Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 6
1.1. Анализ конструкций механизмов поворота гусеничных машин . 6
1.2. Методы расчета механизмов поворота гусеничных машин 19
1.3. Задачи исследования 34
2. Новые схемы механизмов поворота гусеничных машин 36
2.1. Общие принципы создания схем механизмов поворота на основе унифицированных автомобильных узлов и агрегатов 36
2.2. Новые схемы механизмов поворота гусеничных машин 37
2.3. Выводы 45
3. Методы анализа новых схем механизмов поворота гусеничных машин 46
3.1. Кинематический и силовой анализ замкнутого дифференциала . 46
3.2. Определение скоростных, силовых и энергетических параметров механизмов поворота 50
3.3. Математическая модель механизма поворота гусеничной машины 59
3.4. Эквивалентные схемы механизмов поворота 66
3.5. Компьютерная программа для анализа схем механизмов поворота 69
3.6. Выводы 70
4. Анализ работы механизмов поворота гусеничной машины 73
4.1. Кинематический анализ 73
4.2. Энергетический анализ схем механизмов поворота 80
4.3. Сравнительная оценка схем механизмов поворота по затратам мощности на поворот машины 96
4.4. Выводы 99
5. Методика экспериментального исследования ... 101
5.1. Эксплуатационные испытания 101
5.2. Полевые испытания ПО
5.3 Выводы 113
Основные результаты и выводы 115
Литература
- Методы расчета механизмов поворота гусеничных машин
- Новые схемы механизмов поворота гусеничных машин
- Определение скоростных, силовых и энергетических параметров механизмов поворота
- Сравнительная оценка схем механизмов поворота по затратам мощности на поворот машины
Введение к работе
Одним из важнейших направлений в развитии производительных сил России является освоение районов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока и интенсивное использование богатых ресурсов этих регионов. Развитие производительных сил в указанных районах в первую очередь связано с налаживанием транспортно-экономических связей.
Решение данной задачи сдерживается отсутствием на больших территориях этой зоны достаточно развитой дорожной сети и чрезвычайно суровыми климатическими условиями. Поэтому на этой территории широкое применение при транспортных перевозках и разведке недр полезных ископаемых в условиях бездорожья получили гусеничные транспортеры-снегоболотоходы, которые по своему конструктивному исполнению приспособлены для эксплуатации в суровых климатических условиях, обладают высокой проходимостью по слабому грунту, снегу, болотам, мелколесьям, могут форсировать водные преграды и т. д.
Существующие типы механизмов поворота (МП) современных гусеничных машин [1-15] требуют создания специального производства для их изготовления, что приводит к увеличению времени и материальных средств при разработке и серийном производстве новых типов гусеничных машин.
Для быстрого освоения территорий Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока возникла необходимость в создании новых типов гусеничных транспортеров-снегоболотоходов особо легкой категории по массе.
Однако в сложившихся экономических условиях использование традиционных подходов к созданию гусеничных машин, в частности их МП, когда для каждой машины в большинстве случаев создается свой МП [1, 3, 9, 11, 12, 16, 17], состоящий из оригинальных узлов и деталей, не всегда является оправданным.
При создании МП для гусеничных транспортеров-снегоболотоходов особо легкой категории по массе было бы целесообразно разработать схемы,
5 где возможно применение типовых серийно выпускаемых узлов и агрегатов
автомобилей.
Целью работы является разработка новых схем МП для гусеничных машин (ГМ) особо легкой категории по массе на основе типовых серийно выпускаемых узлов и агрегатов автомобилей и методов расчета параметров и нагруженности их элементов.
В данной работе предложены новые схемы МП, разработанные на основе серийно выпускаемых агрегатов автомобилей. Новизна конструкторских разработок новых схем МП защищена пятью патентами России. Разработаны математические модели установившегося поворота гусеничной машины с новыми типами МП и методы расчета их параметров и нагруженности. Указанные схемы МП изготовлены и прошли эксплуатационные и полевые испытания на снегоболотоходах «Вегус».
Методы расчета механизмов поворота гусеничных машин
Расчет деталей и агрегатов МП ГМ выполняется для самого тяжелого случая их нагружения в эксплуатации. При этом рассматривается поворот ГМ на уклоне крутизной а = 30 [9, 14, 22, 24, 26, 27, 29, 37]. Рассмотрим методы определения расчетных нагрузок для МП, рассмотренных в разделе 1.1.
МП с многодисковыми фрикционными муфтами (бортовыми фрикционами) (рис. 1.1). Определение расчетного момента фрикциона [9, 22, 26]. Фрикционы работают в двух режимах, характеризующихся различными передаваемыми через них крутящими моментами -при прямолинейном движении ГМ и ее повороте. Расчетный же момент фрикциона определяется для самого тяжелого случая его нагружения при повороте машины на уклоне крутизной а = 30 в сторону подъема (рис. 1.7). В этом случае нормальная реакция Y2 под забегающей гусеницей определяется из уравнения моментов всех сил относительно точки 0{.
Тогда наибольшая касательная сила тяги забегающей гусеницы, ограничиваемая ее сцеплением с опорной поверхностью, PK2=P 2=YI9 = 0>9, (1.9) где р - коэффициент сцепления гусеничного движителя с опорной поверхностью.
В результате расчетный момент на фрикционе забегающего борта ГМ, ограничиваемый сцеплением движителя с опорной поверхностью, с учетом схемы МП на рис. 1.1 определяется из выражения [9,22, 26] U 77 77 кон кон г (1.10) где гк- радиус ведущего колеса; т}КОІІ и т}г - КПД соответственно конечной передачи и гусеничного движителя.
В работах [9, 22, 26] принимают, что максимальное значение коэффициента сцепления д редко превышает 0,9 и произведение VKOH 73 0,92 В результате получено, что /( , ) 1. При таком допущении выражение
Учитывая, что в процессе эксплуатации максимальный момент трения фрикциона может уменьшаться, то его расчетный момент трения МТФ обычно определяют с учетом коэффициента запаса /3: МТФ = /ЗМФ. (1.14) Ранее принимали [37] /2 = 2,5...3,0. Однако оказалось [9, 22, 26], что при этом расчетное значение МТФ слишком завышено и было рекомендовано значение /? = 1,1...1,2. По величине МТФ выполняют проектный расчет фрикциона.
Определение расчетного момента остановочного тормоза [9, 22, 26]. Остановочные тормоза Та (рис. 1.1) в МП с многодисковыми фрикционными муфтами используют для поворота ГМ, удержания ее на подъемах и спусках, а также при необходимости быстрой остановки машины. Расчетный момент остановочного тормоза Т0 (рис. 1.1) при экстренном торможении ГМ на горизонтальном участке ограничивается сцеплением движителя с опорной поверхностью:
Принимая р = 0,9 и произведение т}ко„ Цг « 0,92 [9, 22, 26], получено M/o=0,414Gr- -. (1Л6) Расчетный момент остановочного тормоза при повороте ГМ, когда тормозится отстающая гусеница, определяется следующим образом. Тормозная сила Рт на отстающей гусенице будет наибольшей при повороте трактора на уклоне в сторону спуска (рис. 1.7) и определяется из выражения _. - GT itGT L GT . Рт =-f-J-cosa + —cos a + - - sin a , c\ мл где f - коэффициент сопротивления движению; M - коэффициент сопротивления повороту; L-длина опорной поверхности гусеницы. Задаваясь самыми тяжелыми условиями для поворота ГМ / = 0,06, / = 0,8 и принимая отношение L/B = 1,4... 1,8 [9, 22, 26], получено, что Pr=(0,47...0,54)Gr. (1.18) Тогда расчетный момент остановочного тормоза при повороте ГМ Р г =- 17-.7,. (1.19) кои Принимая т]кон г}г « 0,92 и рассматривая самый тяжелый случай поворота, когда L/B = 1,8 [9, 22, 26], получено = 0,5 . (120) КОН
При этом М.0 Мт0. Для обеспечения надежной работы остановочного тормоза в любых условиях эксплуатации его расчет выполняют для самого тяжелого случая на-гружения - при повороте машины на уклоне. Тогда окончательно расчетный момент остановочного тормоза [9,22,26]
Представленное выражение справедливо для остановочных тормозов всех типов МП ГМ, По величине момента трения МТо выполняют проектный расчет остановочного тормоза.
Одноступенчатый планетарный МП. Определение расчетного момента поворотного тормоза [9,22,26]. Поворотные тормоза Тп работают в двух режимах, характеризующихся различными нагружаемыми их крутящими моментами - при прямолинейном движении ГМ и ее повороте. Расчетный момент поворотного тормоза Тп определяется для самого тяжелого случая его нагружения при повороте ГМ на уклоне крутизной а - 30 в сторону подъема (рис. 1.7).
В этом случае, как и для МП с многодисковыми фрикционными муфтами, наибольшая касательная сила тяги забегающей гусеницы, ограничиваемая ее сцеплением с опорной поверхностью, определятся по выражению (1.9).
Новые схемы механизмов поворота гусеничных машин
Для поворота ГМ необходимо изменять скорость поступательного движения ее гусениц так, чтобы скорости левой и правой гусениц были разными [2, 3, 10, 14, 19, 28, 32, 40, 42-44, 47]. Это обеспечивается с помощью МП.
Анализ известных схем МП показал, что при их проектировании не могут быть использованы унифицированные автомобильные узлы и детали. В результате при разработке и налаживании серийного производства ГМ существенно возрастают материальные и временные затраты.
В настоящее время возникла необходимость в создании гусеничных транспортеров-снегоболотоходов особо легкой категории по массе. Эти машины нужны нефтяникам, газовикам и могут быть использованы в Вооруженных Силах. Они предназначены для перевозки людей и грузов в условиях бездорожья.
Быстрая разработка и налаживание серийного производства таких машин сдерживаются невозможностью использования унифицированных узлов и деталей автомобилей для создания трансмиссий ГМ, в частности ее МП.
Поэтому создание новых схем МП для гусеничных транспортеров-снегоболотоходов особо легкой категории по массе должно базироваться на использовании следующих унифицированных автомобильных узлов и агрегатов: - ведущих мостов; - коробки передач; - раздаточной коробки; - межосевого дифференциала, который может быть элементом раздаточной коробки; - фрикционного сцепления. Новые схемы механизмов поворота гусеничных машин
В настоящее время на предприятии ЗАО «Вегус» ведутся работы по созданию и постановке на производство семейства гусеничных транспорте-ров-снегоболотоходов особо малой категории по массе.
В целях сокращения сроков освоения новых и специализированных модификаций, а также возможности использования имеющейся инфраструктуры технического обслуживания и ремонта автомобилей, одним из основных требований, которые необходимо было учитывать при создании транс-портеров-снегоболотоходов, было требование использования в конструкции машины узлов и агрегатов автомобилей серийного и массового производства. В качестве базовых узлов трансмиссии были выбраны узлы автомобилей производства УАЗ и ВАЗ такие, как фрикционное сцепление, ступенчатая коробка передач, редуктор, раздаточная коробка, карданный вал, межосевой дифференциал, ведущий мост с главной передачей и симметричным коническим простым дифференциалом, конечная передача.
Подобные ограничения сделали невозможным использование известных схем МП (за исключением механизма поворота с простым дифференциалом) ввиду отсутствия надлежащих узлов и необходимости существенного изменения конструкции ведущего моста. Было принято решение разработать принципиально новые схемы трансмиссии для обеспечения поворота ГМ, оставив в качестве возможного варианта МП с простым дифференциалом.
Результатом работы явилось создание ряда схем, обеспечивающих устойчивое прямолинейное движение ГМ и ее поворот. Схемы защищены пятью патентами России на изобретение.
В отличие от традиционных схем здесь в качестве активных используются два моста, причем оба могут быть одновременно ведущими. В управлении поворотом участвует фрикционное сцепление (в дальнейшем фрикцион поворота ФП). Тормоза во время поворота не используются и на схемах они не изображены. Возникающая при повороте рекуперация мощности позволя 38 ет снизить потребную на поворот ГМ мощность. В предложенных схемах МП наряду с унифицированными узлами используются кулачковые муфты собственной разработки.
Ниже представлен ряд кинематических схем трансмиссий для этих машин с описанием их работы и кратким анализом их функциональных возможностей.
Принято, что машина движется слева направо. Под радиусом поворота понимается расстояние от центра поворота до продольной оси симметрии машины. На схемах используются следующие обозначения: - СЛ - силовой агрегат (двигатель); - КП - коробка передач; - РК - раздаточная коробка; - Р- редуктор; -К- карданная передача; - Мр - муфта редуктора (кулачкового типа); - ФП - фрикцион поворота; - Д- дифференциал; - ГП- главная передача; - М- разобщающая муфта (кулачкового типа); - БП - бортовая передача; - ВК - ведущее колесо.
На рис. 2.1 представлена кинематическая схема трансмиссии ГМ (в дальнейшем схема 1), у которой задний мост является основным ведущим, а передний подключается к работе только во время поворота в качестве управляющего.
При прямолинейном движении мощность от силового агрегата СЛ передается через коробку передач КП, карданную передачу К, главную передачу заднего моста ГП2, замкнутые муфты М обеих бортов и бортовые передачи БП на ведущие колеса ВК и далее на гусеницы.
Определение скоростных, силовых и энергетических параметров механизмов поворота
Кинематические, силовые и энергетические показатели работы любого механизма оцениваются угловыми скоростями со, крутящими моментами М и мощностями Q в ветвях схемы [8-11, 17, 20, 21, 26,32, 33, 60].
Существуют различные методы определения этих параметров [8-11,17, 20, 21, 26, 32, 33, 60], различающиеся в основном выбором исходных условий, принимаемыми допущениями и формой представления конечных результатов. Однако в основе всех расчетов лежат общие зависимости между силовыми, скоростными и энергетическими показателями, включающими в себя кинематические передаточные числа отдельных элементов и их коэф фициенты полезного действия.
Необходимость в разработке новой методики объясняется еще и тем, что известные методики ориентированы на использование ручных методов расчета. В этой связи, выведенные расчетные зависимости представлены в аналитической форме и применительно к конкретным схемам. При использовании в расчетах средств вычислительной техники это нерационально, так как для каждой схемы МП требуется своя математическая модель. Но если такие модели для известных схем МП уже существуют, то для новых схем они должны быть заново разработаны, что представляет довольно сложную задачу, если учесть, что механизмы эти многопоточные. Алгоритм расчета, ориентированный на использование ЭВМ предполагает последовательное выполнение операций с получением промежуточных результатов, что позволяет контролировать процесс создания модели. Кроме того, для целого ряда схем существуют общие моменты, обусловленные использованием в моделях аналогичных элементов. Это значительно упрощает и создание математических моделей, и отладку программы.
При разработке математических моделей новых схем МП для ГМ использовались следующие положения: - общая модель объекта включает в себя математические модели таких элементов, как источник энергии, редуктор, фрикционное сцепление, конический простой симметричный дифференциал, карданная передача, ведущее колесо с гусеницей, источник сил сопротивления; - в моделях учитывается потеря энергии на трение в зубчатых зацеплениях, в карданной передаче, в зацеплении гусеницы с ведущим колесом, в гусеничной цепи; - инерционные свойства трансмиссии и буксование гусениц не учитываются; - под радиусом поворота понимается расстояние от центра поворота до продольной оси симметрии машины; - при сравнительной оценке различных схем МП и при выполнении расчетов на прочность знаки направления крутящих моментов и направление вращения валов механизма не играют существенной роли. Для упрощения расчетов в дальнейшем за положительное направление угловых скоростей элементов схемы принимаются направления их вращения, соответствующие прямолинейному движению машины. В расчетах используются крутящие моменты, направления которых являются положительными для положительного направления касательной силы тяги ведущих колес; - с учетом предыдущего положения в качестве передаточного числа используется абсолютная величина отношения угловых скоростей; - источник энергии (рис. 3.2) имеет неограниченную мощность
Как и в любом трехзвенном дифференциальном механизме, здесь энергия передается как в относительном, так и в переносном движении. Передача энергии в относительном движении сопровождается потерями на трение в зацеплениях зубчатых колес. Это приводит к тому, что крутящие моменты на полуосях симметричного дифференциала при разных их угловых скоростях не равны между собой. В [33] дана зависимость, позволяющая определить соотношения крутящих моментов на колесах планетарной передачи с учетом потерь в зацеплении. Для рассматриваемого случая ее можно представить в виде:
Для случая простейшего поворота, который часто используется при сравнительной оценке механизмов поворота, принимаем, что машина движется без прицепа по горизонтальной площадке, центр масс машины расположен в продольной плоскости над серединой опорных ветвей гусениц, полюсы поворота гусениц лежат на поперечной оси машины, распределение давления по длине гусениц равномерное. Считается, что поворот машины происходит с постоянным радиусом, коэффициент сопротивления боковому сдвигу или повороту гусениц постоянен, ширина гусениц равна нулю, силы инерции не учитываются.
Сравнительная оценка схем механизмов поворота по затратам мощности на поворот машины
При дальнейшем включении ФП передний мост переходит в тормозной режим работы (рис. 4.18,6). Мощность от двигателя подводится к забегающей гусенице только со стороны заднего моста. Часть мощности расходуется на криволинейное движение машины, а оставшаяся часть передается через забегающую гусеницу к переднему забегающему колесу и через опорную поверхность к переднему отстающему колесу. От переднего моста мощность через ФП (где часть ее расходуется на буксование), редуктор и задний мост возвращается к забегающей гусенице в виде мощности рекуперации.
В точке В (рис. 4.17,6) скорость отстающего колеса уменьшается до 0, и машина поворачивает с радиусом і?= В/2, При дальнейшем включении ФП скорость правого переднего колеса изменяет направление, и колесо опять переходит в ведущий режим (рис. 4,18,в). Но теперь мощность к нему подводится через забегающую гусеницу со стороны переднего забегающего колеса. При полностью включенном ФП машина совершает поворот с фиксированным радиусом.
Расчеты показали, что увеличение передаточного числа редуктора для О up 1 приводит к уменьшению мощности буксования ФП и уменьшению мощности двигателя, потребной на поворот машины, вследствие увеличения минимального радиуса поворота. Зависимость остальных энергетических показателей от радиуса поворота осталась прежней (с учетом уменьшения диапазона изменения радиуса). На рис. 4.19 дополнительно приведены некоторые результаты расчетов для ир= 0,5 (минимальный радиус поворота R = В/2) иир = 0,77 (минимальный радиус поворота R = 2,4 м).
Изменение Up не отразилось на направлении потоков мощности в схеме, если не считать, что для иР 0,5 вариант, представленный на рис. 4.18,в, не реализуется.
Расчеты также показали, что при равных возможностях различных вариантов (с точки зрения обеспечения минимальных радиусов поворота) МП схемы 5 с передаточными числами редуктора из диапазона 0 ир 1 требуют значительно больших затрат мощности на буксование ФП и, как следствие этого, больших затрат мощности двигателя при совершении поворота. Это объясняется потерями мощности в агрегатах трансмиссии и ходовой системы. Для этих МП характерна также значительная нагрузка в приводе заднего моста, хотя передний мост нагружен менее интенсивно по сравнению с МП, имеющими редуктор с отрицательными Up или Up
В качестве критерия для оценки схем по затратам мощности на поворот машины в расчетах использовалась относительная мощность Qam, представляющая собой отношение потребной мощности двигателя на поворот к мощности, потребной на прямолинейное движение. Установлено, что этот показатель увеличивается по мере уменьшения радиуса поворота из-за увеличения момента сопротивления повороту, и зависит от схемы МП и конструктивных его параметров, определяющих значение минимального радиуса. Влияние типа схемы МП сказывается на величине относительной загрузки двигателя как вследствие различной скорости центра масс машины при повороте и скорости поворота, так и из-за разницы потерь мощности на буксование ФП и потерь в трансмиссии и ходовой системе при повороте с одинаковым радиусом. Поэтому при анализе результатов расчета следует иметь в виду, что для всех схем МП с уменьшением радиуса поворота скорость поворота увеличивается (одинаково и в меньшей степени для схем 1, 2 и 3, в большей степени для схемы 4 и еще в большей степени для схемы 5 и для МП с простым дифференциалом). Для схемы 5 и для МП с простым дифференциалом поступательная скорость центра масс машины остается при повороте постоянной, для схем 1, 2, 3 и 4 она уменьшается с уменьшением радиуса поворота (для схем 1, 2 и 3 в одинаковой степени, а для схемы 4 в меньшей мере).
Схемы 1 и 2 равнозначны по затратам мощности на поворот. Для схемы 3 значения Q самые низкие. Схема 5 не позволяет машине совершать разворот на месте, но даже для фиксированных радиусов Rmin= 0,36 м и Яш»- -0,36 м при расчетах были получены соответственно значения Qom=i2 и 2от-28. Для механизма поворота с простым дифференциалом фиксированный радиус поворота составляет Rmin=B/2.
Результаты расчетов Q для всех схем с параметрами, обеспечивающими Rmi„ = ВІ2, представлены на рис. 4.21. Отмечается значительное снижение относительной загрузки двигателя при увеличении радиуса поворота машины для всех вариантов схем. Наибольшую Qom имеет схема 5, особенно при использовании ускоряющего редуктора. МП с простым дифференциалом равноценен схеме 5 при применении тормоза на заднем кардане. Качественные соотношения Q для остальных схем остались прежними.
