analiza olejowego układu przepływowego i jakości

4-2014
TRIBOLOGIA
161
Jan ZWOLAK*
ANALIZA OLEJOWEGO UKŁADU
PRZEPŁYWOWEGO I JAKOŚCI SMAROWANIA
TARCZ SPRZĘGŁOWYCH W PRZEKŁADNIACH
ZĘBATYCH POWER SHIFT
ANALYSIS OF THE OIL FLOW AND LUBRICATION
QUALITY ON THE POWER SHIFT OF DISC CLUTCH
GEARBOXES
Słowa kluczowe:
koła zębate, tarcze sprzęgłowe, olej, smarowanie
Key words:
gears, clutch plates, oil, lubrication
Streszczenie
W pracy rozpatrywany jest przepływ oleju otworami położonymi wewnątrz
wału w płaszczyznach równoległych i prostopadłych do jego osi. Otworami
tymi o zróżnicowanych przekrojach dostarczany jest olej do tłoczka, do przestrzeni między tarczami sprzęgłowymi oraz do smarowania łożysk, na których
osadzone są koła zębate. Istotną rolę w funkcjonalności przekładni zębatej power shift spełnia sprzęgło, w którym pakiet jego tarcz dociskany jest do siebie
*
Uniwersytet Rzeszowski, ul. Reytana 16a, 35-959 Rzeszów, Polska, tel. 12 657 47 45, e-mail:
[email protected].
162
TRIBOLOGIA
4-2014
za pomocą tłoczka przesuwającego się ruchem osiowym pod naporem przepływającego oleju o ciśnieniu 2 MPa. Docisk tarcz sprzęgłowych zapewnia połączenie koła zębatego z wałem, co z kolei umożliwia przenoszenie momentu
obrotowego. Olej spełnia także rolę smarującą, jak i chłodzącą stykających się
powierzchni tarcz ciernych i tarcz stalowych. W istniejących wgłębieniach na
stykających się powierzchniach tarcz ciernych zatrzymywany jest olej, przez co
poprawia się jakość smarowania. Jakość smarowania wpływa na intensywność
zużywania ściernego tarcz sprzęgłowych, jak również na zmiany właściwości
mechanicznych spowodowane efektem termicznym.
WPROWADZENIE
Charakterystyczną cechą przekładni zębatych power shift jest to, że występujące w niej kola zębate pozostają w ciągłym zazębieniu ze sobą. Zmiana stopni
przełożenia odbywa się za pomocą sprzęgieł wielotarczowych zespolonych
z kołami zębatymi osadzonymi na wspólnym wale. Sprzęgło wielotarczowe
składa się z tarcz ciernych, nazywanych też tarczami czynnymi oraz z tarcz
stalowych, nazywanych tarczami biernymi. Liczba występujących tarcz
w sprzęgle zależna jest od momentu obrotowego występującego na danym wale. W stanie, kiedy sprzęgło nie przenosi momentu obrotowego, pomiędzy powierzchniami czołowymi tarcz występuje luz wypełniony olejem. Odpowiednimi otworami w wale olej ten dostarczany jest równocześnie do tłoczka dociskającego tarcze sprzęgłowe, do wolnych przestrzeni między tarczami oraz do
węzłów łożyskowych. Przekroje poprzeczne otworów powinny zapewnić odpowiedni wydatek przepływającego oleju do poszczególnych miejsc odbioru
(tłoczek, tarcze sprzęgłowe, łożyska).
Powierzchnie czołowe tarcz stalowych są gładkie, natomiast na tarczach
ciernych występują rowki. Zadaniem tych rowków jest przede wszystkim zatrzymywanie i rozprowadzanie oleju, zapewniając przez to smarowanie, chłodzenie, jak również odprowadzanie produktów zużycia ściernego występującego w czasie eksploatacji.
Położenie tłoczka w pozycji neutralnej zapewniającej luz między tarczami
sprzęgłowymi utrzymywane jest za pomocą sprężyn o odpowiedniej charakterystyce oraz o odpowiednim napięciu wstępnym. Pod wpływem ciśnienia oleju
zachodzi przesuw tłoczka w kierunku pakietu tarcz sprzęgłowych, co powoduje
ich docisk. W czasie trwania docisku tarcze sprzęgłowe cierne i tarcze stalowe
stanowią połączenie koła zębatego z wałem, a to umożliwia uzyskanie żądanego
przełożenia i przenoszenia momentu obrotowego.
PRZEDMIOT BADAŃ
Przedmiotem badań jest zespół wałka sprzęgłowego z kołami zębatymi, będący
główną jednostką przekładni zębatej power shift, przedstawioną na Rysunku 1.
4-2014
TRIBOLOGIA
163
Rys. 1. Zespół wałka sprzęgłowego z kołami zębatymi [L. 3]: 1 – wałek, 2 – koło zębate z1,
3 – koło zębate z3, 4 – tłoczek 1, 5 – tłoczek 2, 6 – tarcza sprzęgłowa cierna, 7 – tarcza sprzęgłowa stalowa, 8 – sprężyna, K – kolektor
Fig. 1. Cluth shaft assembly of gears: 1 – shaft, 2 – gear z1, 3 – gear z2, 4 – piston 1, 5 – piston
2, 6 – the friction clutch disc, 7 – the steel clutch, 8 – spring, K – collector
Kompletna przekładnia zębata power shift składa się z kilku zespołów
wałka sprzęgłowego, w zależności od tego, jaką liczbą stopni przełożeń charakteryzuje się przekładnia. Najczęściej jednak jest ich 3, a niekiedy 4. Budowa
i zasada działania każdego zespołu wałka sprzęgłowego będącego w konfiguracji przekładni jest taka sama. Zatem do poznania zasady działania przekładni
power shift stosowanych w ciężkich maszynach roboczych [L. 1, 2, 3] może
wystarczyć znajomość działania jednego zespołu wałka sprzęgłowego.
Do otworu wzdłużnego w wałku 1 poprzez kolektor K dopływa olej. Dalej
poprzez otwór poprzeczny wałka 1 przepływający olej naciska na powierzchnię
tłoczka 4, na skutek czego przesuwa się w kierunku osiowym i dociska tarcze
sprzęgłowe cierne 6 do tarcz stalowych 7 (przy kole zębatym 2 tarcz ciernych
jest 13, a tarcz stalowych 12). Możliwość odebrania momentu obrotowego
z wału 1 przez koło zębate 2 występuje tylko w tym czasie, w którym pakiet
tarcz sprzęgłowych 6 i 7 jest we wzajemnym docisku. Uwolnienie docisku
przez tłoczek 4 po redukcji ciśnienia oleju sprawia, że tarcze cierne 6 i tarcze
stalowe 7 pozostają rozprzężone, a tym samym nastąpi rozprzężenie koła zębatego 2 względem wałka 1.
Jeżeli wystąpi potrzeba zmiany przełożenia przekładni realizowanego
przez koło zębate 3, wówczas kieruje się przepływ oleju na tłoczek 5, który
dociska tarcze sprzęgłowe cierne 6 do tarcz stalowych 7 (przy kole zębatym 3
tarcz ciernych jest 11, a tarcz stalowych 10). Sprzężenie i rozprzężenie koła
zębatego 3 z wałkiem 1 odbywa się tak samo, jak w przypadku koła zębatego 2.
Tarcze cierne posiadają wielowypust na średnicy wewnętrznej, a na powierzchniach czołowych występują wgłębienia w postaci rowków o różnorakich kształtach. Rowki te służą do zatrzymywania oleju spełniającego rolę sma-
164
TRIBOLOGIA
4-2014
rująco-chłodzącą, jak też do odprowadzania produktów zużycia ściernego występującego podczas eksploatacji. Tarczę cierną z rowkami o nacięciu krzyżowym przedstawiono na Rysunku 2.
Rys. 2. Tarcza sprzęgłowa cierna z rowkami o nacięciu krzyżowym
Fig. 2. Disc clutch friction grooves on the cut cross
Rys. 3. Tarcza sprzęgłowa stalowa
Fig. 3. Disc clutch steel
4-2014
TRIBOLOGIA
165
Tarcze sprzęgłowe stalowe wykonywane są z wielowypustem na średnicy
zewnętrznej, z gładkimi powierzchniami bocznymi. Tarczę taką z wielowypustem prostokątnym przedstawiono na Rysunku 3.
PRZEPŁYW OLEJU W ZESPOLE WAŁKA SPRZĘGŁOWEGO
Olej jako czynnik roboczy i czynnik smarujący przepływa otworem równoległym do osi wałka, skąd zasila otwór prowadzący do tłoczka 4, otwory o funkcji
smarującej prowadzące do łożysk kół zębatych 2 i 3, do pakietu tarcz sprzęgłowych przy kole zębatym 2 i 3 oraz do łożysk kolektora K. W otworze równoległym olej jako płyn lepki nieściśliwy ma przepływ laminarny. W celu rozpatrzenia prędkości przepływu i jego wydatku objętościowego myślowo wyodrębniono część przepływającego oleju w postaci walca o długości L i promieniu r
[L. 4, 5], co zostało przedstawione na Rysunku 4.
Rys. 4. Wyodrębniony myślowo walec oleju i występujące na nim siły
Fig. 4. The separate mentally cylinder oil and appearing on the force
W warunkach współosiowego położenia wyodrębnionego walca oleju
z osią otworu, przez który przepływa, zapisane będzie równanie równowagi
[L. 4] spełniające zależność, że suma rzutów sił zewnętrznych na kierunek osi
tego otworu jest równa zero.
(1)
gdzie:
r
p1
p2
L
τ
–
–
–
–
–
promień wyodrębnionego walca oleju,
ciśnienie w przekroju 1-1,
ciśnienie w przekroju 2-2,
długość wyodrębnionego walca oleju,
naprężenia styczne.
Na podstawie wzoru (1) po wielu przekształceniach łącznie z całkowaniem, będzie wyznaczona prędkość przepływu oleju , która zostanie zapisana:
166
TRIBOLOGIA
4-2014
(2)
gdzie:
R – promień rzeczywisty otworu, przez który przepływa olej,
∆p – spadek ciśnienia związany z liniowymi oporami przepływu wyznaczony ze wzoru:
(3)
gdzie:
μ – lepkość dynamiczna oleju.
Do właściwego i sprawnego funkcjonowania zespołu wałka sprzęgłowego
niezbędny jest odpowiedni wydatek objętościowy oleju, który może być obliczony według wzoru:
(4)
Przebieg ciśnienia oleju w układzie sprzęgłowym podczas ustabilizowanego cyklu pracy przekładni na drugim stopniu przełożenia jazdy do przodu oraz
przy zmianie przełożenia na jazdę do tyłu przedstawiono na Rysunku 5.
Rys. 5. Przebieg ciśnienia oleju przy zmianie stopnia przełożenia
Fig. 5. Course oil pressure when changing gear stage
4-2014
TRIBOLOGIA
167
Stosowane oznaczenia na Rysunku 5 mają następujące znaczenie: 1 – ciśnienie w zespole sprzęgłowym stopnia 2, 2 – ciśnienie w zespole sprzęgłowym
jazdy do przodu, 3 – ciśnienie w zespole sprzęgłowym jazdy do tyłu, 4 – ciśnienie w zespole sprzęgłowym stopnia 1. W przedstawionym przebiegu ciśnienia
oleju dopływającego do tłoczka 4 i do tłoczka 5 na osi poziomej uwzględnia się
czas od 76 sekundy do 81 sekundy. Na osi pionowej odmierzane jest ciśnienie
w barach (wynika to z systemu pomiarowego) od 0 do 30. W dalszej części
opisu ciśnienie będzie wyrażane w MPa.
W przedziale czasowym od 76 s do 77 s przekładnia pracuje na drugim
stopniu przełożenia jazdy do przodu, podczas którego ciśnienia 1 i 2 pokrywają
się i mają wartość około 2,1 MPa. W tym czasie tłoczek 4 dociska tarcze sprzęgłowe 6 i 7, zapewniając tym samym sprzężenie wału 1 z kołem zębatym 2,
które przekazuje napęd na koło współpracujące. W 77 sekundzie następuje zamknięcie dopływu oleju do tłoczka 4, a skierowana struga oleju na tłoczek 5
powoduje docisk tarcz sprzęgłowych 6 i 7, co powoduje rozprzężenie wału 1
z kołem zębatym 2, a sprzężenie wału 1 z kołem zębatym 3 i przekazanie napędu na koło współpracujące.
Za pomocą koła zębatego 3 realizowane jest przełożenie jazdy do tyłu. Na
wykresie widoczny jest spadek ciśnienia 1 do około 0,3 MPa, a ciśnienia 2 do
wartości zerowej. Ciśnienie 3 od 77 sekundy zaczyna wzrastać z modulacją
i prawie jednocześnie z ciśnieniem 1 rośnie do około 2,1 MPa. Warto zwrócić
uwagę na czas trwania zmiany stopnia przełożenia w przekładni zębatej power
shift. Z wykresu można odczytać, że całkowity czas, w którym następuje zmiana przełożenia jazdy do przodu na jazdę do tyłu wynosi około 1,2 sekundy.
Wyrażony za pomocą wzoru (4) wydatek objętościowy oleju powinien zapewnić jednakową wartość ciśnienia w zespole sprzęgłowym przy kołach zębatych 2 i 3, tak bardzo ważną dla zachowania równomiernego docisku tarcz
sprzęgłowych. W wydatku tym uwzględnia się także objętość oleju kierowanego do smarowania i chłodzenia pakietu tarcz sprzęgłowych oraz do smarowania
łożysk. Olej do pakietu tarcz sprzęgłowych dostarczany jest przez otwory poprzeczne w wałku pod wpływem działania sił odśrodkowych. Zatem jakość
smarowania tarcz sprzęgłowych zależna jest od wydatku objętościowego oleju
oraz od prędkości obrotowej wału 1. Niedostateczne smarowanie tarcz sprzęgłowych prowadzi do nadmiernego wzrostu temperatury, a to z kolei powoduje
ich deformacje kształtowe.
ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Analizując przebieg ciśnienia przedstawiony na Rysunku 5 w zespole sprzęgłowym z Rysunku 1, można dokonać oceny wydatku oleju przepływającego
przez otwory znajdujące się w wałku. Widoczne na wykresie utrzymywanie
stałego ciśnienia o wartości około 2,1 MPa w przedziale czasowym od 76 do 77
sekund dowodzi, że wydatek ten jest wystarczający.
168
TRIBOLOGIA
4-2014
W zespole sprzęgłowym związanym z kołem zębatym 2 do 77 sekundy realizowana jest jazda do przodu. Przy zmianie przełożenia na jazdę do tyłu napęd
będzie realizowany przez zespół sprzęgłowy wiążący się z kołem zębatym 3.
Z przebiegu ciśnienia 1 i 2 wynika, że zainicjowane przełożenie w 77 sekundzie
powoduje gwałtowny spadek ciśnienia 2 niemalże do zera, a ciśnienia 1 do około 0,3 MPa. Także w 77 sekundzie następuje wzrost ciśnienia 3 od zera do wartości maksymalnej równej około 2,1 MPa. Wykres na Rysunku 5 wskazuje, że
ciśnienie 3 opóźnia się w czasie o ułamek sekundy w stosunku do ciśnienia 1.
Ciśnienia te spotykają się po upływie około 1,2 sekundy, licząc od zainicjowania przełożenia w 77 sekundzie. Po upływie tego czasu zespół sprzęgłowy wiążący koło 3 realizuje jazdę do tyłu.
W przedziale czasowym między 79 a 80 sekundą widoczne jest chwilowe
odchylenie ciśnienia 1 i 3 od wartości nominalnej. Może to wynikać z zakłócenia przepływu oleju na drodze między pompą a tłoczkiem 5 bądź też z zakłócenia w komorze ssania i w komorze tłoczenia samej pompy.
PODSUMOWANIE
Uzyskane wyniki badań wskazują, że przepływ oleju w zespole wałka sprzęgłowego przekładni zębatej power shift może być oceniany na podstawie przebiegu ciśnienia w ustalonym cyklu pracy oraz w czasie, kiedy zachodzi zmiana
stopnia przełożenia. Poprawna praca przekładni w cyklu ustalonym charakteryzuje się tym, że ciśnienie w zespole sprzęgłowym realizującym kierunek jazdy
(przód, tył) oraz w zespole sprzęgłowym dowolnego stopnia przełożenia ma
jednakową i stałą wartość.
Zamieszczone wyniki badań mogą stanowić cenną pomoc dla konstruktorów przekładni zębatych power shift, zwracając im szczególną uwagę na przekroje otworów w wałku, którymi doprowadzany jest olej do tłoczków dociskających tarcze sprzęgłowe oraz do ich smarowania i chłodzenia. Brak dostatecznego smarowania i chłodzenia tarcz sprzęgłowych sprzyja powstawaniu wysokich temperatur, co w konsekwencji prowadzi do ich deformacji kształtowej,
a tym samym do utraty projektowanej funkcjonalności zespołu sprzęgłowego.
LITERATURA
1. Molari G., Sedoni E.: Experimental evaluation of power losses in a power shift
agricultural tractor transmission. Biosystems Engineering, vol.100, issue 2, June
2008, pp. 177–183.
2. Tanelli M., Panzani G., Savaresi S. M., Pirola C.: Transmission control for power
shift agricultural tractors. Mechatronics, vol. 21, issue 1, February 2011,
pp. 285–297.
3. Materiały firmowe Huty Stalowa Wola, 2014.
4-2014
TRIBOLOGIA
169
4. Bukowski J.: Mechanika płynów. PWN, Warszawa 1975.
5. Nadim N., Chandratilleke T.T.: Secondary flow structure and thermal behaviour of
immiscible two-phase fluid flow in curved channels. International Journal of
Thermal Sciences, vol. 82, August 2014, pp. 9–22.
Summary
The study examined the oil flow openings situated inside the shaft in planes
parallel and perpendicular to its axis. These holes, which different cross
sections, are used to supply oil to the piston, the space between the clutch
discs, and to lubricate the bearings, which are mounted on the gear wheels.
When shifting gears, the clutch is pressed against the discs by means of
a piston, and this causes an axial sliding movement under of 2 MPa. The
clutch plates connect the gear to the shaft to transfer the torque. Oil lubricates and cools the contact surfaces of friction plates and steel plates. In
existing recesses on abutting surfaces of the friction plates, oil is collected,
which improves the quality of lubrication. The quality of the lubrication
influences the intensity of the abrasive wear of the clutch plates and
changes in the mechanical properties due to thermal effect.