Analiza korelacji wskaźników dystrybucji momentu obrotowego do wielkości luzu w mechanizmie różni-cowym samochodu

Transkrypt

1 Lucjan Król 1 Politechnika Opolska Analiza korelacji wskaźników dystrybucji momentu obrotowego do wielkości luzu w mechanizmie różni-cowym samochodu Wstęp Mechanizm różnicowy jest niezwykle ważnym elementem układu przeniesienia napędu ze względu istotę funkcji jaką pełni w pojeździe samochodowym z uwagi na podział momentu napędowego na prawą i lewą półoś napędową oraz redukowanie naprężeń w układzie napędowym w sytuacjach, gdy prędkość obrotowa kół jest różna. Powodem niejednakowej prędkości obrotowej kół jest ruch pojazdu kołowego po łuku drogi lub też różny promień dynamiczny kół podczas jazdy po nierównościach, z niejednakowym ciśnieniem w ogumieniu czy też różną wysokością bieżnika [1, 2]. Rys. 1. Przeniesienie napędu z przekładni głównej poprzez mechanizm różnicowy i półoś na koło pojazdu. Źródło: [2]. W Celu przybliżenia tematyki rozdziału momentu obrotowego na koła napędowe przedstawiono na rys. 1 stożkowy mechanizm różnicowy, z reguły najczęściej stosowany w przekładniach głównych. Wiedza na temat podstawowych zależności kinematycznych i dynamicznych tego mechanizmu ułatwi analizę bardziej zaawansowanej konstrukcji przedstawionej w dalszej części artykułu. Moment obrotowy przekazywany jest z wału korbowego silnika poprzez skrzynię biegów do przekładni głównej, w której obudowa mechanizmu połączona jest kołem talerzowym. Następnie moment obrotowy przekazywany jest kolejno na oś satelitów, satelity, koła koronowe osadzonych na półosiach napędowych [1]. W sytuacji gdy prędkość obrotowa kół koronowych jest jednakowa, satelity pełnią rolę sprzęgieł zębatych satelity nie obracają się wokół własne osi (rys. 2a). 1 Lucjan Król, Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, Opole, Polska, lucjan.krol@doktorant.po.edu.pl 9263

2 Różne prędkości obrotowe kół napędowych tym samym kół koronowych wprawiają w ruch satelity. Koło o większej prędkości obrotowej wywołuje obrót satelitów wokół własnej osi przy jednoczesnym zmniejszeniu prędkości obrotowej drugiego koła o wartość Δn (rys. 2b). Rys. 2. Schemat działania mechanizmu różnicowego[1]. a jazda prosto, b jazda po łuku. Źródło: [3]. Mechanizm różnicowy otwarty pracuje w sytuacji, gdy różnica momentów obrotowych półosi napędowych jest większa od podwójnej wartości momentu tarcia wewnętrznego mechanizmu, tj.: M1 - M2 = 2 Mt, (1) gdzie: Mt moment tarcia wewnętrznego mechanizmu, M1 moment obrotowy przekazywany na koło lewe, M2 moment obrotowy przekazywany na koło prawe. Pozornie pożądana byłaby jak najniższa wartość tarcia wewnętrznego mechanizmu, ale jeśli różnica momentów obrotowych M1 i M2 jest większa od wartości momentu tarcia wewnętrznego, to wtedy wartość momentu obrotowego przekazywanego na półoś o większej prędkości obrotowej zwiększa się. Jest to zjawisko bardzo niekorzystne w sytuacji, gdy jedno z kół jest w poślizgu, ponieważ przekazywany moment obrotowy na koło o dobrej przyczepności może być niewystarczający do ruszenia samochodem [1]. Wady tej pozbawione są mechanizmy o zwiększonym tarciu wewnętrznym, a szczególnie odmiana ślimakowego mechanizmu różnicowego typu Torsen. Nazwa Torsen w wolnym tłumaczeniu oznacza wyczucie momentu obrotowego i pochodzi od angielskich słów torque sensing (TORque moment obrotowy, SENsing wyczucie). Mechanizm ten łączy cechy przekładni ślimakowej oraz walcowej. Zasada działania tego mechanizmu różnicowego opiera się na właściwości przekładni ślimakowej jaką jest samohamowność, istotna w sytuacji, gdy element pierwotnie odbierający moment staje się elementem napędzającym. W mechanizmie Torsen wykorzystano przekładnie ślimakową o relatywnie dużej wartości kąta wzniosu linii zębów, która pozwala na zmianę kierunku napędu w obie strony. Wiąże się to z działaniem oporowym, zwiększającym się wraz ze wzrostem wartości przekazywanego momentu obrotowego stąd też mechanizm wyczuwający moment [1]. Przedmiot badań Proporcje przekazywanego momentu obrotowego na poszczególne koła napędowe w przypadku poślizgu jednego z nich można wyrazić m.in. za pomocą współczynnika TBR lub TDR. Współczynnik TBR (Torque Bias Ratio nastawienie momentu obrotowego) definiuje, niezależnie od nominalnego przełożenia mechanizmu, maksymalną proporcję momentu obrotowego przekazywanego na koło napędowe o lepszej przyczepności do podłoża w stosunku do drugiego koła, dla różnicy prędkości Δn 0, tj.: TBR = R, (2) TBR =, (3) gdzie: dla (2): M2> M1, M1 0, Δn 0, dla (3): M1> M2, M2 0, Δn 0, M1 i M2 moment obrotowy kolejno koła lewego i prawego, 9264

3 Δn różnica prędkości obrotowej kół napędowych, R nominalna dystrybucja momentu obrotowego. Logistyka nauka Wartość współczynnika TBR 3:1 oznacza przekazanie trzykrotnie większego momentu obrotowego na koło napędowe o lepszej przyczepności, w stosunku do koła napędowego będącego w poślizgu. Współczynnik TDR (Torque Distribution Ratio wskaźnik dystrybucji momentu obrotowego) definiuje proporcję momentu obrotowego przekazywanego na koło napędowe o lepszej przyczepności w stosunku do drugiego koła, dla różnicy prędkości Δn 0, tj.: TDR = (4) gdzie: dla (4) M2 > M1, M1 0, Δn 0, M1 i M2 moment obrotowy poszczególnych kół napędowych, Δn różnica prędkości obrotowej kół napędowych. Wartość wskaźników TBR i TDR jest jednakowa w symetrycznych mechanizmach różnicowych, gdzie nominalny podział momentu obrotowego wynosi R=1. W przypadku niesymetrycznych mechanizmów różnicowych, gdzie nominalny podział momentu obrotowego przyjmuje wartości R 1, współczynnik TDR nie określa rzeczywistego stopnia blokowania mechanizmu w danym kierunku, ponieważ uwzględnia wartość przełożenia wewnętrznego mechanizmu. Rys. 3. Międzyosiowy mechanizm różnicowy QP1 [1, 4], gdzie: 1 żeliwna pokrywa obudowy; 2,5,6,10,11,14,16 tarcze cierne; 3 koło koronowe przedniej osi; 4 komplet satelitów prawych (RH); 12 komplet satelitów lewych (LH); 7 jarzmo satelitów (obudowa) z wielowypustem; 8 podkładka oporowa; 9 pierścień osadczy; 13 koło koronowe tylnej osi; 15 stalowa pokrywa obudowy. Źródło: [1, 4]. Przeprowadzona analiza korelacji wskaźników dystrybucji momentu obrotowego w niniejszym artykule dotyczy międzyosiowego mechanizmu różnicowego Typu Torsen (rys. 3.). Badany mechanizm QP1 nominalnie rozdziela moment obrotowy przód : tył w proporcjach 40%:60% oraz charakteryzuje się współczynnikiem TDR od 1,55:1 do 1,9:1 dla przedniej osi oraz od 2,9:1 do 3,5:1 dla tylnej. Metodyka badań Do celów badawczych wykorzystano specjalnie wykonaną obudowę mechanizmu QP1 (rys. 3) pozwalającej na weryfikację wpływu dowolnego komponentu przy zachowaniu minimalnej ilości zmiennych. Wielokrotny montaż oraz demontaż komponentów umożliwiło zastosowanie połączenia śrubowego pokrywek z korpusem. W celu wyeliminowania wpływu czynników zewnętrznych na wartości pomiarów współczynnika TDR lub ich losowego rozrzutu ustalono jednakowe warunki testu mechanizmu w wersji skręcanej, które były ściśle przestrzegane podczas kolejnych etapów. Pomiar współczynnika TDR dokonywany był na maszynie testującej sprawdzającej ogólną charakterystykę pracy mechanizmu różnicowego w czterech trybach pracy, które przedstawione zostały w tabeli

4 Poszczególne tryby pracy odpowiadają różnym sytuacjom drogowym takim jak rozpędzanie pojazdu lub hamowanie silnikiem w przypadku poślizgu jednej z osi napędowych. Tabela 1. Konfiguracja pomiarowa i równania wartości TDR 1 4, gdzie: MP moment obrotowy przedniej osi; MT moment obrotowy tylnej osi; M0P nominalny moment obrotowy osi przedniej, gdy mechanizm nie pracuje i wynikający z przełożenia wewnętrznego przekładni; M0T nominalny moment obrotowy osi tylnej gdy mechanizm nie pracuje i wynikający z przełożenia wewnętrznego przekładni; np prędkość obrotowa osi przedniej; nt prędkość obrotowa osi tylnej. TDR TDR 1 TDR 2 TDR 3 TDR 4 Kondycja napędu zwalnianie napędzanie zwalnianie napędzanie Kierunek działania blokady Dystrybucja momentu obrotowego Rozkład prędkości obrotowych osi przód przód tył tył M P > M T M P > M T M P < M T M P < M T n P>n T n P<n T n P<n T n P>n T Równanie TDR Równanie TBR TDR R TDR R TDR R TDR R Wartość dystrybucji nominalnej R Eksperyment rozpoczęto od zbadania wpływu zależności wymiarowo-kształtowych pokrywki żeliwnej na wartości współczynnika TDR bezpośrednio wpływającej na wielkość luzu w mechanizmie. Przygotowano próbkę 36 sztuk pokrywek żeliwnych podzieloną na 12 grup. Każda grupa pokrywek została wykonana ze zmianą wartości wymiarowej poszczególnej charakterystyki, które zaprezentowane zostały na rys. 4. Badanie poszczególnych grup pokrywek miało na celu wskazanie zależności poziomu TDR od parametrów geometrycznych pokrywki charakterystyki A, B, C lub D. Rys. 4. Pokrywka żeliwna mechanizmu QP1, gdzie: B, C, D zmieniane charakterystyki; 1, 2, 3 oznaczenia wysp, miejsc współpracy pokrywki z satelitami; punkty A i B miejsca pomiaru dla charakterystyki A. Źródło:[1,4]. 9266

5 Następnie zestawiono zależność współczynnika TDR od wielkości luzu pomiędzy czopami satelitów RH i gniazdami pod czopy w korpusie. W tym celu przygotowano satelity RH o średnicach czopów ø8,89 mm. W kolejnych krokach testu zwiększano wielkość luzu zmniejszając średnicę czopów satelitów RH zgodnie z tabelą 2. Tabela 2. Plan testu wielkości luzu pomiędzy czopami satelitów RH, a ich gniazdem w korpusie. Nr próby Średnice czopów satelitów RH, mm Wielkość luzu, mm 1 Ø8,89 mm 0,143 2 Ø8,86 mm 0,173 3 Ø8,83 mm 0,203 4 Ø8,82 mm 0,213 5 Ø8,79 mm 0,243 6 Ø8,67 mm 0,363 Ostatnim testem było zbadanie relacji wielkości luzu pomiędzy gniazdem pod satelity LH, a ich średnicą. W ramach tego testu wykonano trzy komplety satelitów o średnicy zewnętrznej Ø 19,99 mm, a następnie zwiększano luz tak, jak przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Plan testu wielkości luzu pomiędzy czopami satelitów RH a ich gniazdem w korpusie Nr kompletu Średnice satelitów LH, mm Wielkość luzu, mm Wyniki badań Ø 19,99 0,08 Ø 19,97 0,1 Ø 19,95 0,12 Na rysunku 5 zamieszczono zależność współczynnika TDR od wartości poszczególnych charakterystyk pokrywki żeliwnej mechanizmu różnicowego QP1, gdzie: Charakterystyka A wpływa na wielkość powierzchni współpracy z satelitami RH, Charakterystyka B wpływa na siłę docisku satelitów LH, Charakterystyka C wpływa na siłę docisku satelitów RH, Charakterystyka D wpływa na siłę docisku tarcz ciernych. 9267

6 Rys. 5. Zależność wartości TDR od wartości poszczególnej charakterystyki pokrywki, gdzie: a wpływ charakterystyki B na TDR 1, 2; b wpływ charakterystyki B na TDR 3, 4; c, wpływ charakterystyki C na TDR 1, 2; d wpływ charakterystyki C na TDR 3, 4; e wpływ charakterystyki D na TDR 1, 2; f wpływ charakterystyki D na TDR 3, 4. Wraz ze wzrostem wartości charakterystyki B odnotowano spadek wartości TDR 3 (rys 5.b). Również w przypadku zmian wartości charakterystyk C i D zauważono tendencję spadkową wartości TDR 3 (rys.5.d i 5.f). TDR 4 nie wskazał na jednoznaczną tendencję wskutek zmian poszczególnych parametrów geometrycznych pokrywki (rys. 5.b, 5.d, 5.f), natomiast wartości TDR 1 wykazały niewielki spadek wraz ze wzrostem wartości charakterystyki B (rys. 5.a). Interesującym faktem okazał się brak zależności badanych charakterystyk B, C i D na wartości TDR 2 (rys. 5.a, 5.c, 5.e). Na rys. 6 zauważyć można wpływ wielkości luzu pomiędzy czopami satelitów RH a ich gniazdami w korpusie na wzrost wartości TDR. Przy wielkości luzu powyżej 0,213 mm zauważono brak wzrostu wartości TDR 1 (rys. 6.a) i TDR 2 (rys. 6.b). Przy wielkości luzu 0,363 mm odnotowano spadek wartości TDR 3 (rys. 6.c), co może oznaczać, podobnie jak w przypadku TDR 4 (rys. 6.d), nieliniową zależność wielkości luzu po przekroczeniu 0,243 mm luzu. 9268

7 Rys. 6. Zależność wartości TDR od wielkości luzu pomiędzy czopami satelitów RH a ich gniazdami w korpusie mechanizmu QP1, gdzie: a) dla TDR 1; b) dla TDR 2; c) dla TDR 3; d) dla TDR 4. Wzrost wielkości luzu pomiędzy satelitami LH a ich gniazdami w korpusie mechanizmu QP1 przedstawiony został na rys. 7. Zaobserwowano znaczny wzrost wartości TRD 1 (rys. 7.a) oraz TDR 3 (rys. 7.c) wraz ze wzrostem wielkości luzu. W przypadku TDR 4 przy wielkości luzu 0,1 mm (tabela 3) wartości współczynnika wzrosły, po czym przy wielkości luzu 0,12 mm wartości współczynnika spadły niemalże do poprzedniego poziomu (rys. 7.d). Średnie wartości TDR 2 wykazały tendencję spadkową (rys. 7.b). Rys. 7. Zależność wartości TDR od wielkości luzu pomiędzy satelitami LH a ich gniazdami w korpusie mechanizmu. Analiza wyników i wnioski Wyniki przeprowadzonych badań dowiodły wielu nieznanych dotychczas zależności pomiędzy współpracującymi komponentami, wpływających na poziom wartości TDR w poszczególnych trybach pracy międzyosiowego mechanizmu różnicowego QP1. Rysunek 8 przedstawia procentową wartość wzrostu poszczególnych trybów pracy wraz ze zmianą wielkości luzu w mechanizmie. 9269

8 Rys. 8. Procentowy wzrost wartości TDR w wyniku zmian wielkości luzu, gdzie: I V testy wielkości luzu pomiędzy czopem satelitów RH a ich gniazdem w korpusie; VI, VII testy wielkości średnicy satelitów LH. Źródło:[1]. Z przeprowadzonych badań oraz analizy otrzymanych wyników można sformułować następujące wnioski: Zwiększenie siły docisku tarcz ciernych i satelitów poprzez zmianę poszczególnych parametrów geometrycznych pokrywki: Nie wpłynęło na poziom wartości TDR 2, Wpłynęło na wzrost wartości TDR 3, Wzrost wielkości luzu pomiędzy czopem satelitów RH a ich gniazdem w korpusie ma wpływ na wzrost wartości wszystkich trybów pracy współczynnika TDR; Zwiększenie luzu pomiędzy satelitami LH a ich gniazdami w korpusie znacznie wpływa na wzrost wartości TDR 1 oraz TDR 3, natomiast ma niewielki wpływ na TDR 2 i TDR 4; Z uwagi na podniesienie poziomu wszystkich wartości TDR należałoby zwiększyć luz pomiędzy czopem satelitów RH a ich gniazdem w korpusie. Wymieniona zależność ma najbardziej korzystny wpływ na charakterystykę pracy międzyosiowego mechanizmu różnicowego QP1. Streszczenie: Przedmiotem pracy jest analiza wielkości luzu w międzyosiowym mechanizmie różnicowym typu Torsen na wartość wskaźników dystrybucji momentu obrotowego. Badania przedstawiają wpływ zmian wymiarowo-kształtowych poszczególnych elementów składowych mechanizmu różnicowego na efektywność jego działania. Wykazano, że zwiększenie luzu pomiędzy satelitami LH, a ich gniazdami w korpusie znacznie wpływają na wzrost wartości TDR 1 oraz TDR 3, natomiast ma niewielki wpływ na TDR 2 i TDR 4. Słowa kluczowe: Mechanizm różnicowy, Torsen, moment obrotowy, tolerancje wymiarowe kształtu 9270

9 Literatura [1] Król L.: Badania nad zwiększeniem efektywności działania centralnego mechanizmu różnicowego samochodu osobowego. Praca dyplomowa magisterska, Wydział Mechaniczny, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2014, s 85. [2] Gabryelewicz M.: Podwozia i nadwozia pojazdów samochodowych 1 Podstawy teorii ruchu i eksploatacji oraz układ przeniesienia napędu. WKŁ, Warszawa, [3] Jackowski J., Łęgiewicz J., Wieczorek M.: Pojazdy samochodowe. Samochody osobowe i pochodne. WKŁ, Warszawa, [4] Materiały American Axle and Manufacturing,