К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИНЯТЫЕ ДОПУЩЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КЛИНОРЕМЕННОГО ВАРИАТОРА

АННОТАЦИЯ

Целью настоящей работы является выяснение особенностей работы автоматических клиноременных вариаторов мототранспортных средств, как в режиме постоянного передаточного отношения, так и в режиме регулирования. При изучении всякой динамической системы наиболее важным является вопрос выбора ее модели или расчетной схемы, которая в максимальной степени приближалась бы к реальной системе. Допущения, применяемые при составлении динамической модели, вносит некоторую погрешность в описание реальной системы, что позволяет значительно упростить задачи исследования исследуемого объекта.

ABSTRACT

The purpose of this work is to elucidate the features of the operation of automatic V – belt variators of motor vehicles, both in the constant gear ratio mode and in the control mode. When studying any dynamical system, the most important issue is the choice of its model or calculation scheme, which would be as close as possible to the real system. The assumptions used when compiling a dynamic model introduces some error into the description of a real system, which makes it possible to significantly simplify the tasks of studying the object under study.

Ключевые слова: вариатор, регулятор, трансмиссия, расчетная схема, передаточное отношение, подвижный диск, шкив.

Keywords: variator, regulator, transmission, design scheme, gear ratio, movable plate, pulley.

Обеспечение современных скоростных методов производства во всех отраслях промышленности тесно связано с необходимостью регулирования скоростных и силовых режимов рабочих машин. Наиболее простым способом управления скоростным режимом машинного агрегата является то или иное воздействие на двигатель с целью изменения его механической характеристики. Однако, это всегда связано с дополнительными энергетическими затратами. В последнее время все возрастающее внимание уделяется развитию способов и средств управления механическим агрегатом с помощью вариатора.

Широкое применение автоматических клиноременных вариаторов в трансмиссиях мототранспортных средсв стало возможным благодаря значительному развитию теории ременных передач.

Вариаторы могут обеспечивать различные выходные характеристики трансмиссий: получение постоянного момента на выходном валу, полное использование мощности двигателя, или изменять лишь скоростной режим агрегата в соответствии с технологическим процессом .

Для соблюдения законов изменения передаточного отношения вариатора необходимо достаточно точное знание потребных осевых усилий на его шкивах . Поэтому определенное место в исследованиях клиноременных вариаторов заняло изучение его осевых усилий.

К числу первых решений задачи об определении осевых усилий на шкивах относится решение плоской задачи, когда действие ремня уподобляется действию клина.

Из всего многообразия существующих конструкций автоматических клиноременных вариаторов мототранспортных средств наиболее распространенным является вариатор с двумя раздвижными шкивами, ведомый шкив которого подпружинен, а на ведущем установлен шариковый центробежный регулятор. Схема трансмиссии мототранспортного средства с таким вариатором представлена на рис.1.

Поток мощности от двигателя 1 передается через автоматическое центробежное сцепление 2 на ведущий шкив 3, снабженный центробежным регулятором 4. Далее через клиновой ремень 5 на подпружиненный ведомый шкив вариатора 6, связанный посредством понижающей цепной передачи 7 с ведущим колесом транспортного средства 8. При увеличении частоты вращения двигателя подвижный диск ведущего шкива вариатора под действием осевой силы со стороны центробежного регулятора выжимает ремень на большой диаметр, изменяя тем самым передаточное отношение вариатора. Диски ведомого шкива при этом раздвигаются, а ремень на нем переходит на меньший диаметр.

Рисунок 1. Схема трансмиссии мототранспортного средства

Динамической моделью некоторой системы является совокупность параметров инерции и жесткости, которыми мы заменяем реальную систему.

Допущение, применяемое при составлении динамической модели, вносит некоторую погрешность в описание реальной системы, что, однако, позволяет значительно упростить задачи исследования и более резко выделить некоторые наиболее важные аспекты работы исследуемого объекта. Известно, что для описания динамической системы требуется столько дифференциальных уравнений, сколько степеней свободы имеет данная система .

Поэтому при составлении динамической модели исследуемой системы, включающей двигатель, передаточное устройство и рабочий орган, необходимо решить вопрос о выборе числа степеней свободы принимаемой модели.

В реальной конструкции  каждый элемент трансмиссии транспортного средства обладает той или иной податливостью степень свободы. Оценим жесткость элементов трансмиссии. Валы трансмиссии имеют крутильную жесткость жесткость порядка 10⁶ кгс. см. Диски вариатора, муфт сцепления и другие детали и узлы трансмиссии, вследствие их значительных диаметров имеют жесткость значительно большую. Одним из наиболее податливых элементов трансмиссии мототранспортных средств с автоматическим клиноременным вариатором является клиновой ремень, который участвует в передаче крутящего момента с ведущего на ведомый шкив и осевых усилий, внося тем самым в систему две степени свободы. По данным работы В.В.Верницкого динамические модули упругости вариаторных ремней составляют: при растяжении Е_р = 3500 4500 кгс/см² и при поперечном сжатии Е_с = 250 350 кгс/см².

В пересчете на жесткость для вариаторного ремня мототранспорта составляет:

жесткость ремня при растяжении

С_р = Е_рS₀ = 3500  4500 кгс/см,

крутильная жесткость ремня

и жесткость ремня при поперечном сжатии

где   – площадь поперечного сечения ремня;

 - высота ремня;

 – угол обхвата ведущего шкива.

Суммарная жесткость пакета пружин на ведомом шкиве вариатора  т.е. она на несколько порядков ниже, чем жесткость остальных элементов трансмиссии. Это позволяет вполне обоснованно считать, что единственным податливым элементом трансмиссии является пакет пружин ведомого шкива. Такое допущение значительно упрощает исследуемую динамическую модель.

Динамика вариаторов, особенно динамика переходных процессов во время изменения передаточного отношения, изучена недостаточно и в настоящее время является предметом тщательного исследования. Заметим, что переходными процессами, происходящими в двигателе внутреннего сгорания за один оборот коленчатого вала, будем пренебрегать. Это можно сделать с достаточным основанием, потому что время переходного процесса двигателя в сотни раз меньше того времени, в течение которого протекает процесс регулирования в замкнутой цепи исследуемой системы.

Таким образом, транспортное средство с автоматическим клиноременным вариатором является динамической системой, требующей для описания ее положения шесть координат, но имеющей лишь пять степеней свободы. Однако, вполне допустимо пренебрегать, ввиду их малости вращательным движением транспортного средства вокруг вертикальной оси и смещением транспортного средства во время движения в направлении, перпендикулярном его продольной оси.

Кроме того, пренебрегая тангенциальной податливостью шины ведущего колеса и ее упругим скольжением, можно выразить перемещение транспортного средства через угловую координату ведомого шкива вариатора  

                                                             (1)

где,  – кинематический радиус ведущего колеса транспортного средства;

 – передаточное число дополнительной понижающей передачи

Это позволяет снизить число степеней свободы системы еще на единицу. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать систему с автоматическим клиноременным вариатором, имеющую только две степени свободы движения.

Таким образом, учитывая все вышесказанное, можно сформулировать основные допущения, принимаемые в работе:

1) элементы вариатора и всей трансмиссии считаем абсолютно жесткими; 

2) клиновой ремень вариатора принимаем в виде гибкой невесомой нерастяжимой нити;

3) считаем, что центробежная муфта сцепления (или их комбинации) постоянно замкнута и передает полный момент, развиваемый двигателем;

4) упругим скольжением клинового ремня и шины ведущего колеса пренебрегаем.

С учетом указанных допущений динамическая модель системы регулирования будет соответствовать рис. 2.

Рисунок 2. Динамическая модель системы регулирования автоматического клиноременного вариатора мототранспортных средств

В этой системе:

 - момент инерции, приведенный к ведущему валу вариатора;

 - момент инерции, приведенный к ведущему валу вариатора;

 – функция положения подвижных дисков вариатора, зависящая от закона движения последних;

 - угловые координаты соответственно ведущего и ведомого шкивов вариатора;

 – соответственно движущий момент и момент сопротивления.

Момент инерции, приведенный к ведущему валу вариатора, составляется из момента инерции кривошипно-шатунного механизма двигателя   и момента инерции собственно ведущего шкива вариатора со встроенными центробежными муфтами сцепления :

=+                                                      (2)

Момент инерции, приведенный к ведомому валу вариатора, определяется следующим выражением:

,                                  (3)

где   - собственно момент инерции ведомого шкива вариатора;

 и  - вес транспортного средства и пассажира соответственно;

 - момент инерции колес транспортного средства;

 – ускорение свободного падения;

 - КПД дополнительной передачи.

При наличии в системе фрикционного или иного вариатора с переменным передаточным числом, автоматически изменяемым тем или иным регулятором, система становится неголономной, т.е. такой, в которой связи между скоростями точек системы не сводятся к зависимостьям их координат. Описание таких систем возможно лишь при использовании одного из методов динамики неголономных систем . Для исследования неголономных систем рекомендуется применять уравнения Аппеля или первую форму уравнений Лагранжа с неопределенными множителями. Анализируя различные формы уравнений динамики неголономных систем, приходим к выводу, что в случае нелинейности уравнения неголономных связей относительно обобщенных скоростей, для описания системы можно применять лишь общее уравнение динамики, т.е. уравнение Даламбера-Лагранжа.

Анализ вышеизложенного позволяет сделать ряд выводов:

1. Для обеспечения оптимального коэффициента тяги следует применять на ведомом шкиве вариатора клиновое нажимное устройство
2. Установлено, что клиновой ремень вариатора работает в относительно форсированных условиях при высоких напряжениях и большой частоте деформаций ремня.

Список литературы:

1. А.Д.Рулевский., А.Г.Уланов., А.И.Хахалев. Бесступенчатые передачи и закон изменения их передаточных чисел. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2018. Т. 18. №1. С.17 – 23.
2. Мартыхин Ю. М. Исследование характеристик автоматических клиноременных вариаторов мототранспортных средств: Дис. ... канд. тех. наук. Москва: 1975. – 156 с
3. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи. – М: Машиностроение, 1980. – 320 с.
4. Набиев.М.Б. Рекомендации по расчету и проектированию управляющих механизмов клиноременных вариаторов. // Фан ва технологиялар тараққиёти. – Бухоро, 2018.-№2. С 15-21
5. Михеев С.С. Конструкция и оптимизация параметров автоматического клиноременного вариатора мототранспортных средств. Дисс….канд.техн.наук. – В.: 1998. – 156 с.
6. Спиридонов А.В. Методы повышения эффективности работы автоматических клиноременных вариаторов в трансмиссии мототранспортных средств. Дисс….канд.техн.наук. – К.: 2008. – 152 с.