ANALYSIS OF DESIGNS OF TRACTOR FRICTION CLUTCHES WORKING IN OIL
ANALYSIS OF DESIGNS OF TRACTOR FRICTION CLUTCHES WORKING IN OIL
Alexander Mikheev
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov,
Russia, Novocherkassk
Vadim Kodola
Student, South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov,
Russia, Novocherkassk
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ТРАКТОРНЫХ ФРИКЦИОННЫХ СЦЕПЛЕНИЙ, РАБОТАЮЩИХ В МАСЛЕ
Михеев Александр Васильевич
канд. техн. наук, доц., ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»,
РФ, г. Новочеркасск
Кодола Вадим Владимирович
студент, ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»,
РФ, г. Новочеркасск
История развития тракторостроения показывает тенденцию постоянного повышения энергонасыщенности и тяги тракторов, особенно промышленных. Эта тенденция четко прослеживается и в том, как растет количество патентов в области конструирования фрикционных сцеплений, работающих в масле по десятилетиям, начиная с 30-х годов прошлого века. В 30-е и 40-е годы были зарегистрированы только четыре патента американских фирм. В 50-е годы появились 34 патента Великобритании и 40 патентов Франции. Значительный рост числа патентов прослеживается в 60-е годы. В эти годы во всем мире начался период более резкого роста энергонасыщенности тракторов и других тяговых машин. Особенно большое число патентов зарегистрировано в 70-е годы – 41 в ФРГ, Японии и других странах. В начале 80-х годов также появились новые патенты в ФРГ, США и СССР.
В мировом тракторостроении в последние годы широко применяются сцепления, работающие в масле. Необходимо выявить целесообразность применения сцеплений, работающих в масле на тракторах отечественного производства.
Если рассматривать патентную деятельность зарубежных фирм, то следует отметить в первую очередь американскую фирму «Borg Warner». Она имеет наибольшее число патентов в области создания разнообразных конструкций фрикционных сцеплений, работающих в масле. Из всех созданных конструкций успешно применяется унифицированный ряд фрикционных сцеплений, работающих в масле «Rockford Cluch».
Американские фирмы «Caterpillar» и «John Deere» на все выпускаемые тракторы с механическими трансмиссиями устанавливают фрикционные сцепления, работающие в масле с дисками одинакового диаметра. Фирма «Lipe Rollway» изготовляет фрикционные сцепления, работающие в масле с диаметром ведомых дисков от 300 до 380 мм пяти типоразмеров. Долговечность этих сцеплений в 30 раз больше, чем у сухих того же типоразмера. Опять же американские фирмы, такие как GM, «Dana», занимаются вопросами совершенствования подачи масла в зону трения сцеплений.
В Германии фирма «Fichtel & Saks» является ведущей фирмой по разработке и производству сухих и сцеплений, работающих в масле. Она занимается в основном совершенствованием способов подвода масла в зону трения. Разработкой сцеплений, работающих в масле, занимается также фирма «Daimler AG» и другие.
Английские фирмы «David Brown», «Automotive Products» и «G.K.N. transmission» также владеют патентами по сцеплениям, работающими в масле. Они занимаются работами в области совершенствования способов подачи масла в зону трения. Многие японские фирмы работают над проблемой подачи масла в зону пар трения сцепления.
Масло в сцеплениях, работающих в масле, выполняет функции жидкостного охлаждения и смазывания пар трения. Применение масла влечет за собой появление целого комплекса проблем, влияющих в большей или меньшей степени на надежность самого сцепления. К таким проблемам следует в первую очередь отнести подбор фрикционных материалов пар трения. Одними из сложных проблем являются способы охлаждения и смазывания пар трения. Проблемными являются способы обеспечения размыкания дисков сцепления и повышения надежности применяемых уплотнений. [1, 2]
Широкое применение сцеплений, работающих в масле, стало возможным только после того, как были созданы фрикционные материалы, стойкие к воздействию масла. Такими материалами являются спеченные материалы. Они обладают наиболее высокой стойкостью к минеральным маслам. Их пористая структура способствует адсорбированию и удержанию масляной пленки, которая обеспечивает граничное трение в паре трения. [3]
К таким материалам относятся асбофрикционные материалы на органическом связующем, эластичные тканные материалы с масляной пропиткой, пластмассы и фрикционные материалы на комбинирующем связующем.
Иногда в сцеплениях, работающих в масле, применяются чисто металлические фрикционные пары.
Основным недостатком сцеплений, работающих в масле, является ограничение температуры на парах трения. Повышение температуры допускается до определенного предела, выше которого наблюдаются отрицательные явления на материалах пар трения и масляной разделительной пленке. Так металлические фрикционные диски начинают коробиться и растрескиваться, а также подвергаются усадке и схватыванию. Фрикционные материалы других композиций начинают выкрашиваться. [4, 5]
Высокие температуры могут вызвать деградацию масла. Что приводит к загрязнению пар трения и пористость пары трения уменьшается. В результате происходит уменьшение проходных сечений канавок для охлаждения и смазки.
Следовательно, тепловой режим сцеплений, работающих в масле, является одним из важнейших факторов его надежности и долговечности.
Четкой классификации конструкций системы охлаждения и смазывания поверхностей трения сцеплений, работающих в масле пока нет. Но анализ патентной деятельности зарубежных фирм и небольшого еще опыта отечественного конструирования по сцеплениям и гидротрансформаторам позволяет наметить основные ориентиры классификации этих систем [6]:
- по месту подвода масла в зону трения;
- по месту действия системы охлаждения и смазывания;
- по способу подачи масла в зону трения;
- по направлению подачи масла;
- по характеру подачи;
- по способу охлаждения масла и по форме масляных канавок на поверхностях трения.
Подвод масла в зону трения возможен от ведущих деталей сцепления и ведомого вала.
По месту действия системы охлаждения и смазки все существующие сцепления, работающие в масле, имеют сухой картер или картер с маслом.
По способу подачи масла в зону трения различают подачи с помощью системы разбрызгивания, трубок Пито и насосов. Разбрызгивание может представлять из себя - простое погружение деталей сцеплений в масло, либо применение приспособлений, которые улавливают разбрызгиваемое масло и направляют его на пары трения. Трубки Пито осуществляют непосредственную подачу масла к фрикционным дискам сцепления. Они также выводят масло из рабочего картера в масляный резервуар. Из масляного резервуара это масло с помощью других приспособлений подается в зону трения.
Большая часть систем охлаждения и смазывания сцеплений, работающих в масле, имеют в своем составе масляные насосы. Привод таких масляных насосов может быть осуществлён от ведущих деталей сцепления или независимым от них. В таких случаях могут быть задействованы насосы смазочных систем двигателя или коробки передач.
По направлению подачи масла различают системы с подачей его от внутреннего диаметра ведомого диска к внешнему, в обратную сторону или комбинированные, когда масло вначале подается внутрь сцепления, а затем под действием центробежных сил вновь отбрасывается наружу.
По характеру подачи встречаются системы:
- с прерывистым потоком масла в зону трения - масло подается только в момент включения или только в выключенном состоянии сцепления;
- с непрерывным потоком масла в зону трения - масло подается постоянно или в определенный период работы сцепления.
По способу охлаждения масла различают системы:
- с охлаждением в маслосборнике сцепления;
- с охлаждением в маслосборниках двигателя и коробки передач;
- с охлаждением в жидкостном радиаторе;
- с охлаждением в маслосборнике картера за счет системы охлаждения двигателя.
Форма масляных канавок на поверхностях трения в зависимости от их рисунка бывает: спиральной, радиальной, спирально-радиальной, наклонной, тангенциальной, концентрической, сетчатой, в виде отверстий и др. Иногда используют поверхности трения без канавок охлаждения и смазывания.
Минским тракторным заводом серийно выпускается трактор BELARUS- 922.3, который является глубокой модернизаций трактора МТЗ-80/82. Он получил модернизированный двигатель Д-245.5S2 мощностью 95 л.с., усовершенствованную трансмиссию, кабину, капот, колеса и системы управления [7, 8].
В качестве сцепления используется сухое однодисковое сцепление от трактора МТЗ-80/82, но поскольку возросла мощность двигателя и передаваемый крутящий момент (464 Нм), то во время работы трактора при включенном синхронном приводе вала отбора мощности или при максимальном тяговом усилии на крюке 14 кН происходит увеличенное буксование сцепления, что приводит к росту рабочей температуры сцепления и к ускоренному его износу.
Выполненный анализ существующих сцеплений, работающих в масле, показал, что наиболее целесообразно для трактора BELARUS- 922.3 применить сцепление (рис. 1), представляющее собой однодисковую конструкцию с тарельчатой пружиной, работающую в масле. В качестве способа подачи масла в зону трения можно применить систему разбрызгивания методом погружения сцепления в масленую ванну с охлаждением в маслосборнике сцепления. Форму масляных канавок на поверхностях трения ведомого диска необходимо выполнить тангенциальной.
1 – корзина сцепления; 2 – диск ведомый; 3 – маховик; 4, 7, 16 – втулки; 5 – диск ограничительный; 6, 8 – ступицы; 9 – диск нажимной; 10 – накладка; 11, 13, 15 – заклёпки; 12 – пружина тарельчатая; 14 – демпфер
Рисунок 1. Муфта сцепления, работающая в масле для трактора BELARUS- 922.3
Рисунок 2. Анализ узловых напряжений
Данная конструкция потребует наименьшее количество изменений в существующей конструкции сцепления и снизит затраты на них.
Для надежной работы усовершенствованного сцепления выполнен статический анализ ступицы ведомого диска (рис. 2, 3). Ступица воспринимает только крутящий момент. Момент приложен к шлицам и восьми отверстиям диаметром 16 мм. Крутящий момент составляет 464 Нм.
Статический анализ узловых напряжений показал (рис. 2), что максимальное значение напряжений составляет 244,5 МПа, при этом предел текучести материала ступицы - 380 МПа. Минимальный коэффициент запаса прочности (рис. 3) составил 1,6. Таким образом, статическая прочность ступицы обеспечена.
Рисунок 3. Анализ запаса прочности
Мировая практика показывает, что наиболее перспективным сцеплением для колесных тракторов является сцепление, работающее в масле. Применение сцепления, работающего в масле в конструкции трактора BELARUS- 922.3 позволит существенно повысить надежность и долговечность его работы.
Список литературы:
- Шарипов В.М. Конструирование и расчёт тракторов: учебник для студентов вузов. – Москва : Машиностроение, 2009. – 752 с.
- Тракторы и автомобили: Учебник для студентов вузов обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение»/ В.М. Шарипов, М.К. Бирюков, Ю.В. Дементьев и др.; Под общ. ред. В.М. Шарипова. – М.: Издательский дом «Спектр», 2010. – 351 с. : ил.
- Grünzweig, C., Wagner, M., Ruf, J. et al. Visualisation of the Oil Distribution in a Wet-Running Multi-Disc Clutch. ATZ Worldw 115, 52–58 (2013).
- Xue, J.Q.; Ma, B.; Chen, M.; Zhang, Q.Q.; Zheng, L.J. Experimental Investigation and Fault Diagnosis for Buckled Wet Clutch Based on Multi-Speed Hilbert Spectrum Entropy. Entropy 2021,23, 1704.
- Ingram M, Spikes H, Noles J, et al. Contact properties of a wet clutch friction material. Tribol Int 2010; 43: 815–821.
- Шарипов В.М. Тракторы. Конструкция: учебник для студентов вузов / Шарипов В.М. и др. - Москва: Машиностроение, 2019. - 804 с.
- Официальный сайт Минского тракторного завода [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://belarus-tractor.com/
- Руководство по эксплуатации «БЕЛАРУС-922.3/922.4» / Сорока Я.А. и д.р. - ОАО «Минский тракторный завод», 2018. – 224 с.