from 01.01.1996 to 01.01.2021
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
from 01.01.2010 to 01.01.2021
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 621.838.222 с фрикционными дисками
BBK 304 Конструкции
The study objective is to determine the conditions for ensuring high reliability of adaptive friction clutches with positive feedback, theoretically providing full stabilization of the clutch break torque. The problem to which the paper is devoted is the presentation of the substantive aspects of various stages of studying the principle of indirect control used in clutches and the definition of parameters of an additional control device that ensure full stabilization of the clutch break torque. Research methods. The developed and previously applied theoretical fundamentals of full stabilization of the adaptive friction clutch break torque allowed to create a knowledge base in the form of particular mathematical models that locally describe the process of automatic control in the object under study. Based on the analysis of the applied mathematical modeling method, the principal possibility of using positive feedback in clutches to ensure their high reliability is defined. The novelty of the work. Ensuring high stabilization of the break torque is possible due to the use of a constant gear ratio of the transmission mechanism of the control device and a variable value of the feedback gain. The results of the study. The use of positive feedback with indirect control theoretically allows to ensure high reliability of the overload clutch of the third generation. Conclusions: in order to realize the high reliability of adaptive friction clutches of the third generation, it is necessary to ensure the found functional connections between the downforce, the feedback gain and the gear ratio of the transmission mechanism.
clutch, connection, control device, accuracy, actuation, coefficient, friction
Введение
Особенностью автоматического регулирования в адаптивных фрикционных муфтах (АФМ), оснащенных отрицательной обратной связью, является подача на сумматор (нажимной диск муфты) выходного сигнала (распорной силы) устройства обратной связи, который имеет знак, обратный по отношению к выходному сигналу нажимного устройства (силы натяжения нажимной пружины или группы пружин), также подаваемого на вход сумматора [1–4].
Текущее значение результирующей силы, действующей на сумматор, равное положительной разности между упомянутыми силами, зависит от двух факторов: значения вращающего момента, действующего извне на АФМ, и значения коэффициента трения между элементами пар фрикционной группы (ГФ) в рассматриваемый период времени [5–7].
Результирующая сила увеличивается по мере уменьшения коэффициента трения и уменьшается при его увеличении. В этом заключается принцип автоматического регулирования момента сил трения ГФ АФМ. Момент меняется в результате случайного изменения коэффициента трения и наступившей перегрузки в приводе машины.
Действие отрицательной обратной связи в АФМ резко снижает нагрузочную способность муфты из-за снижения усилия замыкания пар трения ГФ. Для компенсации снижения нагрузочной способности необходимо увеличивать силу натяжения замыкающей пружины (группы замыкающих пружин), что приводит к росту массы и габаритных размеров муфты.
Упомянутая в работе [8] так называемая «идеальная» АФМ также не лишена подобного недостатка.
Надежность работы АФМ рассматривается в аспекте обеспечения стабильности заданного вращающего момента, что вполне согласуется с понятием надежности изделия, приведенном в работе [9].
В работе [10] приведена синтезированная обобщенная принципиальная блок-схема АФМ с отрицательной обратной связью, а также созданы математические модели высокой надежности АФМ первого поколения [11]. В соответствии с блок-схемой АФМ упомянутые математические модели представлены в виде функциональных зависимостей значений коэффициента усиления (КУ) устройства обратной связи, распорной силы и передаточного отношения передаточного механизма муфты от коэффициента трения. Все упомянутые зависимости представляют собой нелинейные функции и отражаются графиками возрастающих кривых [12].
В том случае, когда автоматическое регулирование момента сил трения ГФ муфты осуществляется посредством изменения выходного сигнала нажимного устройства, а выходной сигнал устройства обратной связи имеет тот же знак, что и выходной сигнал нажимного устройства, обратная связь считается положительной [13].
Основным преимуществом применения положительной обратной связи (ПОС) является повышенная номинальная нагрузочная способность АФМ при сохранении той же точности срабатывания, что и у АФМ с отрицательной обратной связью. В этом случае отпадает необходимость в увеличении массы и габаритных размеров муфты.
Материалы, модели, эксперименты и методы
С учетом изложенного обобщенная блок-схема схема АФМ с ПОС имеет вид, показанный на рис. 1. Фрикционный узел УФ осуществляет связь ведущей полумуфты ПВЩ с ведомой полумуфтой ПВМ. Ведущая полумуфта состоит в общем случае из нажимного узла УН, управляющего устройства ПОС УУ и передаточного механизма ПМ.
|
|
Рис. 1. Структурно-функциональная схема АФМ
с положительной обратной связью
Fig. 1. Structural and functional scheme of the Adaptive
Friction Clutch (AFC) with positive feedback
Фрикционный узел является общим для блоков ПВЩ и ПВМ, его отдельные элементы входят в ПВЩ, другие элементы – в ПВМ.
Передаточный механизм (ПМ) предназначен для усиления ( >1) или ослабления (
<1) входного сигнала
УУ (вращающего момента). Поскольку УУ представляет собой устройство для преобразования входного сигнала, изменение выходного сигнала УУ (прижимной силы
) пропорционально изменению входного сигнала. На вход ПМ, может поступать либо полный выходной сигнал УФ (
=1), либо ослабленный сигнал (
<1). Это зависит от компоновочной схемы фрикционного узла.
Выходной сигнал УУ в форме силы прижатия (рис. 1) поступает на вход УН и, воздействуя на упругие силовые элементы (пружины), вызывает изменение их первоначального усилия натяжения
. Конструктивная схема УУ построена таким образом, что при увеличении коэффициента трения до значения
(максимальный коэффициент трения), сила прижатия
уменьшается до нуля. Следовательно, минимальному коэффициенту трения
соответствует первоначальное усилие замыкания пар трения ГФ, равное силе натяжения пружины
(группы пружин).
При действии в АФМ положительной обратной связи запишем формулу
, (1)
где ‒ текущий предельный вращающий момент, передаваемый АФМ;
‒ число пар поверхностей трения ГФ муфты;
‒ средний радиус поверхностей трения ГФ;
‒ текущий коэффициент трения;
‒ текущая сила прижатия УУ;
‒ см. выше.
Если в схеме АФМ отсутствует блок ПМ и на вход УУ поступает полный выходной сигнал блока УФ, то в этом случае =1 и выходной сигнал УУ – сила прижатия
определяется по формуле:
, (2)
где ‒ радиус окружности расположения нажимных элементов УУ (
);
‒ текущий угол давления нажимных элементов, определяющий их положение относительно опорной поверхности в зависимости от коэффициента трения.
Правую часть зависимости (1) подставим в соотношение (2), получаем:
, (3)
где ‒ КУ ПОС:
.
По условию задачи вращающий момент АФМ постоянный, поэтому, положив, что (
), умножим обе части равенства (3) на
и с учетом формулы (2) найдем:
. (4)
Формула (4) описывает функциональную связь между КУ АФМ и изменяющимся коэффициентом трения, за счет которой обеспечивается полная стабильность вращающего момента муфты.
|
14 |
. (5)
Подставляя правую часть формулы (5) в соотношение (4), получаем:
. (6)
Формула (6) более удобна для дальнейших исследований, поскольку она не содержит размерных параметров АФМ и
. Она показывает, что:
‒ значение КУ убывает с увеличением коэффициента трения;
‒ значение КУ обращается в нуль при значении коэффициента трения ;
‒ значение КУ обратно пропорционально числу пар трения ГФ АФМ.
Если 1 (
<1), то согласно формуле (2) сила прижатия уменьшается в
раз. В этом случае формулу (6) запишем в следующем виде:
. (7)
Формула (7) показывает, что . Условие
<1 означает, что фрикционная группа муфты скомпонована по схеме «ведущие пары трения – ведомые пары трения», т. е. часть пар трения (ведущие пары) не участвует в формировании выходного сигнала УУ и передает соответствующую часть вращающего момента на ведомую полумуфту непосредственно от ведущей полумуфты, минуя УУ. Для действия обратной связи необходимо выполнение условия, поставленного в работе [14] и имеющего следующий вид:
, (8)
где ‒ КУ, соответствующий выполнению задачи при указанном условии;
‒ число ведущих пар трения.
Для рассматриваемого случая запишем:
. (9)
Из соотношения (9) находим:
.
После подстановки последнего выражения в соотношение (8) имеем:
. (10)
Условие действия ПОС в режиме автоматического регулирования в данном случае запишем в виде:
. (11)
Используя в соотношении (11) правые части формул (7) и (10), находим величину коэффициента , удовлетворяющую поставленному условию:
. (12)
Первая производная функции (12) по аргументу имеет вид:
.
Таким образом, функция (12) убывает в интервале значений коэффициента трения , поэтому значение коэффициента
необходимо определять по значению
.
В данном случае функция (12) определяется:
, (13)
где ‒ коэффициент, определяющий относительную ширину интервала изменения коэффициента трения:
.
Число ведущих пар трения АФМ, удовлетворяющее условию (13), определяется с использованием соотношения (9):
.
Если в составе АФМ имеется ПМ, то его передаточное отношение при принятых обозначениях равно:
|
15 |
В целях упрощения конструкции ПМ положим, что . Для уменьшения давления на поверхностях трения будем считать ПМ повышающей передачей, т. е.
>1.
С учетом ПМ в составе АФМ формулу (6) запишем в следующем виде:
. (14)
Согласно поставленному выше условию , поэтому
. Для АФМ с дифференцированными парами трения и с ПМ значение КУ будет меньше, значение КУ в АФМ со всеми ведущими парами трения, если
>1.
Закономерность изменения силы прижатия , выполнение которой обеспечивает стабильность вращающего момента АФМ, можно установить, используя формулу (1). Учитывая, что вращающий момент
постоянный и равен вращающему моменту неадаптивной фрикционной муфты, т. е. муфты без обратной связи, при значении
,на основании формулы (1) получаем:
. (15)
Из формулы (15) следует, что при значении получаем
=0. Этот вывод соответствует формулам (7) и (14), поскольку при указанном значении коэффициента трения КУ также равен нулю, что свидетельствует об отсутствии в данных условиях обратной связи. Максимальная сила
соответствует значению коэффициента трения
.
Если в схеме АФМ отсутствует ПМ и на вход УУ поступает часть полного вращающего момента муфты, закономерность изменения силы можно найти на основе соотношения (2). В данном случае соотношение (2) с учетом формулы (1) запишем в следующем виде:
. (16)
Формула (16) связывает между собой переменные и
. Для установления непосредственной связи между параметрами
и
преобразуем формулу (16) к следующему виду:
,
и подставим в последнее выражение правую часть формулы (7). В результате получаем выражение, идентичное выражению (15). Это свидетельствует о том, что для передачи вращающего момента, равного , при увеличенном в
раз КУ (согласно формуле (7)) требуется та же сила прижатия
, что и в АФМ, имеющей
=1. Данное обстоятельство объясняется тем, что при уменьшенном входном сигнале
УУ выходной сигнал увеличивается благодаря большему значению КУ.
Аналогичный результат получается в том случае, когда в составе АФМ имеется ПМ: зависимость силы от коэффициента трения также соответствует формуле (7).
Если в составе АФМ имеется ПМ с переменным передаточным числом, равным
,
где ‒ см. рис. 1, то значение входного сигнала УУ составляет:
.
Соответственно этому значение силы составляет:
.
Подставляя последнее выражение в формулу (1) и учитывая, что , находим:
. (17)
Формула (17) показывает, что передаточное число ПМ зависит от значения коэффициента трения, уменьшаясь до нуля с увеличением последнего до значения . Одновременно с этим согласно формуле (14) уменьшается значение КУ.
|
16 |
Если в АФМ значение КУ постоянное, т. е. не зависит от коэффициента трения, то согласно формуле (17) передаточное число ПМ функционально зависит от коэффициента трения, следовательно, является переменным и при значении обращается в нуль.
Формула (17) также показывает, что передаточное число ПМ зависит от коэффициента и уменьшается с его увеличением. Уменьшение передаточного числа позволяет упростить конструкцию ПМ, уменьшить его габариты и массу, поэтому при наличии в конструкции муфты ПМ целесообразно принимать
=1.
В настоящее время еще не созданы конструкции ПМ с переменным передаточным числом, которые можно использовать в АФМ. Однако имеется определенный опыт применения в конструкциях АФМ ПМ с постоянным передаточным числом для увеличения входного сигнала УУ [15]. В данном объекте применено УУ с постоянным значением КУ, однако применение ПМ позволяет повысить выходной сигнал УУ и точность срабатывания муфты при ограниченном значении КУ.
Анализ зависимости (14) показывает, что применение ПМ эффективно в тех случаях, когда АФМ имеет небольшое число пар трения . В данном случае применение понижающей механической передачи позволяет увеличить входной сигнал УУ и уменьшить текущие значения КУ. Это представляется особенно важным, поскольку, как отмечено выше, при значениях
<1 максимальная величина КУ ограничена в соответствии с соотношением (8).
Выше рассмотрены варианты исполнения АФМ без ПМ с =1,
1 и с применением ПМ при
1. При наличии в схеме АФМ ПМ и
=1 формулы (14) и (17) соответственно имеют вид:
; (18)
. (19)
Формула (19) логически вытекает из формулы (18), т. е. указанные формулы являются взаимосвязанными. Они показывают, что значение КУ в данном случае меньше, чем при 1, если передаточное число ПМ больше единицы.
В формулах (18) и (19) параметры и
приняты постоянными, т. е. параметры
и
зависят только от коэффициента трения
.
В рассматриваемом случае, т. е. при =1, передаточное число ПМ равно
, а входной сигнал УУ составляет
.
Создание ПМ адаптивной муфты с переменным передаточным числом само по себе представляет технически сложную задачу, поскольку требуется передаточное число, изменяющееся по определенной закономерности. Поэтому целесообразнее в случае применения в конструкции АФМ ПМ использовать постоянное передаточное число последнего и УУ с переменным значением КУ, которое обеспечивается за счет переменного угла давления чувствительных элементов. В техническом и технологическом отношениях детали УУ, реализующего данный способ регулирования, не представляют значительной сложности.
Зависимость между параметрами и
определяется по соотношению (19). Зависимость между параметрами
и
может быть найдена из соотношений (6) и (15). Выражая из соотношения (6) разность
через
и подставляя данное представление в формулу (15), получаем:
. (20)
Формула (20) показывает, что сила прижатия прямо пропорциональна значению КУ.
Особенность АФМ с ПОС заключается в необходимости ограничения максимального значения силы прижатия поверхностей трения до значения, зависящего от давления на поверхностях фрикционного контакта [12]. Максимальная сила, с которой прижаты друг к другу элементы фрикционных пар муфты, возникает при минимальном коэффициенте трения:
,
или с учетом формулы (15):
. (21)
В формуле ‒ сила прижатия, развиваемая УУ при значении коэффициента трения
.
При заданных габаритных размерах АФМ предельная сила с учетом формулы (21) равна:
,
где ‒ допускаемое давление на поверхностях трения;
‒ площадь контакта поверхности трения.
Необходимый вращающий момент АФМ может быть обеспечен в данном случае за счет параметра , значение которого определяется по формуле
.
Результаты
Графики зависимостей, построенные по соотношениям (6), (15) и (19), показаны на рис. 2 (соответственно кривые 1‒3). Графики построены по следующим исходным данным: =6,
=0,8,
=500 Н,
=5.
|
17 |
Рис. 2. Графики зависимостей прижимной силы,
КУ и передаточного отношения ПМ от коэффициента трения
Fig. 2. Graphs of the dependences of down force,
gain factor (CU) and gear ratio of the transfer
mechanism (TM) on the coefficient of friction
Графики показывают, что параметры ,
и
изменяются в функции коэффициента трения по гиперболической зависимости, в отличие от характера изменения указанных параметров в АФМ с отрицательной обратной связью [8].
Обсуждение/Заключение
Принцип косвенного регулирования в АФМ с ПОС за счет автоматического регулирования силы натяжения упругого элемента позволяет значительно увеличить нагрузочную способность муфты.
Применение в конструкции АФМ с ПОС передаточного механизма при реализации «идеальной» нагрузочной характеристики требует обеспечения функциональных связей между прижимной силой, КУ обратной связи и передаточным отношением передаточного механизма.
Результаты исследования могут быть использованы при расчетах и проектировании АФМ с ПОС, передаточного механизма в конструкции муфты. Также их необходимо использовать в дальнейших исследованиях совершенствования принципиальной и конструктивной схем муфты.
Выводы
1. В отличие от используемой в АФМ отрицательной обратной связи применение ПОС основано на уменьшении силы прижатия пар трения с увеличением коэффициента трения, что, безусловно, сказывается на повышении нагрузочной способности муфты.
2. Положительная обратная связь с косвенным регулированием силы нажатия в АФМ реализуется при помощи УУ, которое осуществляет автоматическое регулирование силы натяжения упругого элемента (элементов) нажимного узла по принципу действия отрицательной обратной связи.
|
18 |
3. С точки зрения значения давления на поверхностях контакта пар трения оптимальным является вариант применения ПОС, при котором отсутствует дополнительная сила прижатия пар трения при максимальном коэффициенте трения.
4. Для получения «идеальной» нагрузочной характеристики АФМ с ПОС значения прижимной силы, КУ обратной связи и передаточного отношения передаточного механизма должны быть функционально связаны с изменяющимся коэффициентом трения, согласно найденным зависимостям.
5. Действие ПОС в режиме автоматического регулирования АФМ с дифференцированными парами трения зависит от коэффициента ослабления входного сигнала УУ, определяемого шириной интервала изменения коэффициента трения.
6. Максимальное число ведущих пар трения зависит от общего числа пар трения АФМ и ширины интервала изменения коэффициента трения.
7. Передаточный механизм целесообразно использовать в АФМ со всеми ведущими парами трения и при небольшом их числе.
1. Shishkarev M.P., Luschik A.A. Ekspluatacionnye harakteristiki adaptivnoy frikcionnoy mufty vtorogo pokoleniya s razdel'nym silovym zamykaniem. Traktory i sel'hozmashiny. 2013;3:28-31.
2. Shishkarev M.P., Uglenko A.Yu. Modernizaciya adaptivnoy frikcionnoy mufty vtorogo pokoleniya. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii. 2012;10:3-7.
3. Shishkarev M.P., Chan Van Dyk. Modernizaciya adaptivnoy frikcionnoy mufty vtorogo pokoleniya. Trenie i smazka v mashinah i mehanizmah. 2014;10:40-46.
4. Shishkarev M.P., Chan Van Dyk. Analiz tochnosti srabatyvaniya adaptivnoy frikcionnoy mufty vtorogo pokoleniya. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii. 2016;5:3338.
5. Shishkarev M.P. Issledovanie bazovogo varianta adaptivnoy frikcionnoy muft vtorogo pokoleniya. Materialy 8-y mezhdunar. nauch.-prakt. konf. 3-6 marta 2015 g. - Rostov n/D, 2015. - S. 162-167.
6. Shishkarev M.P. Issledovanie rezhima peregruzki AFM vtorogo pokoleniya (bazovyy variant). Materialy 8-y mezhdunar. nauch.-prakt. konf. 3-6 marta 2015 g. - Rostov n/D, 2015. - S. 182-185.
7. Shishkarev M.P., Uglenko A.Yu. Analiz tochnosti srabatyvaniya variantov adaptivnoy frikcionnoy mufty s razdel'nym silovym zamykaniem. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii. 2015;3:36-42.
8. Shishkarev M.P., Chan Van Dyk. Obosnovanie naibol'shey tochnosti srabatyvaniya adaptivnyh frikcionnyh muft. Trenie i smazka v mashinah i mehanizmah. 2015;11:20-26.
9. Shishkarev M.P., Luschik A.A., Uglenko A.Yu. Tochnost' srabatyvaniya adaptivnoy frikcionnoy mufty vtorogo pokoleniya (modificirovannoy). // Materialy 6-y nauchno-prakticheskoy konferencii «Innovacionnye tehnologii v mashinostroenii i metallurgii» 10-12 sent. 2014. - Rostov n/D, 2014. - S. 118-130.
10. Shishkarev M.P., Luschik A.A. Vybor formy nagruzochnoy harakteristiki pervogo konstruktivnogo varianta adaptivnoy frikcionnoy mufty s razdel'nym silovym zamykaniem. // Materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. 25-28 fevralya 2014 g. - Rostov n/D, 2014. - S. 206-209.
11. Shishkarev M.P., Uglenko A.Yu. Vybor formy nagruzochnoy harakteristiki vtorogo konstruktivnogo varianta adaptivnoy frikcionnoy mufty s razdel'nym silovym zamykaniem. // Materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. 25-28 fevralya 2014 g. - Rostov n/D, 2014. - S. 226-229.
12. Shishkarev M.P., Chan Van Dyk. Issledovanie variantov adaptivnyh frikcionnyh muft vtorogo pokoleniya. Traktory i sel'hozmashiny. 2014;9:4245.
13. Shishkarev M.P., Luschik A.A., Uglenko A.Yu. Adaptivnye frikcionnye mufty vtorogo pokoleniya. Issledovanie, konstrukcii i raschet. Monografiya. - Rostov n/D: Izdatel'skiy centr DGTU, 2013. - 236 s.
14. Shishkarev M.P. Komponovka bazovogo varianta adaptivnoy frikcionnoy mufty vtorogo pokoleniya. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii. 2010;7:1620.
15. Shishkarev M.P. Komponovochnye resheniya privodov mashin s adaptivnymi frikcionnymi muftami. Vestnik mashinostroeniya. 2003;7:712.
