МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДЕМПФЕРНОЙ МУФТЫ В ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлен конечно-элементный метод определения жесткости эластичной муфты и результаты аналитического исследования динамики демпферной муфты в трансмиссии автомобиля. Получены значения углового перемещения узлов муфты при воздействии на нее крутящего момента и графики зависимости угловой деформации МПЭЭДТ от времени при различных коэффициентах демпфирования.

ABSTRACT

This paper presents a finite element method for determining the stiffness of an elastic coupling and the results of an analytical study of the dynamics of a damper coupling in a car transmission. Values of the angular displacement of the coupling nodes under the influence of a torque and graphs of the dependence of the angular deformation of the MPEEDT on time for various damping coefficients are obtained.

Ключевые слова: автомобиль, трансмиссия, динамические нагрузки, демпферная муфта, жесткость, конечно-элементный метод

Keywords: car, transmission, dynamic loads, damper clutch, rigidity, finite element method

В процессе эксплуатации автомобиля в его узлах и механизмах возникают крутильные колебания и динамические нагрузки (удары). Их источниками являются гармонические составляющие крутящего момента силовой установки, а также колебательные и динамические процессы, возникающие вследствие несоосности валов, внешних воздействий при движении и работе машины.

Крутильные колебания упруго-массовых систем принадлежат к опасным динамическим нагрузкам, приводящим к аварийным повреждениям валов, редукторов, коробок скоростей и других элементов трансмиссионных систем автомобиля. Именно поэтому при проектировании важно получить достоверные данные о динамических характеристиках элементов трансмиссии (крутильная жесткость, коэффициент демпфирования, демпфирующее сопротивление), характеризующие упругие и демпфирующие свойства элементов трансмиссии [1].

На современных автомобилях широкое распространение получили эластичные муфты различной конструкции [1, 2], в которых рассеивание энергии крутильных колебаний происходит за счет сил трения между фланцем ступицы и дисками и (или) деформации упругих элементов.

На данный момент не существует математических моделей, позволяющих достаточно точно определить крутильную жесткость соединительных элементов трансмиссии автомобиля, что требует проведения довольно сложных экспериментальных исследований по определению данных параметров. Таким образом, разработка и обоснование методов определения жесткости и исследования динамики демпферной муфты является весьма актуальной задачей, решение которой позволить упростить и ускорить разработку динамической модели не только трансмиссии автомобиля, но других машин и механизмов, в конструкции которых предусмотрено использование эластичных муфт.

Разработанный метод представлен на примере определения жесткости муфты пальцевой с эластичным элементом дискового типа (МПЭЭДТ) [3] с помощью программного комплекса SolidWorks [4]. На первом этапе создавалась твердотельная модель муфты (рис. 1, а). Затем выполнялось разделение на дискретные, связанные между собой элементы, с осуществлением креплений и приложением крутящего момента. При этом одна из полумуфт жестко закреплялась, а второй задавалась одна степень свободы – вращение вокруг своей оси.

Рисунок 1. Твердотельная модель МПЭЭДТ и эпюра перемещений узлов под действием крутящего момента

Для моделирования было выбрано нелинейное статическое исследование, с учетом параметра большой деформации и использования совместной сетки с типом контакта – «связанные». К «свободной» полумуфте прилагались различные значения крутящего момента в диапазоне от 2,5 до 50,0 кНм.

По результатам моделирования определялись значения перемещений внешней поверхности (обладающей наибольшим диаметром) (рис. 1, б). На основании полученных результатов построены графики зависимости углового перемещения для МПЭЭДТ от крутящего момента (рис. 2).

Рисунок 2. График зависимости углового перемещения от крутящего момента

Из анализа полученных зависимостей (рис. 2) видно, что характер жесткости исследуемых муфт является линейным. На основании полученных результатов для аналитического исследования необходимо использовать метод расчета линейных муфт [5]. При этом предполагаем, что податливость элементов трансмиссии, передающих крутящий момент, пренебрежимо мала по сравнению с податливостью исследуемых муфт.

Дифференциальное уравнение механического движения для двухмассовой системы выглядит следующим образом [5]:

,                                                     (1)

где  – угловая деформация муфты, рад;  – момент сопротивления, ;  – крутильная жесткость муфты, ;  – коэффициент, позволяющий при расчетах заменить действия демпфирующего момента  действием эквивалентного демпфирующего момента;  – приведенный момент инерции, кг·м².

Коэффициент , позволяющий при расчетах заменить действие демпфирующего момента, определяется из формулы:

,                                                         (2)

где   – коэффициент демпфирования;  – частота колебаний (принимается равной собственной частоте системы [5]), рад/с.

Дифференциальное уравнение (1) решается с помощью численных методов относительно  (при: ; ; ).

На основании решения уравнения (1) получены графические зависимости угловой деформации от времени при заданной жесткости, крутящем моменте и коэффициентах демпфирования  (рис. 3).

Рисунок 3. Графики зависимостей угловой деформации муфты от времени при различных коэффициентах демпфирования

На основании анализа зависимостей (рис. 3) можно утверждать, что при ударных нагрузках деформация МПЭЭДТ сначала достигает своего максимального значения, а затем происходит ее экспоненциальное затухание до номинального уровня при установившейся нагрузке, что говорит том, что значительная часть энергии в процессе ударного нагружения уходит на работу упругой деформации данного типа муфты при воздействии крутящего момента. В тоже время коэффициент демпфирования существенно влияет на значение амплитуды деформации и на продолжительность затухания колебаний в системе.

Список литературы:

1. Тракторы и автомобили: Учебник для студентов вузов обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» / Под общ. ред. В.М. Шарипова. – М.: Издательский дом «Спектр», 2010. – 351 с.
2. Иванов Е.А. Муфты приводов. – М.: Машгиз, 1959. – 411 с.
3. Патент на полезную модель № 210721 U9 Российская Федерация, МПК F16D 3/50. Муфта пальцевая с эластичным элементом дискового типа: № 2021113946: заявл. 17.05.2021: опубл. 18.07.2022 / Р.С. Мележик, Д.А. Власенко, А.П. Жильцов, Я.Э. Крупнов; заявитель ФГБОУ ВО «ЛГТУ».
4. Власенко Д.А., Мележик Р.С. Исследование динамики муфты пальцевой с эластичным элементом дискового типа в условиях ударных нагрузок / Вестник Донецкого национального технического университета. – 2022. – № 1(27). – С. 12–20.
5. Поляков В.С., Барбаш И.Д., Ряховский О.А. Справочник по муфтам – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979. – 344 с.