Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА И УСТРАНЕНИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ СВЯЗЕЙ В ПЛАНЕТАРНЫХ ПЕРЕДАЧАХ ГУСЕНИЧНЫХ ТРАКТОРОВ

Пивоваров А.О. 1
1 ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»
Исследование динамики планетарных механизмов трактора показали, что основной причиной преждевременного выхода из строя является неравномерное распределение нагрузки между сателлитами, вызванное погрешностями изготовления и сборки. При этом чувствительность к этим погрешностям обусловлена наличием избыточных связей. На статически определимый механизм изменение размеров звеньев не влияет. Следовательно, статически определимые механизмы дают не только снижение трудоемкости, но и одновременно повышают долговечность. В данной работе было рассмотрено 3 конструкции планетарных передач без избыточных связей. Использование данных статически определимых конструкций позволяет увеличить долговечность механизма поворота в 2 раза, за счет равномерного распределения нагрузки между сателлитами и дает возможность работать механизму поворота трактора в более нагруженных условиях. Полученные конструкция и результаты исследования могут быть полезны разработчикам автотракторной техники при проектировании трансмиссий с планетарными механизмами поворота.
компьютерный анализ
планетарная передача
избыточные связи
гусеничный трактор
долговечность
механизм поворота.
1. П. м. 103591 РФ, МПК F 16 H 1/48. Планетарная передача / Вл.П. Шевчук, А.О. Пивоваров, М.В. Ляшенко, В.В. Шеховцов, А.В. Котовсков; ВолгГТУ. - 2011.
2. П м. 108526 РФ, МПК F 16 H 1/48. Планетарная передача / Вл.П. Шевчук, А.О. Пивоваров, А.В. Петренко, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, А.В. Калмыков; ВолгГТУ. - 2011.
3. П. м. 132514 РФ, МПК F16H1/48. Планетарная передача / Вл.П. Шевчук, А.О. Пивоваров, И.В. Редькин, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, А.В. Морозов; ВолгГТУ. - 2013.
4. Пивоваров, А.О. Исследование применяемых планетарных передач и механизмов на избыточные связи / А.О. Пивоваров, Вл.П. Шевчук // Вестник Академии военных наук. - 2011. - № 2 (спецвыпуск). - C. 316-321.
5. Пивоваров, А.О. Повышение долговечности планетарного механизма поворота: монография / А.О. Пивоваров, Вл.П. Шевчук. - Saarbrucken (Germany) : LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. - 105 с.
6. Пивоваров, А.О. Разработка конструкции планетарной передачи для механизма поворота сельскохозяйственного трактора Четра-6 / А.О. Пивоваров, Вл.П. Шевчук // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 12. - C. 38-41.
7. Пивоваров, А.О. Разработка конструкции планетарной передачи без избыточных связей / А.О. Пивоваров // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 6 (ч. 3). - C. 556-560.
8. Редькин, И.В. Классификация оптимальных по избыточным связям планетарных передач типа 2КН / И.В. Редькин, Вл.П. Шевчук, А.О. Пивоваров // Успехи современного естествознания. - 2012. - № 6. - C. 79-80.

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.


Библиографическая ссылка

Пивоваров А.О. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА И УСТРАНЕНИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ СВЯЗЕЙ В ПЛАНЕТАРНЫХ ПЕРЕДАЧАХ ГУСЕНИЧНЫХ ТРАКТОРОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11359 (дата обращения: 08.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074