Наукові основи механіки клинопасових варіаторів, як системи з керуючими в’язями

Размещено на http://allbest.ru

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.02.02. - Прикладна механіка

НАУКОВІ ОСНОВИ МЕХАНІКИ КЛИНОПАСОВИХ ВАРІАТОРІВ, ЯК СИСТЕМИ З КЕРУЮЧИМИ В'ЯЗЯМИ

ВИКОНАВ ДУБИНЕЦЬ ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ

Одеса2004



АНОТАЦІЯ

Дубинець О.І. Наукові основи механіки клинопасових варіаторів, як системи з керуючими в'язями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.02. - Прикладна механіка. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2004.

Дисертацію присвячено проблемі керування машинами і робочими процесами за допомогою клинопасових варіаторів.

Вивчено голономні зв'язки як одноступінчастих, так і двоступінчастих клинопасових варіаторів на базі функцій положення, які необхідні для математичного опису варіаторів.

Розроблено узагальнену модель клинопасового варіатора і наведено її математичний опис. Отримано принципово нові залежності для розпірних зусиль, що відіграють суттєву роль у процесах керування варіаторами. На підставі узагальнених диференціальних рівнянь отримано аналітичні залежності для опису керувальних зусиль. Розроблено методику вибору керувального електродвигуна і синтезу параметрів керувального варіатора. Вирішено завдання відшукання керувальних зусиль за оптимального бистродіючого розгоні агрегату за допомогою варіатора при наявності обмежень на прискорення і ривок веденої системи. Дано опис динамічних навантажень ременя як на одноступінчастих, так і на двоступінчастих варіаторах.

Проведено дослідження автоматичних клинопасових варіаторів по лінії синтезів параметрів відцентрових регуляторів, що забезпечують коригування осьового зусилля, підвищено значення осьового зусилля в зоні максимального передатного відношення. Виконано аналіз різних схем автоматичних клинопасових варіаторів із додатковими регуляторами. За результатами проведених досліджень зроблено узагальнення і висновки.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

клинопасовий варіатор шків

Робота багатьох машин сучасного виробництва неможлива без зміни режимів роботи. Для цього використовують різні типи безступінчастих приводів, серед яких широке застосування набули механічні безступінчасті передачі - варіатори.

Натепер найбільш широко використовуються в силу своїх достоїнств клинопасові варіатори, що випускаються серійно в різних країнах світу, у тому числі й у країнах СНД.

Якщо раніше клинопасові варіатори використовували для передачі потужності до 100 кВт, то тепер німецькі фірми розробили і випускають клинопасові варіатори, що дозволяють передавати потужність 200 кВт. Керовані клинопасові варіатори використовують у комбайнах та інших сільськогосподарських машинах, приводах металорізальних верстатів і різних машин харчової промисловості, приводах апаратів хімічної промисловості, намотувальних пристроїв і т. ін.

Снігоходи, яких випускають в розвинутих країнах світу понад одного мільйон штук за рік, оснащені автоматичними клинопасовими варіаторами (АКВ). Їх використовують в трансмісіях мопедів, моторолерів, мотоциклів і малолітражних автомобілів.

Актуальність теми. Стратегією економічного та соціального розвитку України передбачено, що визначальним пріоритетом державної політики має стати структурна перебудова промисловості, розвиток інноваційної моделі економічного зростання, утвердження України як високотехнологічної держави. Обраний стратегічний курс на інноваційний розвиток ґрунтується на структурній перебудові економічних галузей, технологічному оновленні промисловості, широкому використанні досягнень науки і техніки, проведенні політики ресурсо- та енергозбереження.

Підвищення продуктивності праці, поліпшення якості продукції, що випускається, ведення технологічних процесів на оптимальних режимах, зниження енерговитрат потребує безступінчастої зміни швидкісних і силових режимів машин, що дозволяють використовувати в приводах варіатори, серед яких належне місце займають клинопасові варіатори. Однак, незважаючи на широке впровадження клинопасових варіаторів у техніку, немає узагальнюнених досліджень, основаних на методах аналітичної механіки щодо особливостей, які розкривають суть і роботу клинопасових варіаторів. Не вирішені також важливі для практики завдання, а результати досліджень не задовольняють ряд умов, що не дозволяє виявити динамічні особливості таких систем і розробити єдиний підхід до аналізу і синтезу їх параметрів. Усе це заважає широкому впровадженню клинопасових варіаторів, не дозволяє продуктивно використовувати на практиці їх властивості в процесі керування машинами, реалізувати оптимальні режими автоматичного керування і в кінцевому підсумку - підвищити ефективність керування агрегатом. Крім того, під час керування варіатором у його системі виникають значні динамічні навантаження, знання яких дозволить підвищити надійність і довговічність такого типу передач. Тому дослідження в області загальної механіки машин є актуальними для сучасного машинобудування і техніки приводу машин.

Позначка і завдання дослідження. Мета роботи - розвиток механіки клинопасових варіаторів як складової частини загальної механіки машин і на базі цього створення якісно нового науково-обґрунтованого методу динамічного аналізу і синтезу параметрів клинопасових приводів, що являє собою розробку визначеного напряму загальної проблеми керування машинами.

Для досягнення мети було поставлено такі завдання:

· Дослідження передатних функцій для одноступінчастих і двоступінчастих варіаторів як з одним, так і двома регульованими шківами, для найбільш загального випадку з різними кутами клинових канавок шківів.

· Розроблення узагальненої моделі клинопасового варіатора і його математичний опис.

· Одержання принципово нових залежностей для розпірних зусиль.

· Вивчення процесів керування в клинопасових варіаторах і співвідношення зусиль, що забезпечують змінення передатного відношення.

· Розроблення методики вибору електродвигуна керувального механізму і методики синтезу передатної функції та параметрів механізму керування варіатором.

· Вирішення завдань щодо відшукання оптимальних за швидкодією рухів агрегату з варіатором за наявності обмежень на ривок веденої частини агрегату і комплексного критерію при обмеженні прискорення і ривка.

· Знаходження керувальних зусиль у клинопасових варіаторах, що забезпечують оптимальні за швидкодією рухи агрегату.

· Дослідження динамічних навантажень у ремені в період керування варіатором.

· Розроблення методики синтезу параметрів регуляторів автоматичних клинопасових варіаторів з умов оптимізації руху.

· Проведення досліджень з удосконалення регуляторів автоматичних клинопасових варіаторів і розроблення методики їх розрахунку.

· Виконання аналізу різних схем автоматичних клинопасових варіаторів зі збільшеною кількістю регуляторів.

· Дослідження автоматичних клинопасових варіаторів на базі двоступінчастих схем.

· Виконання узагальнень за всіма зазначеними дослідженнями.

Об'єкт дослідження - клинопасові варіатори як з одним регульованим шківом, так і з двома, як одноступінчаті, так і двоступінчасті, як керовані, так і автоматичні з відцентровим регулятором і регулятором за моментом.

Предмет дослідження - механіка процесів керування клинопасовими варіаторами, їх загальні закономірності та відмінності.

Методи досліджень. Поставлені завдання вирішувалися на базі теоретичних методів з використанням математичного апарату, методів аналітичної механіки, загальної механіки і динаміки машин, теорії коливань, теорії оптимального керування і числових математичних методів.

Наукова новизна отриманих результатів. В основу роботи покладено концепцію, за якою якісно нові результати, що відповідають сучасному рівню вимог до процесів керування агрегатами за допомогою варіаторів, можна отримати підходячи принциповопо новому, до вирішення актуальних завдань для найбільш розповсюдженого типу варіаторів - клинопасових.

На підставі проведених досліджень сформульовано такі наукові результати:

Уперше в самому загальному вигляді за різних кутів клинових канавок шківів вивчено голономний зв'язок клинопасових варіаторів і отримано функції положення як для одноступеневих, так і двоступінчастих варіаторів, що згодом дозволяє зв'язати діапазон регулювання з осьовим переміщуванням керувального диска.

Розроблено узагальнену модель клинопасового варіатора інадано її математичне описання, як для системи з двома керувальними зв'язками. Показано особливості моделі і виконано її опис залежно від способу керування.

Уперше отримано науково обґрунтовані залежності, які визначають закон зміни керувального зусилля, куди входять розпіркові зусилля ременя, та для яких отримано аналітичні залежності, що задовольняють раніше експериментально установленим особливостям.

Запропоновано і розроблено методику синтезу системи керування варіатором за допомогою електродвигуна. Отримано залежності, що установлюють його потужність і граничну частоту обертання.

Розглянуто задачі оптимального за швидкодіючим керуванням агрегатом за допомогою клинопасового варіатора за наявності обмежень на ривок, прискорення і ривок та на кінематичну потужність і розроблено методику визначення керувального зусилля за оптимальним керуванням.

На основі отриманих диференціальних рівнянь руху агрегату з варіатором з урахуванням податливості ременів вивчено вплив силового і кінематичного збуджень на динамічні навантаження в ремені для різних схем варіаторів.

Для автоматичних клинопасових варіаторів відповідно до висунутих вимог розроблено методики синтезу кулачкового профілю відцентрованого регулятора з урахуванням інерційних параметрів агрегату і машини, обмежень на момент завантаження та обмежень на ривок при розгоні.

Запропоновано, розроблено і досліджено відцентрований регулятор, який дозволяє компенсувати осьове зусилля і створює підвищене зусилля в зоні максимального передатного відношення. Досліджено різні відцентровані регулятори із загальними пружинними компенсаторами.

Досліджено можливості поліпшення характеристик автоматичних клинопасових варіаторів за рахунок установлення додаткових регуляторів. Виявлено ефект додаткового демпфірування від установлення другого регулятора за моментом.

Для двоступеневих автоматичних клинопасових варіаторів розглянуто різні варіанти установлення регуляторів і виявлено найбільш раціональний.

Практичне значення одержаних результатів. Найважливіше практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблено на основі загальних принципів механіки якісно нові методи динамічного розрахунку керованих і автоматичних клинопасових варіаторів.

Використання результатів роботи на практиці дозволить:

Якісно поліпшити динамічні процеси керування агрегатами за допомогою клинопасових варіаторів;

Збільшити надійність і довговічність клинопасових варіаторів;

Забезпечити побудову системи автоматичного регулювання, що дасть змогу реалізувати оптимальні процеси керування;

Широко впроваджувати цей прогресивний вид безступінчастих передач у промисловість за наявності методики їх розрахунку;

Зменшити енергоспоживання за рахунок використання варіаторних приводів у машинах;

Знизити матеріалоємність завдяки можливості вибору на стадії проектування раціональних динамічних параметрів варіатора;

Результати досліджень впроваджені на ВАТ «Хімтекстильмаш» м. Чернігів;

Матеріали дисертації впроваджено до навчального процесу кафедри технічної механіки Національного технічного університету України «КПІ» в курсах «Теорія механізмів та машин», «Прикладна механіка».

Особистий внесок здобувача. Полягає в розробленні основної концепції роботи, виборі, обґрунтуванні теми і постановці завдань, проведенні аналітичних досліджень і узагальненні отриманих результатів. В опублікованих роботах автору належать основні ідеї проведених досліджень і наукове обґрунтування основних теоретичних положень, особисто виконав усі аналітичні викладення роботи. Йому належить ідея розроблення відцентрового регулятора автоматичних клинопасових варіаторів, що мають дві важливі якості: створюють підвищене осьове зусилля в зоні максимального передатного відношення і компенсують осьове зусилля залежно від частоти обертання ведучого шківа, розробив регулятор за моментом, що створює підвищене осьове зусилля в зоні максимального передатного відношення варіатора, належать ідеї щодо розроблення методик динамічного розрахунку параметрів варіатора і регуляторів автоматичних варіаторів. Автор виявив ефект виникнення додаткового демпфірування під час установлення на ведучому шківі автоматичного варіатора додаткового регулятора за моментом.



2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено важливість проблеми, якій присвячено дисертацію, показано її практичне значення, поставлено мету роботи, сформульовано завдання досліджень і показано їх актуальність, сформульовано положення, що виносяться на захист.

У першому розділі зроблено огляд технічної літератури за темою дисертації. Аналіз публікацій показав таке: дослідженню клинопасових варіаторів присвячено велику кількість публікацій, але немає узагальнених результатів, а деякі основані на не зовсім коректних принципах. Так, розглядається окремо рівновага рухомих дисків ведучого і веденого шківів. Однак між осьовими переміщеннями цих дисків існує голономний зв'язок і тому зусилля, діючи на рухомі диски, будуть також взаємозалежними і це накладає відбиток на вибір значення керувального зусилля.

Математичний опис руху агрегату з клинопасовим варіатором передбачає не тільки неголономний зв'язок, але і голономний, що вносить особливості в математичний опис, оскільки передатне відношення змінюється під дією керувального зусилля, прикладеного до рухомого диска або до одного з валів варіатора при одному регульованому шківі. У відомих роботах з динаміки агрегату з клинопасовим варіатором вважається, що передатне відношення є заданою функцією часу.

Важливу роль у керуванні клинопасовими варіаторами відіграють розпірні зусилля, створювані ременем, які впливають на диски шківів. Існуючі залежності для визначення цих зусиль не задовольняють ряд вимог експериментів і передусім тому, що у неробочому режимі роботи розпірні зусилля на обох шківах однакові і не залежать від значення передатного відношення.

Клиновий ремінь у системі варіатора є найбільш слабкою ланкою, на яку діють значні динамічні навантаження під час керування і які потрібно вивчити.

Використання оптимальних за швидкодією режимів розгону агрегату зумовлює ряд позитивних ефектів. Однак слід розширити дослідження, враховуючи обмеження не тільки на прискорення веденої системи, але і на її ривок, що викликає неприємні відчуття в пасажирів за наявності варіатора в трансмісії транспортного засобу.

Для поліпшення динамічних властивостей малих транспортних засобів, оснащених автоматичним клинопасовим варіатором потрібно коректувати осьове зусилля відцентрового регулятора залежно від частоти обертання ведучого шківа, для чого доцільно використовувати загальні пружні компенсатори. А для поліпшення тягових властивостей малих і вантажних транспортних засобів підвищеної прохідності необхідно розробити регулятори, що у зоні максимальних передатних відносин створюють підвищені осьові зусилля.

Дослідження, спрямовані на розвиток механіки клинопасових варіаторів і одержання узагальнених результатів, будуть сприяти широкому впровадженню цих прогресивних безступінчастих передач у техніку.

У першому розділі зроблено огляд клинопасових варіаторів як керованих, так і автоматичних, використовуваних у приводах сучасних машин. Крім огляду, виконано їх аналіз з метою виявлення найбільш раціональних систем як самого варіатора, так і механізмів керування ними. Виявлено найбільш використовувані в техніці варіатори.

Для математичного опису агрегату з клинопасовим варіатором необхідно вивчити передатні функції. Для схем варіатора вперше отримано залежність, що зв'язує осьові переміщення y і х рухомих дисків шківів для загального випадку, коли кути клинових канавок ведучого 2 ₁ і веденого 2 ₂ різні:

(1)



де а_w - відстань між осями шківів; - кут обхвату веденого шківа ременем; = (y = 0).

Виявлено вплив різниці кутів на співвідношення між переміщеннями y і х. Оскільки залежність (1) є дещо складною, то на основі методу збурювання було отримано наближений розв'язок, що зв'язує y і х:

(2)

який дає помилку менше 0,5 %. Тут - кут обхвату ведучого шківа ременем; =

Вирази (1) і (2) дозволяють одержати залежності для перших передатних функцій:

(3)

Для варіатора з одним регульованим шківом отримано рівняння голономного зв'язку, що встановлює співвідношення між зміною і зміною міжосьової відстані:

(4)

Одержано наближений розв'язок яке дає помилку до 2 %.



На підставі наведених залежностей знайдено рівняння голономных зв'язків для двоступінчастих варіаторів, а також перші передатні функції.

Знайдені наближені розв'язки дозволили вперше одержати залежність між діапазоном регулювання Д варіатора й осьовим переміщенням y_к рухомого диска для одноступінчастих і двоступінчастих варіаторів.

Модель варіатора з одним регульованим шківом, де S₁ і S₂ - зусилля натягу гілок ременя; F_а - сила тертя ; m_a- маса системи, що переміщується разом з регульованим шківом.

Агрегат із клинопасовим варіатором можна схематично показати двомасовою обертальною системою, до якої прикладено керувальне варіатором зусилля К_а.

Показано, що для математичного опису агрегату з клинопасовим варіатором для більшої наочності і розкриття фізичної суті взаємодії елементів варіатора доцільно скористатися фундаментальним принципом механіки - принципомможливих переміщень. Положення агрегату з клинопасовим варіатором визначається двома узагальненими координатами: одна в обертальному русі, де між шківами наявний неголономний зв'язок, а друга - в поступальному русі рухомого диска, де має місце голономний зв'язок між дисками шківів для варіаторів із двома регульованими шківами і зв'язок між переміщенням диска і шківа для варіатора з одним регульованим шківом.

Як узагальнені координати були прийняті ц₂ і y. Оскільки передатне відношення U варіатора є функцією, а між шківами існує лінійний неголономний зв'язок

(5)

то диференціальне рівняння, що описує обертальний рух, набуває вигляду



(6)

(7)

у цьому випадку зусилля К₁ буде керувальним К₁ = К_а. Розв'язок системи диференціальних рівнянь дозволяє знайти закони змінювання під дією керувального зусилля. Якщо розглянути стаціонарний режим роботи, тобто то за рівнянням (7) можна визначити умову статичної рівноваги дисків

,

що дозволяє одержати залежність К₁.

Для варіатора з одним регульованим шківом справедливим залишається рівняння (6), а рівняння, що описує процес керування варіатором, має вигляд

(8)

.

Рівняння (7) і (8) мають однакову структуру, але трохи відрізняються. В останньому рівнянні зусилля виконує роль розпірного зусилля Q₂ у рівнянні (7).

Показано, що рівняння (6) і (7) справедливі і для автоматичних клинопасових варіаторів, для яких

,

де Р₁ і Р₂ - зусилля пружин; К_щ і К_м - осьові зусилля, створювані відцентровим регулятором і регулятором за моментом.

На основі принципу можливих переміщень було отримано вираз для розпірного зусилля веденого шківа

(9)

На веденому шківі зусилля натягу ременя при обіганні збільшується і ремінь розтягується, а на ведучому - зменшується і ремінь коротшає. При цьому виникає пружна осьова сила Q_Е, яку було визначено в результаті досліджень,

(10)

де F_t - корисна колова сила; а_р - ширина ременя по нейтральній лінії;

Е_р, Е_с - модулі пружності ременя при розтяганні і стисканні. У результаті досліджень для ведучого шківа знайдено:



(11)

На неробочому режимі F_t = 0. За умови, що ₁ = ₂ одержуємо, що Q₁ = Q₂за будь-якого передатного відношення, що підтверджується експериментами і чого не дають всі існуючі залежності, оскільки вони є функціями

Крім того, експерименти показують, що

Q₂ S₁ + S₂,

що дає залежність (9). У результаті отримано аналітичну залежність для граничного теоретичного коефіцієнта тяги

, (12)

де f₂ - коефіцієнт тертя між веденим шківом і ременем.

Одержані залежності Q₁ і Q₂ відповідають стаціонарному режиму роботи варіатора. У результаті досліджень уперше були визначені зусилля в перехідному режимі і показано, що тертя в перехідному режимі приблизно на 10 % змінює величини Q₁ і Q₂ в один чи інший бік залежно від зміни U.

У другому розділі розглядаються одноступінчасті керовані клинопасові варіатори.

Проведено дослідження механіки варіаторів при керуванні за допомогою електродвигуна. У результаті досліджень отримано залежність для першої передатної функції механізму керування:

(13)

на основі якої можна зробити синтез цього механізму. Тут М_к - момент керувального електродвигуна; U_p - передатне відношення редуктора . Аналогічну функцію можна знайти, якщо керувати рухомим диском веденого шківа. Якщо керувати варіатором убік розсовування дисків на керувальному шківі, може виявитися, що швидкість осьового переміщення диска буде більшою від осьової швидкості ременя, що виникає за рахунок пружини керованого шківа. Аналітично встановлено умови, що запобігають цьому явищу; на основі цих умов можна визначати граничну швидкість керувального двигуна. Розроблено методику визначення потужності керувального двигуна. Зазначені дослідження виконано для варіаторів як із двома, так і з одним регульованим шківом. Приводиться приклад синтезу керувального механізму на основі розробленої методики.

Розглянуто питання оптимального за швидкодією керування агрегатом за допомогою клинопасового варіатора, коли на ривок веденої системи накладено обмеження

(14)

Перебування керувального зусилля, наприклад, К₁ = К_v відбувається в такий послідовності.

Рух агрегату можна подати у вигляді системи рівнянь з реакціями M_1R, M_2R зв'язків:

(15)

Реакцію М_2R розглядають як рівняння V = М_2R і на базі варіаційного числення знаходять закон руху, після чого визначають

Потім, використовуючи умову ідеальності зв'язків, одержують

звідки знаходять закон зміни за умови оптимального керування і далі

З огляду на те, що , визначають . Момент

,

Тоді, наприклад, при керувальному ведучому шківі керувальне зусилля можна визначити за рівнянням (7):

(16)



Таким же способом розв'язано задачі при накладенні обмежень:

Проведено дослідження динамічних навантажень у ремені. Отримано диференціальні рівняння руху агрегату c варіатором з урахуванням піддатливості ременя:

(17)

,

де С₂₁ - приведена твердість ременя; - кут повороту відомого шківа за рахунок піддатливості ременя;

F_п - поперечний переріз ременя.

Якщо в рівнянні (7) замість К₁ підставити , то одержимо друге рівняння системи (17). Із системи (17) легко можна знайти:

. (18)



Звідси видно, що динамічні навантаження залежать від силового і кінематичного збурювань. При керуванні на підвищення і збурення мають однаковий знак. Отримано наближений розв'язок ( t), з якого знайдено _мах, а потім і найбільше динамічне зусилля

в ремені, що особливо важливо на стадії проектування.

Для оцінки точності одержаного наближеного рішення для S_max виконані обчислення за допомогою ЕОМ шляхом розв'язання системи нелінійних диференційних рівнянь (17). Обчислення показали, що значення S_max одержане в результаті наближеного розв'язку приблизно на 25 % менше одержаного за допомогою ЕОМ. Одночасно на ЕОМ був досліджений вплив сили керування К₁ на величину динамічної сили S_max в пасі. Виконані обчислення показали, що величина S досягає свого максимального значення в перший на півперіод коливань викликаних прикладанням кінематичного навантаження в перший напівперіод коливань викликаних прикладанням кінематичного навантаження регулювання.

Виявлена особливість прояву динамічних навантажень в пасі. Встановлено, що зі збільшенням сили натягу робочої вітки паса чи зі збільшенням постійної складової моменту сил опору, динамічні навантаження в пасі, викликані прикладанням кінематичного навантаження регулювання, дещо знижуються.

У третьому розділі розглянуто задачі механіки двоступінчастих клинопасових варіаторів. Виявлено деякі особливості цих варіаторів при математичному описі. Положення ланок агрегату з клинопасовим варіатором визначається двома узагальненими координатами, як і при одноступінчастому. Показано, що поводження агрегату в обертальному русі буде описуватися незалежно від схеми варіатора одним диференціальним рівнянням:

, (19)

де U = U₁ U ₂ - загальне передатне відношення варіатора; U₁, U₂ - передатне відношення першого і другого ступіней; І₃ - момент інерції блока проміжних шківів.

Вигляд рівняння поводження системи, що описує рухомі диски, залежить від схеми варіатора. Так, для співвісного варіатора отримано

(20)

де m₁₁, m₂₁ - маси рухомих дисків ведучого шківа і проміжного веденого першого ступеня; m₁₂ і m₂- маси рухомих дисків ведучого проміжного і веденого другого ступеня; Q₁₁, Q₂₁, F₁₁, F₂₁ - розпірні зусилля і сили тертя напрямноговедучого і веденого шківів першого ступеня; Q₁₂, Q₂₂, F₁₂, F₂₂- відповідні сили для другого ступеня:

де К_у = К_а - керувальне зусилля; Р₁₁, Р₂₂ - сили, створювані пружинами.

Показано, що рівняння для системи рухомих дисків трохи відрізняються між собою коефіцієнтами, але мають однакову структуру. Інтегрування рівнянь (19), (20) дає розв'язання



;

тобто закони руху залежать від керувального зусилля К_у .

Розглянуто питання керування двоступінчастих варіаторів по лінії визначення керувальних зусиль. Дійсне зусилля керування К_аv повинне бути більше К_а, і чим більше К_аv відносно К_а, тим інтенсивніше будуть переміщуватися рухомі диски і тим інтенсивніше змінюватиметься кутова швидкість. Виконано дослідження динамічних навантажень у ременях двоступінчастих варіаторів. Були отримані диференціальні рівняння з урахуванням піддатливості ременів:

(21)

де С₁, С₂ - приведені твердості ременів;

;

₁, ₂ - кути відносного повороту ведучого шківа першого ступеня і веденого шківа другого ступеня за рахунок піддатливості ременів. Показано, що рівняння (21) є узагальненими і справедливими для кожної зі схем двоступінчастих варіаторів. Четверте рівняння, що описує переміщення рухомих дисків, визначається відповідним рівнянням, у якому замість К_у варто підставляти

.

Показано, що як і для одноступінчастих варіаторів динамічні навантаження в ремені визначаються як силовим, так і кінематичним збурюванням. Вивчено вплив кінематичних збурювань першого і другого ступенів на динамічні навантаження.

У четвертому розділі досліджено автоматичні клинопасові варіатори, що містять відцентровий регулятор і регулятор за моментом. Спочатку розглянуто різні принципи визначення кулачкового профілю відцентрового регулятора. Розроблено новий метод побудови кулачкового профілю відцентрового регулятора з урахуванням інерційних параметрів агрегату і силової характеристики М_с машини. Розв'язання задачі зводилося до інтегрування рівняння

(22)

де m - загальна маса вантажних ланок відцентрового регулятора; І_з = І₂ - момент інерції веденої системи;

;



Z = Z (y) - відстані від осі обертання шківа до центра ваги вантажної ланки; r_к - радіус, на якому взаємодіють елементи регулятора за моментом; - кут нахилу гвинтової поверхні регулятора за моментом відносно площини обертання шківа. Розроблено методику одержання розв'язок Z = Z (y) рівняння (22).

Розглянуто випадки синтезу кулачкового профілю відцентрового регулятора, коли на момент навантаження

накладено обмеження і коли накладено обмеження на величину ривка .

Проведено дослідження з удосконалювання відцентрових регуляторів. Показано доцільність установлення загального пружного компенсатора для коректування осьового зусилля. У разі зупинки пружного компенсатора до рівнянь руху агрегата з варіатором варто додати рівняння руху опорного диска. Розроблено методику синтезу параметрів розглянутого відцентрового регулятора, де пружний компенсатор зв'язаний з опорним диском. Розглянуто іншу модифікацію регулятора, у якого загальний пружний компенсатор установлений між рухомим диском і вантажними ланками. Показано, що при використанні цього регулятора до рівнянь руху агрегату варто додати рівняння, яке описує осьове переміщення системи вантажних ланок. Розроблено методику синтезу параметрів цього регулятора.

Вантажні моторолери, а також малі транспортні засоби підвищеної прохідності з варіатором у трансмісії, повинні володіти підвищеною тяговою здатністю на малих швидкостях руху, тобто в околі U = U_max регулятори повинні створювати підвищені осьові зусилля. Розроблено відцентровий регулятор, що задовольняє зазначену вимогу, де додаткове осьове зусилля створюється додатковою вантажною ланкою - важелем, що зв'язує основну вантажну ланку з рухомим диском. Це дає можливість за певного розташування цієї додаткової ланки - важеля створювати додаткові осьове зусилля в зоні U = U_max. Після цієї зони ланка - важіль діє, як одне ціле з основними вантажними ланками. Детально досліджено цей регулятор і створено методику розрахунку його параметрів.

Створено відцентровий регулятор, що поєднує в собі дві потрібні властивості регулятора: створювати в околі U = U_max підвищене осьове зусилля і коректувати осьове зусилля залежно від частоти обертання шківа. Додаткова вантажна ланка шарнірнозакріплена на основній вантажній ланці і своїм роликом спирається на кулачкову поверхню 4, створюючи в такий спосіб в околі U = U_maxдодаткове осьове зусилля. Після виходу ролика з контакту з кулачком, тобто за умови, що U U_max, додаткові ланки виконують роль компенсаторів і коректують осьове зусилля К_щ залежно від кутової швидкості шківа. Додаткові ланки підпружинені пружиною, що повертає їх у вихідне положення. Осьове зусилля К_wстворюваного в околі U = U_max, визначають виразом

(23)

де Р_с - відцентрова сила інерції, розвинена основними вантажними ланками 1; Р_s - відцентрова сила інерції від додаткових ланок 2; М_у - пружний момент пружини; - кут нахилу кулачка 4.

Третій член виразу (23) визначає частку осьового зусилля, що виникає від реакції N_sу місці контакту кулачка роликом. При виході ролика з контакту з кулачком N_s = 0. Докладно досліджено даний тип регулятор. Розглянуто відцентровий регулятор з додатковими вантажними ланками, що виконують роль кулачка і встановленими між двома пружинами з попереднім натягом. Отримано диференціальні рівняння руху агрегату з таким регулятором і показано можливість даного регулятора виконувати компенсаційні функції. Однак цей регулятор є складною динамічною системою. Створено регулятор за моментом, який в околі U = U_max розвиває підвищене осьового зусилля.

Вивчені властивості автоматичних варіаторів при установленні в традиційній схемі додаткового відцентрового або регулятора за моментом. У результаті аналізу виявлено, що установлення додаткових регуляторів не дозволить істотно змінити динамічні якості варіатора. Однак при установленні додаткового регулятора за моментом у системі варіатора виникає додаткове кінематичне демпфірування, що є позитивним ефектом для усунення коливальних явищ у системі варіатора.

Досліджено автоматичні клинопасові варіатори на базі двоступінчастих схем. Розглянуто чотири можливі варіанти встановлення центробіжного регулятора і регулятора за моментом. У результаті досліджень виявлено найраціональніші варіанти встановлення результатів. Запропоновано методику синтезу параметрів центробіжного регулятора в системі двоступінчастих автоматичних клиноременних варіаторів.



ВИСНОВКИ

За результатами виконаних досліджень можна зробити висновки щодо розв'язання наукової проблеми керування машинами за допомогою клинопасових варіаторів

Розроблені наукові основи механіки клинопасових варіаторів. що дозволяє вирішити проблему створення нового науково-обгрунтованого методу динамічного аналізу і синтезу параметрів клинопасових приводів.

Проведений аналіз одноступеневих та двоступінчастих варіаторів показує наявність в варіаторах не тільки неголономної але й голономної в'язі, котру необхідно ураховувати в математичному описі агрегату з варіатором.

Встановлено, що для варіаторів одноступеневих та двоступінчастих голономний зв'язок, який установлює відношення між осьовими переміщеннями рухомих дисків, нелінійний, а різниця кутів канавок впливає на це співвідношення.

Розроблена узагальнена модель клинопасового варіатора в період регулювання являє собою механічну систему з двома зв'язками - голономним і неголономним, - в якій керування здійснюється за допомогою керувального зусилля, яке впливає на голономний зв'язок. Урахування голономного зв'язку зумовлює появу додаткового диференціалльного рівняння при математичному описі моделі. Розроблений математичний опис являється узагальненим і має силу як для керувальних так і автоматичних варіаторів.

Запропонований метод математичного опису клинопасового варіатора дозволяє отримати аналітичні залежності, які описують закон зміни керувального зусиллязалежно від сил, що діють на ланки варіатора, вирішальними з яких є розпірні зусилля.

Розроблена принципово нова модель взаємодії ременя зі шківом дозволила визначитирозпірні зусилля ременя, які задовольняють визначені експериментально установленим особливостям.

Отримані рівняння для керувальних зусиль є основою для синтезу механізму керування варіатором за допомогою електродвигуна. Розроблено методику синтезу параметрів керувального механізму, визначення потужності електродвигуна і його граничної частотиобертання.

Показано, що задачі оптимального за швидкодіючим керуванням агрегатом за допомогою варіатора з урахуванням обмежень на ривок, на ривок і прискорення, на кінетичну потужність зводяться до задач визначення керувального зусилля.

Отримані для різних схем варіаторів диференціальні рівняння руху агрегату з варіаторам з урахуванням податливостіременя та впливу керувального зусилля. Показано, що величина керувального зусилля суттєво впливає на величину динамічних навантажень у ремені.

Розроблені методики синтезу кулачкового профілю відцентрового регулятора автоматичних клинопасових варіаторів дозволяють виконувати розрахунки з урахування інерційних параметрів агрегату, обмежень на момент навантажень, обмежень на ривок при розгоні, при використанні загальних пружних компенсаторів осьового зусилля.

Запропонований відцентровий регулятор дозволяє не тільки створювати компенсацію осьового зусилля залежно від кутової швидкості шківа, але і створює підвищене осьове зусилля в зоні максимального передатного відношення, що особливо важливо у використанні автоматичного клинопасового варіатора у трансмісії малих вантажних транспортних засобів та засобів підвищеної прохідності

Проведені дослідження показали, що установлення додаткового регулятора в автоматичному клинопасовому варіаторі не приводить до поліпшення його характеристики.

Дослідження показали, що при використанні двоступінчастих клинопасових варіаторів відцентрових регуляторів і регуляторів за моментом найдоцільніше установлювати один відцентрований на ведучому шківі першого ступеня, другий на проміжному блоці шківів, а регулятор за моментом на веденому шківі другого ступеня.



СПИСОК РОБІТ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дубинец А.И., Архангельский Г.В. Об использовании автоматического клиноременного вариатора в приводе сверлильных станков. // Министерство высшего и среднего специального образования УССР. Технология и автоматизация машиностроения. - К.: 1990. - Вып. 45.- С. 9

2. Дубинец А.И., Архангельский Г.В., Москаленко И.Е. Метод использования реакций связей в динамике управляемого привода станков // Министерство высшего и среднего специального образования УССР. Технология и автоматизация машиностроения.- К.: 1990. - Вып. 46. - С. 16

3. Дубинец А.И., Архангельский Г.В. Оценка осевых усилий в клиноременных вариаторах. // Министерство высшего и среднего специального образования УССР ОПИ. Детали машин. - 1991. - Вып. 53. - С. 103-108.

4. Дубинец А.И., Архангельский Г.В., Оганесян А.П. Вариаторный привод манипуляторов // Министерство образования Украины. Металлорежущие станки. - К.: 1992. - Вып. № 20. - С. 29-31.

5. Дубинець О.І., Архангельський Г.В., Дубинець Н.І. Зусилля в автоматичних клинопасових варіаторах приводів верстатів // Весник Национального технического университета Украины «Киевський политехнический институт». Машиностроение.- К.: 2001. - Вып.40. - С. 226

6. Дубинець О.І., Архангельський Г.В. Розрахунок параметрів регуляторів автоматичних клинопасових варіаторів з метою поліпшення динаміки розгону // Весник Национального технического университета Украины «Киевський политехнический институт». Машиностроение. - К.: 2001. - Вып. 41. - С. 228-236.

7. Дубинець О.І., Архангельський Г.В., Дубинець Н.І. Демпфувальна здатність автоматичних клинопасових варіаторів // Наукові нотатки. - Луцьк: 2001. - Вип. 9. - С. 4-11.

8. Дубинець О.І. Питання поліпшення динамічних характеристик автоматичних клинопасових варіаторів. // Наукові нотатки. -Луцьк.: 2002. - Вип. 10. - С. 70-76.

9. Дубинец А.И. Повышение динамических качеств автоматических клиноременных вариаторов за счет улучшения характеристики центробежного регулятора. // Технологические системы. -К.: 2002. - № 2 (13) 2002. - Вып. 1. - С. 62-64.

10. Дубинец А.И., Архангельский Г.В. Управление движением с помощью вариатора и нахождение законов движения. // Техніка АПК.- К.: 2002. - Вип. 1; 2. - С. 21-22.

11. Дубинець О.І., Архангельський Г.В. Динамічна навантаженість ременів клинопасових варіаторів. // Вісник технологічного університету Поділля. Хмельницький: 2002. - Ч. 1. - С. 98-101.

12. Дубинец А.И., Архангельский Г.В. Центробежные регуляторы автоматических клиноременных вариаторов. // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: - 2002. Вип. 4. Т. 16. - С. 49-55.

13. Дубинец А. И. Автоматические клиноременные вариаторы малых транспортных средств. // Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». Машиностроение. - К.: 2002. - Вып. 43. - С. 157-159.

14. Дубинець О.І., Архангельський Г.В., Дубинець Н.І. Осьові зусилля, що діють на диски шківів клинопасових варіаторів. // Національний транспортний університет. Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів.- К.: 2002. - Вип. 15. - С. 30-33.

15. Дубинець О.І., Архангельський Г.В. Механіка робочих процесів автоматичних клинопасових варіаторів малих транспортних засобів // Вісник національного транспортного університету. - К.: 2002. - № 7. - С. 38-43.

16. Дубинец А.И., Архангельский Г.В. К расчету рациональных центробежных регуляторов автоматических клиноременных вариаторов. // Зб. наук. праць УДМТУ.- Миколаїв: 2002. - Вип. № 8 (386). - С. 98-102.

17. Дубинець О.І. До визначення розпірних зусиль клинопасових варіаторів // Машинознавство. - Львів: - 2002. - Вип. 11. - С. 41-43.

18. Дубинець О.І., Архангельський Г.В. Про використання пружних ланок у відцентровому регуляторі автоматичних клинопасових варіаторів // Машинознавство. - Львів: 2002. - Вип. 12. - С. 44-47.

19. Дубинец А.И. Вопросы управления двухступенчатыми клиноременными вариаторами // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: 2003. - Вып. № 2 (388). - С. 99-109.

20. Дубинець О.І., Архангельський Г.В. Поліпшення динамічних властивостей автоматичних клинопасових варіаторів транспортних засобів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернополь: 2003. Том 8 №1. - С. 62-66.

21. Дубинець О.І. Динамічні навантаження в пасах двоступеневих клинопасових варіаторів. // Вісник технологічного університету Поділля. -Хмельницький: 2003. - Ч.1 - С.125-129.

22. Дубинец А.И., Архангельский Г.В. Метод расчета параметров автоматического клиноременного вариатора. // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - Черкаси. - 2003. - № 1. - С. 98-102.

23. Деклараційний патент України на винахід № 62891А, МПК 7F16455/56 Ведучий шків / О.І. Дубинець, Г.В. Архангельський (Україна) № 2003098669; Заяв. 23.09.2003; опубл. 15. 12. 2003; Бюл. № 12.

24. Дубинец А.И., Архангельский Г.В. Механика автоматических клиноременных вариаторов малых транспортных средств. Теорія механізмів, машин і техносфера України ХХІ сторіччя. Тези доповідей 1-го Всеукраїнського з'їзду. - Харків. - 1997. - С.11.

25. Дубинец А.И., Архангельський Г.В., Поздняков Ю.П. Синтез параметров регуляторов автоматических клиноременных вариаторов грузовых мототранспортных средств. Бесступенчастые передачи, приводы машин и промышленное оборудование. Тезисы докладов международной конференции. - Калининград, Росия. - 1997. - С. 25.

26. Дубинец А. И. Изучение законов движения агрегата с вариатором и управление агрегатом на основе принципа возмущений. Бесступенчастые передачи, приводы машин и промышленное оборудование. Тезисы докладов международной конференции. - Калининград, Росия. - 1997. - С. 79.

27. Дубинец А.И. Оптимальне по быстродействию законы движения агрегата с вариатором. Бесступенчастые передачи, приводы машин и промышленное оборудование: Тезисы докладов международной конференции. - Калининград, Росия. - 1997. - С. 82.

28. Дубинец А.И., Архангельський Г.В. Распорные усилия ремня в клиноременных вариаторах. Бесступенчастые передачи, приводы машин и промышленное оборудование: Тезисы докладов международной конференции. - Калининград, Росия. - 1997. - С. 72.

Размещено на Allbest.ru

...