Многоступенчатая электромеханическая трансмиссия промышленного дизель-электрического трактора

Предлагается принципиальная схема многоступенчатой электромеханической трансмиссии промышленного дизель-электрического трактора, обеспечивающей автоматическое регулирование тяговых усилий и скоростей движения трактора в широком диапазоне при относительной стабилизации нагрузки приводного теплового двигателя за счет его работы в режимах с наиболее высокой эффективностью.

Наиболее важным направлением в усовершенствовании электрических трансмиссий транспортных и тяговых машин следует считать применение электропривода в системе механической трансмиссии как узла, преобразующего небольшую часть полной мощности приводного теплового двигателя и сообщающего силовой передаче в целом свои гибкие механические свойства. Это направление предусматривает создание электромеханических трансмиссий (ЭМТ) с параллельными потоками мощности на основе электромашин одинарного и двойного вращения, передающих лишь часть мощности теплового двигателя. Передача большей части мощности теплового двигателя через основную механическую ветвь ЭМТ повышает ее коэффициент полезного действия, сохраняя автоматичность электрической трансмиссии. При этом можно значительно уменьшить массогабаритные показатели электропривода ЭМТ в сравнении с электроприводом чисто электрической трансмиссии [1].

Таким образом, основное направление специализации электропривода в системе транспортных трансмиссий - это направление создания и усовершенствования многоступенчатых параллельных ЭМТ.

Разработанная автором многоступенчатая ЭМТ промышленного дизель-электрического трактора состоит из непрерывной двухступенчатой электромеханической передачи (ЭМП) с параллельными потоками мощности в ветвях и из механической части трансмиссии, основными элементами которой являются двухступенчатые планетарные механизмы передач и поворота, главная передача и бортовые редукторы (рис. 1).

Рис. 1. Многоступенчатая электромеханическая трансмиссия промышленного трактора: Д - приводной тепловой двигатель; ЭМП - электромеханическая передача; ГП - главная передача; ПМП - планетарный механизм поворота; БР - бортовой редуктор; ВК - ведущее колесо

В качестве механической части трансмиссии использованы элементы заднего моста промышленного дизель-электрического трактора ДЭТ-250М2 [2].

Структурная схема двухступенчатой ЭМП представлена на рис. 2.

Главной частью ЭМП является механизм, обладающий двумя степенями свободы S_k =2 и представляющий собой систему из двух элементарных планетарных механизмов. Вспомогательной частью передачи является двухмашинный электропривод Ml, М2 постоянного тока, роль которого состоит в том, чтобы основной шестеренчатой передаче сообщить свойства непрерывного и автоматического регулирования.

Рис. 2. Структурная схема электромеханической передачи: ai, bi, Ci, аг, Ьг, с2 - основные звенья ЭМП; М1, М2 - электромашины постоянного тока; di, d2 - гибкая электрическая связь якорных обмоток электромашин

Для получения минимально возможного осевого габарита ЭМП использованы элементарные планетарные механизмы с одновенцовы-ми сателлитами и центральными зубчатыми колесами смешанного зацепления (солнечное колесо имеет внешние зубья, эпициклическое колесо - внутренние), простые по конструкции, технологичные, с высоким внутренним коэффициентом полезного действия, имеющие наименьший, по сравнению с другими планетарными механизмами, осевой габарит (рис. 3).

Любое основное звено ЭМП

(аь bi, С], а2, Ь2, с2) на рис. 2 может быть звеном элементарного планетарного механизма (солнечным колесом, эпициклом или водилом) на рис. 3. В зависимости от способов присоединения основных функциональных звеньев аь Ьь сь а2, Ь2, с2 (солнечного колеса, эпицикла и водила) планетарных механизмов к входу, выходу и ветвям ЭМП может быть создано 36 вариантов схемных решений для общей структурной схемы. Поэтому сначала был проведен ее анализ с выводом общих уравнений [1], а затем на их основе решена задача синтеза конкретной схемы ЭМП.

Основным принципом управления ЭМП выбран метод переключения ступеней в момент остановки и разгрузки одного из основных звеньев планетарного механизма. Это звено наиболее удобно для того, чтобы разместить на нем управляющую муфту Ф и тормоз Т для стыковки между собой двух ступеней передачи, т. к. переключение элементов управления Ф и Т будет происходить при полной остановке и разгрузке звена (рис. 4). Переключение передач в этом случае будет наиболее эффективным, а устройства управления - простыми, долговечными, легко автоматизируемыми.

Рис. 3. Элементарный планетарный механизм: Э - эпициклическое колесо; В - водило; С - солнечное колесо; СТ - сателлит

Зависимости частот вращения электромашин Ml и М2 от основных параметров ЭМП описываются системой уравнений:

^пш ⁼ С1 '(^п ~«oi);

WM2 =С2 "(и -Ищ);

^мг =С^ -(п- п^у,                    m где п^, п^х - относительные частоты вращения электромашины Ml на первой и второй ступенях соответственно; й^2, "иг ~ относительные частоты вращения электромашины М2 на первой и второй ступенях соответственно; п - относительная частота вращения выходного звена ЭМП; йд], й^ - относительные частоты вращения выходного звена ЭМП на первой и второй ступенях, соответствующие моментам остановки электромашины Ml; й^, й^2 - относительные частоты вращения выходного звена ЭМП на первой и второй ступенях, соответствующие моментам остановки электромашины М2; Cj, Cf, С1^, С“ - обобщенные параметры планетарных механизмов на каждой передаче, зависящие от их конструктивных параметров.

Первая ступень в ЭМП осуществляется включением тормоза Т при выключенном фрикци-

Рис. 4. Электромеханическая передача с управляющими элементами

окном управляющем элементе Ф, вторая - выключением Т и включением Ф. Переключения ступеней осуществляются автоматически.

На основе анализа обобщенной схемы ЭМП с выбранными элементами управления с учетом требуемых параметров тракторного агрегата синтезирована конкретная схема двухпоточной ЭМП (рис. 5), входящей в состав ЭМТ промышленного дизель-электрического трактора и отвечающей всем требованиям, предъявляемым к современным силовым передачам тяговых и транспортных машин.

Уравнения кинематической связи для ступеней синтезированной схемы ЭМП имеют следующий вид:

н^х_ш = 3 • (й - 0,667); С/ = 3; Й^ = 0,667; '

й^ = 3 • (й - 0,667); Cf - 3; ^ = 0,667;

йш = 3 • и; С2 = 3; и^ — 0;

й^2=-3.(й-1,333);С“=-3;йоп2=1,333.

В соответствии с уравнениями (2) определены кинематические характеристики планетарных механизмов к] = 2 и к2 = 2. По выражениям для обобщенных координат каждой ступени ЭМТ можно получить уравнения, позволяющие определить крутящие моменты и мощности электромашин для этих ступеней [1].

При проведении полного анализа синтезированной схемы двухпоточной ЭМТ построены ее основные характеристики, представленные на рис. 6-8. На этих рисунках использованы следующие обозначения:

^мх» М_ш, М_м2, М_М2 _ _{относителЬ}ные крутящие моменты электромашин Ml и М2 на первой и второй передачах соответственно;

mi> ^mi» "М2» ¹ м2 _ относительные мощности электромашин Ml и М2 на первой и второй передачах соответственно.

Диапазон регулирования передачи (см. рис. 6):

й^ 0,3

Общий диапазон регулирования электротрансмиссии трактора ДЭТ-250М2 при длительной работе электрических машин ^ = 4 [2].

За номинальные крутящие моменты электромашин Ml и М2 приняты их максимальные зна чения, достигаемые ими в пределах каждой ступени, равные ^мгном - 0’5 _и М_м2нт1 - 0,5 ______ Серия «Машиностроение», выпуск 8                                              93

Рис. 6. Кинематическая характеристика синтезированной электромеханической передачи

-0,6

-0,8

-1,0

Рис. 7. Силовая характеристика синтезированной электромеханической передачи

			I
		^Л?2
0,3 0,	4     0,	5     0,			5       0,	9      1,	0     1,	1 1*
		Ял	I
			I

Рис. 8. Мощностная характеристика синтезированной электромеханической передачи

Предельное сокращение суммарного относительного объема ^^эш электромашин синтезированной двухпоточной ЭМП в сравнении с суммарным относительным объемом ^^ЭТ электромашин однопоточной электропередачи трактора ДЭТ-250М2, оцениваемое коэффициентом объ- k ема ^v, равно:

к„ = ^. = 3,08.

^уэмт                                                                                  (4)

Таким образом, разработанная малогабаритная двухступенчатая ЭМП промышленного дизель-электрического трактора обладающет рядом преимуществ перед аналогичными силовыми передачами:

• 1    простотой конструкции;

• 2    малыми габаритами;

• 3    широким диапазоном регулирования;

• 4    легкостью переключения ступеней передачи;

• 5    надежностью и долговечностью управляющих устройств, осуществляющих переключения при полной синхронизации и разгрузке без пробуксовки;

б легкостью автоматизации рабочих процессов.

В совокупности с механической частью трансмиссии ЭМП обеспечивает необходимый диапазон регулирования тяговых усилий и скоростей движения промышленного дизель-электрического трактора. Непрерывное регулирование трансмиссии осуществляется с помощью ЭМП и ступенчатое - переключением механических ступеней в планетарных механизмах передач и поворота.

Многоступенчатая электромеханическая трансмиссия может быть эффективно использована при доводке и дальнейшем совершенствовании нового промышленного дизель-электрического трактора ДЭТ-320 производства ООО «Челябинский тракторный завод - УРАЛТРАК».