Расчет кинематических параметров дифференциального механизма автоматической коробки передач

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Уфа: УГАТУ, 2013 Я^& amp-ОШШШО ^Т'-АОП^ т. 17, № 3, (56). С. 201−208
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 629. 114
Х. А. Фасхиев, В. В. Волошко, И. И. Салахов
расчет кинематических параметров ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО МЕХАНИЗМА АВТОМАТИчЕСКОЙ КОРОБКИ пЕРЕДАч
Представлены структурная и кинематическая схемы, конструкция модуля новых автоматических коробок передач на основе разработанного авторами универсального многопоточного дифференциального механизма и методика его расчета. Автоматическая коробка передач, планетарная система, планетарные ряды, дифференциальные механизмы, универсальный многопоточный дифференциальный механизм
ВВЕДЕНИЕ
Большинство современных планетар-ных коробок передач (КП) автоматических трансмиссий построено по одной из двух планетарных систем: системе Симпсона- системе Равиньо (со сцепленными сателлитами) [1].
Эти планетарные системы позволяют реализовать четыре передачи при одновременном включении двух управляющих элементов, что определяет данные системы как трехстепенные с полным использованием управляющих элементов: две понижающие передачи- прямая передача- задний ход, при использовании пяти управляющих элементов, в том числе две фрикционные блокирующие муфты, два фрикционных тормоза и муфта свободного хода. Предварительный анализ планетарных систем при числе передач равным четырем отдает предпочтение применению автоматических коробок передач (АКП) с тремя степенями свободы, несмотря на то, что число элементов управления таких коробок передач то же, что и у АКП с двумя степенями свободы. Дело в том, что в АКП с тремя степенями свободы для получения четырех передач достаточно двух дифференциальных механизмов, а в АКП с двумя степенями свободы — трех дифференциальных механизмов. Однако при числе передач, равным четырем, АКП с тремя степенями свободы является более сложным объектом по сравнению с АКП с двумя степенями свободы ввиду конструктивной сложности двух фрикционов (в АКП с двумя степенями свободы применяют один фрикцион) и существенного усложнения системы управления [2].
Учитывая вышесказанное, при числе передач, равным четырем, всегда более перспективно применение АКП с двумя степенями свободы. Одним из недостатков таких систем считается
Контактная информация: 8 (347) 273-09-44
большая металлоемкость за счет наличия дополнительных дифференциальных механизмов, а явным преимуществом — возможность получения передаточных чисел, равных расчетным, и более простая система управления. Использование широко известного принципа построения многоскоростных механических КП за счет добавления к основной коробке делителя и демультипликатора возможна и при построении структуры многоскоростных АКП если в качестве основной коробки (модуля) использовать планетарную систему двухстепенного АКП с четырьмя-пятью передачами, обладающую минимально возможным числом основных звеньев с целью уменьшения металлоемкости и габаритов.
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МНОГОПОТОЧНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ (УМДМ)
Для АКП была разработана планетарная система (ПС), обладающая возможностью в своей кинематической схеме объединить возможно большее количество дифференциальных механизмов при наименьшем числе основных звеньев. ПС включает в себя все четыре типа наиболее используемых в технике дифференциальных механизмов [3]. Благодаря тому, что в кинематической схеме объединены эти дифференциальные механизмы в один универсальный многопоточный дифференциальный механизм (УМДМ) и используются звенья, являющиеся общими для всех четырех типов, общее количество звеньев становится минимальным. В результате получаем конструкцию с короткими кинематическими цепями, расширенными кинематическими и силовыми возможностями, которые обуславливают использование данного механизма в качестве модуля в проектируемых АКП.
о = с2 = с4 = п°'- (п°- 1
п° п°
Рис. 1. Конструкция П С УМДМ
Разработанная П С представляет собой универсальный многопоточный дифференциальный механизм, водило которого с тремя парами сцепленных сателлитов является общим для первого, второго и третьего планетарных рядов, образуемых двумя независимыми солнечными центральными шестернями и тремя коронными зубчатыми колесами (эпициклами) (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема ПС УМДМ
Число степеней свободы ПС УМДМ [4] определяется на основе структурной формулы п0 — км — Ж = 0. Откуда
Ж = По — км, (^
где п0 = 6 — число основных звеньев- км = 4 -число планетарных дифференциальных механизмов.
Таким образом, планетарная система обладает двумя степенями свободы W = 2, имеет шесть основных звеньев, четыре из которых являются тормозными звеньями (^ = 4), два звена являются ведущим и ведомым. Число передач (г = 5) равняется числу элементов управления.
Все звенья УМДМ равнозначны в смысле распределения функций (каждое звено может быть входным, выходным или тормозным). Таким образом, полное число возможных схемных решений УМДМ найдется как число сочетаний из 6 по 2 (вход и выход) или из 6 по 4 (тормозные звенья) [2]:
2!
п° • (п° -1) • (п° - 2) • (п° - 3) = 4!
6 • (6 -1) 6 • (6 -1) • (6 — 2) • (6 — 3)
= 15.
1 • 2 1 • 2 • 3 • 4
Дифференциальные механизмы, используемые при создании ПС УМДМ, изображены на рис. 3.
Рис. 3. Дифференциальные механизмы, входящие в структуру ПС УМДМ
На основании структурной схемы и вышеизложенного кинематическая схема предлагаемого ПС УМДМ будет выглядеть, как показано на рис. 4.
Первый планетарный ряд УМДМ состоит из солнечной центральной шестерни 1, водила Н сателлитов 2 и коронного колеса 6. Второй планетарный ряд состоит из водила Н, сцепленных сателлитов 2'-, 3 и коронного колеса 7. Третий планетарный ряд состоит из солнечной центральной шестерни 4, водила Н сателлитов 3'- и коронного колеса 8 [5].
Уравнение кинематики планетарного ряда:
п = п • 1 + П" • (1 — 1),
вщ вм вщвм Н 4 вщвм'-'-
(2)
где п — число оборотов ведущего звена- 1 —
вщ вщвм
передаточное число между ведущим и ведомым звеньями- пН — число оборотов водила- пм — число оборотов ведомого звена.
Выражение для определения относительных оборотов сателлитов:
п = п • 1 + п" • (1 — 1), (3)
отн вм свм Н 4 свм 47
где 1свм — передаточное число между сателлитом и ведомым звеном.
Из уравнения (2) определяем число оборотов водила Н:
п — п • 1
_ вщ ем вщвм
'-'- и
1 -1″.
(4)
Рис. 4. Кинематическая схема ПС УМДМ: 1, 4 — солнечные центральные шестерни, 2−2'-, 3−3'- - сцепленные двухвенцовые сателлиты, 5 (Н) — водило, 6, 7, 8 — коронные колеса
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ возможных СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ
С целью анализа возможных схемных решений УМДМ предлагается метод оценки целесообразности вариантов сочетаний и выбор звеньев УМДМ в качестве входных и выходных.
При этом учитывается конструктивная возможность наиболее приемлемого размещения элементов управления и подвода мощности к отдельным звеньям УМДМ.
Рассмотрим вариант сочетания 1 (1 — ведущее звено- 8 — ведомое звено- 4, 5 (Н), 6, 7 — тормозные звенья):
При торможении водила 5 получаем передачу переднего хода:
115−8 = К-2) • (-12/ -3) • (13/ -8) = +11−8. (5)
При торможении 6-го звена получаем передачу с положительным знаком:
-•6
-•6 -6
11−8 = 11−5 • 15−8,
(6)
где 1 5−8 =
1 -1″
передаточное число между
водилом 5 и выходным звеном 8 при заторможенном звене 6.
11−8 = (1 — '-1−6) • (~Т~1-) =
1 — г8−6
1 — ((-1 12) • (1 2−6)) _ _
1 — (08−3/) • (-1 3−2/) • (1 2−6)) 1 + 1 При торможении 7-го звена:
Л л л
=+16 1−8 '-
1 1−8 = 5 • 1 5 -8 ,
(7)
.7 1
где 1 5−8 =
передаточное число между
1 — 18−7
водилом 5 и выходным звеном 8 при заторможенном звене 7.
7 1
& gt-1−8 = (1 — ^) • С -.) =
1 1 8−7
1 — ((11−2) •) • Сэ-Т)) = 1 — /1−7
1 — а^) • Ов-7))
1-
Так как 1 может быть больше или меньше 1, получаем положительную или отрицательную передачу:
• 7 + -7 -7 -7
1 1−4 = + = +11−4 или ^ = 11−4.
Таблица 1
Результаты анализа вариантов комбинаций сочетаний
1 1−4 при
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«-» «-» «-» «-»
11−8 при
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«+» «+» «+» «±»
11−5 при
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«+» «+» «-» «-»
1 5−4 при
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«+» «-» «+» «+»
1 5−8 пРи
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«+» «+» «+» «±»
1 6−4 при
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«+» «+» «+» «+»
16−8 при
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«+» «+» «-» «±»
1 6−5 при
Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8
«+» «+» «+» «+»
1
При торможении 4-го звена получаем положительную передачу:
i4 = i4 • i4 1−8 — 1−5 5−8'-
(8)
• 4 л
где = 1 — 114 — передаточное число между
входным звеном 1 и водилом 5 при заторможенном звене 4-
1
1 — 4.
передаточное число между
водилом 5 и выходным звеном 8 при заторможенном звене 4.
i 1−8 = (1 — I1−4) • ~) =
1 — i8−4
= 1 — ((i1−2) • (-i2'--3) ^ (-i3'--4)) = 1 + i1−4 = +i4
1 — ((/8_з/) • (-/3/-4)) 1 + i8−7 i1−8 '-
Аналогичным образом анализируем и остальные сочетания. Результаты анализа сведены в табл. 1.
Анализ вариантов комбинаций сочетаний позволяет осуществить выбор ведущих, ведомых и тормозных звеньев планетарной системы УМДМ, что в дальнейшем облегчает процесс построения кинематических схем АКП.
Результаты анализа возможных вариантов кинематических схем УМДМ позволяют делать следующие выводы:
• вариант сочетания i неприемлем ввиду того, что все передаточные отношения имеют отрицательный знак-
• вариант сочетания i приемлем-
• вариант сочетания i неприемлем ввиду того, что 2 передаточных отношения имеют отрицательный знак-
• вариант сочетания i5−4 неприемлем, ввиду того, что при торможение любого звена выходное звено 4 будет иметь передаточное отношение по абсолютной величине значительно меньше единицы-
• вариант сочетания i приемлем-
• вариант сочетания i, ?68, i неприемлемы, ввиду того, торможение 1-го звена конструктивно неосуществимо.
С учетом осуществленного анализа в качестве ведущих звеньев возможно использование звена 1 (центральная солнечная шестерня 1-го планетарного ряда) и звена 5 (водило), в качестве ведомого — звена 8 (коронное колесо 3-го планетарного ряда).
Кинематические связи звеньев УМДМ
Определим кинематические связи звеньев ПС УМДМ при ведущем звене 1 с помощью
следующих уравнений:
п = п8 • '-18 + пи • (! — '-18) — (9)
п1 = п4 • /14 + nH • (1 — /14) — (10)
n1 = пб • i16 + пн •(1 — i16) — (11)
п1 = п7 • '-17 + пн • (1 — i 17). (12)
Из уравнения (1) находим п8:
(13)
п" =
п1 — пН • (1 — '-18)
'-18
При из уравнения (10) находим пн:
п
1 — i
14
(14)
Подставляя уравнение (14) в (13), получаем: 1
п4 =
п1 — п1 ---• (1 — '-18)
1 — /л
Разделив обе части данного уравнения на получим следующую зависимость:
1_ 1 _ '-18 1 1 _ '-лл
'-18 '-18
Как уже отмечалось выше, выражена уравнением (8):
. 4 = 1 '-14 '-18 _
1 — /о
1
Очевидно i18 • - = 1.
1 — i
1 — 1 — '-18
14
1-i
14
1 — i"
= 1.
i84 i18
Таким образом, получаем следующую зависимость:
i = h± '-84 _. •
(15)
Аналогично устанавливаем кинематические связи между звеньями при п = 0, п7 = 0. Полученные результаты кинематических связей звеньев УМДМ представлены в табл. 2.
При ведущем звене 5 (водило) уравнение кинематической связи между звеньями ПС УМДМ имеет вид:
ip =
'-58
1
1 — i

где Р — заторможенное звено.
5−8
4
пН =
Таблица 2
Кинематические связи между звеньями ПС УМДМ
при ведущем звене 1 (n1 = const)
i = ^ 84. i18 i'-l" i = - '-86. i18 i = ^ '-87. i18
i = ^ 48. i14 i = ^ '-46. i14 i = ^ 47. i14
i = ^ 64. l16 i = ^ 67. i16 i = 68. i16
i = ^ 74. i17 i16 i = - '-76. i17 i = '-78. l17
Таблица 3
Кинематические связи между звеньями ПС УМДМ
при ведущем звене 5 (n5 = const)
ОБОБЩЕННЫЙ КИНЕМАТИчЕСКИЙ ПЛАН УМДМ
Используя известную методику построения обобщенного кинематического плана (ОКП) на основе уравнений кинематических связей с учетом величины низшей передачи и шага между передачами q на рис. 5 приведен ОКП ПС УМДМ.
Частота вращения ведомого вала выражается отрезками оси абсцисс или ординатами штрих-пунктирного луча, проведенного через начало координат и единичную точку. Частоты вращения тормозных (заторможенных) звеньев пна включаемых передачах и нейтрали определяются ординатами их лучей.
Относительные частоты вращения центральных звеньев определяются вертикальными отрезками между их лучами. Например, на передаче заднего хода, которая получается включением тормоза заднего хода (п7 = 0), абсолютные частоты вращения центральных звеньев равны:
n = n
& quot-вм & quot-вщ
— ое
вщ
оа оа
-ож — ке
'- n4 = П8Щ ¦ _
ле
-зе -ие
n, = n--- n = n--
h вщ '- 6 вщ
ле ле
Относительная частота вращения максимальна на передаче переднего хода между звеньями п4 и п, которая определяется по выражению:
лк
n. — n, = n
4 1 вщ
ле
Рис. 5. Обобщенный кинематический план ПС УМДМ при ведущем звене 1
методика аналитического
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ передаточных ОТНОШЕНИЙ УМДМ
Решение уравнения (9)-(12) позволяет получить следующие зависимости для аналитического определения внутренних передаточных отношений, т. е. характеристик дифференциальных механизмов (см. рис. 2):
h18 — h12 '- Z2'-3 '- Vs-
•7
— i
16.
-i
86
— i
17
— i
87
Поскольку по табл. 2−3 г86 = -, '-8,
'-, о
(17)
(18)
(19)
(20)
О

то, после подстановки этих зависи-
мостей в уравнения (18)-(20), получим:
h18 —
h с
— i
16.
'-16
'-18
— h.
(21)
(22)
(23)
Характеристики (внутренние передаточные отношения) '-14, '-16, '-17, '-18 определяем из уравнений (17), (21)-(23).
Характеристика будет равна величине передаточного числа при торможении водила:
•Н • h1 8 — '-18 •
(24)
Характеристика будет определена из уравнения (21):
1 _ '-16 _ (1 _ '-16) • '-18
i6 — -11 о
1 —
h й h.
h18 '- (i18 h16) — (1 h16) '- h18
h16 —
h18 '- (i18 1)
(25)
Соответственно характеристики '-'- '-'- будут определены из уравнений (22)-(23):
. '-18 • ('-18 _ 1).
h14 — & quot-
h18 h18
h18 '- (i18 — 1)
'- 7 — ¦ '- h18 — h18
(26)
(27)
При торможении водила 5 получаем первую передачу УМДМ:
1: — h 1:
¦II
(28)
При торможении 6-го звена получаем вторую передачу УМДМ:
'- _ '- 6 (29)
41 '-18 •
При торможении 4-го звена получаем третью передачу УМДМ:
(30)
,•4
При блокировке УМДМ получаем четвертую передачу АКП равно численно единице:
'-1 к _ 1. (31)
При торможении 7-го звена, как было отмечено выше, получаем передачу с отрицательным значением:
'-" _ _. (32)
В любой ПС для обеспечения ее работоспособности необходимо выполнить условия сборки, соосности и соседства, что накладывает определенные ограничения на подбор чисел зубьев зубчатых колес, который должен соответствовать расчетным передаточным отношениям.
ПС УМДМ имеет отличительные свойства, в том числе и наличие в кинематической схеме УМДМ сцепленных сателлитов, связанных друг с другом во втором ПР, образуя замкнутый шестеренный ряд (рис. 6).
Число сателлитов, расположенных в первом и третьем рядах, распределяющих мощность от ведущего к ведомому кинематическому звену, не может быть больше трех, что несколько снижает несущие способности дифференциального механизма.
Наличие трех сателлитов в первом и третьем рядах и шести сателлитов в шестеренном ряду обуславливает необходимость размещения их осей на одинаковых межцентровых расстояниях во всех трех ПР. Тогда при условии, что сумма зубьев шестерен, находящихся в зацеплении в каждом планетарном ряду, будут равны между собой и кратны трем, обеспечивается выполнение условий сборки, соосности и соседства.
В связи с вышеизложенным необходимо определить диапазоны внутренних передаточных чисел в каждом из четырех дифференциальных механизмов при обеспечении постоянства межцентрового расстояния в планетарных рядах УМДМ. Для решения этой задачи использовано условие сборки:
z + z
a c
k • A,
(33)
где za — число зубьев солнечной центральной шестерни- zc — число зубьев коронного колеса- к — число сателлитов- А — любое целое число.
— i
14.
— 7
17
18
14
18
— 7
h18 h18
Рис. 6. Аксонометрическое изображение кинематической схемы УМДМ
Задаемся диапазоном числа зубьев солнечной центральной шестерни при условии к = 3, и исходя из кинематической схемы первого, второго, третьего и четвертого дифференциальных механизмов, рассчитываем диапазон передаточных чисел (характеристики дифференциальных механизмов) 7, 7, 7, 7 в зависимости от А. На основе расчетов был построен график изменения передаточных чисел в функции от, А (рис. 7).
На данном графике при каком-либо постоянном значении, А расстояние между линиями 1−2, 3−4, 5−6 определяют диапазон внутренних передаточных чисел всех четырех дифференциальных механизмов УМДМ с учетом того, что диапазон расположенный между линиями 3−4 одинаков для второго и третьего дифференциальных механизмов (см. рис. 2).
Рис. 7. График изменения i в функции от А: 1 — i при za = min- 2 — i при za = max-
3 — i,_, i," при z = min- 4 — i,_, i," при z = max-
17 '- 18 * a '- 17 '- 18 * a '-
5 — i14 при za = max- 6 — i при za = min
При известных передаточных числах (7, 7'-17, 7'-18, 7'-14) дифференциальных механизмов можем определить число зубьев звеньев УМДМ с учетом размеров и габаритов механизма, характеризуемым числом А.
Для первого дифференциального механизма:
ii6 = (- ^) • *,
(34)
где г1 — число зубьев центральной солнечной шестерни 1- г2 — число зубьев сателлита 2- г6 -число зубьев коронного колеса 6.
Число зубьев коронного колеса 6 из условия соосности:
(35)
z6 = Z1 + 2 • z2
Совместно решив уравнения (18) и (20), определяем z1:
(36)
2 • z2
'-i6 -1
Приравняв уравнения (25) и (34) можем определить число зубьев коронного колеса 6:
718 • (i168 & quot- 1) • (-z1)
(37)
Для второго дифференциального механизма (по конструктивным особенностям УМДМ известно, что 2Х = г3, г2 = г2,):
/17 = (-^) * (- -) •& quot- = -. z1 z 2 z3 z3
(38)
где г2, — число зубьев сателлита 2'-- г3 — число зубьев сателлита 3- г7 — число зубьев коронного колеса 7.
Приравняв уравнения (27) и (38) определяем число зубьев коронного колеса 7:
. '-i8 • 0l8 !) • z3
'-is h
(39)
Для третьего дифференциального механизма
i18 = (-& quot-) * (- -) • ~ ,
zi z 2 z3
(40)
где 2у — число зубьев сателлита 3'-- г8 — число зубьев коронного колеса 8.
Приравняв уравнения (24) и (40), определяем число зубьев коронного колеса 8
'-/В • z1 • z2/ • z3/ z2 • z3
(41)
Для четвертого дифференциального меха-
низма
z, z
1 2
i18 i1
8
?14 _ (-• (-^) • (--4, (42)
zl z 2 zз/
где z4 — число зубьев солнечной шестерни 4.
Приравняв уравнения (26) и (42) определяем число зубьев солнечной шестерни 4
'-18 • ('-14 В _1) • zl • z9/ • • (_1)
(43)
4
('-18 _ '-18) • Z3
Число зубьев сателлита 3'- находим из усло-
вия соосности:
^ _ & quot-
2
(44)
Полученные числа зубьев должны быть связаны следующими зависимостями:
^ _ ^ + 2 • zз! — (45)
(46)
(47)
^ _ z.
z7 _ + zз/ + ^ - Z1 + Z2 _4 + Z 3/.
заключение
Компактность П С УМДМ определяется тем, что при трех планетарных рядах число дифференциальных механизмов равно четырем, а число основных звеньев равно шести. При этом ПС УМДМ в отличие от вышеуказанных схем при постоянном ведущем звене обеспечивает получение на ведомом звене пяти передач: три понижающих передач- прямая передача- задний ход.
Применение П С УМДМ в качестве модуля позволяет решать задачу синтеза не только двухстепенных, а также трехстепенных АКП при увеличении числа управляющих элементов или дополнительного планетарного ряда и при использовании в качестве ведущего звена не
одного, а двух звеньев ПС УМДМ (солнечное центральное колесо первого планетарного ряда и водило).
Предложенная методика кинематического расчета УМДМ позволяет упростить определение передаточных чисел дополнительных планетарных рядов при синтезе двух и трехстепенных АКП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Косенков А. А. Устройство автоматических коробок передач и трансмиссий. Ростов н/Д: Феникс, 2003. 416 с.
2. Шарипов В. М. Конструирование и расчет тракторов. М.: Машиностроение, 2004. 590 с.
3. Кожевников С. Н. Теория механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1969. 584 с.
4. Кирдяшев Ю. Н. Многопоточные передачи дифференциального типа. Л.: Машиностроение, Ле-нингр. отд. -ние, 1981. 223 с.
5. Патент Р Ф № 2 384 773 «Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач» от 20. 03. 2010 г.
ОБ АВТОРАХ
Фасхиев Хакимзян Амирович, проф. каф. прикл. гидромех. Дипл. инж. -мех. (Марийский политех. ин-т, 1982), дипл. экон. (Казанский фин. -экон. ин-т, 1999). Д-р техн. наук по колес. и гусенич. машинам (ФГУП ГНЦ «НАМИ», 1999). Иссл. в обл. проект. транс. средств, упр-я конкурентоспособностью техн. и соц. -экон. систем.
Волошко Владимир Владимирович, зав. проблемной лаб. дифференциальные механизмы ИНЭКА. Дипл. инж. -мех. (КАИ, 1964). Иссл. в обл. трансмиссий транс. средств.
Салахов Ильдар Ильгизарович, ст. препод. каф. автомобили и двигатели ИНЭКА. Дипл. инж. -мех. (ИНЭКА, 2006). Иссл. в обл. автоматических трансмиссий транс. средств.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой