Введение
Одной из ключевых проблем современного тракторостроения является проблема повышения долговечности тракторов, это связано с постоянным ростом требований к данному показателю и необходимостью снижения затрат на производство. Решение данной проблемы в первую очередь заключается в повышении долговечности лимитирующих узлов, к которым относится планетарные передачи, применяемые на серийных отечественных (ДТ, ВТ, ЧЕТРА, ХТЗ) и зарубежных (John Deer, Caterpillar) гусеничных сельскохозяйственных и промышленных тракторах в механизмах поворота, конечных и в коробках передач.
Исследования динамики планетарных механизмов тракторов показали, что основной причиной преждевременного выхода их из строя является неравномерное распределение нагрузки между сателлитами и по длине зубчатых зацеплений шестерен, вызванное погрешностями изготовления и сборки [5]. При этом чувствительность к этим погрешностям обусловлена наличием избыточных связей или статической неопределимостью этих механизмов. Избыточными связями называются такие связи, устранение которых не увеличивает подвижности механизма, и мешают самоустанавливаться под действием нагрузки, т.е. ведут к неравномерному распределению нагрузки. Механизмы без избыточных связей или с уменьшенным количеством позволяют расширить допуски на изготовление, повысить долговечность узла, снижают трудоемкость, т.к. такие механизмы не требуют высокой точности изготовления.
В последние годы наблюдается тенденция роста нагруженности узла за счет увеличения рабочих скоростей движения и передаваемых мощностей, а достигнутый ресурс планетарных передач тракторов не превышает 7-10 тыс. моточасов, при необходимом ресурсе 15-17 тыс. моточасов.
Цели исследования:
- разработка методики компьютерного анализа количества избыточных связей и зависимостей в планетарных механизмах;
- разработка конструкций планетарных передач с уменьшенным количеством избыточных связей, обеспечивающих повышенную долговечность.
Методы исследования
В ходе исследования использовались методы теории автомобиля и трактора, теории машин и механизмов. Применялись современные методы программного моделирования Autodesk Inventor.
Проверить механизм на наличие в нем избыточных связей можно путем подсчета их по структурным формулам. Формула предложена Малышевым А. П.[5]:
, или в развернутом виде:
,
где q – число избыточных связей; n – число подвижных звеньев; w – подвижность механизма; pi – число кинематических пар i-го класса, накладывает ipi условий связи.
В ручную такой расчет часто оказывается ошибочный и трудоемким,
поэтому была разработана методика компьютерного анализа избыточных связей и зависимостей в планетарных механизмах:
- строится 3D модель в программе Autodesk Inventor (рис. 1);
Рисунок 1 – 3D модель механизма в Autodesk Inventor
- в сборке задаются зависимости между деталями (расположение друг относительно друга). Для того чтобы задать связи между разными деталями в Autodesk Inventor существуют сборочные зависимости. При наложении зависимостей удаляются степени свободы, и ограничивается возможность перемещения компонентов;
- Так как в Autodesk Inventor не существует такого понятия, как кинематическая пара, то мы создали эквивалент таблице Решетова (таблица классов кинематических пар, известная в курсе теории машин и механизмов);
- Для подсчета количества избыточных связей под Inventor была написана программа, которая по формуле Малышева с высокой доли достоверности считает избыточные связи;
Получаем окно с описанием зависимостью и количеством избыточных связей:
Рисунок 2 – диалоговое окно вывода количество избыточных связей
Результаты исследования
С помощью приведенной выше методики, для решения проблемы статически неопределимых систем, на кафедре «автомобиле- и тракторостроение» Волгоградского Государственного Технического Университета были спроектированы различные конструкции планетарных передач [1,2,3], которые не требует повышенной точности изготовления и сборки и позволяет равномерно распределять загрузку в планетарных механизмах поворота, коробках и конечных передач гусеничных машин.
- Планетарная передача с «бочкообразным зубом»
Указанный технический результат в данной конструкции достигается тем, что внешние шлицы и зубья сателлитов выполнены с бочкообразным продольным профилем. Это позволяет секторам сателлитного блока, за счет того что они приобретают угловую подвижность, самоустанавливаться между центральными колёсами, выравнивать нагрузку между сателлитами и по длине их зубьев с учетом погрешностей изготовления всех элементов планетарной передачи [4]. Сателлитный блок, составленный из секторов, имеет не менее чем четыре сателлита, что позволяет получить дополнительную степень свободы, в противном случае образуется жесткая конструкция, которая не позволит в достаточной степени выравнивать нагрузку между сателлитами и самоустанавливаться секторам сателлитного блока между центральными колесами.
а) 
б) 
Рисунок 3 – Планетарная передача с «бочкообразным зубом» (а - водило, б - бочкообразный зуб в разрезе)
Результаты расчета на избыточные связи приведены в таблице 1:
Таблица 1
Результаты расчета планетарной передачи с «бочкообразным зубом»
|
|
Подвижность механизма, w |
Число подвижных звеньев, n |
Pv |
PIv |
PI |
Число избыточных связей, q |
|
3-ех сателлитное исполнение |
8 |
11 |
8 |
3 |
6 |
0 |
|
4-ех сателлитное исполнение |
10 |
14 |
10 |
4 |
8 |
0 |
|
5-ти сателлитное исполнение |
12 |
17 |
12 |
5 |
10 |
0 |
- Планетарная передача с «карданным шарниром»
Технический результат в данной конструкции планетарной передачи достигается за счет того, что участки узкого шлицевого соединения ступицы и сателлитного блока [7], составленного из секторов, имеют осевые и радиальные зазоры, которые в совокупности с возможностями относительных поворотов секторов сателлитного блока за счет карданных шарниров позволяют сателлитному блоку самоустанавливаться между центральными колёсами, выравнивая нагрузку между сателлитами и по длине их зубьев.
а)
б)
в)
Рисунок 4 – Планетарная передача с «карданным шарниром» (а - водило, б – карданный шарнир, в – шлицевое соединение)
Результаты расчета на избыточные связи приведены в таблице 2:
Таблица 2
Результаты расчета планетарной передачи с «карданным шарниром»
|
|
Подвижность механизма, w |
Число подвижных звеньев, n |
Pv |
PIv |
PII |
Число избыточных связей, q |
|
3-ех сателлитное исполнение |
8 |
11 |
5 |
6 |
6 |
3 |
|
4-ех сателлитное исполнение |
10 |
14 |
6 |
7 |
8 |
0 |
|
5-ти сателлитное исполнение |
12 |
17 |
7 |
8 |
10 |
-3 |
- Планетарная передача с «тросовым соединением»
Технический результат данной конструкции достигается за счет того, что тросы связывают между собой сателлиты и обеспечивают только одно вращательное движение вокруг оси, тем самым устраняя две избыточные связи, что позволит увеличить долговечность механизма поворота тракторов, за счет равномерного распределения нагрузки между сателлитами и по длине их зубьев. Наличие цангового зажима позволит регулировать расстояние между секторами сателлитного блока и тем самым устранить погрешность изготовления деталей планетарной передачи для самоустановки сателлитного блока по внешней поверхности венца ступицы, что повысит надежность.
Рисунок 5 – Планетарная передача с «тросовым соединением»
Результаты расчета на избыточные связи приведены в таблице 3:
Таблица 3
Результаты расчета планетарной передачи «с тросовым соединением»
|
|
Подвижность механизма, w |
Число подвижных звеньев, n |
Pv |
PIv |
PII |
PI |
Число избыточных связей, q |
|
3-ех сателлитное исполнение |
14 |
11 |
5 |
6 |
6 |
3 |
0 |
|
4-ех сателлитное исполнение |
18 |
14 |
6 |
8 |
8 |
4 |
0 |
|
5-ти сателлитное исполнение |
22 |
17 |
7 |
10 |
10 |
5 |
0 |
Для проверки адекватности полученных конструкций, воспользуемся коэффициентом неравномерности распределения нагрузки. Из полученных графиков, следует вывод о снижение данного показателя при применении новых конструкций ПП.
Ω
t, с
Рисунок 6 – Коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами
Из данных графиков, можно сделать вывод о том, что конструкция с тросовым соединением сателлитного блока наиболее равномерно выравнивает нагрузку, а следовательно имеет большую долговечность из представленных конструкций.
Заключение
Итогом работы является создание методики компьютерного анализа избыточных связей в планетарных механизмах. Которая позволяет, как анализировать старые конструкции, так и создавать новые конструкции без избыточных связей. т.е. статически определимых. Данные конструкция должны не только равносильно заменять существующие, но и увеличивать ресурс работы механизмов поворота гусеничных тракторов в 1.5-2 раза, что равняется 13-17 тыс. моточасов.
Рецензенты:
Ляшенко М.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой АТС, Волгоградский государственный технический университет, г.Волгоград.
Шеховцов В.В., д.т.н., профессор, Волгоградский государственный технический университет, г.Волгоград.