СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1998 года по МПК G01M13/02 G01M17/00 

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при лабораторно-исследовательских испытаниях моторно-трансмиссионной установки транспортного средства.

Стендовые испытания являются важнейшим этапом процесса проверки качества и доводки узлов транспортных средств. Для того, чтобы их результаты были достоверными и соответствовали результатам эксплуатации, при испытаниях должно имитироваться воздействие на испытуемый узел основных эксплуатационных факторов, определяющих его нагруженность.

Первоначально испытания трансмиссии выполнялись на стендах, которые обеспечивали возможность воспроизведения только постоянного во времени нагрузочного режима. Примером может служить стенд, включающий в себя соединенные карданными валами испытуемые трансмиссии и приводной электродвигатель (авт. св. СССР N 99089, G 01 M 13/02, 1954).

Недостатком подобных стендов является невозможность воспроизведения соответствующих эксплуатационных нагрузочных режимов, что значительно снижает достоверность результатов испытаний.

На следующем этапе были разработаны стенды, позволявшие в форсированном режиме воспроизводить на испытуемом узле основные эксплуатационные нагрузки. Примером может служить стенд Харьковского тракторного завода для испытания заднего моста трактора Т-150 'Кармазин Э.И. Разработка комплекса ускоренных испытаний зубчатых передач тракторных трансмиссий. Автореферат кандидатской диссертации. Харьков, 1975, с. 15). Стенд включает в себя приводной электродвигатель, муфту сцепления, стендовую коробку перемены передач, раздаточный редуктор, испытываемые задний мост и поперечные передачи, нагружатель, замыкающие редукторы и карданы.

Недостатком известного стенда является то, что из-за выключения в силовую цепь стенда приводного электродвигателя, стендовой коробки передач, раздаточного редуктора, замыкающих редукторов и карданом динамические свойства силовой передачи стенда значительно отличаются от динамических свойств силовой передачи стенда значительно отличаются от динамических свойств силовой передачи транспортного средства ввиду того, что она включает в себя не присутствующие в силовой цепи транспортного средства инерционные массы вышеперечисленных узлов и жесткости их соединений, вследствие чего при проведении испытаний в режиме переменных нагрузок в валопроводе стенда появляется дополнительная вредная динамическая составляющая нагрузки, нехарактерная для валопровода транспортного средства и обусловленная наличием в силовой цепи стенда масс вышеперечисленных узлов. Это искажает воспроизводимый нагрузочный режим и снижает достоверность результатов испытаний.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является стенд для испытания моторно-трансмиссионной установки транспортного средства (авт. св. СССР N 1472786, G 01 M 13/02, 1987), содержащий замыкающие передачи, входные звенья которых соединены с выходными валами испытуемой моторно-трансмиссионной установки, а входные связаны между собой соединительным валом, тормоз, установленный на соединительном валу, и нагружатель, имитирующий загрузку испытуемого объекта на переходных режимах работы в эксплуатации.

Динамические свойства силовой передачи этого стенда, включающей в себя, за исключением тормоза и нагружатели, все основные узлы силовой передачи транспортного средства, уже практически соответствуют динамическим свойствам силовой передачи реальной машины.

Недостатком этого стенда является невозможность исследования динамических процессов нагружения испытуемых объектов в резонансных режимах.

Известно, что более 80% отказов и поломок деталей силовых передач транспортных машин обязано своим происхождением крутильным колебаниям в валопроводе, возникающим при работе деталей в режиме переменных нагрузок. Наибольшим повреждающим воздействием обладают колебания на резонансных и околорезонансных режимах, возникающие при совпадении частоты изменения возмущающего воздействия с одной из собственных частот силовой передачи машин. Одним из постоянно действующих на силовую передачу нагружающих факторов является крутящий момент двигателя. Частота его изменения определяется конструктивными особенностями двигателя и его рабочим процессом. Неравномерность вращения вала двигателя обусловлена периодическим изменением воздействующих на поршни газовых сил и неуравновешенностью эксцентрично расположенных относительно оси его вала масс цилиндро-поршневой группы. Периодические возмущающие воздействия от двигателя проявляются обычно на нескольких частотах, кратных основной или половинной частоте вращения его вала, и называются моторными гармониками.

Исследования показывают, что резонансные явления, обусловленные возмущениями от первых гармоник двигателя, имеют наибольшую амплитуду и поэтому наиболее опасны с точки зрения долговечности деталей моторно-трансмиссионной установки. Они наиболее интенсивно проявляются на участках, ближайших к двигателю на деталях муфты сцепления, коробки передач. Далее по валопроводу их действие ослабляется в результате демпфирования. Поэтому исследование резонансных явлений от гармоник двигателя целесообразно выполнять на участке между двигателем и трансмиссией.

Расчетные теоретические исследования резонансных режимов от воздействия гармоник двигателя вследствие того, что невозможно расчетным путем с достоверной точностью определить упруго-инерционные и демпфирующие параметры элементов силовой передачи, позволяют получить только качественную картину резонансных процессов. Между тем для создания качественных машин необходимы достоверные количественные оценки параметров резонансных колебаний в силовом валопроводе. Необходимо также определить величину изменения динамических параметров участка, где наблюдается резонанс, достаточную для отстройки от резонанса.

Задачей данного изобретения является обеспечение возможности исследования при стендовых испытаниях вызываемых различными возмущающими воздействиями, а главным образом моторными гармониками двигателя, резонансных колебаний в валопроводе стенда, и определение возможностей управления параметрами этих колебаний.

Техническим результатом изобретения является получение достоверных значений динамических параметров трансмиссии и режима работы двигателя, при которых обнаруживаются резонансные явления, вызываемые моторными гармониками двигателя, на участке между двигателем и трансмиссией, и необходимой величины изменения этих параметров для отстройки от резонанса.

Это достигается в предлагаемом стенде для испытания моторно-трансмиссионной установки транспортного средства, содержащем тормоз и замыкающие передачи, кинематически соединенные с выходными валами моторно-трансмиссионной установки, нагружатель, кинематически соединенный с тормозами трансмиссии, за счет того, что он снабжен установленным на приводном валу стенда инерционным вариатором, содержащим диск с радиальными направляющими, в которых установлены жестко связанные с инерционными массами ходовые гайки, имеющие возможность перемещения по направляющим при вращении соединенных с ними посредством ходовой винтовой резьбы, имеющие возможность перемещения по направляющим при вращении соединенных с ними посредством ходовой винтовой резьбы ходовых винтов, кинематически связанных с установленным на диске электродвигателем с тормозом.

Введение в схему стенда инерционного вариатора позволяет за счет бесступенчатого изменения в широких пределах его момента инерции осуществлять поиск резонансных режимов на участке от двигателя до вторичного вала коробки передач, вызываемого моторными гармониками двигателя. Изменение момента инерции вариатора влечет за собой изменение одной из собственных частот моторно-трансмиссионной установки. Изменение этой собственной частоты в широких пределах позволяет обнаружить несколько случаев в рабочем диапазоне частоты вращения одной из моторных гармоник, то есть случаев возникновения резонанса. Динамические параметры моторно-трансмиссионной установки (моменты инерции и жесткости связей) и частота вращения двигателя при возникновении резонанса фиксируются измерительным трактом стенда. При дальнейшем движении масс вариатора определяется необходимая величина изменения его момента инерции для отстройки от резонанса.

Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявлению источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "НОВИЗНА" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованиям изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует из известного уровня техники, поскольку на уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых признаками заявленного изобретения преобразований на достижения технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 изображена общая схема стенда, на фиг. 2 схема инерционного вариатора, на фиг. 3 схема расположения датчиков крутящего момента на валу между двигателем и трансмиссией, на фиг. 4 схема измерительного тракта и управления отстройкой от резонанса, на фиг. 5 пример зависимости изменения крутящего момента от оборотов на приводном валу вне резонансной зоны, на фиг. 6 примерная зависимость изменения крутящего момента на приводном валу при резонансных колебаниях, на фиг. 7 схема динамической модели стенда.

Испытуемая моторно-трансмиссионная установка (фиг. 1) Включает в себя двигатель 1 внутреннего сгорания, соединенный карданным валом 2 с трансмиссией 3. Выходные валы трансмиссии через ведующие колеса 4, 5 соединены гусеничными обводами 6, 7 со стендовыми ведущими колесами 8, 9, которые связаны между собой валом 10, с которым через коническую передачу 11 соединен тормоз 12, создающий в силовой цепи нагрузку, отвечающую заданной средней величине тягового сопротивления. Соосно приводному валу 2 установлен кинематически соединенный с ним инерционный вариатор 13. С управлением тормозами 14, 15 трансмиссии кинематически соединен гидравлический нагружатель, состоящий из силового гидроцилиндра 16, давление в котором создается регулируемым насосом 17 и регулируется в соответствии с задаваемой программой золотниковым устройством управления для имитации в силовой цепи стенда колебаний нагрузки от неравномерности тягового сопротивления, от неровностей почвенного фона, от неравномерности сопротивления перекатыванию и от раскачивания транспортного средства на подвеске.

Инерционный вариатор (фиг. 2) состоит из диска 18, установленного соосно валу двигателя и входному валу трансмиссии и связанного с этими валами при помощи фланцевых соединений. С диском 18 жестко связаны симметрично расположенные относительно его оси вращения радиальные направляющие 19, продольные оси которых смещены относительно друг друга на 90 град. по углу поворота диска. В направляющих 19 установлены ходовые гайки 20, связанные при помощи трубчатых стержней 21 с инерционными массами 22. По оси направляющих 19 расположены проходящие через ходовые гайки 20 и трубчатые стержни 21 ходовые винты 23, на наружной поверхности которых и на соприкасающихся с нею внутренних поверхностях ходовых гаек 20 выполнена винтовая ходовая резьба, причем для согласования движения инерционных масс 22 на находящихся напротив друг друга ходовых винтах и гайках резьба нарезана в противоположные стороны. С ходовыми винтами через посредство цилиндрических 24, 25, 26 и конических 27, 28 шестерен кинематически соединен электродвигатель 29 с тормозом 30, запитываемый через расположенный на валу 2 (фиг. 1) подвижный контакт.

На карданном валу 2 (фиг. 3) в сечениях 1 и 11, максимально удаленных от середины вала, установлены датчики 31, 32 крутящего момента, сигнал с которых считывается бесконтактным способом и поступает на считывающие устройства 33, 34. Подобными устройствами для бесконтактного замера крутящего момента в настоящее время снабжаются карданные валы приводных балансирных машин, предназначенных для использования в испытательных стендах.

Представленная на фиг. 4 схема измерительного тракта включает в себя датчики 35, 36 крутящего момента, установленные в разных сечениях приводного вала стенда, сигнал с которых усиливается каналами 37, 38 усилителя и поступает на элемент сравнения 39, далее на анализатор сигнала 40, откуда в случае резонансных колебаний сигнал поступает в систему управления 41, управляющую исполнительным механизмом 42, изменяющим радиальное положение инерционных масс вариатора.

Представленная на фиг. 7 схема динамической модели стенда содержит инерционные массы: 43 двигателя, 44 коробки передач и главной передачи трансмиссии, инерционные массы 45, 46, планетарных механизмом поворота, 47, 48 конечных передач, 49, 50 гусеничных обводов, 51 тормоза, 52 - инерционного вариатора. В пунктирном прямоугольнике на схеме размещены инерционные массы узлов трансмиссии и жесткости их связей не могут быть изменены во время испытаний во избежание искажения динамического нагрузочного режима.

Предлагаемый стенд работает следующим образом.

Запускается двигатель 1 (фиг. 1) и выводится на заданный скоростной режим. Инерционные массы вариатора 13 при этом находятся в положении, когда их радиус ращения минимален, тормоз 30 электродвигателя 29 (фиг. 2) включен и удерживает массы в заданном положении. Заданный средний уровень нагрузки в силовой цепи стенда задается тормозом 12 (фиг. 1), колебания нагрузки от неравновмерности тягового сопротивления, от неровностей почвенного фона, от неравномерности сопротивления перекатыванию и от раскачивания транспортного средства на подвеске обеспечивается нагружателем 16 по заданной программе. Крутящий момент на приводном валу 2 (фиг. 1) замеряется датчиками 31, 32 (фиг. 3), с которых высокочастотный сигнал поступает на считывающее устройство 33, 34 (фиг. 3), откуда поступает на каналы 37, 38 усилителя (фиг. 4), усиливается и поступает на элемент сравнения 39 (фиг. 4). Величина крутящего момента находится в прямо пропорциональной зависимости от угла сдвига фаз высокочастотного сигнала, поступающего с приемных устройств 33, 34 (фиг. 3) в усилитель. Угол сдвига фаз в свою очередь прямо пропорционален углу закрутки карданного вала 2 (фиг. 3), на концах которого расположены датчики 31, 32 (фиг. 3), то есть прямо пропорционален величине нагружающего вал 2 (фиг. 3) крутящего момента. В анализаторе 40 (фиг. 4) определяется средняя величина флуктуаций крутящего момента. Если средняя величина флуктуаций невелика (фиг. 6) резонансные колебания на участке валопровода отсутствуют. Если флуктуации увеличиваются и достигают определенной заданной величины (фиг. 6), с анализатора поступает сигнал, прямо пропорциональный средней амплитуде флуктуаций, на управляющее устройство 41 (фиг. 4), которое разблокирует тормоз 30 и приводит во вращение электродвигатель 29 (фиг. 2). Электродвигатель через цилиндрические 24, 25, 26 и конические 27, 28 зубчатые колеса вращает ходовые винты 23, при этом ходовые гайки 20 с инерционными массами 22, перемещаясь по радиальным направляющим диска 18, изменяют радиус вращения инерционных масс и, следовательно, момент инерции установленного на приводном валу инерционного вариатора. После достижения инерционными массами положения, заданного сигналом с устройства управления, тормоз 30 блокируется, электродвигатель 29 останавливается. Таким образом меняются параметры динамической модели (фиг. 7) на участке между двигателем и трансмиссией. Динамические параметры этого участка на резонансном режиме фиксируются анализатором 40 (фиг. 4), фиксируются и измененные параметры, необходимые для отстройки от резонанса.

На следующем этапе изменяют скоростной режим двигателя и повторяют исследование на предмет обнаружения резонансных явлений при следующей частоте вращения, проходя таким образом весь рабочий диапазон частот вращения вала двигателя.

Массу грузов 22 вариатора перед каждым этапом испытаний можно дискретно изменять в 5 10 и более раз, при этом диапазон варьируемых значений инерционной массы исследуемого участка силовой цепи изменяется в 100 раз и более, так как момент инерции вращающейся массы пропорционален квадрату радиуса ее вращения.

Важнейшим достоинством выполнения исследования резонансных режимов во всем рабочем диапазоне частот вращения вала двигателя является то, что это исследование позволяет оптимальным образом подобрать инерционную массу устанавливаемой между двигателем и трансмиссией муфты сцепления и других возможных элементов силовой передачи.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в транспортном машиностроении,
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Использование: Изобретение относится к транспортному средству и может быть использовано при лабораторно-исследовательских испытаниях моторно-трансмиссионной установки транспортного средства. Сущностью изобретения является получение достоверных значений динамических параметров трансмиссии и режима работы двигателя, при которых обнаруживаются резонансные явления, вызываемые моторными гармониками двигателя, на участке между двигателем и трансмиссией, и необходимой величины изменения оговоренных параметров для отстройки от резонанса. 7 ил.

Стенд для испытания моторно-трансмиссионной установки транспортного средства, содержащий тормоз и замыкающие передачи, кинематически соединенные с выходными валами моторно-трансмиссионной установки, нагружатель, кинематически соединенный с тормозами трансмиссии, отличающийся тем, что он снабжен установленным на приводном валу стенда инерционным вариатором, содержащим диск с радиальными направляющими, в которых установлены жестко связанные с инерционными массами ходовые гайки, имеющие возможность перемещаться по направляющим при вращении соединенных с ними посредством ходовой винтовой резьбы ходовых винтов, кинематически связанных с установленным на диске электродвигателем с тормозом.