Ефимов Андрей Викторович. Влияние дифференциала с ограниченным передаточным отношением на КПД буксования колесной машины

Краткое описание

Ефимов Андрей Викторович. Влияние дифференциала с ограниченным передаточным отношением на КПД буксования колесной машины : диссертация ... кандидата технических наук : 05.05.03.- Волгоград, 2002.- 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/151-8

Волгоградский государственный технический университет
на правах рукописи
Ефимов Андрей Викторович
ВЛИЯНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛА С ОГРАНИЧЕННЫМ
ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ НА КПД
БУКСОВАНИЯ КОЛЕСНОЙ МАШИНЫ
Специальность 05.05.03. “Колесные и гусеничные машины”
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Победин А.В.
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Котовсков А.В.
Волгоград 2002 
Оглавление
Оглавление 2
Введение 4
Г лава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Анализ достоинств и недостатков известных типов привода 9
1.2. Описание дифференциального привода с ограниченным
передаточным отношением 15
1.3. Выбор единого критерия оценки тяговых и экономических качеств
колесной машины 21
1.4. Итоги обзора и задачи исследования 31
Глава 2. Математическая модель колесной машины, оснащенной
различными типами межосевого привода 33
2.1. Анализ процесса движения колесной машины в условиях снижения
сцепления и кинематического несоответствия 33
2.2. Динамическая модель колесной машины, оснащенной
дифференциальным приводом 34
2.3. Математическая модель колесной машины, оснащенной
дифференциальным приводом 38
2.4. Аналитические зависимости основных параметров, входящих в
дифференциальные уравнения 39
. 2.5. Уточнение математической модели при повороте 44
2.6. Уточнение математической модели для других типов привода 50
2.7. Описание математической модели опорной поверхности с
различными сцепными свойствами 54
2.8. Значения параметров транспортного средства 55
2.9. Выводы о результатах теоретических исследований 59
з
Глава 3. Экспериментальная проверка адекватности математической
модели 61
3.1. Цели эксперимента 61
3.2. Приборы и инструменты 64
3.3. Оценка погрешностей 68
3.4. Результаты испытаний и оценка адекватности математической
модели 72
3.5. Выводы об адекватности математической модели 91
Глава 4. Теоретические исследования на математической модели 93
4.1. Анализ динамики изменения основных параметров движения колесной машины при применении различных типов межосевого привода ..93
4.2. Анализ динамики изменения основных параметров в критических
режимах при применении различных типов межосевого привода 105
4.3. Анализ зависимостей КПД буксования от дорожных условий при
различных типах привода 118
Основные результаты и выводы 124
Список использованной литературы 126
Приложения 136

Введение
Производительность тракторов и автомобилей, согласно [85], зависит от тяговых и динамических качеств, а также конструктивных и эксплуатационных факторов, могущих оказывать влияние на использование этих качеств. Высокая проходимость, а также высокие тяговые и экономические качества современ¬ных машин не могут быть достигнуты без использования полноприводных схем колесных движителей. В работе [91] отмечается, что другие известные пути повышения производительности машинно-тракторных агрегатов (МТА) исчерпали себя: рост рабочих скоростей движения ограничен агротехнически¬ми требованиями, увеличение ширины захвата ведет к увеличению сцепного веса, а значит повышению уплотняющего воздействия на почву и снижению урожайности.
В настоящее время четко прослеживается тенденция к применению пол-ноприводных схем колесных движителей не только у автомобилей повышен-ной проходимости и тракторов, но и у грузовых, и даже легковых автомобилей [68], [4]. Это вызвано тем, что при увеличении числа ведущих мостов улучша¬ется целый ряд эксплуатационных показателей, что вполне компенсирует уве¬личение стоимости транспортного средства вследствие усложнения трансмис¬сии: необходимости установки двух ведущих мостов и раздаточной коробки.
При использовании полноприводной схемы движителя транспортного средства
- рационально используется сцепной вес колесной машины, что позволя¬ет получить большее тяговое усилие и повысить проходимость [78], [24];
- снижаются потери, связанные с тангенциальной деформацией шин, а значит, повышается топливная экономичность, что доказано экспери-ментально [68], [51], [17], [69]. Теоретическое объяснение этому нахо¬дим у Е.А. Чудакова [88] и более поздних исследователей [67];
- полноприводные автомобили имеют лучшую устойчивость и управляе¬мость [68], так как заднеприводные автомобили в большей степени склоны к заносу задних, а переднеприводные к сносу передних колес;
- при увеличении числа ведущих мостов снижается сопротивление каче¬нию [4], что положительно сказывается на топливной экономичности транспортного средства.
Существующие на сегодня две основные схемы привода: дифференциаль¬ный и блокированный - не позволяют достичь наилучших показателей работы транспортного средства во всем диапазоне дорожных условий. Так на твердом дорожном покрытии или плотном грунте и при небольшой нагрузке на крюке (или отсутствии таковой) лучшими качествами обладает дифференциальный привод. Он позволяет двигаться колесам по различным траекториям, при этом осуществляя постоянный привод ведущих колес. Применение блокированного привода в этих условиях при наличии кинематического несоответствия приве¬дет к нестабильному неблагоприятному нагрузочному режиму, в отдельных случаях может возникать циркуляция паразитной мощности в приводе. Вместе с тем, на скользкой дороге или при большой нагрузке на крюке дифференци¬альный привод неприемлем, так как уменьшение тяги колес одного моста, на¬пример, вследствие снижения сцепления, вызывает уменьшение силы тяги ко¬лес другого моста. Поэтому ГОСТ 24410-80 “Тракторы сельскохозяйственные. Трансмиссии. Технические требования” требует, чтобы дифференциал имел механизм принудительной блокировки [22]. Наилучшими качествами в этих условиях обладает блокированный привод, так как при данном типе привода распределение нагрузки между колесами оптимальное, что позволяет наилуч-шим образом реализовать сцепной вес транспортного средства. Опасность воз¬никновения циркулирующей паразитной мощности в этих условиях маловеро¬ятна.
Решением данной проблемы было бы создание таких механизмов, кото-рые, сохраняя дифференциальный эффект, обеспечили бы оптимальное рас-пределение тяговых усилий. Как отмечается в [78]: ’’Желательно, чтобы диф¬ференциал, обеспечивая вращение ведущих колес трактора при полном отсут¬ствии их взаимного буксования или скольжения для нормальных почвенных условий, одновременно исключал буксование отдельного колеса при попада¬нии его на поверхность с низкими сцепными свойствами”.
Существует целый ряд самоблокирующихся дифференциалов, принцип действия которых основан на использовании повышенного внутреннего тре-ния. По своим свойствам указанные механизмы занимают промежуточное по¬ложение между дифференциальным и блокированным приводом, приближаясь к одному из них, в зависимости от величины коэффициента блокировки [42], [29] - основного критерия оценки таких механизмов. Указанный тип привода не позволяет полностью реализовать сцепной вес машины во всем диапазоне дорожных условий, а увеличение коэффициента блокировки снижает диффе¬ренциальный эффект.
Еще один тип - дифференциальный привод с ограниченным передаточ-ным отношением, который можно также классифицировать как дифференци-ально-блокированный. У данного типа привода отношение угловых звеньев дифференциала не может превысить некоторую конструктивно заданную вели¬чину. При достижении предельной величины отношения угловых скоростей в работу вступает механизм блокировки, после чего дальнейшее увеличение уг¬ловой скорости забегающего выходного вала дифференциала и одновременное замедление отстающего вала прекращается, при этом происходит перераспре¬деление сил тяги между мостами (ведущими колесами) в сторону их оптималь¬ных значений. Но, в отличие от блокированного привода и механизмов с по¬вышенным внутренним трением, сохраняется дифференциальный эффект в достаточно широких пределах, определяемых границами, в которых может из¬меняться передаточное отношение дифференциального привода. Подобными
свойствами обладает дифференциал фирмы Бендикс [48], привод Фергюссон [48], [93], [92] и дифференциальный привод, оснащенный механизмом автома¬тической блокировки [53]. .
Влияние дифференциального привода с ограниченным передаточным от¬ношением на тяговые и экономические качества транспортного средства ис¬следовано недостаточно. Это обстоятельство и определило цель настоящего исследования: провести сравнительную оценку тяговых и экономических ка¬честв транспортного средства, оснащенного дифференциальным приводом с ограниченным передаточным отношением, с тяговыми и экономическими ка¬чествами такого же транспортного средства, оснащенного другими типами привода.
В соответствии с поставленной целью исследования разработана матема¬тическая модель колесной машины с дифференциальным, блокированным ме¬жосевым приводом, а также дифференциальным приводом с ограниченным пе¬редаточным отношением, используемым в качестве межосевого. При расчетах с использованием математической модели получены результаты, удовлетвори¬тельно совпадающие с экспериментальными данными, что дает основание для ее дальнейшего использования при исследовании вопроса о целесообразности применения межосевого привода того или иного типа.
При помощи математической модели смоделирован процесс движения ко¬лесной машины, оснащенной межосевым дифференциальным приводом с ог¬раниченным передаточным отношением, в некоторых наиболее критических режимах, характеризуемых высокими нагрузками либо значительным кинема¬тическим несоответствием передних и задних колес. Анализ полученных дан¬ных говорит о том, что дифференциальный привод с ограниченным передаточ¬ным отношением в приводе ведущих колес полноприводной колесной машины позволяет получить высокие значения КПД буксования при любых дорожных условиях. А это означает не только низкие потери на буксование и более высо¬кую экономичность, но высокие тяговые свойства и лучшую проходимость ко-
лесной машины. Время срабатывания механизма блокировки, в течение кото¬рого происходят потери, вызванные повышенным буксованием, составляет де¬сятые доли секунды, что значительно меньше, чем сам процесс буксования.
На основании математической модели разработана методика оценки тяго¬вых и экономических показателей работы колесной машины по среднему за определенный промежуток времени значению КПД буксования. Указанная ме¬тодика позволяет проводить исследование в определенном диапазоне дорож¬ных условий, характеризуемых кинематическим несоответствием и относи¬тельной разницей коэффициентов сцепления передних и задних колес. Опреде¬лена область, в которой применения дифференциального привода с ограничен¬ным передаточным отношением наиболее целесообразно.

Список литературы

Основные результаты и выводы
1. Разработаны математические модели колесной машины со следующими ти¬пами межосевого привода: простым дифференциалом, блокированным при¬водом и дифференциалом с ограниченным передаточным отношением.
2. Экспериментальным путем доказана адекватность разработанных математи¬ческих моделей.
3. На основе разработанных математических моделей предложена методика и программные средства для оценки целесообразности применения того или иного типа привода в заданном диапазоне дорожных условий по среднему значению КПД буксования колесной машины, вычисленному за определен¬ный промежуток времени.
4. Установлено, что использование дифференциала с ограниченным переда-точным отношением в межосевом приводе колесной машины позволяет по¬лучить высокие значения КПД буксования при любых дорожных условиях. Например, при 90%-м снижении сцепления задних ведущих колес и 30%-м кинематическом несоответствии передних и задних колес у машины, осна¬щенной дифференциалом с ограниченным передаточным отношением,
Т|бСРеДн=0,77, а у машины с простым дифференциалом в межосевом приводе
Т|бСредн=0, что означает невозможность движения в данных условиях с про-стым дифференциалом, вследствие повышенного буксования колес. Таким образом, тяговые свойства и проходимость машины с простым дифферен-циалом существенно ниже, чем указанные свойства машины, оснащенной дифференциалом с ограниченным передаточным отношением.
5. При 30%-м кинематическом несоответствии передних и задних ведущих ко¬лес (возможно только при неблагоприятном сочетании нескольких причин, вызывающих кинематическое несоответствие, например, движением с ми¬
нимальным радиусом поворота и одновременным переездом неровности) и нормальном сцеплении у машины, оснащенной дифференциалом с ограни-ченным передаточным отношением, Т|бсредн=0.88, а у машины с блокирован¬ным межосевым приводом Т|бсреди=0.79. Снижение КПД буксования машины
с блокированным межосевым приводом вызвано циркуляцией паразитной мощности в трансмиссии. Таким образом, экономические свойства машины с блокированным приводом оказываются ниже при наличии кинематическо¬го несоответствия, чем машины, оснащенной дифференциалом с ограничен¬ным передаточным отношением.
6. Показано, что механизм блокировки, входящий в состав дифференциально¬го привода с ограниченным передаточным отношением, при недостаточном сцеплении обеспечивает обратную связь дифференциала, необходимую для его нормальной работы.
7. Дифференциал с ограниченным передаточным отношением обеспечивает низкие потери на буксование во всем диапазоне дорожных условий, что
подтверждается высоким средним значением КПД буксования Т|бСредн=0,852 (у машины с простым дифференциалом и с блокированным приводом, соот-ветственно, Т|бсредн=0,688 и Т|бсредн=0,847). Это указывает на целесообраз¬ность его применения в приводе ведущих колес автомобилей повышенной проходимости, а обеспечение дифференциалом с ограниченным передаточ¬ным отношением высоких тяговых качеств колесной машины позволяет ре¬комендовать его использование в приводе ведущих колес тракторов и бульдозеров.