Способ определения демпфирующих свойств элементов трансмиссии и стенд для его осуществления

Группа изобретений относится к области машиностроения. Возбуждают свободные затухающие крутильные колебания трансмиссии путем циклично повторяющегося нагружения ведущего вала крутящим моментом с резкой разгрузкой. Предварительно выполняют жесткую фиксацию выходного конца ведомого вала трансмиссии. Регистрацию затухающих свободных колебаний выполняют с помощью тензометрического торсионного вала, жестко соединенного с выходным концом ведомого вала исследуемого элемента трансмиссии. Определяют коэффициент демпфирования через математическое ожидание логарифмического декремента затухания. Стенд для определения демпфирующих свойств элементов трансмиссии содержит станину. Вертикальная плита (2) содержит центральное отверстие и сменные кронштейны (3) для закрепления на ней исследуемого элемента трансмиссии (4) соосно с механизмом нагрузки. Механизм регулировки включает в себя раму (5) с продольно-поперечными салазками и кареткой (6). Устройство нагружения выполнено в виде волнового мотор-редуктора (17). Полумуфта (21) установлена на выходном конце ведущего вала (22). Достигается повышение точности оценки динамики трансмиссии. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к методам определения демпфирующих свойств элементов трансмиссии, совершающих крутильные колебательные движения, при передаче энергетического потока в кинематических цепях, и может быть использовано в машиностроении на этапе проектирования трансмиссионных систем транспортно-технологических машин.

Крутильные колебания упруго-массовых систем относятся к тем опасным динамическим нагрузкам, которые могут приводить к аварийным повреждениям валов, редукторов, коробок скоростей и других элементов механических и гидромеханических трансмиссионных систем. Поэтому важно на этапе проектирования получить достоверную информацию о динамических характеристиках элементов трансмиссии, в том числе и о их демпфирующих свойствах. Для этого необходимо исследовать демпфирующие свойства элементов трансмиссий опытных и экспериментальных моделей транспортно-технологических машин.

Известны способы исследования и определения демпфирующих свойств различных элементов машин [Сехниашвили Э.А. «Интегральная оценка качества и надежности предварительно напряженных конструкций», М.: Наука, 1988; «Колебания автомобиля» Испытания и исследования. / Под ред. Певзнера, М.: Машиностроение, 1979], включающие возбуждение свободных затухающих колебаний ударом падающего груза либо мгновенным снятием (срывом) нагрузки с конструкции, регистрацию затухающих колебаний с получением осциллограмм, по которым определяют декремент затухания и коэффициент поглощения энергии (коэффициент демпфирования).

Известен способ определения демпфирующих свойств навесного оборудования колесного погрузчика, описанный в статье «Формирование нагрузочных режимов в навесном оборудовании колесных погрузчиков малой грузоподъемности», авторы А.А. Климов, В.А. Меновщиков, А.В. Стручков, Красноярск, изд-во КрасГАУ, 2013). Способ заключается в возбуждении свободных затухающих колебаний путем резкого сбрасывания груза, помещенного в грейферный захват, и последующей записи свободных затухающих колебаний при помощи осциллографа отдельно для каждого элемента навесного оборудования (грейферной подвески, стрелы рукояти и рамы погрузчика). Используя полученные осциллограммы, демпфирующее сопротивление определяют по формуле:

где m_i - масса элемента навесного оборудования;

g - ускорение свободного падения;

T_i - период колебаний;

- логарифмический декремент затухания;

A_n, A_n+1 - амплитуды колебаний, отстоящие друг от друга на один период.

Описанные выше способы не позволяют определить демпфирующие свойства элементов конструкции при крутильных деформациях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ исследования диссипативных свойств трансмиссии промышленного трактора, описанный в статье «Экспериментальное исследование демпфирующих свойств трансмиссии трактора класса 40 кН», авторы Климов А.А., Стручков А.В. (Научный периодический журнал «Системы. Методы. Технологии», ГОУ ВПО «БрГУ», Братск, 2011, №1, С. 50-53).

Способ заключается в предварительной жесткой фиксации выходного конца ведущего вала коробки передач исследуемой трансмиссии на корпус, возбуждении свободных затухающих крутильных колебаний, путем нагружения с резкой разгрузкой ведомого вала коробки передач единичным крутящим моментом при помощи рычага с разрывным элементом при включенной одной из передач до разрушения разрывного элемента, регистрации затухающих колебаний при помощи тензоаппаратуры и определения по полученным осциллограммам логарифмического декремента затухания, по которому судят о демпфирующих свойствах трансмиссии транспортно-технологического средства (трактора). Логарифмический декремент затухания δ всей исследуемой трансмиссии определяют по формуле:

где n - количество полных периодов затухающих колебаний;

A_i - амплитуды затухающих колебаний,

а коэффициент демпфирования трансмиссии b - по формуле:

где δ - логарифмический декремент затухания всей исследуемой трансмиссии;

C - величина жесткости всей исследуемой трансмиссии;

ω - собственная частота колебаний всей исследуемой трансмиссии.

Данный способ не позволяет определить демпфирующие свойства (логарифмический декремент затухания, коэффициент демпфирования) отдельных элементов трансмиссии, а полученные значения логарифмического декремента затухания и коэффициента демпфирования для всей трансмиссии носят приближенный, усредненный характер. Способ имеет сложный и трудоемкий подготовительный процесс, требующий разборки трансмиссии для наклейки датчиков, а также значительную продолжительность исследований, связанную с необходимостью замены разрушенного разрывного элемента при каждом повторном эксперименте, и, как следствие, сравнительно невысокую достоверность полученных результатов.

Известна экспериментальная установка для определения коэффициентов демпфирования (Климов А.А., Стручков А.В. Формирование нагрузочных режимов в трансмиссии промышленного трактора. / Монография под общей ред. А.А. Климова. - Красноярск: СибГАУ, 2015), собираемая на реальном транспортном средстве. Установка включает остов (раму) трактора, трансмиссионную систему с жестко зафиксированным выходным концом ведущего вала коробки передач на раму, нагрузочное устройство, выполненное в виде рычага с разрывным элементом, установленное на ведомом валу трансмиссионной системы (на ведущем колесе движителя), измерительную тензометрическую аппаратуру с тензометрическими датчиками, наклеенными на полуоси заднего моста.

Данная экспериментальная установка не позволяет определять демпфирующие свойства отдельных элементов трансмиссионной системы, а проведение повторных экспериментов связано с большими затратами времени и средств (замена разрушенных разрывных элементов).

Наиболее близким по технической сущности является стенд для обкатки и испытаний коробок передач разных типоразмеров (патент РФ на полезную модель №97826, МПК G01M 13/02). Стенд содержит станину с плитой для закрепления на ней испытываемого элемента трансмиссии - коробки передач, приводной двигатель, механизм нагрузки, каретку с рейкой и винтом, при этом испытываемая коробка передач снабжена спутником (кронштейном) с возможностью его замены соответствующим ее типу, закрепляемым на плите.

На указанном стенде невозможно проводить исследования демпфирующих свойств элементов трансмиссии транспортно-технологического средства.

Техническая проблема заключается в том, что известные способы и устройства не позволяют исследовать демпфирующие свойства отдельных элементов трансмиссии, а также не позволяют определить демпфирующие свойства трансмиссий, имеющих участки скручивания малой длины.

Техническая проблема решается тем, что в известном способе определения демпфирующих свойств элементов трансмиссии транспортно-технологического средства, включающем возбуждение свободных затухающих крутильных колебаний трансмиссии, путем нагружения крутящим моментом с резкой разгрузкой выходного конца одного из валов при предварительно выполненной жесткой фиксацией выходного конца другого вала элемента трансмиссии, регистрации затухающих колебаний, определении коэффициента демпфирования трансмиссии, отличающийся тем, что нагружение крутящим моментом с резкой разгрузкой ведущего вала производят циклически, а регистрацию затухающих свободных колебаний осуществляют с помощью тензометрического торсионного вала, жестко соединенного с выходным концом ведомого вала исследуемого элемента трансмиссии, при этом коэффициент демпфирования определяют через математическое ожидание логарифмического декремента затухания:

где M(δ_i) - математическое ожидание логарифмического декремента затухания;

C - жесткость испытываемого элемента трансмиссии;

ω - собственная частота колебаний испытываемого элемента трансмиссии.

В известном стенде для исследования элемента трансмиссии, содержащем станину с центрирующей плитой для закрепления на ней исследуемого элемента трансмиссии, механизм регулировки, установленный на каретке, имеющей возможность продольных и поперечных перемещений по станине, устройство нагружения, устройство измерения, согласно техническому решению устройство измерения содержит тензометрический торсионный вал с тензометрическими датчиками, установленный на подшипниках механизма регулировки, один конец тензометрического торсионного вала предназначен для жесткого соединения с выходным концом ведомого вала исследуемого элемента трансмиссии, а другой жестко соединен с вертикальной плитой, выполненной заодно с кареткой, при этом устройство нагружения представляет собой мотор-редуктор, например волновой, с упругой пластиной, радиально расположенной на его выходном валу и имеющей возможность воздействия на пальцы, выполненные по периферии полумуфты, размещаемой на выходном конце ведущего вала исследуемого элемента трансмиссии.

Технический результат заключается в возможности определения демпфирующих свойств, а именно логарифмического декремента затухания и коэффициента демпфирования для отдельных элементов трансмиссии, что позволит более точно оценить динамику трансмиссии в процессе проектирования, кроме того, конструктивное решение механизма нагружения стенда позволяет в автоматическом режиме увеличить число повторений эксперимента и получить методами математической статистики более достоверные результаты.

На фиг. 1 показан стенд для исследования демпфирующих свойств элементов трансмиссии;

на фиг. 2 - схема работы механизма нагружения;

на фиг. 3 - график затухающих свободных колебаний.

Стенд, реализующий предлагаемый способ исследования демпфирующих свойств элементов трансмиссии, содержит станину 1 (фиг. 1), на которой установлена центрирующая вертикальная плита 2, имеющая центральное отверстие и сменные кронштейны 3 для закрепления на ней исследуемого элемента трансмиссии 4 соосно с устройством нагружения, механизм регулировки, служащий для установки положения устройства измерения. Механизм регулировки включает в себя раму 5 с продольно-поперечными салазками и кареткой 6, имеющей возможность продольных и поперечных перемещений. Устройство измерения выполнено в виде тензометрического узла с регистрирующей тензоаппаратурой и включает в себя тензометрическую станцию 7, аналого-цифровой преобразователь 8, ПЭВМ 9, блок питания 10, тензометрический торсионный вал 11 с тензометрическими датчиками 12, установленный на подшипниках 13 на подвижной каретке 6 механизма регулировки. Один конец тензометрического торсионного вала 11 жестко соединен с выходным концом ведомого вала 14 исследуемого элемента трансмиссии 4 посредством муфты 15, а другой - жестко соединен с вертикальной плитой 16, выполненной заодно с подвижной кареткой 6. Механизм нагрузки представляет собой мотор-редуктор 17 (например, волновой), на валу которого установлена полумуфта 18, с жестко закрепленной одним концом радиально расположенной упругой пластиной 19, воздействующей на пальцы 20 (фиг. 2), выполненные по периферии полумуфты 21, установленной на выходном конце ведущего вала 22 исследуемого элемента трансмиссии 4.

Предлагаемый способ определения демпфирующих свойств элементов трансмиссии осуществляется следующим образом.

Испытываемый элемент трансмиссии 4 (например, коробку передач транспортно-технологической машины) устанавливают на станину 1 стенда соосно с мотор-редуктором 17 и фиксируют посредством вертикальной плиты 2 и сменных кронштейнов 3. Выходной конец ведущего вала 22 соединяют с валом мотор-редуктора 17 посредством полумуфт 18 и 21. С помощью механизма регулировки с продольно-поперечными салазками обеспечивают соосность ведомого вала 14 исследуемого элемента трансмиссии 4 и тензометрического торсионного вала 11, установленного на подвижной каретке 6 и соединяют их с помощью глухой муфты 15.

При нагружении испытываемого элемента трансмиссии вал мотор-редуктора 17 вращает с малой угловой скоростью полумуфту 18, при этом радиально расположенная на полумуфте упругая пластина 19 воздействует на палец 20 полумуфты 21, установленной на ведущем валу 22 исследуемого элемента трансмиссии 4, увлекая за собой всю крутильную систему «элемент трансмиссии - тензометрический вал» и создавая этим напряжения кручения по всей системе. Так как тензометрический вал 11 жестко соединен с неподвижной вертикальной плитой 16, то упругая пластина 19 полумуфты 18 деформируется до момента соскальзывания с пальца 20, освобождая при этом крутильную систему и давая ей возможность совершать свободные крутильные затухающие колебания. Свободные крутильные затухающие колебания крутильной системы «элемент трансмиссии - тензометрический вал» регистрируют с помощью тензометрических датчиков 12, наклеенных на тензометрическом валу 11 и тензометрической станции 7, и передают через аналого-цифровой преобразователь 8 на ПЭВМ 9, которая обрабатывает и определяет логарифмический декремент затухания исследуемого элемента трансмиссии по формуле:

где A_i, A_i+1, - амплитуды колебаний, отстоящие друг от друга на один период (фиг. 3).

При этом, продолжая вращаться совместно с валом мотор-редуктора 17 и полумуфтой 18, упругая пластина 19 входит в контакт со следующим пальцем 20 обеспечивая циклический характер нагружения. Таким образом, процесс повторяется множество раз. Результаты многократных опытов обрабатывают с помощью ПЭВМ в следующей последовательности.

Полученный по результатам многократных опытов массив N значений логарифмического декремента затухания в диапазоне от δ_min до δ_max разбивается на 10 разрядов с границами:

1 разряд - от δ_min до

2 разряд от до

3 разряд от до

10 разряд от до δ_max.

Чем больше повторений опыта, чем больше массив N полученных значений логарифмического декремента затухания δ_i, тем точнее результирующее значение логарифмического декремента затухания, определяемого через математическое ожидание M(δ_i).

Определяется среднее значение логарифмического декремента затухания в каждом разряде δ_{i cp}:

где δ_{i max}, δ_{i min} - верхняя и нижняя границы разряда;

Подсчитывается количество значений декрементов затухания в каждом разряде n_i;

Определяется вероятность значения i-го разряда p_i:

На основе полученных данных определяется математическое ожидание логарифмического декремента затухания:

и коэффициент демпфирования:

Заявленный способ позволяет определить демпфирующие свойства, а именно логарифмический декремент затухания и коэффициент демпфирования, отдельных элементов трансмиссии, а также трансмиссий, имеющих участки скручивания малой длины, что позволит более точно оценить динамику трансмиссии в процессе проектирования. Кроме того, конструктивное решение механизма нагружения стенда исключает необходимость процесса подготовки повторных опытов, что позволяет увеличить число повторений эксперимента и получить методами математической статистики более достоверные результаты.

1. Способ определения демпфирующих свойств элементов трансмиссии транспортно-технологического средства, включающий возбуждение свободных затухающих крутильных колебаний трансмиссии путем нагружения крутящим моментом с резкой разгрузкой выходного конца одного из валов при предварительно выполненной жесткой фиксацией выходного конца другого вала элемента трансмиссии, регистрации затухающих колебаний, определении коэффициента демпфирования трансмиссии, отличающийся тем, что нагружение крутящим моментом с резкой разгрузкой ведущего вала производят циклически, а регистрацию затухающих свободных колебаний осуществляют с помощью тензометрического торсионного вала, жестко соединенного с выходным концом ведомого вала исследуемого элемента трансмиссии, при этом коэффициент демпфирования определяют через математическое ожидание логарифмического декремента затухания:

где M(δ_i) - математическое ожидание логарифмического декремента затухания;

С - жесткость испытываемого элемента трансмиссии;

ω - собственная частота колебаний испытываемого элемента трансмиссии.

2. Стенд для определения демпфирующих свойств элементов трансмиссии, содержащий станину с центрирующей плитой для закрепления на ней исследуемого элемента трансмиссии, механизм регулировки, установленный на каретке, имеющей возможность продольных и поперечных перемещений по станине, устройство нагружения, устройство измерения, отличающийся тем, что устройство измерения содержит тензометрический торсионный вал с тензометрическими датчиками, установленный на подшипниках механизма регулировки, один конец торсионного вала предназначен для жесткого соединения с выходным концом ведомого вала исследуемого элемента трансмиссии, а другой жестко соединен с вертикальной плитой, выполненной заодно с кареткой, при этом устройство нагружения представляет собой мотор-редуктор, например волновой, с упругой пластиной, радиально расположенной на его выходном валу и имеющей возможность воздействия на пальцы, выполненные по периферии полумуфты, размещаемой на выходном конце ведущего вала исследуемого элемента трансмиссии.