Ресурсная механика трансмиссий мобильных машин

УДК 62-235:[531.1+531.3]

Альгин, В. Б. Ресурсная механика трансмиссий мобильных машин /  
В. Б. Альгин, С. Н. Поддубко. – Минск : Беларуская навука, 2019. –  
549 с. – ISBN 978-985-08-2395-3.

Рассмотрены ключевые вопросы расчета и проектирования трансмиссий мобильных 
машин на основе созданного комплекса ресурсно-функциональных моделей. Разработаны методики и программные модули анализа и синтеза, схематизации, кинематического и динамического расчетов, оценки реальной надежности трансмиссии и мобильной машины в целом, что соответствует модельному подходу, лежащему в основе идеологии Индустрии 4.0. Трансмиссия рассматривается как многокомпонентная система 
с изменяемой структурой и состояниями для воспроизведения ее основных свойств  
в процессе жизненного цикла. Приведены примеры расчетов трансмиссий известных 
мировых и отечественных производителей. Представлено сравнение транспортных средств 
с различными приводами по энергетической эффективности и совокупной стоимости 
владения на примере городских электробусов.

Предназначена для специалистов по трансмиссиям, а также для аспирантов, магистрантов и студентов высших технических учебных заведений. 

Рис. 287. Табл. 138. Библиогр.: 569 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук  П. Л. Мариев, 
доктор технических наук  А. Т. Скойбеда

ISBN 978-985-08-2395-3
© Альгин В. Б., Поддубко С. Н., 2019
© Оформление. РУП «Издательский дом  
    «Беларуская навука», 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представленные в монографии подходы, положения, модели, методики  
и программные средства ресурсной механики трансмиссий, основанной на 
комплексном изучении функциональных и ресурсных свойств многокомпонентных технических объектов, составляют научную основу для разработки 
трансмиссий, создания их современных производств и технологий эксплуатации в соответствии с идеологией Индустрии 4.0 (і4.0). 
В русскоязычной научно-технической и учебной литературе получили 
признание публикации отечественных авторов по «трансмиссионной» тематике1. Однако ряд этих источников подготовлен и опубликован еще до широкого применения современных компьютерных технологий и системных подходов, в некоторых глубоко освещаются отдельные вопросы, а другие представлены фрагментарно. Кроме того, за прошедшее время значительно изменилась 
элементная база и повысилась сложность разрабатываемых объектов. Например, произошел рост числа передач и числа степеней свободы трансмиссий, 
повысились возможности их систем управления. Тем самым расширилась база 
возможных решений, ранее не пригодных для реализации в условиях реальных производств. Во многом изменилась методология разработки сложных 
объектов, подобных трансмиссиям, основу которых составляют модельный 
подход, доступность данных о поведении объекта в эксплуатации.
Сказанное явилось мотивом для написания монографии, в которой комплексно, с учетом достижений в области моделирования и системного анализа 

1 Цитович, И. С. Трансмиссии автомобиля / И. С. Цитович, И. В. Каноник, В. А. Вавуло. – 
Минск : Наука и техника, 1979. – 256 с.; Проектирование трансмиссий автомобилей : справ. / 
под общ. ред. А. И. Гришкевича. – М. : Машиностроение, 1984. – 272 с.; Автомобили: конструкция, конструирование и расчет. Трансмиссия : учеб. пособие для специальности «Автомобили и тракторы» / А. И. Гришкевич [и др.] ; под ред. А. И. Гришкевича. – Минск : Вы- 
шэйш. шк., 1985. – 240 с.; Цитович, И. С. Надежность трансмиссий автомобилей и тракторов /  
И. С. Цитович, Б. Е. Митин, В. А. Дзюнь. – Минск : Наука и техника, 1985. – 143 с.; Альгин, В. Б. 
Динамика трансмиссии автомобили и трактора / В. Б. Альгин, В. Я. Павловский, С. Н. Поддубко ; 
под ред. И. С. Цитовича. – Минск : Наука и техника, 1986. – 214 с.; Цитович, И. С. Анализ  
и синтез планетарных коробок передач автомобилей и тракторов / И. С. Цитович, В. Б. Альгин, 
В. В. Грицкевич. – Минск : Наука и техника, 1987. – 224 с.; Альгин, В. Б. Динамика, надежность и ресурсное проектирование трансмиссий мобильных машин. – Минск : Навука и тэхнiка, 
1995. – 256 с.; Альгин, В. Б. Расчет мобильной техники: кинематика, динамика, ресурс / В. Б. Альгин. – Минск : Беларус. навука, 2014. – 271 с.  

сложных технических объектов рассмотрены вопросы расчета, проектирования оценки свойств трансмиссий. Отсутствие подобной монографии затрудняет 
развитие данного направления, включая подготовку специалистов, способных 
воспринимать мировые достижения, анализировать и выявлять тенденции развития указанных объектов на основе анализа сотен патентов, ежегодно публикуемых в мировых базах данных в области планетарных гидромеханических 
и комбинированных передач.
Авторы являются учениками члена-корреспондента АН БССР Игоря Сергеевича Цитовича, заложившего основы отечественной школы расчета и проектирования трансмиссий мобильных машин, основные этапы развития ко- 
торой отражены в работах2, в т. ч. публикациях, посвященных 100-летию  
И. С. Цитовича. Поэтому в главах монографии не дается подробный экскурс  
к истокам того или иного подхода или метода, а заинтересованный читатель 
может обратиться к указанным источникам, большинство из которых доступно через интернет. 
Ключевыми и наиболее наукоемкими вопросами расчета трансмиссии яв
ляется разработка моделей и методик ее синтеза, кинематического, динами- 
ческого и надежностного расчетов, включая модели и методы диагностики. 
При этом основное внимание уделено задачам, в которых используется системное представление трансмиссии, т. е. трансмиссия рассматривается как 
многокомпонентный объект с изменяющимися состояниями. В области механики – это кинематические, динамические и компоновочные схемы, в области 
надежности – схемы отказов/предельных состояний и диагностические модели.
Монография состоит из восьми частей.
Часть 1 «Индустрия 4.0. Информационная модель технически сложных 
изделий» охватывает общие вопросы разработки технически сложных изделий (ТСИ) в свете индустрии 4.0 и включает главы 1–3. 
В главе 1 «Об Индустрии 4.0» представлены общие понятия и компоненты, тесно связанные с моделированием функциональных свойств и надежности, отечественные разработки в области информационных моделей машин, 
предвосхитившие появление цифровых близнецов изделий. 
В главе 2 «Надежность технически сложных изделий» приведены определение ТСИ, трактовки надежности в отечественных и международных стандартах, подходы к прогнозированию надежности ТСИ. 

2 Альгин, В. Б. К 100-летию И. С. Цитовича. Белорусская школа расчета и проектирования трансмиссий. Ч. 1 : Начальный период / В. Б. Альгин // Механика машин, механизмов  
и материалов. – 2016. – № 4 (37). – С. 5–18; Альгин, В. Б. Игорь Сергеевич Цитович. Деятельность и научное наследие (к 100-летию со дня рождения) / В. Б. Альгин // Механика машин, 
механизмов и материалов. – 2017. – № 2 (39). – С. 95–104; Зубчатые передачи и трансмиссии  
в Беларуси: проектирование, технология, оценка свойств / В. Б. Альгин [и др.] ; под общ. ред. 
В. Б. Альгина, В. Е. Старжинского. – Минск : Беларус. навука, 2017. – 406 с.; Development  
of Mechanism and Machine Science in Belarus by an Example of Gears and Gear Transmissions /  
S. Paddubka [et al.] // IOP Conf. Ser.: Materials Sci. Eng. 393 (2018) 012043. Р. 1–9. – doi:10.1088/1757899X/393/1/012043 P. 110–111.

Глава 3 «Методология прогнозирования функциональных свойств и индивидуальной надежности машины в свете i4.0. Общие положения» посвящена 
развитию прогнозной методологии i4.0 применительно к ТСИ. Основное внимание уделено прогнозированию предельных состояний компонентов и изделию в целом. Рассмотрено относительно новое понятие расхода ресурса из- 
делия, состоящего из нескольких компонентов, каждый их которых имеет 
различный расход ресурса, определяемый эксплуатационными воздействиями и временем (возрастом) компонентов. Представлены общая схема эволюции 
технически сложного изделия в процессе жизненного цикла и ее отражение 
цифровым двойником, а также особенности организации мониторинга состояния ТСИ.
Часть 2 «Трансмиссии грузовых автомобилей, автобусов и высокомощной мобильной техники» включает главы 4 и 5.
В главе 4 «Схемные решения и конструкции узлов трансмиссий для грузовых автомобилей и автобусов» систематизируются технические решения по 
трансмиссиям, используемым на отечественных грузовых автомобилях и автобусах. 
В главе 5 «Высокомощные отечественные и зарубежные ГМТ» анализируется состояние в области высокомощных отечественных и зарубежных гидромеханических трансмиссий. 
Часть 3 «Модели и методы синтеза трансмиссии» включает разделы 6–11.
В главе 6 «Структурное представление трансмиссии. Параметры и показатели» описываются структурные и графоаналитические модели, использование их для определения параметров коробок передач, в том числе в условиях недостатка информации. 
В главе 7 «Оценка схем трансмиссии» приводятся критерии для оценки 

конструктивных свойств коробок передач на основе схемных признаков и комплексный критерий нагруженности. 
В главе 8 «Модели и методы синтеза трансмиссии» рассматриваются 
подходы к синтезу планетарных трансмиссий. 
В главе 9 «Синтез коробок передач на базе обобщенных структур и канонических матриц инциденций» представлен разработанный метод синтеза коробок передач на базе обобщенных структур и канонических матриц инциденций, его современная компьютерная реализация. 
В главе 10 «Получение схем трансмиссии на основе структурно-схемных 
закономерностей» разрабатываются подходы, альтернативные компьютерным методам перебора вариантов при синтезе схем трансмиссий; при этом  
используются особенности, присущие определенным структурно-схемным 
решениям. 
В главе 11 «Методика получения многоступенчатых трансмиссий на основе базового модуля в виде модифицированного механизма Симпсона» разработана новая методика получения многоступенчатых трансмиссий на основе 
базового модуля в виде модифицированного механизма Симпсона.

Часть 4 «Моделирование сложных механических объектов. Расчеты трансмиссии при ее представлении кинематической схемой» включает главы 12–16.
В главе 12 «Подходы к моделированию сложных механических объектов» 
проанализированы подходы к моделированию сложных механических объектов, включая рассмотрение пакетов программ для моделирования сложных 
многоэлементных механических и комбинированных объектов. 
В главе 13 «Модели и методы расчета трансмиссии при ее схемном представлении» разработаны оригинальные модели и методы расчета трансмиссии, в том числе программное обеспечение, основанные на информации, содержащейся в кинематической схеме. 
В главе 14 «Комплексная оценка трансмиссий на схемном уровне» анали
зируются изобретения ведущих мировых производителей трансмиссий, проводится расшифровка их параметров (передаточных отношений планетарных 
рядов) и на основе разработанных показателей и методов комплексно оценивается нагруженность коробок передач, приводятся коробки, обладающие минимальной нагруженностью. 
В главе 15 «Определение тенденций развития многоступенчатых гидромеханических трансмиссий с использованием патентных ландшафтов и расчетного анализа» рассматривается использование патентных ландшафтов  
в качестве инструмента для сбора информации и выявления тенденций развития схем коробок передач многоступенчатых трансмиссий, представлена методика сбора данных для построения патентных карт. Основное внимание 
уделено планетарным коробкам передач, которые широко применяются как  
в высокомощных трансмиссиях тягачей и карьерной техники, так и в современных пассажирских автомобилях. Проведен расчетный анализ запатентованных коробок передач ведущих мировых производителей. 
В главе 16 «Многокритериальная оценка коробок передач на схемном уровне» представлена методика сравнения и определения наиболее перспективных 
коробок передач на схемном уровне. Предложен комплексный показатель качества коробок, который основан на многокритериальной оценке с использованием отдельных показателей, получаемых при расчетном анализе. При этом 
введены показатели, количественно оценивающие основные свойства коро- 
бок (нагруженность, компактность, сложность конструкции, энергоэффективность, функциональность) и их нормирование. В качестве примера проведена 
оценка многоступенчатых планетарных коробок передач с четырьмя степенями 
свободы, разработанных и запатентованных компаниями Mercedes, General 
Motors и KATE. По данным патентов определены параметры зубчатых механизмов коробок передач, использованные для их последующих расчетов и общей оценки. 
Часть 5 «Динамические расчеты трансмиссии» включает главы 17–22.
В главе 17 «Основные задачи динамики трансмиссии. Регулярные механические системы» представлены особенности и место развиваемой в монографии 

ресурсной механики машин в системе современных дисциплин, изучающих 
функциональные и надежностные свойства машин. Разработаны методы начальной схематизации и построения расчетных моделей динамики трансмиссии и других подобных систем на основе концепции регулярной механической системы.
Глава 18 «Определение параметров механической системы и ее преобразования» содержит методики определения инерционных, упругих и диссипативных параметров и преобразований механических систем: вырожденных  
в регулярные, приведение и упрощение.  
Глава 19 «Прямое моделирование динамических процессов трансмиссии  
в составе мобильной машины» базируется на предлагаемом методе составления уравнений динамики для динамических схем с использованием индикаторов состояния устройств с переменной структурой, что дает возможность 
формализовать построение разнообразных универсальных моделей механических составляющих машинных агрегатов, отличающихся конфигурацией  
и типами механизмов. 
В главе 20 «Расчеты частот и форм собственных колебаний механических систем» разрабатываются модель и метод компьютерного расчета частот 
и форм собственных колебаний механических систем, учитывающие специфические особенности трансмиссионных систем. При этом трансмиссия представлена как объект произвольной структуры со множеством состояний, что 
является наиболее общим случаем из известных постановок задач в рассматриваемой области.
Глава 21 «Установившиеся колебания механических систем. Расчет передаточных функций» посвящена расчету установившихся колебаний линейных 
и линеаризованных систем с помощью передаточных функций, что по сравнению с другими методами позволяет вместо трудоемких вычислительных процедур, воспроизводящих поведение системы во временной области, перенести 
вычисления в комплексную область и использовать аппарат линейной алгебры 
для нахождения решений. Использована концепция комплексного внутреннего трения, что позволило учесть изменение коэффициентов демпфирования от 
частоты колебаний. Представлены типовые расчеты колебаний, возбуждаемых 
двигателем, неровностями дороги. Разработаны оригинальные модели, учитывающие взаимодействие трансмиссии и подвески, компенсацию двигателем 
потерь энергии при колебаниях.  
В главе 22 «Комплексная функциональность транспортного средства. 
Использование трансмиссии при экстренном торможении» вводится понятие 
комплексной функциональности мобильной машины, представлена концепция ассистента водителю для критических ситуаций, ее техническая реализация в виде тормозного ассистента с использованием трансмиссии и способа 
экстренного торможения. 

Часть 6 «Методология проектирования и прогнозирования надежности. 
Ресурсное проектирование» содержит главы 23–25.
В главе 23 «Анализ проблемы. Разработка методологии проектирования  
и прогнозирования надежности сборочных единиц машин» рассмотрены проблемы прогнозирования надежности и проектирования изделий с требуемой 
надежностью и общие вопросы определения комплекса размеров сборочной 
единицы (ресурсное проектирование). 
Глава 24 «Выбор функциональных размеров основных элементов коробки 
передач» посвящена проектировочным расчетам зубчатых передач, подшипников и фрикционов. 
В главе 25 «Типовые конструктивные виды основных элементов и компоновка коробки передач» рассматриваются вопросы типизации основных элементов и компоновочных решений планетарных трансмиссий, а также определения массо-инерционных параметров, необходимых для динамических 
расчетов.
Часть 7 «Расчет надежности» включает главы 26–28.
В главе 26 «Методология расчета надежности машин и их систем» рассматриваются особенности оценки и обеспечения прочностных свойств машин и методы расчета реальной надежности, учитывающие специфику механических систем. 
Глава 27 «Типовые случаи расчета надежности» содержит методику расчета механической системы с сильной связью ее элементов по нагруженности 
и общую методику, основанную на имитационном моделировании, которые 
сопровождаются примерами их применения. 
Глава 28 «Оценка режимов движения, нагруженности и ресурса в условиях неопределенности и неполноты данных» посвящена методам определения  
и использования нагрузочного режима при расчетах надежности трансмиссий, 
оценке стиля вождения с позиций ресурса и оценке ресурса при отсутствии 
данных для проведения типового ресурсного расчета.
Часть 8 «Эффективность транспортных средств с различными типами приводов» включает главы 29–33.
В главе 29 «Электрификация городского транспорта. Основные этапы 
создания парка электробусов» дано сравнение транспортных средств с различными двигательными установками и приводами с позиций механики, 
энергетической полезности и совокупной стоимости владения на примере 
городского автобусного парка. Выделены четыре основных этапа перехода  
к парку электробусов, приведены форматы и перечень необходимых данных 
для установления технической осуществимости различных вариантов применения электробусов и зарядных устройств на конкретных автобусных 
маршрутах. 
В главе 30 «Энергоэффективность транспортных средств» описаны 
типовые циклы, применяемые при оценках параметров энергопотребления  

и выбросов транспортных средств. Рассмотрены методы оценки энергопотребления и стиля вождения при движении транспортных средств, включая типовые способы, защищенные патентами на изобретения. 
В главе 31 «Расчетные режимы для оценки эксплуатационных свойств  
и надежности транспортных средств» сформулирована и решена задача оценки основных эксплуатационных и ресурсных свойств транспортных средств 
на основе вероятностного представления характерных параметров и выбора 
расчетных случаев, а также с помощью разработанных сравнительных процедур, введены типовые ездовые циклы «от остановки к остановке», позволяющие учесть стиль вождения водителей городских транспортных средств.
Результаты части 8 получены в проекте PLATON (01.2018-06.2020, грант 
от ERANET COFUND Electric Mobility Europe, программа Horizon 2020).
Монография посвящена решению наукоемких задач в рамках модельного 
подхода i4.0. Развитие технической основы i4.0 (цифровизации, сенсоров, облачных технологий) привнесло новые возможности для решения таких задач 
в режиме реального времени и оперативного принятия решений с использованием систем диагностики, прогнозирующих расчетов и аналитики. 
Примеры практической реализации диагностирования трансмиссионных 
систем, конкретизирующие методологические положения разделов 3.4 и 3.5, 
представлены в недавних отечественных и зарубежных публикациях3.
Для техники с перерывами в эксплуатации (военной, МЧС) и длительным 
сроком службы важное значение имеет введенное понятие расхода ресурса 
(раздел 3.3) и разработанные методы расчета4, учитывающие повреждающие 
действия рабочего процесса и эффекты, обусловленные возрастом, которые  
в традиционных ресурсных моделях не учитываются. 
Монография создана при содействии коллег и учеников авторов, оказавших 
техническую, аналитическую и компьютерную поддержку, в их числе доктор технических наук Н. Н. Ишин, кандидат технических наук А. М. Гоман, 
кандидат технических наук А. С. Скороходов, Д. С. Белабенко, Е. В. Кузнецов,
Т. С. Логвинец, М. К. Натурьева, В. В. Шпортько и др. Авторы выражают им 
искреннюю благодарность.

3 Ишин, Н. Н. Мониторинг качества, технического состояния и остаточного ресурса зубчатых передач и трансмиссий мобильных машин на стадиях их изготовления, сборки и эксплуатации / Н. Н. Ишин, А. М. Гоман, А. С. Скороходов // Зубчатые передачи и трансмиссии  
в Беларуси: проектирование, технология, оценка свойств / В. Б. Альгин [и др.] ; под общ. ред.  
В. Б. Альгина, В. Е. Старжинского. – Минск : Беларус. навука, 2017. – Гл. 7. – С. 214–265; Algin, V. 
Models and approaches in design and diagnostics of vehicles planetary transmissions / V. Algin, 
M. Ishin, S. Paddubka // IOP Conf. Ser.: Materials Sci. Eng. 393 (2018) 012043. doi:10.1088/1757899X/393/1/012043. – P. 1–10. 

4 Альгин, В. Б. Оценка расхода ресурса / В. Б. Альгин // Расчет мобильной техники: кине
матика, динамика, ресурс / В. Б. Альгин. – Минск : Беларус. навука, 2014. – С. 225–253; Казутин, Е. Г. Разработка моделей для оценки расхода ресурса цистерн пожарных автоцистерн  
с учетом пробега и возраста / Е. Г. Казутин, В. Б. Альгин // Актуальные вопросы машиноведения : сб. науч. тр. / Объедин. ин-т машиностроения НАН Беларуси ; редкол.: С. Н. Поддубко  
[и др.]. – Минск, 2017. – Вып. 7. – С. 198–201.