Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 70 Рудик О.Ю.,* Дитинюк В.О.,* Стебелецька Н.М.** * Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна, ** Бережанський агротехнічний інститут, м. Бережани, Україна E-mail: yuhymovych@gmail.com МОДЕЛЮВАННЯ УМОВ РОБОТИ І ЗНОСОСТІЙКОСТІ ВАЛУ ЗЧЕПЛЕННЯ ДВИГУНА ТРАНСПОРТНОГО ЗАСОБУ УДК 621.891 DOI:10.31891/2079-1372-2018-90-4-70-79 Показано, що базовими характеристиками якості транспортно-технологічних машин та їх агрегатів є надій- ність і зносостійкість, які відображують службові властивості цих об'єктів. Вказані характеристики закладаються при проектуванні й виробництві машин, реалізуються в експлуатації й відновлюються за допомогою ремонту. В роботі методологія взаємозв'язку теорії та експерименту доповнюється принципами комп'ютерного моделювання. Ця про- цедура дала можливість комплексного вивчення поведінки складних систем як природних, так і для перевірки теоре- тичних гіпотез. Застосування для вивчення напружено-деформованого стану твердих тіл системи твердотільного параметричного моделювання SolidWorks дозволило побудувати точну модель деталі й методом скінченних елемен- тів визначити експлуатаційні параметри за конкретних умов експлуатації. Дослідження валу зчеплення за допомо- гою SolidWorks Simulation показало, що у випадку заміни сталі 45Х на сталь 20 для виготовлення запас міцності достатній за рахунок економі] на вартості матеріалу. Застосуванням САПР для зміцнення валу муфти зчеплення встановлений оптимальний режим його цементації. Отримані експериментальні результати підтверджують актуаль- ність проведеного дослідження з використання SolidWorks Simulation. Встановлено, що у випадку заміни загартова- ної сталі 45Х на цементовану сталь 20 для виготовлення валу муфти зчеплення підвищення зносостійкості станови- тиме 1,49 разів. Ключові слова: вал муфти зчеплення автомобіля, твердотільне моделювання, запас міцності, режими від- новлення, цементація, експериментальні випробування на знос. Вступ Однією з основних характеристик якості транспортно-технологічних машин та їх агрегатів є на- дійність, яка відображає службові властивості зазначених об'єктів, що закладаються при проектуванні й виробництві машин, реалізуються в експлуатації й відновляються за допомогою ремонту. Проблема під- вищення надійності за рахунок зносостійкості це одна з найважливіших у машинобудуванні. Традиційна методологія взаємозв'язку теорії та експерименту доповнюється принципами комп'ютерного моделюван- ня надійності. Ця процедура дає можливість цілісного вивчення поведінки найскладніших систем як природних, так і створюваних для перевірки теоретичних гіпотез. Застосування для вивчення напружено- деформованого стану твердих тіл 3D системи твердотільного параметричного моделювання SolidWorks дозволяє побудувати точну модель деталі й методом скінченних елементів визначити експлуатаційні па- раметри (додаток SolidWorks Simulation), які виникають у ній за конкретних умов експлуатації. Мета роботи Зчеплення у автотранспортних засобах захищає механізми трансмісії від динамічних наванта- жень, які у ній виникають при різкому гальмуванні, нерівномірній роботі двигуна й різкому зниженні ча- стоти обертання колінчастого валу, при наїзді коліс автомобіля на нерівності дороги. Тому очевидна не- обхідність підвищення зносостійкості деталей, а зокрема, валу муфти зчеплення. Отже, метою роботи ставилось дослідження валу муфти зчеплення автомобіля (сталь 45Х) з можливістю заміни даного мате- ріалу на дешевший - сталь 20. Аналіз об`єкту досліджень Зчеплення служить для тимчасового роз'єднання двигуна і трансмісії й плавного їх з'єднання. Тимчасове роз'єднання двигуна і трансмісії необхідне при перемиканні передач, гальмуванні й зупинці автомобіля, а плавне з'єднання після перемикання передач і при рушанні з місця, при цьому за допомо- гою зчеплення здійснюється розгін автомобіля [2]. При русі автомобіля зчеплення у включеному стані передає крутний момент від двигуна до ко- робки передач й захищає механізми трансмісії від динамічних навантажень, які у ній виникають. Такі на- вантаження в трансмісії виникають при різкому гальмуванні автомобіля, нерівномірній роботі двигуна й Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 71 різкому зниженні частоти обертання колінчастого валу, а також при наїзді коліс автомобіля на нерівності дороги і т.д. Для надійної роботи автомобіля до зчеплення, окрім загальних вимог до конструкції автомобіля, висуваються спеціальні вимоги, відповідно до яких воно повинне забезпечувати [2]: - надійну передачу крутного моменту від двигуна до трансмісії; - плавність і повноту включення; - мінімальний момент інерції ведених частин; - оберігання механізмів трансмісії від динамічних навантажень; - підтримка натискного зусилля в заданих межах в процесі експлуатації; - легкість управління й мінімальні витрати фізичних зусиль на управління. Муфта зчеплення є муфтою тертя (фрикційною муфтою), за допомогою якої можна плавно роз'- єднувати і сполучати колінчастий вал з першим валом коробки передач, що необхідно при маневруванні автомобіля і при перемиканні шестерень коробки передач [3]. Надійна робота зчеплення без перегріву й значних зносів особливо важлива у важких дорожніх умовах руху автомобіля і при наявності причепа й напівпричепа, коли мають місце більш часті включен- ня й вимикання, а також буксування зчеплення. Зчеплення при надійній роботі повинне забезпечувати можливість передачі крутного моменту, що перевищує крутний момент двигуна. Зі зношуванням фрик- ційних накладок веденого диска зусилля натискних пружин слабшає і зчеплення починає буксувати. При цьому тривале буксування зчеплення приводить до його сильного нагрівання й виходу з ладу. Рис. 1 – Муфта зчеплення : 1 – диск ведучий; 2, 3 – диски ведені; 4 – вал; 5 – муфта ввімкнення; 6 – ланки; 7 - кулачки Зчеплення повинне включатися плавно, щоб не викликати підвищених навантажень у механіз- мах трансмісії й дуже великих прискорень, які негативно впливають на водія, пасажирів і перевезені ван- тажі. Так, наприклад, при різкому включенні зчеплення трансмісії, скручуючі навантаження можуть бути в 3 - 4 рази більше максимального крутного моменту двигуна. Це відбувається тому, що при швидкому відпусканні педалі керування зусилля стиску ведучих і ведених частин зчеплення в початковий момент створюється не тільки натискними пружинами, але й кінетичною енергією маховика, що переміщується в напрямку натискного диска й пов'язаних з ним деталей. При цьому в момент зіткнення ведучих і ведених частин зчеплення зусилля їх стиску в кілька разів перевищує силу натискних пружин. Чистота вимикання зчеплення характеризує повне роз'єднання двигуна й трансмісії, при якому ведучі деталі зчеплення не ведуть за собою ведені . При неповному вимиканні зчеплення утрудняється перемикання передач (воно відбувається із шумом), що приводить до зношування шестерень і синхронізаторів. Якщо ж зчеплення вимкнене не повністю, а в коробці передач ввімкнута передача, то при працюючому двигуні зчеплення буде буксувати. Це приводить до нагрівання деталей зчеплення й зношуванню фрикційних накладок ве- деного диска. Типова муфта зчеплення (рис. 1) сконструйована наступним чином. Ведучий диск 1 затис- кається між двома веденими дисками 2 і 3, пов'язаними з валом 4. Затискання ведучого диска 1 між дво- ма веденими 2 і 3 здійснюється за допомогою механізму, що складається з муфти включення 5, ланок 6 і Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 72 кулачків 7. При переміщенні муфти 5 вліво кулачки обернуться і затиснуть ведучий диск 1 між двома ве- деними. Для вимкнення необхідно муфту пересунути вправо. Тоді кулачки припинять натиснення і муф- та буде вимкнена [3, 8]. Муфти зчеплення завдяки великій жорсткості натискного механізму вимагають у процесі екс- плуатації частого регулювання, окрім цього, вони вмикаються жорстко без необхідного пробуксування дисків [4 - 6]. Для усунення цих недоліків в автомобільних муфтах зчеплення застосовують пружний елемент невеликої жорсткості, включений послідовно в натискний механізм. Такі муфти одержали назву непостійнозамкнуті з компенсаційними пружинами. Виконуються вони з циліндровими або з пластинча- стими пружинами. Непостійнозамкнуті муфти зчеплення одержали порівняно обмежене застосування: на стаціонарних, пускових двигунах. Дослідження контактної міцності валу муфти зчеплення за допомогою SolidWorks Simulation З бібліотеки SolidWorks [8] вибрані сталь DIN 1,7006 (46Сr2) - аналог сталі 45Х, та AISI 1020 - аналог сталі 20, з границями міцності на розтяг 900,000 МПа і 420,507 МПа відповідно. Параметри сітки наведено у табл. 1, а її відображення на деталі представлено на рис. 2. Встановлено, що максимальні вузлові напруження Von Mises, переміщення URES і деформація ESTRN для валу зі сталі 45Х складають 148,822 МПа, 0,0721482 мм і 0,000334669 мм, а для сталі 20 – 148,407 МПа, 0,0757222 мм і 0,000355215 мм відповідно, тобто в обох випадках не перевищують до- пустимих значень. Так як максимальна деформація валу складає 0,0003 мм, то вона не може бути причи- ною погіршення працездатності зчеплення. Очевидно, саме знос валу створює люфт і погіршення плав- ності й повноти включення. Таблиця 1 Параметри сітки Тип сітки Сітка на твердому тілі Усього вузлів 21236 Розбивка Стандартна сітка Усього елементів 13170 Точки Якобіана 4 Точки Максимальне співвідношення сторін 10,424 Розмір елемента 7,39261 mm % елементів зі співвідношенням сторін < 3 92,3 Допуск 0,36963 mm % елементів зі співвідношенням сторін > 10 0,106 Якість сітки Висока % перекручених елементів (Якобіан) 0 Рис. 2 – Скінченно-елементна сітка моделі валу муфти зчеплення Рис. 2 – Розподіл запасу міцності для сталі 40Х Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 73 Рис. 4 – Розподіл запасу міцності для сталі 20 В результаті встановлено, що мінімальний коефіцієнт запасу міцності знаходиться у вузлі № 15195 і для валу зі сталі 45Х становить 4,36763, а зі сталі 20 – 2,36896 (рис. 3 і 4 відповідно). Тобто, у випадку заміни сталі 45Х на сталь 20 для виготовлення валу запас міцності достатній. САПР для зміцнення валу муфти зчеплення При аналізі роботи валу муфти зчеплення було встановлено, що при його експлуатації підляга- ють інтенсивному зношуванню наступні поверхні: шліци (h = 6 мм); посадкове місце муфти вмикання ( 50 мм). Матеріал валу – загартована сталь 45Х. Основні деталі валу муфти зчеплення та дефекти зведені у табл. 2 та 3 (застосовано MS Access). Таблиця 2 Основні деталі муфти зчеплення Таблиця 3 Дефекти валу У табл. 4 наведені допустимі способи зміцнення валу: - заводська технологія: загартована сталь 45Х; - пропонований варіант: заміна загартованої сталі 45Х на цементовану сталь 20. Таблиця 4 Способи зміцнення валу Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 74 Для вибору способу зміцнення валу проведений запит мовою SQL. Запит мовою SQL показаний на рис. 5. Рис. 5 – Схема БД для запиту мовою SQL SELECT [Основні деталі муфти зчеплення].[Назва деталі], [Дефекти валу муфти зчеплен- ня].[Назва дефекту], [Способи зміцнення валу].[Спосіб зміцнення] FROM ([Дефекти валу муфти зчеплення] LEFT JOIN [Способи зміцнення валу] ON [Дефекти ва- лу муфти зчеплення].[№ дефекту]=[Способи зміцнення валу].[№ дефекту]) INNER JOIN [Основні деталі муфти зчеплення] ON [Дефекти валу муфти зчеплення].[Код деталі]=[Основні деталі муфти зчеплен- ня].[Код деталі]. WHERE ((([Способи зміцнення валу].[Твердість після зміцнення, HRC])>"60") AND (([Способи зміцнення валу].[Глибина зміцненого шару, мм])>"0,4")). Згідно запиту на вибірку обрана цементація (табл. 5). Таблиця 5 Вибір способу зміцнення вала Для занесення нових способів зміцнення валу створено наведену нижче форму: Після визначення оптимального методу підвищення зносостійкості валу розроблювалась інфоло- гічну та даталогічну схеми БД (відображення інфологічної схеми у даталогічну наведено на рис. 6) для визначення оптимального режиму зміцнення обраним методом. Рис. 6 – Даталогічна схема БД Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 75 При визначенні оптимального режиму цементації валу прийняті наступні постійні параметри: - витримка цементації – 3,5 год.; - температура гартування (вода) – 820 °С; - витримка гартування – 3,5 хв.; - температура відпустку (повітря) – 190 °С; - витримка відпустку – 2,5 год. Варіювались тільки параметри, відображені у табл. 6. Таблиця 6 Режими цементації Результати досліджень зносу цементованої сталі наведені у табл. 7. Таблиця 7 Результати досліджень зносу цементованої сталі Для вибору оптимального режиму цементації використано мову програмування SQL: SELECT_ЦЕМЕНТАЦІЯ_РЕЖИМИ_№Цементації, ЦЕМЕНТАЦІЯ_РЕЖИМИ_Температура_цемент_градС, ЦЕМЕНТАЦІЯ_РЕЖИМИ_Твердість_HRC, ЦЕМЕНТАЦІЯ_РЕЖИМИ_Глибина_шару_мм, ЦЕМЕНТАЦІЯ_ФізХімВЛАСТИВОСТІ_Зношення_мм_км FROM ЦЕМЕНТАЦІЯ_РЕЖИМИ_INNER JOIN ЦЕМЕНТАЦІЯ_ФізХімВЛАСТИВОСТІ_ON ЦЕМЕНТАЦІЯ_РЕЖИМИ_№Цементації=ЦЕМЕНТАЦІЯ_ФізХім ВЛАСТИВОСТІ.№Цементації WHERE (((ЦЕМЕНТАЦІЯ_ФізХімВЛАСТИВОСТІ_Зношення_мм_км)="0,61")); Результат виконання запиту представлені у табл. 8. Таблиця 8 Оптимальний режим цементації Дослідження зносостійкості валу муфти зчеплення Лабораторна установка дозволяє вивчити зміну характеристик зносу та фрикційних характерис- тик, а також температури поверхні зразка. Установка (рис. 7) складається з робочої камери, станини, шпиндельного вузла з приводом і при- строєм навантаження, апаратури вимірювання, запису та реєстрації характеристик тертя. Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 76 Рис. 7 – Установка для дослідження зносу: 1 – хвостовик ; 2 – кульки; 3 – корпус зразка; 4 – гвинти; 5 – комірка; 6 – штуцер; 7 – зразок (верхній); 8 – зразок (нижній); 9 – упорний підшипник ; 10 – сферичний підшипник (дворядний); 11 – потенціометр самопишучий електронний КСП-2; 12 – тензопідсилювач 8АНЧ-7М; 13 – потенціометр КСП-2; 14 – корпус підшипників; 15 – палець; 16 – трос; 17 – штуцер Привод складається з електродвигуна змінного струму 4Ф112М2У3 частотою обертання nдв = 2900 хв-1 і потужністю Рдв = 7,5 кВт і клинопасової 4-ступінчастої передачі. З урахуванням переда- точного числа клинопасової передачі (u = 4) у хв-1: nустановки = nдв ∙ u = 11600 Вертикальна сила та обертовий рух від хвостовика 1 (рис. 5.1) передається через чотири кульки 2 на корпус 3, до якого гвинтами 4 кріпиться верхній зразок 7, а нижній зразок 8 кріпиться двома гвинта- ми до комірки 5 (встановлена на упорному підшипнику 9 і разом з корпусом 14 - на сферичному дворяд- ному підшипнику 10). Кутову фіксацію комірки забезпечують тросом 16, який прикріплений до пальця 15. Одночасно реєструється момент сил тертя. Об’єм робочого середовища складає 2105 мм3, а його температура контролюється електроконта- ктним термометром 18 і підтримується термостатом, вода з якого подається через штуцери 6 і 17. Середня поверхнева температура зразка під час дослідження вимірюється самопишучим елект- ронним потенціометром КСП-2 (11) на відстані 1 мм від поверхні тертя. Для отримання достовірних ре- зультатів використовується штучна термопара з постійним гарячим спаєм (кругла головка) з хромель- алюмелевих термоелектродів  0,5 мм. Зносостійкість оцінювали силою тертя (моментом тертя) та лінійним зносом зразків. Силу тертя вимірювали під час випробувань безперервно тензометричним способом. Сигнал, який виникав при де- формації наклеєних на палець 15 тензодатчиків, передавався через тензопідсилювач 8АНЧ-7М (12) на потенціометр КСП-2 (13). Коефіцієнт тертя обчислювався на основі діаграми моменту тертя (реєструєть- ся самопишучим приладом). Лінійне зношування зразка верхнього 7 оцінювали методом штучних баз на мікротвердомірі ПМТ 3. Шершавість робочих поверхонь зразків – Ra = 0,63. Нагрів зразків у місці конта- кту не перевищував 80 оС, що виключало можливість значних структурних змін матеріалу. Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 77 Результати досліджень наведені на рис. 9. Використовуючи отримані дані, визначено інтенсивність зношування досліджуваних зразків: - для загартованої сталі 45Х інтенсивність зношування в мкм/год: ІСталь 45Х загартована = (0,816 – 0,603)/(2 – 0,1) = 0,213/1,9 = 0,1121. - для цементованої сталі 20 інтенсивність зношування в мкм/год: ІСталь 20 цементована = (0,568 – 0,425)/(2 – 0,1) = 0,143/1,9 = 0,0753. Рис. 9 – Результати досліджень Отримані дані занесені у табл. 9. Таблиця 9 Порівняння інтенсивностей зношування Метод зміцнення І, мкм/год. Гартування (сталь 45Х) 0,1121 Цементація (сталь 20) 0,0753 Таким чином, підвищення зносостійкості становить: І Сталь 40 гартована / І Сталь 40 азотована = 0,1121/ 00,0753 = 1,49 р. Висновки 1. Наведені технічні характеристики зчеплення автомобіля, регулювання муфти й блокуючого механізму, технічне обслуговування зчеплення. 2. Досліджені деталі зчеплення за допомогою SolidWorks Simulation показано, що у випадку за- міни сталі 45Х на сталь 20 для виготовлення валу запас міцності достатній (економія на вартості матеріа- лу). 3. Застосуванням САПР для зміцнення валу муфти зчеплення встановлений оптимальний режим його цементації. Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 78 4. Отримані експериментальні результати підтверджують актуальність проведеного дослідження з використання SolidWorks Simulation. 5. Встановлено, що у випадку заміни загартованої сталі 45Х на цементовану сталь 20 для вигото- влення валу муфти зчеплення підвищення зносостійкості становитиме 1,49 разів. Література 1. http://www.knauf.spb.ru/modeli-traktorov/traktory-kd-35-i-kdp-35.html 2. http://lib.susu.ru/ftd?base=SUSU_METHOD&key=000540021&dtype=F&etype=.pdf 3. http://agrolib.ru/rastenievodstvo/item/f00/s02/e0002070/index.shtml 4. https://studbooks.net/2435815/tehnika/obzor_suschestvuyuschih_konstruktsiy 5. http://www.sdelaemsami.ru/instrument/0001.html 6. Сцепление транспортных и тяговых машин / Под ред. Ф.Г.Геккера, В.М.Шарипова, Г.М.Щеренкова. – М: Машиностроение, 1989. – 340 с. 7. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи / А.А. Алямовский. — БХВ-Петербург, 2012. — 448 с. 8. http://imetal.in.ua/remont-traktoriv-i-avtomobiliv/remont-zcheplennya Надійшла в редакцію 08.01.2019 П р о б л е м и т р и б о л о г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com Моделювання умов роботи і зносостійкості валу зчеплення двигуна транспортного засобу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 79 Rudyk O.Yu., Dytynyuk V.O., Stebeletska N.M. Modeling of working conditions and wear resistance of the vehicle's clutch shaft. It is shown that the basic characteristics of the quality of transport-technological machines and their aggregates are reliability and wear resistance, which reflect the service properties of these objects. The specified characteristics are laid down at designing and manufacture of cars, are realized in operation and restored with the help of repair. In the work, the methodology of the relationship between theory and experiment is complemented by the principles of computer simulation. This procedure made it possible to comprehensively study the behavior of complex systems, both natural and to test theoretical hypotheses. The application for studying the stress-strain state of solids of SolidWorks solid-state parametric modeling system has made it possible to construct an exact model of the component and the method of finite elements to determine the operational parameters for specific operating conditions. Investigation of the coupling shaft using SolidWorks Simulation showed that in the case of the replacement of 45X steel to steel 20, a safety margin was sufficient at the expense of the cost of the material. Using CAD to strengthen the shaft coupling clutch installed optimal mode of its cementation. The experimental results obtained confirm the relevance of the research on using SolidWorks Simulation. It is established that in the case of replacement of the tempered steel 45Х on cement steel 20 for manufacturing of the coupling sleeve shaft increase the wear resistance will be 1,49 times. Key words: car coupling coupling shaft, solid state modeling, safety margin, regeneration regimes, cementation, experimental wear test. References 1. http://www.knauf.spb.ru/modeli-traktorov/traktory-kd-35-i-kdp-35.html 2. http://lib.susu.ru/ftd?base=SUSU_METHOD&key=000540021&dtype=F&etype=.pdf 3. http://agrolib.ru/rastenievodstvo/item/f00/s02/e0002070/index.shtml 4. https://studbooks.net/2435815/tehnika/obzor_suschestvuyuschih_konstruktsiy 5. http://www.sdelaemsami.ru/instrument/0001.html 6. Sceplenie transportnyh i tyagovyh mashin. Pod red. F.G.Gekkera, V.M.SHaripova, G.M.SHCHerenkova. M: Mashinostroenie, 1989. 340 p. 7. Alyamovskij A.A. SolidWorks Simulation. Kak reshat' prakticheskie zadachi. A.A. Alyamovskij. BHV-Peterburg, 2012. 448 p. 8. http://imetal.in.ua/remont-traktoriv-i-avtomobiliv/remont-zcheplennya