Основной проблемой современного тракторостроения является проблема повышения нагрузочной способности трансмиссии тракторов. Решение данной проблемы в первую очередь заключается в оптимизации работы лимитирующих узлов, к которым относится планетарные механизмы, применяемые на отечественных тракторах (ДТ, ВТ, ЧЕТРА) в механизмах поворота, коробках и в конечных передачах [4].
К достоинствам планетарных механизмов можно отнести большие передаточные отношения, компактность, высокий коэффициент использования нагрузки на единицу массы, благодаря многопоточности и применению внутреннего зацепления [5].
В то же время в классическом исполнении планетарные механизмы относятся к статически неопределимым системам, поэтому реализация их преимуществ возможна только при условии компенсации погрешностей изготовления и сборки [5].
Проведенные ранее исследования показали, что основными причинами выхода из строя планетарных механизмов являются неравномерное распределение нагрузки между сателлитами и по длине зубчатых зацеплений шестерен. Чувствительность к погрешностям у планетарных механизмов обусловлена наличием избыточных связей или статической неопределимостью этих механизмов.
Избыточными для механизма являются такие связи, устранение которых не приводит к изменению числа степеней свободы механизма. Механизмы с уменьшенным числом избыточных связей позволяют расширить допуски на изготовление, тем самым снизить трудоемкость и повысить долговечность узла [4].
Цель исследования
Обоснование способов, повышающих равномерность распределения нагрузки в зубчатых зацеплениях и разработка новых конструкций планетарных механизмов с уменьшенным числом избыточных связей, применяемых в трансмиссии гусеничных машин.
Материалы и методы исследования
Проверка планетарных механизмов на наличие в них избыточных связей проводилось путем подсчета их по структурной формуле Малышева А.П.:
,
или в развернутом виде:
,
где q – число избыточных связей; n – число подвижных звеньев; w – подвижность механизма; pV – число кинематических пар 5-го класса, pIV – число кинематических пар 4-го класса, pIII – число кинематических пар 3-го класса, pII – число кинематических пар 2-го класса, pI – число кинематических пар 1-го класса.
Результаты исследования и их обсуждение
Неравномерность распределения нагрузки зубчатых зацеплений, определяется погрешностью изготовления и сборки механизмов, неодинаковым износом зацеплений и приводит к снижению долговечности работы планетарных передачи, т.к. зубчатые зацепления сателлитов работают с увеличенной нагрузкой. Примером работы планетарного механизма с повышенными нагрузками является планетарный механизм поворота тракторов ДТ-75 и ВТ-100, достигаемый ресурс этого механизма не превышает 10 тыс. моточасов, при необходимом ресурсе в 15 тыс. моточасов.
Рис.1. Структурная схема ПМП ДТ-75 и ВТ-100
В однорядном планетарном механизме без плавающего звена с тремя сателлитами и подшипниками пятого класса (рис. 1) имеется восемь избыточных связей при 3-х сателлитах. Две вызывают неравномерное распределение окружного усилия между сателлитами, шесть других создают неравномерную нагрузку по длине зуба в шести зацеплениях. Большое число избыточных связей требует очень точного исполнения таких механизмов, иначе они очень плохо работают и ресурс узла не достигает требуемого значения.
Для решения проблем связанных с статически неопределимыми системами, на кафедре «автомобиле- и тракторостроение» Волгоградского Государственного Технического Университета были разработаны новые конструкции планетарных механизмов [1, 2, 3] с уменьшенным числом избыточных связей, которые не требует повышенной точности изготовления и сборки и позволяют равномерно распределять нагрузку, как между сателлитами, так и по длине зубчатых колес.
Одним из наиболее эффективных способов увеличения равномерности распределения нагрузки является применение так называемых рациональных или самоустанавливающихся механизмов. Самоустанавливающиеся механизмы содержат звенья, обладающие дополнительными подвижностями, что позволяет им в процессе работы занимать положение, соответствующие отсутствию статической неопределенности.
Для устранения статической неопределимости водило выполняется составным, а зубья сателлитов и ступицы с бочкообразным продольным профилем (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема планетарной передачи с «Бочкообразным зубом»
За счет применения составного водила и бочкообразных зубьев приобретается угловая подвижность, планетарный механизм самоустанавливается между центральными колесами, происходит выравнивание нагрузки, как между сателлитами, так и по длине их зубьев.
Недостатком данной конструкции, является сложная и дорогая технология изготовления бочкообразного продольного профиля сателлитов и ступицы, при помощи шевенговании дисковыми шеверами.
Еще одним из новых конструкций и способом увеличения равномерности распределения нагрузки является составное водило, звенья которых соединены между собой карданным шарниром (рис. 3).
Рис. 3. Структурная схема планетарной передачи с «Карданным шарниром»
Карданные шарниры позволяют, за счет приобретения относительных поворотов секторов составного водила, самоустанавливаться между центральными колёсами, выравнивая нагрузку между сателлитами и по длине их зубьев.
Недостатком данной планетарной передачи является то, что сектора сателлитного блока соединены карданными шарнирами, образующими в перпендикулярной осям секторов жесткий треугольник, что не позволяет в достаточной степени выравнивать нагрузку между сателлитами и по длине зуба сателлитов.
Для устранения предыдущих недостатков и для максимального выравнивания нагрузки в зубчатый зацеплений, был разработан планетарный механизм с составным водилом, звенья которого соединены между собой тросами (рис. 4).
Рис. 4. Структурная схема планетарной передачи с «Тросовым соединением»
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. Снижение неравномерности распределения нагрузки между сателлитами и, и, частично, по длине зубьев сателлитов происходит за счет радиального смещения и поворота сателлитного блока под воздействием сил, возникающих в зацеплениях всех сателлитов с центральными колёсами.
Для получения достоверности представленных новых рациональных конструкций планетарных механизмов, мы произвели расчет на статическую определимость по формуле Малышева, результаты расчета сведены в таблицу.
Расчет числа избыточных связей
|
Схема механизма по рисунку |
n |
Число кинематических пар |
W |
q |
||||
|
pV |
pIV |
pIII |
pII |
pI |
||||
|
1 |
5 |
5 |
- |
- |
6 |
- |
1 |
8 |
|
2 |
11 |
8 |
3 |
- |
- |
6 |
8 |
0 |
|
3 |
11 |
5 |
6 |
- |
6 |
- |
8 |
3 |
|
4 |
11 |
5 |
3 |
- |
6 |
3 |
14 |
0 |
Из полученного расчета можно сделать вывод о том, что конструкции планетарных механизмов с «Бочкообразным зубом» и «Тросовое соединение» статически определимы, а механизм с «Карданным шарниром» имеет уменьшенное число избыточных связей по сравнению с базовой конструкцией.
Рис. 5. Распределение нагрузки между сателлитами
Для проверки адекватности полученных результатов на рис. 5 представлены графики неравномерности распределения нагрузки между сателлитами различных конструкций планетарных механизмов поворота, где можно наблюдать ощутимую разницу в значениях коэффициента неравномерности между классическим и исследуемыми механизмами поворота. Наиболее равномерное распределение нагрузки в зубчатых зацеплениях наблюдается в «Тросовом соединении».
Заключение
На основе полученных результатов можно сказать об адекватности физической и математической модели классического варианта, исходя из идентичности полученных результатов полученных экспериментальным путем. Результаты расчета предложенных вариантов показали, что предложенные кинематические схемы планетарных механизмов за счет исключения избыточных связей характеризуются гораздо меньшей интенсивностью нагрузок, вызванных погрешностями изготовления редуктора. Следовательно, можно заключить, что разработка и внедрение таких механизмов позволит существенно увеличить долговечность существующих трансмиссионных агрегатов, а также разработать новые более компактные трансмиссии.