пар.
Известно другое техническое решение. В ряде конструкций механических коробок передач (например, автомобиль УРАЛ-4320) вместо смазки разбрызгиванием предусмотрена принудительная система смазки от дополнительно установленного насоса. Наличие «полусухого» картера и дополнительного насоса обеспечивает уменьшение гидравлических потерь в агрегате [см. Матвеев В.В. Исследование работы тракторной коробки передач при различных системах смазки. Автореф. дисс. канд. техн. наук. -1961. - 20 с]. Естественно, что данное техническое решение усложняет конструкцию транспортного средства и его стоимость.
Для подогрева силовой передачи предлагается использовать теплоту отработавших газов двигателя [см. Холявко В.Г., Тарачев В.Н. «Комплексная тепловая подготовка автомобилей» см. Труды ТИИ, выпуск 41. - Тюмень, 1974. С.57 - 62.]. Так, тепловой расчет, произведенный согласно Ми-хееву М.А. [см. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973. - 320 с] показал, что отработавшими газами можно повысить температуру главной передачи автомобиля ЗИЛ-130 на 20°С.
Действительно, использование энергии отработавших газов для подогрева узлов тракторов и автомобилей обеспечивает повышение их температур, снижение потерь мощности как в начальный момент работы, а также в течение рабочей смены. Однако следует отметить, что утилизация энергии отработавших газов связана со сложностью изготовления теплообменников и автоматических систем, регулирующих тепловой режим агрегатов с учетом противопожарных и санитарных требований.
Заметного снижения потерь можно достичь путем применения утеплительных средств основных узлов трансмиссии и ведущих мостов.
Известно, например, что коэффициент теплопроводности стали составляет λ=45,4 Вт/(м⋅K), что более чем на два порядка превышает аналогичный параметр у пластических смазок [см. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973. - 320 с]. Расчеты показывают [см. Бардышев О.А., Гаркави Н.Г., Тесленко Н.Г. Техническая эксплуатация строительных машин на Севере. - Л.: 1981. - 184 с], что при покрытии конструкций слоем пластической смазки теплоотдача данных узлов может быть уменьшена в 12-20 раз.
Однако практическая реализация данного решения весьма проблематична, поскольку адгезия данной теплоизоляции весьма невелика и поэтому агрегат может легко ее лишиться, например, из-за высокого снежного покрова либо уборочно-моечных операций при проведении технического обслуживания и т.п.
Прототипом заявляемой полезной модели является изобретение А.С. СССР №156421, автор Нурминский И.Н. [см. Изобретатель и рационализатор. №11. 1966 г.]. Разработанные и апробированные им теплоизолирующие короба из войлока, по типу термоса капсулирующие двигатель и коробку передач показали свою высокую эффективность [см. Царикаев В.К. Эксплуатация тракторов и бульдозеров в зимнее время. - Магадан: 1969. - 128 с].
Действительно, эффективность А.С. СССР №156421 не вызывает сомнений. Недостатком данного технического решения являются конструктивная сложность таких коробов (наличие в щитах арматуры в виде деревянных брусков и т.п.), трудоемкость монтажа теплоизолирующих щитов и труднодоступность функциональных систем и узлов при проведении технического обслуживания.
Задачей полезной модели является обеспечение усиленного самоподогрева масла, находящегося в агрегатах силовой передачи и ведущих мостах мобильной машины теплотой, выделяющейся при их работе в условиях низких температур, что обуславливает повышение уровня ее тягово-скоростных свойств, производительности, экономичности и долговечности при минимальных доработках конструкций данных узлов.
Для решения этой задачи самоподогрев смазочного масла производят посредством высокоэффективной теплоизоляции наружных поверхностей картеров агрегатов трансмиссии и ведущих мостов обеспечивающей значительное уменьшение их теплоотдачи зимой.
Задача решается тем, что перед началом осенне-зимнего периода эксплуатации в ходе сезонного технического обслуживания все коробки передач, а также картеры ведущих мостов механического транспортного средства капсулируют, т.е. их наружную поверхность практически полностью (кроме сапуна, контрольного и дренажного отверстий, хвостовиков валов, рычага переключения передач и ползунов) покрывают утеплительным теплоизолирующим съемным покрытием - чехлом, при этом сторона покрытия, обращенная к картеру имеет блестящее теплоотражающее покрытие, например металлизированное, в виде напыленной алюминиевой пленки.
В зависимости от доступности агрегата для такого дооборудования чехол конструктивно может быть 2-х либо 3-х слойным. Так, двуслойный чехол предлагается применять, прежде всего, для картеров редукторов ведущих мостов. Двуслойный вариант чехла представляет собой сочетание слоя собственно теплоизолятора и металлизированной полульняной ткани (эластоискожа-Т теплоотражательная). Такой материал, например, применяется для изготовления комплектов специальной защитной одежды от повышенных тепловых воздействий - пожарных теплоотражательных костюмов [см. ГОСТ Р 53264-2009 Техника пожарная. Специальная защитная одежда пожарного. Общие технические требования. Методы испытаний.].
Для оборудования труднодоступных агрегатов, в частности коробок передач, используют трехслойный вариант. Конструктивно он соответственно состоит из 2-х слоев менее плотной синтетической растягивающейся ткани типа «стрейч», например полиэстер, капрон и т.п. и слоя теплоизолятора. Здесь сторона слоя синтетической ткани, расположенного ближе к картеру агрегата и обращенная к нему также имеет блестящее теплоотражающее покрытие.
Поверх материала с металлизированным покрытием (либо обоих слоев синтетической ткани) наносится теплоизолирующий слой толщиной 40-50 мм (в условиях особо сурового климата - до 60 мм) твердеющей поли-уретановой пены марок MAKROFLEX фирмы Henkel или TYTAN Professional фирмы Selena, либо подобных. (Теплопроводность указанных затвердевших пен весьма невелика и составляет λ=0,035-0,049 Вт/(м⋅K)).
На фиг. 1 представлена одна из возможных схем продольного разреза съемного теплоизолирующего покрытия, например раздаточной коробки трансмиссии мобильной машины для работы при низких температурах. Здесь: 1 - раздаточная коробка; 2 - хвостовики валов; 3 - ползуны механизма переключения; 4 - слой синтетической растягивающейся ткани типа «стрейч» (полиэстера, капрона и т.п.), имеющего блестящее теплоотражательное покрытие на стороне, обращенной к корпусу коробки; 5 - слой синтетической растягивающейся ткани типа «стрейч»; 6 - слой теплоизолирующий твердеющей полиуретановой пены; 7 - элементы крепления.
Механическое транспортное средство с коробками передач трансмиссии и картерами ведущих мостов, капсулированные такими съемными утеплительными покрытиями-чехлами, в условиях низких температур окружающего воздуха работает следующим образом.
Перед запуском двигателя транспортного средства следует убедиться в том, что рычаги коробки передач и раздаточной коробки находятся в нейтральном положении. Зимой, кроме того, следует выжать педаль сцепления. Силовой агрегат обычно прогревают на холостом ходу. При включенном сцеплении это обеспечивает передачу небольшой по величине механической мощности на промежуточный вал коробки передач. Зубчатыми колесами этого вала производится перемешивание и, в конечном счете, прогрев запаса трансмиссионного масла. (Коробка передач, кроме того, также дополнительно подогревается за счет теплопроводности от работающего двигателя.) После включения прямой передачи коробки по такому же алгоритму происходит прогрев масла в полости раздаточной коробки. Следовательно, трансмиссия постепенно прогревается. Интенсивный прогрев масел в ведущих мостах происходит в начале движения транспортного средства, поскольку величина мощности, поступающая к движителю мобильной машины, значительно превышает мощность холостого хода силовой установки при ее прогреве. Имеющиеся сапуны уравнивают давление в полостях указанных агрегатов с атмосферой.
Таким образом, после запуска силового агрегата теплоотдача от наружных поверхностей агрегатов силовой передачи в окружающую среду практически не происходит, т.к. они снаружи эффективно теплоизолированы. В результате масло в них прогревается интенсивнее. В сильные морозы или в условиях цейтнота двигатель целесообразно прогреть работой на оборотах больших, чем обороты холостого хода. Ввиду конструктивных особенностей это также позволяет ускорить прогрев запасов трансмиссионного масла в коробках передач транспортного средства.
После окончания рабочей смены темпы охлаждения агрегатов трансмиссии и ведущих мостов мобильной машины будут гораздо меньшими, чем у типовых конструкций в связи с наличием у них предлагаемой высокоэффективной теплоизоляции. Следовательно, наличие теплоизолирующего покрытия всех поверхностей трансмиссии и мостов в условиях низких температур гарантирует их более быстрый прогрев после запуска двигателя.
Весной, при проведении сезонного технического обслуживания теплоизолирующее покрытие полностью легко механически демонтируется, поскольку благодаря слою материала, расположенного ближе к картеру исключается высокий уровень адгезии слоя затвердевшей полиуретановой пены к металлу корпусов агрегатов и ведущих мостов. Таким образом, коробки передач, а также ведущие мосты механического транспортного средства готовы работать в штатном режиме.
Экспериментальная проверка эффективности разработанного технического решения была проведена в марте 2017 года на технике специализированной пожарно-спасательной части ФПС по Республике Саха (Якутия). Во время экспериментов пожарная автоцистерна АЦ-3,0-40 (Урал-43206), была заполнена водой, пенообразователем, пожарным оборудованием и полностью укомплектована личным составом расчета. На данном автомобиле передний ведущий (управляемый) мост был заправлен трансмиссионным маслом класса вязкости 80W в количестве 8,0 литров. Для измерения температуры масла в маслосливную пробку этого моста был вмонтирован датчик - термопреобразователь сопротивления ДТС014-50М.В3.20/3 с диапазоном измеряемых температур -50…+150°С. Показывающий прибор марки ТРМ501 был размещен на панели приборов кабины водителя.
Сравнительные ходовые испытания показали следующее. При температуре окружающего воздуха минус 17°С температура смазочного масла в мосту типового исполнения, т.е. не оборудованного теплоизоляцией достигла 19°С от начальной 14°С к концу 4 минуты от начала следования пожарного автомобиля по вызову. А температура масла в теплоизолированном мосту возросла до 25°С за 5 минут.
Следовательно, данное решение обеспечило снижение вязкости масла и улучшение смазки пар трения редуктора, минимизацию износов деталей ведущего моста автомобиля и, соответственно, сохранение его ресурса в низкотемпературных условиях, повысило экономичность дизеля за счет уменьшения потерь мощности в мосту.
Кроме того были изучены процессы охлаждения трансмиссионного масла при стоянке на месте вызова при температуре воздуха минус 17°С. Температура масла в мосту типового исполнения понизилась весьма интенсивно - с 15°С до 12°С за 13 мин. Для сравнения: температура масла в мосту с теплоизоляцией уменьшилась с 25°С до 23°С за 18 мин.
Таким образом, предложенное техническое решение по теплоизоляции ведущего моста обеспечило длительное сохранение достаточно высокой температуры смазочного масла моста, тем самым позволяя пожарному автомобилю продолжительное время находиться в состоянии готовым к выдвижению.
Техническим результатом предложенной эффективной теплоизоляции трансмиссии и ведущих мостов транспортных средств в условиях низких температур является изменение их тепловых балансов в сторону уменьшения рассеивания теплоты, выделяющейся при работе. Это позволит интенсивнее подогревать масло, находящееся в полостях этих узлов без привлечения каких-либо внешних теплоисточников, исключить операции по розжигу последних, их техническому обслуживанию и т.п. При использовании эффективного теплоизолирующего покрытия агрегатов уменьшаются износы, увеличивается КПД и долговечность данных узлов зимой, т.к. указанные показатели во многом зависят от температуры трансмиссионного масла в них.
В конечном счете повышается надежность и эффективность мобильных машин в условиях низких температур окружающего воздуха, обеспечивается увеличение тягово-скоростных свойств, производительности, экономичности и долговечности при их оборудовании на осенне-зимний период эффективным теплоизолирующим чехлом-коконом агрегатов трансмиссии и ведущих мостов.