Повышение эффективности использования трактора Беларус-1523В в ГСХУ «Лепельская СС» с модернизацией системы блокировки дифференциала (дипломный проект)

В дипломном проекте освещены основные недостатки при работе тракторов, произведён обзор и анализ механизмов блокировки дифференциалов, выполнена модернизация механизма блокировки дифференциала. Приведено описание конструкции системы смазки дифференциала, произведен расчёт необходимого давления рабочей жидкости для блокировки дифференциала, выполнен расчёт основных деталей и сборочных единиц дифференциала, разработан технологический процесс использования трактора на вспашке.
Освещены вопросы охраны труда на производстве, проведено технико-экономическое обоснование разработки.
В графической части проекта разработана конструкция модернизированной системы блокировки дифференциала, приведены таблицы технологического процесса работы трактора и технико-экономические показатели проекта.
С учётом специфики и особенности работы трактора «Беларус-1523В» выявлены недостатки системы блокировки дифференциала.
Модернизация произведена на базе анализа патентного поиска по дифференциалу, механизмам блокировки дифференциала в направлении улучшения эксплуатационных свойств трактора.
Правильность выбора модернизации подтверждается прочностными и технико-экономическими показателями.


СОДЕРЖАНИЕ
Введение..................................................................................9
1 Производственно-экономическая характеристика ГСХУ «Лепельская СС».............. .................................10
1.1 Общие сведения о предприятии...........................10
1.2 Машинно-тракторный и автомобильный парк предприятия......................................16
1.3 Инженерно-техническая служба..........................19
1.4 Техническое обслуживание машино-тракторного парка...................20
1.5 Ремонт машин............................................20
2. Пути повышения тягово-сцепных свойств колёсных тракторов..........26
3. Описание различных типов блокирующих устройств, применяемых на тракторах..........................32
4. Конструкторская разработка............................41
4.1 Актуальность проблемы....................................41
4.2 Обзор и анализ систем управления блокировкой дифференциала........................................................42
4.3 Описание работы модернизированной системы...49
4.4 Конструкторские расчеты..................52
5. Расчёт эффективности разработки при выполнении сельскохозяйственной операции ...........57
5.1 Выбор рационального режима работы трактора «Беларус–1523В» при вспашке................................57
5.2 Показатели организации процесса вспашки........64
5.3 Контроль качества работы..................67
6. Технико-экономические показатели проекта..........68
6.1 Сущность разработки.......................68
6.2 Расчёт производительности машины и годового объема работ........69
6.3 Расчёт трудозатрат и роста производительности труда .................69
6.4 Материалоёмкость процесса...................................................70
6.5 Энергоёмкость процесса........................................................71
6.6 Расход топлива....................................................................72
6.7 Капиталоёмкость процесса..........................72
6.8 Расчёт эксплуатационных затрат и их экономии..73
6.9 Расчёт эффективности капитальных вложений........76
7. Охрана труда............................80
7.1 Анализ состояния охраны труда в ГСХУ «Лепельская СС».............81
7.2 Оценка безопасности при выполнении технологического процесса..................................83
7.3 Мероприятия по улучшению условий и безопасности труда в ГСХУ «Лепельская СС».............84
Заключение..............................................................................86
Список использованных источников......................87
Приложения


3 ОПИСАНИЕ БЛОКИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ НА ТРАКТОРАХ

В настоящее время практически все тракторы и много автомобилей оборудованы устройствами, ограничивающими величину раздельного буксования колёс. По уровню автоматизации средств регулирования параметров блокировки, блокирующие устройства подразделяются на системы принудительного и автоматического действия.
Дифференциалы с принудительной блокировкой
Дифференциалы с принудительной блокировкой это, пожалуй, одни из самых древних способов сблокировать дифференциал и наиболее простой в изготовлении (впервые был применен в 1906г. в автомобилях «Мерседес-Бенц»).
При включении блокировки дифференциала, муфта (чаще всего кулачковая, шлицевая или штифтовая) приводимая педалью (рычагом), блокировала корпус дифференциала с полуосью или две полуоси между собой. Для обеспечения управляемости трактора муфты выполняли только принудительно замыкаемыми, что достигалось установкой оттяжных пружин, выключающих блокировку при прекращении нажатия на педаль.
Для принудительной блокировки дифференциала характерны простота конструкции и надежность блокирования. Однако ей присущи и существенные недостатки: неавтоматичность действия; необходимость в большинстве случаев выключения муфты сцепления, т. е. разрыва потока мощности при включении блокировки; трудность включения вследствие возможного несовпадения кулачков или шлицев полумуфт, возможные пере-грузки трансмиссии на поворотах. Такая блокировка, как правило, служит средством для преодоления временных сопротивлений и не предназначена для постоянной работы как средство повышения тяги. Эти недостатки снижают эффективность применения принудительной блокировки, в том числе и с фрикционными муфтами.
Дифференциалы с принудительной блокировкой получили распространение на таких тракторах как МТЗ-50, МТЗ-52, Т-16М, Т-40.
В настоящее время тракторы только с принудительной блокировкой уже не выпускаются, их почти полностью вытеснили дифференциалы с автоматической блокировкой различных по принципу действия. В основном это дифференциалы повышенного трения (плунжерно-кулачковые, с фрикционными элементами и гидравлическим сопротивлением); с переменным передаточным числом; управляемые фрикционными или зубчатыми муфтами и комбинированные.


Самоблокирующиеся дифференциалы повышенного трения
Самоблокирующиеся дифференциалы можно разделить по степени блокировки на механизмы полной (коэффициент блокировки равен бесконечности) и не полной (дифференциалы повышенного трения, с переменным передаточным числом и др.) блокировки.
При этом под коэффициентом блокировки следует понимать максимальное отношение крутящих моментов на отстающем и забегающем колёсах одной ведущей оси.
Теоретические и экспериментальные исследования трения в дифференциальных механизмах показали, что коэффициент блокировки Кб самоблокирующихся дифференциалов находится в пределах 2,5...5,0. Это в отдельных случаях движения значительно превышает общую силу тяги трактора и значительно увеличивает его проходимость. Однако при этом было замечено, что в трансмиссии возникают автоколебания, вызываемые трением в дифференциале при перераспределении моментов между ведущими колёсами. Амплитуда этих колебаний достигает 50...80% от момента, подведённого к дифференциалу. Энергия колебательного процесса вызывает нагрев смазки и повышенный шум в трансмиссии.
Несмотря на минусы, самоблокирующиеся дифференциалы применяются в тракторостроении так, к примеру, на тракторах «Минского тракторного завода» в передний ведущий мост (рисунок 3.1) установлен самоблокирующийся дифференциал



Рисунок 3.1− Передний ведущий мост трактора МТЗ-82

С подвижными осями сателлитов и фрикционными муфтами
В этом дифференциале вместо обычной крестовины имеются две взаимно перпендикулярные оси с лысками, (рисунок 3.2.) образующими тупой угол.


Рисунок 3.2 − Самоблокирующийся дифференциал с подвижными осями сателлитов и фрикционными муфтами (а) и его структурная схема (б):

Концы осей входят в гнезда коробки дифференциала, имеющие такой же угол, как и лыски концов осей. Крутящий момент к ведущим полуосям передается двумя потоками: первый — от ведомой шестерни главной пере-дачи и корпуса дифференциала, через скосы (лыски) концов осей, сателлиты, полуосевые шестерни; второй — от корпуса дифференциала через фрикционные диски трения к полуосевым шестерням.
Автоматичность действия дифференциала заключается в зависимости момента трения фрикционных муфт от усилия в зацеплении сателлит — полуосевая шестерня и от осевой силы в скосах корпуса дифференциала, т. е. от передаваемого дифференциалом крутящего момента.
В передних ведущих мостах тракторов «Беларусь» такие дифференциалы хорошо себя зарекомендовали в связи с тем, что эти мосты включаются в работу при достаточно высоком буксовании (5—8%) и работают в тяговом режиме временно. Однако стендовые испытания таких дифференциалов показали нестабильность их блокирующих свойств в связи со снижением коэффициента трения дисков при их приработке. В тяговом и тормозном режимах эти дифференциалы оказывают дополнительное сопротивление повороту. С увеличением буксования момент сопротивления оси с блокируемым дифференциалом уменьшается, а касательная сила тяги Рк и коэффициент блокирования, наоборот, увеличивают момент сопротивления повороту.
В тракторах Т-150К (рисунок 3.3.) установлен самоблокирующийся дифференциал повышенного трения, блокировка которого происходит за счёт осевой силы в зацеплении сателлитов с полуосевой шестерней.




Рисунок 3.3 − Ведущий мост трактора Т-150К

Чем больший момент будет передаваться через дифференциал, тем больше силы будут в зацеплении, тем сильней полуосевая шестерня, свободно посаженная на шлицах, будет сжимать диски трения связывая полуось с корпусом дифференциала. Величина блокировки прямопропорциональна разности сопротивлений перемещения ведущих колёс.
Муфты свободного хода, применяемые в качестве межколёсных диффе-ренциалов.
Механизмы свободного хода, применяемые в качестве дифференциалов, бывают роликовыми, кулачковыми и храповыми.
Наибольшее распространение получили кулачковые дифференциалы свободного хода (рисунок 3.4.), устанавливаемые в ведущих мостах тракторов К-700, автомобилей фирмы «DAP» США и др. Эти дифференциалы обеспечивают полную блокировку полуосей при прямолинейном движении.
Для того чтобы выключенная ведомая муфта после окончания поворота вновь включилась, необходимо не только выравнивание угловых скоростей обоих колес, но и некоторый поворот выключенной ведомой муфты в обратном направлении. Это осуществляется автоматически вследствие деформации эластичных шин. При повороте из-за тангенциального сжатия шины радиус качения внутреннего колеса уменьшается по сравнению с радиусом качения внешнего. В результате этого разность угловых скоростей внутреннего и внешнего колес не про-порциональна разности проходимых шинами путей. С увеличением радиуса поворота угловые скорости колес выравниваются еще до выхода из поворота и при дальнейшем его увеличении угловая скорость внешнего колеса становится меньше внутреннего, и ведомая муфта этого колеса поворачивается относительно ведущей в сторону, обратную ее первоначальному вращению. Это способствует включению наружной ведомой муфты и переходу ведущего моста в бездифференциальный режим.



Рисунок 3.4 − Дифференциал с кулачковыми муфтами свободного хода.
катится свободно. Отстающее колесо при этом нагружается суммарным моментом со-противления движению.

Однако установка дифференциалов свободного хода в ведущих мостах тракторов вследствие автоматического отключения забегающего колеса значительно снижает тяговые качества их при движении на повороте. От-ключение одного колеса происходит также при переезде неровностей в виде ложбин длиной 4,0—4,5 м и глубиной 0,35—0,45 м. Кроме того, их невозможно устанавливать в трансмиссии тракторов с раздельным торможением колес на повороте.
Наиболее простым механизмом, используемым вместо дифференциалов, является обгонная муфта храпового типа, установленная в передних ведущих мостах тракторов Липецкого завода. Работа такого механизма сопровождается значительными ударными нагрузками вследствие отключения одной из обгонных муфт не только при движении на повороте, но и при переезде скользких участков дороги, когда колесо, находящееся в лучших сцепных условиях, воспринимает полную тяговую нагрузку.


Дифференциалы с муфтами предельного момента трения
Значительную группу блокируемых дифференциалов составляют устройства, создающие постоянный по величине момент трения. Такие дифференциалы заблокированы постоянно и разблокируются, когда разность крутящих моментов на его полуосях превысит момент трения муфты. При этом в дифференциале поддерживается момент трения, равный предельному моменту муфты. Коэффициент блокировки таких диффе-ренциалов зависит от передаваемого дифференциалом момента и расположения муфты. При расположении блокировочной муфты между корпусом дифференциала и полуосью
      (3.1)
Если муфта непосредственно связывает две полуоси, то
,     (3.2)
т. е. во втором случае для создания одинакового коэффициента блокировки требуется муфта, имеющая в 2 раза меньший предельный момент трения. При этом симметричность дифференциала в обоих случаях сохраняется.
Дифференциалы с муфтами предельного момента трения оказывают до-полнительное сопротивление повороту, который нагружает трансмиссию в течение всего времени поворота. При разности моментов по сцеплению ΔМсц, превышающей Mтpi6п муфты, она буксует и быстро изнашивается, а при ΔМсц< Mтpi6п перегружается трансмиссия и изнашиваются шины. Для уменьшения времени буксования муфты и износа шин применяют фрикционные муфты с самовыключением. Дифференциалы с такой муфтой (рисунок 3.5. а) изготовлялись для тракторов «Беларусь». Блокирование дифференциала осуществляется путем соединения фрикционной муфтой 2 корпуса дифференциала 1 с полуосью 9. Разблокирование происходит при движении на повороте или при перегрузках одной полуоси, когда разность крутящих моментов полуосей превышает расчетный момент муфты. При этом полуоси 9 и 10 проворачиваются относительно друг друга, проворачивают соединенные с ними полумуфты 7, 8. Двигаясь в осевом направлении, полумуфта 7 через винт 6 перемещает золотник 4, установленный в корпусе 5, и разобщает рабочую полость муфты 2 от магистрали давления 3. Муфта включается и разблокирует1 дифференциал. После окончания поворота угловые скорости правой и левой полуосей выравниваются и полумуфты 7, 8 сцепляются, а золотник под действием рабочего давления переместится вправо и дифференциал снова за блокируется. Преимущество таких дифференциалов в том, что они значительно сокращают время действия момента, сопротивления при повороте машины, так как при достижении значения Мсп макс муфта автоматически выключается и освобождает дифференциал. Общий недостаток дифференциалов с муфтами предельного момента – ухудшение поворачиваемости машины при движении по рыхлой почве, когда момент сопротивления не достигает значений Mтp i6п. В этом случае поворот машины может совершаться с заблокированным дифференциалом при R>25 м.

б

Рисунок 3.5 − Дифференциал с муфтой предельного момента трения (а) и структурная схема САР (б)

Автоматически управляемые дифференциалы
Автоматически управляемыми дифференциалами являются устройства, содержащие обычный конический дифференциал с муфтой его блокировки и систему управления этой муфтой.
В 1926 г. в Германии и в 1932 г. в СССР были запатентованы конструкции автоматически управляемых дифференциалов — схемы, в которых предлагалось управление муфтой блокировки дифференциала связать с деталями рулевого управления автомобиля. Однако до середины 50-х годов, несмотря на большое количество патентов, управляемые дифференциалы почти не использовались, так как к тому времени появились конструкции самоблокирующихся бесшестеренных дифференциалов в виде различных муфт свободного хода.
В 1955 г. фирма «Вагнер» США изготовила один из первых тракторов с блокировкой дифференциала, включающейся автоматически на поворотах, что позволило увеличить производительность трактора на пахоте на 10-15%.
Начиная с 60-х годов запатентовано большое количество конструкций и схем управления дифференциалом, которые отличаются главным образом устройством привода системы управления. Предлагается управление блокировкой осуществлять от рулевого механизма, от тормозов, от гидродогружателя ведущих колес. В 1958 г. фирма «Фергюсон» получила патент на систему автоматического разблокирования дифференциала при нажатии на педали тормозов, отклонении управляемых колес на заданный угол, при действии перегрузок на навесное устройство и поднятии навески-трактора в транспортное положение. Однако в настоящее время такие сложные системы пока ещё используются только в иностранных тракторах.
Системы автоматического управления дифференциалом, сблокированные с деталями рулевого управления стала одной из первых, выпускаемых серийно конструкций автоматически управляемых дифференциалов, в которых информационной переменной величиной является угол отклонения управляемых колес от нейтрального положения, можно считать конструкцию Минского тракторного завода (рисунок 3.6).
Такая система обеспечивает постоянное блокирование дифференциала при прямолинейном движении и автоматически разблокирует его при движе-нии на повороте, когда управляемые колёса повернуты от нейтрального положения на некоторый угол, называемый углом блокирования. Предусмотрено также ручное управление блокировкой с кабины водителя.
Основными статическими характеристиками системы автоматического управления дифференциалом данного типа являются величина предельного момента блокировочной муфты и значение угла блокирования.
Из анализа результатов исследований автоматически управляемых дифференциалов видно, что такие системы позволяют полностью использовать преимущества конического дифференциала при движении на повороте, ей присущи основные достоинства принудительной блокировки (надежность блокирования, возможность ручного управления) и самоблокирующихся дифференциалов (автоматичность действия).




1– межколесный дифференциал; 2 – фрикционная муфта; 3 – рулевой механизм;
4 – распределитель гидроусилителя; 5 – насос; 6 – сливной бак; 7 – редукционный клапан; 8 –рейка гидроусилителя; 9 — щуп датчика автоблокировки; 10 — распределитель управления фрикционной муфтой.
Рисунок 3.6 − Система блокировки дифференциала заднего моста трактора с автома-тическим управлением (а) и ее структурная схема (б).









4 КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА

4.1 Актуальность проблемы

При покупке новой техники отдаётся предпочтение колёсным тракторам «Минского тракторного завода» вследствие некоторых причин (тракторы «Беларус» предприятиями приобрести легче из-за помощи государства, простота в обслуживания, ремонтопригодность и надежность в эксплуатации), а трактор «Беларус–1523В» в последнее время самый покупаемый из энергонасыщенных тракторов. Ему приходится работать в различных тягово-сцепных условиях, поэтому данная проблема повышения тягово-сцепных свойств довольно актуальна.
На наш взгляд, самый простой способ, не требующий больших дополнительных капиталовложений и затрат труда – это применение блокировки дифференциала поскольку все современные трактора оборудуются различными устройствами блокировки дифференциала отличающимися принципом действия и конструктивным исполнением.
Блокировка дифференциала как способ повышения тягово-сцепных свойств имеет ряд преимуществ по сравнению с другими широкоизвестными способами (применение арочных шин и сдвоенных колес, полугусеничного хода, наполнения камер водой, механическое и гидравлическое догружение и т. п.)
- нет необходимости в специальной подготовке трактора;
- простота в использовании не требующая больших навыков от тракториста;
- возможность автоматизации;
- самое главное то, что блокировка дифференциала может сочитаться с любыми другими способами повышения тягово-сцепных свойств.
Из всех способов блокировать дифференциал в тракторостроении наибольшее применение получили три способа блокировки дифференциала ведущих колёс:
1) принудительная, 2) применение самоблокирующихся дифференциалов и дифференциалов повышенного трения, 3) автоматическая с внешним управлением. Принудительная блокировка может включаться только при прямолинейном движении при необходимости повысить тягово-сцепные свойства, при повороте на хорошей дороге с блокированным дифференциалом в трансмиссии возникают большие напряжения способные привести к поломке последнего, а также повышенный износ шин и тяжесть управления.
Уже разработаны самоблокирующиеся дифференциалы, имеющие высокий коэффициент блокировки и при этом небольшое сопротивление повороту, но их применение в конструкции тракторов «Минского тракторного завода» неоправданно (необходимость переналадки оборудования, а, следовательно, значительных капиталовложений, лучшие варианты уже используются другими производителями, поэтому требуют отчислений за использование патентов).
Самый оправданный способ блокировки дифференциала тракторов семейства «Беларус» это автоматическая блокировка дифференциала, которая сейчас устанавливается на все трактора «Минского тракторного завода», но на мой взгляд в ней есть небольшой недостаток, который проявляется на энергонасыщенных тракторах.
С увеличением мощности двигателя конструкция заднего ведущего моста трактора «Беларус-1523В» изменилась не значительно, но передаваемая мощность возросла, и как следствии на очень нагруженных работах иногда случаются поломки дифференциала. В основном это происходит, когда в тяжёлых условиях тракторист использует принудительную блокировку дифференциала. Поэтому вводя в магистраль подвода масла к муфте механизма блокировки предохранительный клапан, рассчитанный на давление, достаточное для блокировки дифференциала, мы исключаем аварийную эксплуатацию трактора. Если трактор выедет на хорошую дорогу или в случае перегрузки, фрикционная муфта блокировки дифференциала будет работать как предохранительная муфта и на время разблокирует дифференциал, исключив тем самым его поломку. Самое важное, что данная модернизация не требует переналадки оборудования и значительных капиталовложений.
Кроме этого предлагается автоматизировать систему путем модернизации системы управления блокировкой дифференциала, обеспечивающей автоматическое управление блокировкой дифференциала в зависимости от скорости движения трактора и угла поворота управляемых колес. Данная модернизация позволит повысить не только эффективность использования трактора «Беларус-1523В», но и позволит диагностировать узел.

4.2 Обзор и анализ систем управления блокировкой дифференциала

Система управления блокировкой дифференциала заднего моста трактора «Беларус-1523В»
Система управления блокировкой дифференциала (БД) заднего моста (рис. 4.1) состоит из панели управления (1), расположенной в кабине трактора справа от водителя, датчика (10) угла поворота направляющих колес, установленного на ПВМ с левой стороны, двух датчиков (13) включенного состояния рабочих тормозов, расположенных под тормозными педалями электрогидрораспределителя (6), установленного на правой крышке КП и гидравлически связанного с фрикционной муфтой БД заднего моста, соединительных кабелей (9) с разъемом (4) и колодками (12). Система запитана от бортовой электросети через блок предохранителей (2). Питание системы осуществляется после запуска двигателя от блока пусковых реле (3).



1-панель управления; 2-блок предохранителей; 3-блок пусковых реле; 4-штепсельный разъем; 5-датчик реверса; 6-электрогидрораспределитель управления БД, 7-датчик авто-матического включения привода ПВМ; 8-гидрораспределитель управления приводом ПВМ; 9-соединительные кабели; 10, 11-датчики угла поворота направляющих колес; ±13 град. и ± 25 град., соответственно; 12-соединительные колодки; 13-датчики включенного состояния рабочих тормозов; 14,16, 20-сигнализаторы; 15-переключатель управления приводом ПВМ; 17-переключатель управления БД; 18-переключательПВОМ (если установлен); 19-включатель звукового сигнала (1523В).
Рисунок 4.1 – Система управления блокировкой дифференциала (БД) заднего моста и приводом переднего ведущего моста (ПВМ).

На панели (1) расположены клавишный переключатель (17) управления БД заднего моста и сигнализатор (16) включенного состояния БД заднего моста. Переключатель (17) имеет три положения:
• Блокировка автоматическая (верхнее фиксированное);
• Блокировка принудительная (нижнее нефиксированное);
• Блокировка выключена (среднее фиксированное). В положении переключателя (17) «Блокировка выключена» к электрогидрораспределителю (6) не подается питание, муфта БД заднего моста сообщена со сливом и дифференциал заднего моста разблокирован. В положении переключателя (17) «Блокировка автоматическая» (при выполнении работ со значительным относительным буксованием задних колес) включается электрогидрораспределитель (6), который направляет поток масла под давлением к муфте БД заднего моста и блокирует дифференциал. Разблокирование дифференциала будет происходить автоматически при повороте направляющих колес на угол более 13° в любую сторону или при включении одного или обоих рабочих тормозов. При необходимости кратковременного блокирования задних колес, в том числе и при повороте, нажмите нижнюю часть клавиши (17) в положение «Блокировка принудительная» и удерживайте ее в этом положении. При отпускании клавиши происходит разблокирование («Блокировка выключена»).

Устройство блокировки RU пат. No 1041327 В 60К 17/20 опубликована 24.08.84г.
Устройство блокировки отличается тем, что управление блокирующим устройством выполнено электрогидравлическое следящим с переменным моментом трения, регулируемым в зависимости от разности вращения полуосей трактора, состоящим из двух тахогенераторов, соединённых с синхронным валом отбора мощности и ведущей шестерней конечной передачи, мостовых трёхфазных выпрямителей, потенциометрического сравнивающего устройства, усилителя постоянного тока, генератора коротких импульсов, электрогидравлического клапана пропорционального типа, фрикционной блокировочной муфты. В данном случае блокировка дифференциала блокируется переменным моментом трения, зависящим от величины буксования колес, а не постоянным моментом трения.


Рисунок 4.2 – Устройство блокировки RU пат. No 1041327
Реализовано это посредством электромагнитного клапана пропорционального типа, на который подаётся управляющая команда в зависимости от буксования ведущих колёс, получая команду клапан уменьшает или увеличивает давление масла, подаваемого в фрикционную муфту, тем самым изменяет блокирующий момент.

Механизм блокировки дифференциала по сигналу управляющего устройства USA патент No 4967109, МПК В60К 41/00, опубликован 09.04.96г.
В патенте описывается сельскохозяйственная машина с механизмом блокировки дифференциала по сигналу управляющего устройства, которое содержит датчик скорости движения машины, датчик частоты вращения по меньшей мере одного из приводных колес, вырабатывающий пропорциональный сигнал, компаратор, сравнивающий сигналы датчиков и вырабатывающий сигнал, пропорциональный степени пробуксовывания приводного колеса, а также блок управления, соединенный с компаратором и блокирующим механизмом. Блок управления вырабатывает управляющие сигналы когда пробуксовывание колес достигает заданной величины. Управляющий сигнал поступает в механизм блокировки дифференциала, ограничивая пробуксовывание колес машины.


Рисунок 4.3 – Механизм блокировки дифференциала
по сигналу управляющего устройства USA патент No 4967109
Отличия проверяемой системы в том, что в применяемой системе управления отсутствуют датчики скорости движения машины и частоты вращения по меньшей мере одного из приводных колес, компаратор, сравнивающий их сигналы. В проверяемой системе при включенном автоматическом режиме дифференциал разблокируется при повороте направляющих колес на угол свыше 13° и торможении.

Устройство управления управления блокировкой дифференциала транспортного средства RU Пат. No 2265766 F 16 H 48/30. Устройство блокировки отличается тем, что содержит главную и дифференциальную передачи и блокирующее устройство, включающее сцепную муфту и управляющий орган. Ведущая полумуфта сцепной муфты жёстко связана с водилом, а ведомая полумуфта с помощью подвижного шлицевого соединения с полуосью. Управляющий орган содержит датчики угловой скорости колеса в виде тахометров, кинематически связанных с полуосями, схему измерения и сравнения углового ускорения колёс с заданным критическими значением, включающую дифференцирующие звенья, преобразующие угловые скорости и в угловые ускорения е и е, которые с помощью сумматоров сравниваются с заданным критическим ускорением екр диоды, усилители и реле времени, а также сервопривод. Последний при помощи вилки кинематически связан с ведомой полумуфтой.


Рисунок 4.4 – Устройство управления управления блокировкой дифференциала транспортного средства RU Пат. No 2265766
Вилка снабжена пружиной, обеспечивающей нормально разомкнутое состояние муфты при отсутствии управляющего сигнала на сервопривод. При маневрировании машины при условии Де1=е1-екр> 0 на сервопривод поступит сигнал и он, преодолевая сопротивление пружины, перемещая полумуфту по шлицам, и полумуфты, сцепляясь, блокируют водило с центральным колесом. Дифференциал блокируется.

Система управления блокировкой дифференциала ведущего моста колёсного транспортного средства RU Пат. 2246060 F 16 H 48/30.
Устройствоотличается тем, что система управления блокировкой дифференциала ведущего моста колёсного транспортного средства,содержащая источник давления текучей среды с редукционным клапаном, распределитель, управляемый от рулевого колеса иручной тяги и сообщённый с управляющей полостью муфты блокирования, образованной корпусом этой муфты и подвижнойперегородкой, и дополнительной диафрагменной камеры, имеющей свою управляющую полость, размещенную соосно ипоследовательно относительно управляющей полости муфты блокирования, причём подвижная перегородка последней связанас нажимным диском посредством штока, жёстко соединенного одним своим концом с этим нажимным диском и установленногос возможностью взаимодействия посредством закрепленного на другом его конце опорного фланца с диафрагмой дополнитель-ной диафрагменной камеры, а своей средней частью проходящего через центральную часть подвижной перегородки и жёсткосвязанного с опорной шайбой, установленной с возможностью взаимодействия с этой перегородкой, при этом управляющаяполость дополнительной диафрагменной камеры сообщена с распределителем, выполненным трехпозиционным, избирательнообеспечивающим связь упомянутых управляющих полостей со сливной магистралью и редукционным клапаном, выполненнымрегулируемым. Снабжение системы управления блокировкой дифференциала двухкамерным диафрагменным цилиндром, состоящимиз управляющей полости муфты блокирования, образованной корпусом этой муфты и подвижной перегородкой, и дополнительнойдиафрагменной камеры, имеющей свою управляющую полость, размещенную соосно и последовательно относительноуправляющей полости муфты блокирования, позволяет получить ступенчатое изменение уровня блокировки дифференциалапутём подачи текучей среды под давлением одновременно в обе управляющие полости, обеспечивая тем самым высокийуровень блокировки, или только в одну управляющую полость, обеспечивая низкий уровень блокировки.

Рисунок 4.5 – Система управления блокировкой дифференциала ведущего моста колёсного транспортного средства RU Пат. 2246060

Проведя анализ механизмов блокировки дифференциала используемых на отечественных и зарубежных тракторах, а также в процессе поиска в охранных документах различных стран были выявлены следующие тенденции:
только принудительная блокировка на современных тракторах не применяется;
основная масса охранных документов в области блокировки дифференциала приходится на самоблокирующиеся дифференциалы и дифференциалы повышенного трения;
в автоматических блокировках дифференциала чаще всего управление осуществляется при помощи электрогидравлических систем управления, а в зарубежных аналогах электронно-гидравлических систем управления.
Выводы по патентному поиску. В процессе проведения проверки на патентною чистоту объекта «Управление блокировкой дифференциала» был проведен поиск по массивам патентной информации в отношении изобретений и полезных моделей по странам проверки: Российская Федерация, Великобритания, США, Германия и Франция.
При проведении поиска был просмотрен и проанализирован массив информации по классам МПК В60К и МПК F 16 H 48/28-30, что охватывает управление блокировкой дифференциалов и дифференциалы с внешней блокировкой в результате были отобраны охранные документы, по технической сущности близко совпадающие с проверяемым объектом и его составными частями. После их предварительного анализа были выявлены существенные отличия, исключающие необходимость последующего детального сопоставительного анализа.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы: проверяемый объект «Управление блокировкой дифференциала» обладает патентной чистотой в отношении изобретений в странах: Российская Федерация, Великобритания, США, Германия и Франция.
Проверяемый объект может быть беспрепятственно реализован на территории вышеназванных стран проверки.

4.3 Описание работы модернизированной системы
Предлагаемая система блокировки дифференциала имеет следующие составные части:
Датчик скорости вращения колес.
Индуктивный колесный датчик скорости вращения обеспечивает электронный блок управления (ECU) необходимой информацией о скорости вращения колес. Схема предлагаемой системы блокировки дифференциала показана на рис. 4.8.
Блок ECU с LSI.
Блок ECU системы принимает, фильтрует и усиливает сигнал от датчика скорости вращения колеса перед их использованием для определения скольжения и ускорения колес.
Входной блок. Состоит из фильтра низких частот и входного усилителя.
Цифровой контроллер. Состоит из цифровых LSI. Этот блок обрабатывая информацию, поступающую от двух колес (каналы 1 и 2), и проводят логические вычисления.
Логика контроллера преобразует сигналы управления в позиционные команды для соленоидного клапана.
Последовательный интерфейс, подсоединенный к входному каскаду логического устройства и логики контроллера посредством канала передачи данных, поддерживает связь и передачу данных между цифровыми LSI.
Еще один функциональный блок содержит схему управления для обеспечения распознания ошибок и анализа. Как только в ECU появляется неисправность, сигнальная лампочка информирует водителя о том, что система блокировки дифференциала больше не функционирует. Однако система блокировки дифференциала сохраняет полную работоспособность даже тогда, когда она неисправна (принудительная блокировка).



1-датчики скорости вращения колес; 2-аккумуляторная батарея; 3-входной блок; 4-цифровой контроллер; 5-LSI; 6-стабилизатор напряжения; 7-выходной блок; 8-выходной каскад; 9-соленоидные клапаны; 10 реле защиты; 11-стабилизированное напряжение аккумуляторной батареи; 12-сигнальная лампа.
Рисунок 4.6 – Предлагаемая система блокировки дифференциала

Выходной блок. Выходной блок функционируют подобно регуляторам тока для каналов 1+2 во время получения поступающих от LSI позиционных команд, используемых для управления соленоидом.
Выходной каскад. Использует вводы от регуляторов тока двух выходных блоков для возбуждения тока соленоидных клапанов.
Стабилизатор напряжения. В функцию этого блока входит стабилизация напряжения напряжения в пределах допуска, необходимого для надежной работы ECU. Блок также реагирует на недостаточное бортовое напряжение посредством отключения устройства, управляет работой реле и цепью сигнальной лампы.
Блок управления с микропроцессорами. В этом блоке LSI используются два микропроцессора, которые осуществляют обработку сигналов, прогон программы контроллера и функцию автоуправления системы блокировки дифференциала. Блок также выполняет диагностику в соответствии со стандартами ISO, давая возможность отслеживать неисправные компоненты системы блокировки дифференциала с помощью сигнальной лампы или измерительного прибора.
Использование микропроцессора позволяет достичь значительной оптимизации контроллерных алгоритмов, включая адаптацию к требованиям характеристик трактора и особенностей водителя.
Соленоидный клапан. Клапан служит дляуправления давлением в муфте системы блокировки дифференциала трактора.
Система работает следующим образом.
Если датчики частоты вращения полуосей определяют, что колеса во время прямолинейного движения имеют разные частоты вращения, то блок управления открывает клапан электорогидрораспределителя и масло под давлением попадает в муфту управления блокировки дифференциала, последний блокируется и обеспечивает равномерное вращение ведущих колес трактора. Разблокировка дифференциала осуществляется при увеличении скорости трактора более 20 км/ч, и (или) при повороте рулевого колеса на угол более 13 градусов (програмируется в ECU).
Предусмотрена принудительная блокировка дифференциала путем нажатия водителем на соответсвующую клавишу (клавиша принудительной блокировки неимеет фиксированного положения).
Кроме этого в заднем ведущем мосту возле муфты блокировки дифференциала установливаем предохранительный клапан (рисунок 4.7). Его применение обосновано тем, что на высоко нагруженных работах иногда случаются поломки дифференциала. В основном это происходит, когда в тяжёлых условиях тракторист использует принудительную блокировку дифференциала. Поэтому вводя в магистраль подвода масла к муфте механизма блокировки предохранительный клапан, рассчитанный на давление достаточное для блокировки дифференциала, таким образом исключатсям аварийная эксплуатация трактора.
Работает клапан следующим образом. При нормальном давлении поршень 5 прижат пружиной 3 к своему седлу и путь на слив маслу закрыт. Усилие давления масла с одной стороны уравновешивается жёсткостью пружины с другой. При превышении давления масла выше нормативных значений поршень перемещается, сжимая пружину, и перепускает масло на слив.


1 – корпус; 2 – крышка; 3 – пружина; 4 – шайба; 5 – поршень.
Рисунок 4.7 – Предохранительный клапан
4.4 Конструкторские расчеты

Динамика поворота трактора с передними управляемыми
колесами

В общем случае поворота колесной машины с двумя управляемыми передними колесами на нее действует следующие силы (рис. 4.8): сила Pfп сопротивления качению управляемого колеса, установленного под некоторым углом α поворота; инерционная центробежная сила Pц, возникающая в результате перемещения остова трактора с некоторой угловой скоростью ωп вокруг центра поворота O и приложенная в центре тяжести машины; касательные силы тяги Рк1 и Рк2 соответственно на забегающем и отстающем колесе.

Рисунок 4.8 – Схема сил, действующих на колесную
машину при повороте

Момент сил сопротивления повороту вокруг точки О2

Mс.п = Рfп L sinα + Pц α cos γц + (Рk2 –Рk1) 0,5В (4.1)

где Рfп – сила сопротивления качению управляемых колес, установленных под некоторым углом α поворота;
L – продольная база трактора;
α – угол поворота.

Обозначим сумму моментов всех сил, действующих со стороны остова на управляемые колеса, через Мрез и выразим его через момент одной условной силы сопротивления повороту Zп, приложенной в центре оси качения поворачиваемого колеса на плече Lcosα, т.е.

Мрез=ZпL cos α (4.2)

Мрез1=260∙2,85∙0,98=72,61 H∙м

Мрез2=300∙2,85∙0,98=83,79 H∙м

где Мрез1 – момент сопротивления в модернизированной системе;
Мрез2– момент сопротивления в базовой системе.

Тогда момент сопротивления повороту

Мс.п=Мрез+РfпL sin α (4.3)

Мс.п1=72,61+5684∙2,85∙0,173=2875,1

Мс.п2=83,79+5684∙2,85∙0,173=2886,3

Допустим, что при повороте возникает поворачивающая сила Рп, представляющая собой результирующую боковых реакций дороги, действующих в пятне контакта на управляемые колеса при установке их под углом к нейтральному положению. Она приложена в центре О1 поворота управляемого колеса и проходит через центр О поворота машины. Поворачивающий момент этой силы относительно точки О2 Мп=РпLcos α.

РпL cos α= Мрез+РfпL sin α (4.4)
Отсюда
Рп= Мрез/ L cos α+ Рfп tg α (4.5)

Рп1=72,61/2,85∙(-0,839)+5684∙0,648=19,73

Рп2=83,79/2,85∙(-0,839)+5684∙0,648=22,76

ΔР = (Рп2 - Рп1) / Рп1 ∙100 = 15,36 %

Продольная составляющая Рпsin α поворачивающей силы приложена к шарниру передней оси и направлена против движения. В связи с этим сопротивление качению на повороте значительно больше, чем при прямолинейном движении в аналогичных условиях.
На значение момента сопротивления повороту остова трактора, помимо внешних факторов, существенно влияет работа межколесного дифференциала. При отсутствии или блокировке дифференциала момент сопротивления повороту, создаваемый силами трения и другими реакциям и почвы, действующими на ведущие колеса, был бы весьма значительным. Это повлекло бы за собой соответствующее увеличение требуемой поворачивающей силы, затруднило бы управление трактором и привело к перегрузкам передних колес и рулевого механизма. При работе дифференциала каждое ведущее колесо может свободно вписываться в свою кривую. В результате этого момент сопротивления повороту, создаваемый указанными силами, получается относительно небольшим по сравнению с моментом, возникающим при заблокированном дифференциале.
Предельное значение поворачивающей силы зависит от свойств почвы и сцепных свойств обода шины, т.е.

Рп max=φсцYп (4.6)

Рп max= 0,8∙4565,77=3652,6

Таким образом, поворот возможен, если

φсцYп ≥Мрез/(L cos α +Рfп tg α) (4.7)

Yп ≥ (Мрез/L cos α +Рfп tg α)/ φсц

Yп ≥ (72,61/2,85∙(-0,839)+5684∙0,648)/0,8 = 4565,77 H

На сухой твердой поверхности условие сохранения управляемости, выраженное уравнением (4.7), обеспечивается с достаточной надежностью. На скользких дорогах и рыхлых почвах это условие часто не выдерживается. Управляемость тракторов ухудшается также при работе с большими силами тяги на крюке и с навесными машинами (в некоторых случаях) из-за разгрузки передних колес и уменьшения в связи с этим силы сцепления с почвой. Управляемость трехколесных тракторов ухудшается еще из-за того, что боковая сила сцепления с почвой одного колеса (одинарного или сдвоенного) при прочих равных условиях меньше соответствующей суммарной силы сцепления двух широко расставленных колес.
Ухудшение управляемости автомобилей наблюдается при торможении управляемых колес, так как нагрузка колес продольными силами снижает их сцепление с дорогой в поперечном направлении. Резкое торможение может привести к полной потере управляемости.
Для осуществления поворота даже в тех случаях, когда условие (4.7) сохранения управляемости не соблюдается, на тракторах предусмотрено комбинирование обычного рулевого управления с регулированием момента на ведущих колесах.
Между отношением угловой скоростей ω2/ ω1 и радиусом R поворота машины существует следующая закономерность:

ω2/ω1=(R+0,5B)/(R-0,5B) (4.8)

ω2/ω1=(7,6+0,5∙2,43)/(7,6-0,5∙2,43)=1,38



Расчёт необходимого давления для блокировки дифференциала

Основной статической характеристикой системы автоматического управления дифференциалом данного типа является величина предельного момента блокировочной муфты и значение угла блокирования. Так как защиту мы рассчитываем для принудительной блокировки тогда:

, (4.9)

где Δφпр – приведенная разность коэффициентов сцепления колёс с опорной поверхностью;
Gк – вертикальная нагрузка на ведущие колёса, кН;
rк – радиус качения ведущих колёс, м;
iбп – передаточное отношение бортовой передачи.

кН•м.

Момент муфты должен превышать передаваемый ею номинальный крутящий момент

МФ=β•Мн=Р•μ•rтр•z, (4.10)

где Мф – момент трения полностью включенной муфты;
β = 1,15 – коэффициент запаса муфты;
Мн – номинальный крутящий момент;
Р – суммарное осевое усилие сжатие дисков;
μ – коэффициент трения;
rтр – радиус поверхностей трения;
z – число пар поверхностей трения.

Из формулы (5.2.) выразим суммарное осевое усилие сжатия дисков:

 (4.11)
Поскольку диски будут сжиматься давлением масла, тогда:

Р = Fп•р, (4.12)