Sposób poprawienia efektywności działania mechanizmu różnicowego QP1 w urządzeniu transportowym

Transkrypt

1 Lucjan Król 1 Politechnika Opolska Sposób poprawienia efektywności działania mechanizmu różnicowego QP1 w urządzeniu transportowym Wstęp Jednym z ważniejszych elementów układu przeniesienia napędu w pojazdach samochodowych jest mechanizm różnicowy, którego głównym zadaniem jest umożliwienie toczenia się kół napędowych z różną prędkością obrotową oraz podział momentu obrotowego na półosie napędowe. Różna prędkość obrotowa kół napędowych występuje gdy pojazd kołowy porusza się po torze krzywoliniowym (np. po łuku drogi) oraz gdy wartość promienia dynamicznego kół jest różna występująca m.in. przy różnych wysokościach bieżnika, podczas jazdy po nierównościach, niejednakowym ciśnieniu w ogumieniu bądź obciążeniu kół [1]. Działanie mechanizmu, umożliwiając toczenie się kół napędowych z różną prędkością obrotową, zapobiega poślizgowi kół w sytuacjach, kiedy w tej samej jednostce czasu pokonują różną drogę (rys. 1.), a tym samym eliminuje to powstawanie niepożądanych naprężeń w układzie napędowym. Rys. 1. Schemat ruchu pojazdu po okręgu. Koło przednie pokonuje łuk, odpowiadający średnicy zawracania DS, koło wewnętrzne łuk, o średnicy Dvi. Koła tylne poruszają się po łukach o średnicach DS i Dhi. Źródło: [2]. Pojazdy samochodowe o napędzie na wszystkie koła ze stałym lub chwilowym podziałem momentu obrotowego charakteryzują się lepszą zdolnością do poruszania się w trudnym terenie czy też w różnorodnych warunkach drogowych. Większy komfort jazdy oraz wzrost właściwości trakcyjnych (w porównaniu do napędu na jedną oś) spowodował duże zainteresowanie tego typu pojazdów do transportu kołowego. Samochody ze stałym jak i dołączanym napędem na wszystkie koła posiadają międzyosiowy mechanizm różnicowy oraz dwa osiowe mechanizmy różnicowe (rys. 2.). Celem międzyosiowego mechanizmu różnicowego jest kompensacja naprężeń w układzie napędowym oraz prędkości obrotowej przedniej i tylnej osi napędowej. 1 Lucjan Król, Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, Opole, Polska, lucjan.krol@doktorant.po.edu.pl 9272

2 Rys. 2. Schemat działania centralnego mechanizmu różnicowego [3]. Źródło: [3]. Celem pracy jest opracowanie metody poprawienia efektywności działania międzyosiowego mechanizmu różnicowego QP1produkcji AAM [QP1 Nazwa własna mechanizmu różnicowego produkcji American Axle & Manufacturing (AAM)]. Jako efektywność działania mechanizmu rozumieć należy stosunek podziału momentu obrotowego w granicach tolerancji właściwych dla poszczególnego trybu pracy. Przedmiot badań Przedmiotem badań jest międzyosiowy mechanizm różnicowy QP1 (rys. 3.) stosowany w skrzynce rozdzielczej 6-cio biegowej manualnej skrzyni biegów w samochodach marki Audi. 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. Rys. 3. Międzyosiowy mechanizm różnicowy QP1, 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]. Cechą określającą efektywność działania międzyosiowego mechanizmu QP1 jest współczynnik TDR (Torque Distibution Ratio z ang. wskaźnik dystrybucji momentu obrotowego), który definiuje stosunek momentu obrotowego przekazywanego na oś napędową o lepszej przyczepności w stosunku do drugiej osi dla różnicy prędkości Δn 0 [1, 5] tj.: TDR =, (1) gdzie: M2 > M1 oraz M1 0 i Δn 0, M1 moment obrotowy przedniej osi napędowej, M2 moment obrotowy tylnej osi napędowej, Δn różnica prędkości obrotowej osi napędowych. 9273

3 Tabela 1. Równania wartości trybu pracy 1 4 oraz konfiguracja pomiarowa, gdzie: MP moment obrotowy przedniej osi; MT moment obrotowy tylnej osi; np prędkość obrotowa osi przedniej; nt prędkość obrotowa osi tylnej. Tryb pracy Tryb 1 Tryb 2 Tryb 3 Tryb 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 Źródło: Opracowanie własne. Przykładowo wartość współczynnika TDR 3:1 oznacza przekazanie trzykrotnie większego momentu obrotowego na oś o lepszej przyczepności w porównaniu do osi, której koła będą w poślizgu. Pomiar współczynnika TDR przeprowadzono na testerze symulującym pracę mechanizmu w czterech trybach pracy 1 4 (tabela 1.). Metodyka i wyniki badań Plan badań zakładał przeanalizowanie różnic korelacji w mechanizmie QP1 pomiędzy dwoma przygotowanymi próbkami liczącymi po 3 mechanizmy. Pierwsza grupa mechanizmów (NOK) charakteryzowała się wartościami współczynników TDR poniżej dolnej granicy tolerancji, grupa druga to mechanizmy (OK) odseparowane z bieżącej produkcji z największymi wartościami współczynników TDR (tabela 2.). Wszystkie mechanizmy zostały rozmontowane w celu analizy zużycia powierzchni roboczych oraz dokonania pomiarów cech geometrycznych części składowych w laboratorium metrologicznym. Tabela 2. Wartości współczynników TDR badanych mechanizmów QP1, gdzie: kolor zielony wartości w tolerancji; kolor żółty wartości na granicy dolnej tolerancji; kolor czerwony wartości poniżej dolnej tolerancji. Tryb wartość TDR sztuk NOK Tryb wartość TDR sztuk OK mechanizm nr 1 mechanizm nr 2 mechanizm nr 3 1 1,42 1 1,47 2 1,52 mechanizm 2 1,60 3 2,63 nr 4 3 2,70 4 2,79 4 3,00 1 1,44 1 1,44 2 1,53 Mechanizm 2 1,60 3 2,64 nr 5 3 2,66 4 2,81 4 3,00 1 1,45 1 1,50 2 1,49 mechanizm 2 1,60 3 2,63 nr 6 3 2,72 4 2,75 4 3,

4 Źródło: Opracowanie własne. Podczas przeprowadzonej analizy zaobserwowano zużycie powierzchni na czopach wszystkich satelitów RH w mechanizmach grupy pierwszej, czego nie zaobserwowano w pozostałych mechanizmach. Wyniki pomiarów wskazały błędy walcowości czopów, dlatego też dokładnie przeanalizowano proces wytwórczy satelitów RH oraz ustalono potencjalne miejsce powstawania stożkowego kształtu czopów. W celu potwierdzenia teorii przygotowano zmierzoną geometrycznie próbkę 30 sztuk satelitów RH przed operacją kształtowania uzębienia metodą frezowanie obwiedniowego, gdzie satelity ustalone i zamocowane są w kłach. Wymagana siła docisku, ze względu na siły działające podczas zabiegu, była powodem odkształcania plastycznego czopów co przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Histogram przedstawiający odkształcenia plastyczne czopów powstające podczas operacji kształtowania uzębienia satelitów RH. Źródło: Opracowanie własne. Na rys. 5 przedstawiono zestawienie wartości luzu pomiędzy czopami satelitów RH, a średnicą pod czopy satelitów RH w obudowie mechanizmu. Zauważyć można iż mechanizmy NOK charakteryzują się wielkością luzu poniżej wartości 0,150 mm, natomiast mechanizmy OK powyżej 0,160 mm. Rys. 5. Zestawienie luzu pomiędzy czopami, a ich otworami w korpusach, gdzie: 1-3 mechanizmy NOK, 4-6 mechanizmy OK. Analiza wyników i wnioski Celem potwierdzenia wniosków płynących z przeprowadzonej analizy przeprowadzono testy polegające na zwiększaniu luzu pomiędzy czopami satelitów RH a otworami pod czopy w obudowie mechanizmu. Do tego celu użyto specjalnie wykonanej obudowy w wersji skręcanej pozwalającej na kontrolowane badanie zachodzących korelacji w mechanizmie QP1 poprzez możliwość łatwej wymiany badanych komponentów. Zmianę wielkości luzu dokonano poprzez zmniejszanie średnicy czopów po kolejnych etapach testu. 9275

5 Rys. 6. Wpływ wielkości luzu na wartości współczynnika TDR. Przeprowadzone badanie potwierdziło zależność wartości współczynnika TDR od wielkości luzu co zostało przedstawione na rys. 6. Na podstawie dokonanej analizy zachodzących korelacji w mechanizmie oraz procesu wytwórczego poszczególnych komponentów zaproponowano zmiany w konstrukcji, które spowodują poprawę efektywności działania międzyosiowego mechanizmu różnicowego QP1 (tabela 3.). Tabela. 3. Propozycja zmian geometrycznych komponentów mechanizmu różnicowego QP1 [1]. Wymiar Obecna Proponowana Średnica czopu satelity RH Średnica otworu pod czopy w korpusie mechanizmu Ø8,8 mm Ø9,05 mm + 0,1 mm + 0,05 mm Ø8,75 mm - 0,1 mm - 0,05 mm + 0,05 mm + 0,025 mm Ø9,09 mm - 0,05 mm - 0,035 mm Rozkład dwudziestu tysięcy wyników współczynnika TDR pochodzących z produkcji przedstawiony na rys. 7. ilustruje jak znaczący wpływ na pracę mechanizmu ma wilekość luzu pomiędzy czopem satelity RH, a otworem pod czopy satelitów w obudowie mechanizmu. Rys. 7. Wartości współczynnika TDR: a) wyniki przed badaniami; b) wyniki po wprowadzeniu proponowanych zmian kształtowych. LSL dolna granica specyfikacji, USL górna granica specyfikacji. 9276

6 Na podstawie przeprowadzonych badań i ich analizy wynikają następujące wnioski: Zachowanie minimalnej wielkości luzu równej 0,255 mm, wynikającej z tolerancji wymiarowej komponentów oraz uwzględniając maksymalne odkształcenia plastyczne czopów powstające podczas kształtowania uzębienia satelitów RH na poziomie 0,09 mm pozwala utrzymać rzeczywistą wielkość luzu powyżej 0,160 mm; Efektem przeprowadzonych badań i zastosowanych zmian kontrukcyjnych jest zwiększenie efektywności działania mechanizmu QP1; Z punktu widzenia procesu produkcyjnego jest to niezwykle wymierne zjawisko, m.in. ze względu na zmiejszone ryzyko wykonania mechanizmów poza specyfikacją tolerancji. Streszczenie Przedmiotem artykułu jest sposób poprawy stosunku podziału momentu obrotowego na poszczególne osie napędowe w mechanizmie różnicowym QP1. Na podstawie dokonanej analizy wyników badań wykazano znaczący wpływ wielkości luzu pomiędzy czopem satelitów a średnicą otworów pod czopy satelitów w obudowie mechanizmu na wartość współczynnika dystrybucji momentu obrotowego. Słowa kluczowe: Mechanizm różnicowy, metoda badań, zmiana geometrii, efektywność działania. 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] Reimpell J., Betzler J.: Podwozia samochodów. Podstawy konstrukcji. WKŁ, Warszawa 2004, s [3] Gabryelewicz M.: Podwozia i nadwozia pojazdów samochodowych 1 Podstawy teorii ruchu i eksploatacji oraz układ przeniesienia napędu. WKŁ, Warszawa, [4] Materiały American Axle and Manufacturing, rok [5] Allen J., 4-Wheeler's Bible. MotorBooks International, St. Paul MN,