BADANIA CHARAKTERYSTYKI PRZEKŁADNI ZĘBATEJ TYPU POWER SHIFT OBCIĄŻONEJ MASĄ BEZWŁADNOŚCIOWĄ

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 107 Jan ZWOLAK * BADANIA CHARAKTERYSTYKI PRZEKŁADNI ZĘBATEJ TYPU POWER SHIFT OBCIĄŻONEJ MASĄ BEZWŁADNOŚCIOWĄ INVESTIGATIONS OF A POWER SHIFT TOOTHED GEAR LOADED WITH AN INERTIAL MASS Słowa klucowe: prekładna ębata power shft, badana eksperymentalne, masa bewładnoścowa, prełącane begów Key words: gearng power shft, expermental nvestgatons, nertal mass, gear change Strescene Prekładne ębate stosowane w układe napędowym masyn robocych, a scególne ładowarek kołowych narażone są na wysoke menające sę w dużym akrese obcążena eksploatacyjne. Prowadene badań eksploatacyjnych wymaga odpowednego środowska w sense możlwośc urabana em lub preładunku materałów sypkch, jak równeż łący sę dużym kostam fnansowym. * Unwersytet Rolncy m. H. Kołłątaja, ul. Balcka 122, Kraków, tel , fax , e-mal: j.wolak@ar.krakow.pl

2 108 T R I B O L O G I A Stosuje sę atem badana stanowskowe masam bewładnoścowym umocowanym na wale wyjścowym prekładn do mostu prednego mostu tylnego ładowark kołowej. Odpowedno oblcone masy uyskujące odpowedne prędkośc obrotowe w case badań wywołują obcążena prekładn ębatej odpowadające obcążenom eksploatacyjnym podcas recywstej pracy ładowark. Nejednokrotne obcążena w badanach stanowskowych w umownej jednostce casu prewyżsają lcbę wartośc scytowych obcążeń meronych w warunkach eksploatacj ładowark. Określene charakterystyk badanej prekładn ębatej wymaga wykonana badań, na podstawe których określa sę wartośc prekładn hydroknetycnej, momentu obrotowego na wyjścu prekładn ębatej ora prędkośc obrotowej. Do prełącana begów nebędne jest określone cśnene oleju, które merono we wsystkch spręgłach występujących w prekładn. Wynk badań lustrowane wykresam wskaują na spadek prędkośc obrotowej na wale wejścowym prekładn podcas prełącana begów ora na wrost cśnena oleju w poscególnych spręgłach w funkcj casu. WSTĘP Aktualne w węksośc masyn robocych, a także cągnków rolncych stosowane są prekładne ębate typu power shft [L. 1, 2, 3]. Znamenną cechą tych prekładn jest to, że występujące w nej koła ębate są w cągłym aębenu, a prełącane begów odbywa sę pod pełnym obcążenem [L. 4]. Podcas prełącana występuje wrost momentu obcążającego koła ębate ora spręgła, a ścślej tarce spręgłowe (cerne stalowe), których powerchne cołowe w pocątkowej fae spręgana współpracują kontaktowo e sobą pewnym poślgem. Najbardej narażonym elementam na dałane destrukcyjne podcas prełącana begów są koła ębate ora spręgłowe tarce cerne stalowe. Stąd też achod potreba prowadena badań stanowskowych, umożlwających wytworene warunków obcążenowych podobnych do tych, jake występują w recywstej eksploatacj masyny robocej. Wytwarane pre frmy krajowe agrancne [L., 6, 7] masyny roboce charakteryują sę dużą ropętoścą mocy slnka mescącą sę w akrese od 0 do 400 kw. Tak duża ropętość mocy uwarunkowana jest różncowanem masy własnej masyny, jej wymarów ewnętrnych, osprętu robocego, a prede wsystkm warunków, w jakch dana masyna ma być eksploatowana. Z mocą slnka wąże sę ścśle cały układ napędowy masyny robocej, w skład którego wchod roważana prekładna typu power shft. W prypadku ładowark kołowej w kompletnym układe napędowym wyróżna sę: slnk spalnowy, prekładnę hydroknetycną, prekładnę ębatą typu power shft, mosty napędowe (predn tylny). A atem badana stanowskowe pownny sę odbywać w takej konfguracj urądeń mechancnych, hydraulc-

3 T R I B O L O G I A 109 nych elektroncnych, która powol uyskać warunk pracy prekładn blżone do recywstych. PRZEDMIOT BADAŃ Predmotem badań jest 6-stopnowa prekładna ębata typu power shft, która składa sę 12 kół ębatych tworących 7 par ębatych, wałków spręgeł. Schemat knematycny badanej prekładn predstawono na Rys. 1. Rys. 1. Schemat knematycny prekładn typu power shft w układe osowym Fg. 1. An axal knematc dagram of the nvestgated power shft gear Na wałku I usytuowane jest spręgło S p, amykające łańcuch knematycny wsystkch begów jady do produ ora spręgło S w apewnające jadę do tyłu. Na wałku III najduje sę spręgło S 1, które służy do prenesena napędu na begu 1 na begu 4. Za pomocą spręgła S 2 S 3 na wałku IV realowany jest odpowedno napęd na begu 2 ora na begu 3 6.

4 T R I B O L O G I A Istotę dałana prekładn typu power shft objaśna prekrój osowy espolonego kołam ębatym kosem spręgłowym wałka I, predstawony na Rys. 2. Rys. 2. Kompletny wałek I w prekroju osowym Fg. 2. A complete shaft I n an axal secton Na podstawe Rys. 1 pomocą scegółów konstrukcyjnych wdocnych na Rys. 2 można następująco apsać prełożena begów jady do produ układem spręgła Sp ora prełożena begów jady do tyłu realowane pre spręgło Sw:

5 T R I B O L O G I A 111 BADANIA STANOWISKOWE I METODYKA BADAŃ Badana prekładn ębatej typu power shft preprowadono na stanowsku badawcym masam bewładnoścowym, skonfgurowanym tak jak na Rys. 3. Stanowsko badawce ma charakter modułowy, co umożlwa manę konfguracj w ależnośc od potreb badawcych. Rys. 3. Schemat stanowska badawcego masam bewładnoścowym: 1 napędająca masyna dynamometrycna frmy Semens, 2 prekładna hydroknetycna, 3 badana prekładna typu power shft, 4 układ automatycnego sterowana prełącanem begów badanej prekładn, momentomer HBM wskaujący wartość pomarową momentu obrotowego M 3 wału wyjścowego na most napędowy predn, 6 masa bewładnoścowa na wale wyjścowym do mostu napędowego prednego I p 2,66 kg m 2, masa bewładnoścowa na wale wyjścowym do mostu napędowego tylnego I t 16,2 kg m 2 Fg. 3. A dagram showng the test faclty complete wth the nerta mass: 1 semens drvng dynamometer machne, 2 hydroknetc torque converter, 3 studed power shft gear, 4 automatc control system of the studed gear, HBM torque meter for output shaft torque M3 to the front drvng axle, 6 nertal mass I p 2,66 kg m 2, nertal mass I t 16,2 kg m 2 Podcas badań dokonywano pomaru następujących welkośc: momentu obrotowego M 3 na wale wyjścowym V, cśnena spręgeł begowych S 1 S 2 ora cśnena spręgeł kerunkowych S p S w. Wymenone welkośc rejestrowano podcas prełącana begów w cyklu badawcym 2R-2F-1F-1R-1F-2F pry prędkośc obrotowej masyny dynamometrycnej n mn -1, n mn -1, n mn -1. Prykładowy aps cyklu badawcego 2R-2F-1F-1R-1F-2F onaca, że badana prekładna pracowała w kolejnośc: na drugm begu wstecnym, następne na drugm begu do produ, dalej na perwsym begu do produ, na perwsym begu do tyłu, na perwsym begu do produ na drugm begu do produ. Cas trwana jednego cyklu badawcego wynosł około 90 s. Maksymalne wartośc momentu, jake arejestrowano na wale wyjścowym podcas prełącana begów w realowanym cyklu badawcym, awarto w Tabel 1.

6 112 T R I B O L O G I A Tabela 1. Wartośc momentu na wale wyjścowym w cyklu badawcym 2R-2F-1F-1R-1F-2F Table 1. Maxmum output shaft torque values n a cycle 2R-2F-1F-1R-1F-2F Prędkość obrotowa Maksymalny moment obrotowy na wale wyjścowym[nm] w akrese n 1 [mn -1 ] 2R 2F 1F 1R 1F 2F Zostały też arejestrowane prebeg cśnena w spręgłach kerunkowych S p S w, w spręgłach begowych S 1 S 2 ora prebeg momentu obrotowego M 3 na wale wyjścowym pry prędkośc obrotowej n mn -1. Prebeg cśnena momentu obrotowego pełnego cyklu badawcego 2R-2F-1F-1R-1F-2F predstawono na Rys. 4. Rys. 4. Prebeg cśnena w spręgłach S 1 S 2, S p S w ora momentu obrotowego na wale wyjścowym w cyklu badawcym 2R-2F-1F-1R-1F-2F, pry prędkośc obrotowej n mn -1 Fg. 4. Pressure dstrbuton n couplngs S 1 and S 2, S p and S w and the output shaft torque n the cycle 2R-2F-1F-1R-1F-2F at rotatonal speed n mn -1

7 T R I B O L O G I A 113 Charakterystykę man cśnena w spręgłach S 1, S 2, S p, S w ora momentu obrotowego na wale wyjścowym, odpowadającą prełącanu begu drugego wstecnego na drug beg do produ (2R 2F) predstawono na Rys.. Rys.. Prebeg cśnena w spręgłach S 1 S 2, S p S w ora momentu obrotowego na wale wyjścowym w cłone cyklu badawcego 2R-2F, pry prędkośc obrotowej n mn -1 Fg.. Pressure dstrbuton n couplngs S 1 and S 2, S p and S w and the output shaft torque n 2R-2F part of the cycle done at rotatonal speed. n mn -1 W arejestrowanych prebegach predstawonych na Rys. 4, 6 onacono: cśnene w spręgle S p p F cśnene w spręgle S w p R, cśnene w spręgle S 1 p 1, cśnene w spręgle S 2 p 2, moment obrotowy na wale wyjścowym M 3. W pełnym cyklu badawcym wdocnym na Rys. 4 wyróżna sę seść cłonów charakteryujących prebeg prełącana begów. Tu prykładowo amescono prebeg achodący podcas prełącana begu 1F-1R. Prebeg ten predstawono na Rys. 6.

8 114 T R I B O L O G I A Rys. 6. Prebeg cśnena w spręgłach S 1 S 2, S p S w ora momentu obrotowego na wale wyjścowym w cłone cyklu badawcego 1F-1R, pry prędkośc obrotowej n mn -1 Fg. 6. Pressure dstrbuton n couplngs S 1 and S 2, S p amd S w and the output shaft torque n 1F-1R part of the cycle done at rotatonal speed. n mn -1 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Preprowadono analę pełnego cyklu badawcego 2R-2F-1F-1R-1F-2F amesconego na Rys. 4. W anale uwględnono ogólną charakterystykę poscególnych cłonów, a następne prebeg cśnena momentu obrotowego achodącego podcas prełącana begów. W cłone 2R cśnene p S cśnene p 2 utrymuje sę na średnm stałym poome powyżej 2 MPa. Natomast cśnene p f cśnene p 1 jest blske wartośc erowej. Moment obrotowy M 3 na wale wyjścowym także pryjmuje wartość blską eru. Następne w cłone 2F wyróżna sę cśnene p f p 2 pryjmującym wartość około 2.1 MPa. Cśnene p R p 1 wra momentem obrotowym M 3 najduje sę tuż pry ln erowej. Z kole w cłone 1F krywe cśnena p f p 1 blske sobe achowują stałą wartość około 2.1 MPa. Krywa cśnena p r p 2 wra krywą momentu obrotowego M 3 jest położona blsko ln erowej. Zakres cłonu 1R awera cśnene p r cśnene p 1 o wartośc około 2.1 MPa. Cśnene p f cśnene p 2 łącne momentem obrotowym M 3

9 T R I B O L O G I A 11 jest położone w poblżu ln erowej. W kolejnym cłone 1F wyróżna sę krywą cśnena p f p 1 o średnej stałej wartośc wynosącej około 2,1 MPa. Natomast krywa cśnena p r p 2 ora krywa momentu obrotowego M 3 lokuje sę blsko ln erowej. W ostatnm cłone cyklu badawcego 2F wyróżna sę cśnene p f cśnene p 2 na poome około 2,1 MPa. Cśnene p r cśnene p 1 ora moment obrotowy M 3 pryjmuje wartośc położone w poblżu ln erowej. Najbardej nteresujące są agadnena wąane prełącanem begów. Preprowadona anala prełącana begów 2R-2F na podstawe rysunku wskauje, że cśnene p r p 2 spada bardo gwałtowne w jednakowym case. Cśnene p 2 atrymuje sę na poome około 0,38 MPa, pry cym po upływe około 0,4 sekundy ponowne spada do około 0,3 MPa tego mejsca gwałtowne rośne w case około 0,3 sekundy do wartośc średnej około 2,2 MPa. Cśnene p f acyna wrastać w tym samym case, kedy achod pocątek spadana cśnena p r p 2. Cśnene p f rośne od wartośc erowej do około 0,38 MPa tu jego krywa spotyka sę krywą cśnena p 2, by dalej pokrywające sę krywe spadały raem do około 0,3 MPa, po cym rosną one dalej raem do około 2,2 MPa. W chwl ropocęca prełącana begu acyna wrastać wartość momentu obrotowego M 3, którego wartość scytowa osąga maksmum 7,72 knm. Na Rys. wykaane są wartośc cśnena odpowadające maksmum momentu obrotowego, które odpowedno wynosą: p f 1,784 MPa, p 2 1,71 MPa, p r 0,039 MPa, p 1 0,017 MPa. Cas pełnego prełącana begu wynos około 1s. Moment obrotowy M 3 po prejścu pre swoje maksmum acyna spadać do era. W prypadku Rys. auważa sę, że spadek ten jest modulowany trwa około 3, sekundy. Neco nacej prebegają krywe cśnena p f cśnena p 1 podcas prełącana begu 1F-1R, predstawonego na Rys. 6. Krywe te ne pokrywają sę, ale są presunęte w fae casowej wględem sebe. Cśnene p f acyna spadać wceśnej o około 0,1 s, anżel cśnene p 1. Cśnene p f spada do era tak sę utrymuje w case pracy prekładn na begu 1R. Cśnene p 1 spada do około 0,18 MPa (jest to pk lokalnego maksmum), następne rośne do około 0,3 MPa tak sę utrymuje w case około 0,4 s, po cym spada do 0,22 MPa, by tego mejsca wrosnąć do około 2,1 MPa. W case gdy cśnene p f spadło do era, acął sę wrost cśnena p r. Krywa cśnena p r spotyka sę krywą cśnena p 1 na poome około 0,3 MPa, by acynając od tego mejsca wrosnąć raem do pełnego prełącena begu 1F-1R. Po upływe casu około 0,4 s od chwl ropocęca wrostu cśnena p r acyna sę wrost momentu obrotowego M 3 uyskuje on wartość maksymalną 7,02 knm pry cśnenu p r p 1 1,216 MPa, p f 0,028 MPa, p 2 0,027 MPa. Cas pełnego prełącana begu 1F-1R wynos około 1, s, natomast cas spadku momentu obrotowego lcony od uyskana wartośc maksymalnej do era wynos około 1,3 s.

10 116 T R I B O L O G I A WNIOSKI Na podstawe uyskanych wynków badań prekładn ębatej typu power shft można określć jej charakterystykę pre sybkość many cśnena panującego w spręgłach ora pre sybkość wrostu momentu obrotowego na wale wyjścowym od wartośc erowej do maksymalnej podcas prełącana begów. Natomast podcas pracy prekładn w ruchu ustalonym ocekuje sę stałego cśnena w poscególnych spręgłach ora stałego momentu obrotowego na wale wyjścowym. Predstawone na Rys. 4, 6 krywe cśnena p f, p r, p 1 p 2 ora krywa momentu obrotowego M 3, mogą być prykładem dobre funkcjonującej prekładn ębatej typu power shft. LITERATURA 1. Bdńsk J.: Wpływ własnośc prekładn prełącanej pod obcążenem na prebeg automatycnej many begów w cągnku rolncym. Motoryacja energetyka rolnctwa, nr 7, Park S.M., Park T.W., Han S.W. and Kwon S.K.: Analtycal Study to Estmate the Performance of the Power Shft Drve Axle for a Forklft. Internatonal Journal of Automotve Technology, vol.11, nr 1, Zwolak J.: Projektowane prekładn ębatych power shft. Pregląd Mechancny, nr 2, Ivantysowa M. Power Splt Drve Technology-trends & Requrements. Developments n Flud Power Control of Machnery and Manpulators. Internatonal Scentfce Forum, Cracow Materały frmowe HSW SA. Summary Toothed gears used n power transmsson systems n heavy machnery, partcularly wheel excavators, are subjected to a hgh and fluctuatng servce load. Operatng tests are costly because they requre the proper envronment n the context of earth workng or loadng loose materals. Workshop tests are therefore performed wth an nertal mass attached on the gear shaft to the front and rear axle of a wheel excavator. Calculated masses ensurng the approprate rotatonal speeds durng the tests gve rse to the toothed gear loads whch correspond to the servce loads experenced when n servce. The loads n workshop tests of wheel excavators carred out n a predefned tme unt often exceed the peak loads measured whle n servce.

11 T R I B O L O G I A 117 Fndng the characterstcs of the toothed gear requres further tests to determne the propertes of a hydroknetc torque converter and toothed gear output torque and rotatonal speed. Gear change requres a precsely controlled ol pressure, whch s also analysed n ndvdual couplngs of the gear. The results supported by charts reveal a decrease n rotatonal speed of the toothed gear nput shaft durng the change of gears and an ncrease n ol pressure n ndvdual couplngs over tme.