Муфты сцепления траткоров

 

 

 

где Е — модуль упругости  первого рода, I₀₁, I₀₂ — осевые моменты инерции сечений вала соответственно на участках длиной l₁ и l₂ (рис. 6.1).

Если вместо е_д подставить значения или , можно найти предельные значения и математическое ожидание радиальной силы. Изгибающий момент от этой силы для любого сечения вала равен ее произведению на соответствующее расстояние. Наряду с этим моментом на ведомый вал муфты действует и изгибающий момент , вызванный перекосом. По известной величине угла перекоса значение момента можно найти по экспериментальным зависимостям , (рис. 6.3). Интенсивность роста момента уменьшается с увеличением угла перекоса . При ≈ 15—20° изгибающий момент достигает максимального значения, после чего рост его практически прекращается, что можно объяснить появлением относительного скольжения в шлицевом соединении ступица — ведомый вал. При расчете ведомого вала муфты на прочность опасное сечение следует находить с учетом и имеющих противоположные знаки.

 

Рис. 6.3. График изменения  радиального усилия P и изгибающего момента , дайствующих на ведомый вал муфты: ○ — расчетное, — экспериментальное значения усилия P, Δ — экспериментальное значение изгибающего момента .

 

На МТЗ разработан и внедрен комплекс организационно-технических мероприятий, позволяющих повысить точность установки двигателя на трактор, включающих фрезеровку бобышек полурамы в местах крепления передней опоры двигателя, приспособление для контроля качества сварки лонжеронов с лапами и полурамы в сборе, а также для контроля соосности коленчатого вала двигателя и ведомого вала муфты. Проведенные испытания подтвердили эффективность этих мероприятий, износ шлицев уменьшился в 1,5—2,0 раза. На тракторе МТЗ-80 в ведомом диске муфты размещены демпферные пружины, а под переднюю опору двигателя устанавливаются резиновые амортизаторы, величина затяжки которых контролируется.

7. ГИДРОМУФТА

 

Особенность фрикционной  муфты заключается в том, что  она жестко соединяет двигатель с трансмиссией в процессе работы трактора, в результате чего динамическую систему двигатель — трансмиссия можно рассматривать как единую колебательную систему, в которой параметры звеньев отдельных частей системы влияют друг на друга. Поэтому здесь, с одной стороны, случайные изменения тягового сопротивления и случайные воздействия на ведущие колеса от поверхности пути трансформируются к трансмиссии и далее к коленчатому валу, в результате чего повышается нагруженность трансмиссии и снижаются эффективная мощность и экономичность двигателя, с другой — крутильные колебания коленчатого вала передаются в трансмиссию и нагружают ее дополнительно. С ростом энергонасыщенности трактора и скорости тракторного агрегата нагруженность трансмиссии повышается главным образом за счет возрастания динамичности процессов. Так, например, при повышении скорости универсально-пропашного трактора на 30% дисперсия нагрузок увеличилась в 1,5 — 2,0 раза при практически одинаковых значениях математического ожидания передаваемого трансмиссией крутящего момента. Нагруженность элементов трансмиссии при переходных процессах, характеризуемая работой трения фрикционных муфт и максимальным динамическим крутящим моментом, в этом случае также возрастает в среднем в 1,5 раза.

Эта проблема имеет несколько  методов решения, один из них позволяет повысить коэффициент загрузки и экономичности двигателя и снизить нагруженности трансмиссии при установившемся режиме работы и переходных процессах. Этот метод заключается в установке в трансмиссии трактора гидродинамической муфты. Гидромуфта может практически разделять систему двигатель — трансмиссия на две части так, что звенья одной части мало влияют на частоту собственных колебаний другой части системы. Гидромуфта может также производить «фильтрацию» высокочастотных крутильных колебаний коленчатого вала двигателя и существенно уменьшать амплитуду низкочастотных колебаний крутящего момента, трансформируемого от колес. Наряду с этим гидромуфта способствует также некоторому улучшению условий труда тракториста, так как на тракторе с гидромуфтой снижаются продольные ускорения и частота пользования органами управления трансмиссии.

В трансмиссии универсально-пропашных тракторов применение гидродинамической муфты может оказаться эффективным при правильном выборе параметров гидромуфты и рациональном согласовании ее характеристики с характеристикой двигателя.

Основные свойства гидромуфты определяют характеристики коэффициента полезного действия η_г и нагружающих свойств, которые строятся в функции кинематического передаточного отношения i = n₂/n₁ (n₁ и n₂ — частота вращения насосного и турбинного колес). У гидромуфты η_г = i, причем максимальная величина к.п.д. в зависимости от размера и энергоемкости гидромуфты колеблется в пределах 0,97—0,98.

Одна из наиболее важных характеристик нагружающих свойств гидромуфты, которая может быть представлена как в абсолютном (изменение передаваемого гидромуфтой крутящего момента М_г в функции i), так и в относительном (изменение коэффициента момента λ в функции i) виде. Последняя форма более удобна, поскольку каждая такая характеристика свойственна целой группе гидромуфт с подобными рабочими органами.

Степень возрастания коэффициента гидромуфты определяет коэффициент прозрачности гидромуфты (— коэффициенты момента максимальный и при i = 0,97), также этот коэффициент показывает, во сколько раз максимальный крутящий момент, передаваемый гидромуфтой при динамическом процессе преодоления временного сопротивления, может превышать номинальный крутящий момент двигателя.

На рабочей ветви защитные свойства гидромуфты в области низкочастотных колебаний определяет коэффициент жесткости характеристики. Требования к жесткости противоречивы, так как увеличение жесткости приводит, с одной стороны, к повышению энергоемкости на режиме совмещения и увеличению ее к.п.д. в области кинематических передаточных отношений, близких к единице, а с другой — к снижению защитных свойств гидромуфты.

Чаще всего на трактора ставят гидромуфты с устройствами для ограничения прозрачности: с пороговым устройством и камерой статического и динамического опорожнения. На универсально-пропашных тракторах применяется гидромуфта с динамическим опорожнением, ее особенность — несимметричные колеса и кольцевая сбросная камера в центральной части насосного колеса (рис. 7.1). При работе на эксплуатационных режимах с малым скольжением циркуляция жидкости происходит в заполненных межлопастных каналах. При увеличении скольжения в результате снижения частоты вращения турбинного колеса величина противодавления в нем уменьшается. Жидкость начинает попадать в сбросную камеру, расход в рабочей полости уменьшается, рост коэффициента момента гидромуфты замедляется или прекращается полностью в зависимости от соотношения объемов и формы рабочей полости и сбросной камеры. Эта гидромуфта отличается высоким быстродействием и имеет характеристику, наиболее благоприятную для работы с тракторным двигателем. Выходные показатели энергетической установки «двигатель—гидромуфта» определяются характеристикой их совместной работы. При согласовании на характеристику двигателя наносят абсолютные нагружающие характеристики гидромуфты M_г=f(n) при фиксированных кинематических передаточных отношениях i. Точки пересечения нагружающих характеристик гидромуфты с характеристикой двигателя определяют совместные режимы работы обоих агрегатов.

Рис. 7.1. Конструктивная схема гидромуфты с камерой динамического опорожнения: 1 — турбинное колесо, 2 — маховик, 3 — насосное колесо, 4 — ребра, 5—рабочая полость, 6 — камера динамического опорожнения, 7 —турбинный вал, 8 —первичный вал трансмиссии.

 

Широкий диапазон потребной тяговой мощности и мощности на привод активных рабочих органов машин, а так же многообразие агрегатируемых сельхозмашин, требуют специфического подхода к согласованию характеристик двигателя и гидромуфты. При совмещении нагружающей параболы гидромуфты i=0,97 с номинальным крутящим моментом двигателя в соответствии с принятой методикой обеспечиваются высокие показатели по мощности N_T = N_лнη_г и удельному расходу топлива g_eт = g_eн/η_г (g_eн — удельный расход топлива двигателя) на турбинном колесе гидромуфты. Однако при этом на рабочем участке характеристики гидромуфта имеет достаточно высокую жесткость. Для энергонасыщенных тракторов совмещение характеристик двигателя и гидромуфты можно производить не в точке номинального крутящего момента, а таким образом, чтобы парабола нагружения при i = 0,97 пересекала регуляторную ветвь характеристики двигателя при загрузке, соответствующей математическому ожиданию _{потребной мощности, которая находится с учетом доли занятости трактора по видам работ. Ее вели}чина

 

 

 

где — работа, выполненная трактором за время Т с учетом всех характерных для данного трактора сельхозопераций, Т—средняя годовая занятость трактора в хозяйствах, — доля времени использования трактора на i-й сельхозоперации; р — количество учитываемых при расчете сельхозопераций, — величина мощности двигателя, проходящей через гидромуфту при выполнении j-й сельхозоперации, — мощность, потребляемая i-й сельхозмашиной на j-й сельхозоперации, n — количество сельхозмашин, используемых при выполнении j-й сельхозоперации.

Такой вариант согласования, когда парабола нагружения гидромуфты при i = 0,97 пересекает регуляторную ветвь характеристики двигателя при M_р<M_дн (рис. 7.2), а при λ_макс — через точку максимального крутящего момента двигателя M_дмакс, несколько снижаются мощностные и экономические показатели установки двигатель—гидромуфта из-за уменьшения к.п.д. гидромуфты на основных рабочих режимах. Однако при этом улучшаются защитные свойства гидромуфты из-за снижения коэффициента жесткости при i = 0,97 (рис. 7.3) и изменяется ее прозрачность от до

 

 

Рис. 7.2. Совмещение характеристик  двигателя и гидромуфты.

 

 

Рис. 7.3. Безразмерная характеристика гидромуфты.

 

Можно сделать вывод о  том, что смещение параболы нагружения гидромуфты при i = 0,97 на регуляторной ветви в зону меньших значений передаваемого крутящего момента приводит к уменьшению угла наклона рабочей ветви нагружающей характеристики λ=f(i) (рис. 7.3). Следовательно, согласование характеристик необходимо производить с учетом требований, которые являются превалирующими для данного типа трактора. Так, например, для получения высоких выходных параметров установки двигатель — трансмиссия по N_т и g_eт, когда защитные свойства гидромуфты не являются определяющими, нагрузочную параболу при i = 0,97 нужно совмещать с номинальным крутящим моментом двигателя. Если же нужно повысить защитные свойства гидромуфты при удовлетворительных выходных показателях N_т и g_eт, совмещение следует производить с учетом средней загрузки двигателя. У современных энергонасыщенных тракторов возрастает величина мощности, отбираемой на привод активных рабочих органов сельхозмашин. Поэтому доля передаваемой через гидромуфту мощности снижается и может быть близкой к математическому ожиданию мощности В этом случае при согласовании характеристик с учетом средней загрузки двигателя гидромуфта работает с высокими показателями по N_T и g_eт и защитным свойствам.

Гидромуфта смещает область высоких к.п.д. на регуляторной характеристике в зону более низких значений крутящего момента при работе тракторного двигателя на частичных характеристиках, т. е. гидромуфта может передавать одинаковый по величине момент на частичных режимах при более низком значении к.п.д.

В трансмиссии трактора гидродинамическая муфта позволяет обеспечивать снижение работы трения фрикционных муфт при переключении передач на 12—30% и трогании с места на 15—40% в зависимости от вида выполняемой работы и наполнения гидромуфты. Снижаются также динамические нагрузки при переходных процессах. При установившемся режиме работы агрегата гидромуфта также способствует снижению динамичности процесса и нагруженности элементов трансмиссии. Так, например, на пахоте (рис. 7.4) время корреляции нагрузок на вторичном валу трансмиссии составило 0,45 с гидромуфтой и 0,32 с без нее. Дисперсия нагрузок в трансмиссии с гидромуфтой ниже, чем без нее, практически во всем частотном диапазоне.

Опытные и экспериментальные  данные позволяют сделать вывод  о том, что гидромуфта для универсально-пропашного трактора должна быть ограничительного типа, с динамическим самоопорожнением и независимым приводом вала отбора мощности. Для трактора тягового класса 20 кН при активном диаметре 390 мм коэффициент момента гидромуфты на режиме совмещения i = 0,97 должен быть равен λ_i=0,97 = 0,965 *10^-6 мин²/об²*м, а коэффициент прозрачности П ≈ 3,4.

Рис. 7.4. Корреляционные функции R_x и спектральные плотности крутящего момента на вторичном валу коробки трактора класса 20 кН: ——— гидромуфта сблокирована; — — — гидромуфта разблокирована, заполнение — 85%.

 

Таким образом получается, что нерегулируемая гидромуфта не может в полной мере удовлетворить предъявляемые к ней противоречивые требования на всех режимах работы тракторных агрегатов без изменения ее нагружающей характеристики. Проблема оптимизации режимов работы установки двигатель — гидромуфта на всех режимах работы двигателя может быть решена, если в трансмиссии трактора применять регулируемую гидромуфту, позволяющую получать необходимые нагружающие характеристики в соответствии с внешним воздействием.

8. ВОЗМОЖНЫЕ УЛУЧШЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

 

Постоянно существует необходимость совершенствования существующих и создания новых конструкций муфт сцепления, вызванная ростом передаваемых через них мощностей, повышением интенсификации процессов трения, тепловыделения и износа при включении, увеличением срока службы и повышением надежности муфты, а также необходимостью улучшения условий труда тракториста.

Муфт сцепления с асбофрнкционными накладками еще далеко не исчерпали свои возможности. Основными путями повышения работоспособности муфт сцепления такого типа являются:

1. улучшение стабильности основного выходного параметра муфты — передаваемого ею крутящего момента в процессе буксования (коэффициента запаса), что может быть достигнуто за счет повышения термо- и износостойкости пар трения (применение новых более качественных материалов), увеличения допустимых величин нзносов фрикционных накладок (приклеивание и приформовывание накладок к металлическому ведомому диску вместо приклепывания); применение нажимных пружин с более пологими характеристиками или автоматической регулировкой усилия нажимных пружин по мере износа фрикционных накладок; уменьшение осадки нажимных пружин в процессе эксплуатации (теплоизоляция пружин от нажимного и опорного дисков);
2. снижение теплового режима поверхностей трения за счет естественной вентиляции картера муфты, как например у муфты сцепления Борг энд Бек, или принудительного обдува поверхностей трения, уменьшения коэффициента взаимного перекрытия (применение сегментных фрикционных элементов, особенно свободно устанавливающихся, взамен кольцевых фрикционных накладок);
3. применение пружин растяжения для создания осевого усилия вместо предварительно сжатых нажимных пружин (пружины растяжения могут располагаться внутри или снаружи картера);
4. применение упругих ведомых дисков, снабженных гасителями крутильных колебаний;
5. использование пневматического и гидравлического приводов управления с автоматической регулировкой рабочего зазора;
6. обеспечение соосности ведущих и ведомых элементов муфты;
7. применение специальных выжимных подшипников.