Содержание к диссертации
Введение
1 Физическая сущность сопротивления качению 7
1.1 Причинно-следственная связь процесса качения колеса в различных режимах 7
1.2 Характеристики сопротивления качению колеса 11
1.3 Факторы, влияющие на величину сопротивления качению 13
1.4 Методы определения сопротивления качению шины 33
1.5 Равновесное и неравновесное состояние колеса 44
1.6 Траектория центра ведущего колеса трактора при его
трогании с места и остановке после движения накатом 50
1.7 Задачи исследований 52
2 Теоретические предпосылки определения коэффициета и плеча сопротивления качению методом отката 54
2.1 Энергетическая модель сопротивления колеса качению 54
2.2 Координаты точки приложения результирующей реакции опорной поверхности и угла отката 58
2.3 Энергетическая модель сопротивления колеса торможению 60
2.4 Противоположность сопротивлений колеса качению и торможению 63
2.5 Функциональная и энергетическая эффективность колеса 66
2.6 Качение колес друг по другу в противоположных режимах 70
3 Методика экспериментальных исследований 73
3.1 Программа исследований 73
3.2 Краткая техническая характеристика приборов и оборудования 73
3.3 Приспособление для измерения относительного спуска и подъема опорной поверхности 77
3.4 Установка для проведения лабораторных опытов 78
3.5 Установка для записи угла отката тракторов Т-25А и МТЗ-80 80
3.6 Установка для записи плеча отката трактора Т-25А 81
3.7 Методика проведения лабораторных опытов 83
3.8 Методика проведения полевых опытов записи углаотката тракторов Т-25А и МТЗ-80 84
3.9 Методика проведения полевых опытов записи плеча отката тракторов Т-25 А 85
3.10. Измерение тягового усилия необходимого на самопередвижение трактора Т-25 А 86
3.11 Настройка и тарировка аппаратуры 88
3.12 Краткаяметодика планирования и проведения экспериментов и статистической обработки полученных данных 89
4. Результаты исследований 92
4.1 Лабораторные исследования 92
4.2. Результаты полевых исследований 94
4.2.1 Определение сопротивления качению способом буксирования трактора 94
4.2.2 Определение коэффициента сопротивления качению тракторов Т-25А и МТЗ-80 методом отката в ведомом и ведущем режимах качения 104
4.3 Результаты исследований по определению плеча отката трактора Т-25 А 126
Общие выводы 130
Литература 132
Приложения 146
- Факторы, влияющие на величину сопротивления качению
- Противоположность сопротивлений колеса качению и торможению
- Краткаяметодика планирования и проведения экспериментов и статистической обработки полученных данных
- Определение коэффициента сопротивления качению тракторов Т-25А и МТЗ-80 методом отката в ведомом и ведущем режимах качения
Введение к работе
Сопротивление качению является основным видом сил сопротивления движению транспортных средств и одновременно одним из важнейших критериев их оценки. Определение и меры по уменьшению сопротивления качению этих средств занимают важное место в разработке и совершенствовании их конструкции.
Теория качения колеса, базирующаяся на контактной задаче теории упругости, изучает как свойства эластичных шин, так и физико-механические свойства почвы. В основе изучения трения качения лежат исследования В.П. Горячкина, М,Н. Летошнева, Н.П. Петрова, О. Рейнольдса и др. Качение упругих катков по жесткому основанию рассматривалось Г.В. Зимелевым, В.И. Кнорозом, Н.К.Куликовым, А.С.Литвиновым, В.И. Новопольским, Е.А. Чу-даковым, А. Шалламахом и многими другими. Так В.Л. Бидерман разработал теорию резинокордных сетчатых конструкций, а Н.Ф. Бочаров на ее основе предложил методику расчета потерь энергии по элементам их конструкции при качении пневмокатков. В результате исследований процесса качения одиночного колеса с эластичной шиной В.А. Петрушов доказал и экспериментально подтвердил явление бикомпонентности сноса нормальной равнодействующей реакции с оси эластичного колеса.
Взаимодействие колеса с деформируемой опорной поверхностью отражено в исследованиях Я.С.Агейкина, В.Ф. Бабкова, И.И. Водяника, М.Э. Генниха, A.M. Гуревича, В.И. Кнороза, Д.А. Чудакова, Мухамадьярова Ф.Ф., Лопарева А. А.
Особое место в теории взаимодействия движителя с опорной поверхностью занимает вопрос о реакциях опорной поверхности, действующих на движитель в зоне их контакта, так как они являются условием движения машины и одновременно сопротивлением ее передвижению.
Из анализа исследований установлено, что на сегодняшний день недос- таточно раскрытым остается вопрос силового преобразующего свойства эластичного колеса на основе причинно-следственной связи «машина-опорная поверхность», позволяющего раскрыть причинность сопротивления качению.
Исследования в системе «колесо-опорная поверхность», проведенные на основе реологических и математических моделей, наиболее близким к реальным условиям. Но их решение затруднительно, и поэтому могут использоваться для анализа отдельных режимов качения колеса, так как они включают в себя постоянные величины, не имеющие физического толкования.
Все это дает основание предполагать, что раскрытие причинно-следственной связи качения колеса транспортного средства, а также раскрытие физического смысла сопротивления качению с непосредственным его определением, является весьма актуальной научной задачей, имеющей важное значение.
Научную новизну работы составляют: разработана модель перехода эластичного колеса в функционально противоположные ведущий и тормозной режимы; совмещено силовое преобразующее свойство и энергетический КПД колеса в координатах ведуще-тормозной момент - продольная сила и КПД; разработана и экспериментально подтверждена методика определения коэффициента и плеча сопротивления качению методом отката при остановке после свободного выбега и при попытке трогания с места под тяговой нагрузке.
Основные положения выносимые на защиту: - уточнена энергетическая модель эластичного колеса в различных ре жимах качения и состояниях; модель перехода эластичного колеса в функционально противоположные ведущий и тормозной режимы; переход сопротивления колеса качению в его сопротивления торможению; - методика определения сопротивления коэффициента и плеча сопротивления качению при скорости стремящейся к нулю методом отката.
По теме диссертации опубликовано 14 научных работ.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII, XIII, XIV и XV зональных конференциях кафедр «Тракторы и автомобили» сельхозвузов Поволжья и Предуралья (Киров, 2001г.; Н-Новгород, 2003г, Ижевск, 2004г, Киров 2004г.) научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского ГАУ (Пушкин, 2003г.), Вятской ГСХА (Киров, 2001...2003 г.г.), на II Международной научно-практической конференции «Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для условий Евро-Северо-Востока России» (Киров, 2001 г.), на Международной научно-практической конференции "Здоровье-питание-биологические ресурсы". К 125-летию со дня рождения академика Н.В. Рудницкого (Киров, 2002 г.).
Результаты исследований применяются в учебном процессе Вятской ГСХА, Ижевской ГСХА, Казанской ГСХА и используются при проведении испытаний тракторов в Кировской государственной зональной машиноиспытательной станции.
Решение отдельных задач по теме диссертационной работы выполнено автором под руководством доктора технических наук, профессора А.А. Ло-парева и доцента В.И. Судницына. Автор приносит им, а также всему коллективу кафедры «Автомобили и тракторы» искреннюю благодарность.
Факторы, влияющие на величину сопротивления качению
ГОСТ 17697-72 «Автомобили. Качение колеса. Термины и определения» [34] определение термину «колесо» не дает, а термин «качение колеса» определяет как «вращение колеса, находящегося в контакте с опорной поверхностью, при наличии перемещения центра колеса в продольной плоскости» и выделяет пять режимов силового нагружения колеса при его качении: 1. Ведущий режим — режим, при котором колесо нагружено силой тяги Рк (рис. 1.1, а) и приводится во вращение крутящим моментом М, вектор которого совпадает с вектором угловой скорости со. 2. Свободный режим — режим, при котором колесо приводится во вращение крутящим моментом М (рис. 1.1, б), а продольная сила Рх равна нулю. 3. Нейтральный режим — режим, при котором колесо приводится во вращение одновременно крутящим моментом М (рис. 1.1, в) и толкающей силой Рв. 4. Ведомый режим - режим, при котором колесо приводится во вращение толкающей силой Рв (рис. 1.1, г), а крутящий момент М равен нулю. 5. Тормозной режим — режим, при котором колесо нагружено крутящим моментом М (рис. 1.1, д), вектор которого противоположен вектору угловой скорости а, и приводится во вращение толкающей силой Рв. Эти стандартные определения режимов силового нагружения колеса при его качении выделяют в качестве определяющих факторов описываемого процесса «крутящий момент М» и «продольную силу колеса Рх» в формах «силы тяги колеса Рк» или «толкающей силы колеса Рв», относя их к неопределенным в стандарте понятиям «колесо нагружено...и приводится во вращение...». Анализ описаний причинно-следственной связи процесса качения колеса в литературных источниках, включая ГОСТ-17697-72, противоречиво и не раскрывает функциональную противоположность ведущего и тормозного режимов разделенных переходными режимами свободным, нейтральными и ведомым. Не раскрытие причинно-следственной связи процесса качения колеса привело к появлению различных мнений на причину качения и различных моделей силового нагружения колеса (рис. 1.2). Анализ литературных источников по теории трактора и автомобиля, теории качения, теоретической и прикладной механике позволяет разделить их на три группы, в которых причиной качения ведущего колеса авторы считают действие: 1. Крутящего момента [76, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104]; 2. Продольной реакции опорной поверхности Rx и терминируемой: а) движущая сила [125]; б) касательная сила тяги [74]; в) сила тяги [37, 38, 112, 123]; г) толкающая сила [46, 47, 48,49, 50]; д) толкающая реакция почвы [129]; е) тяговая сила [52]; ж) вызывает перемещение машины [106]. 3. Толкающей силы колеса Рв и терминируемой: а) толкающая сила [58]; б) движущая сила [59]. Следствием качения колеса, по мнению большинства авторов, является продольное перемещение транспортного средства, а также появление сопротивления качению. Мнения о том, что является сопротивлением качению, также многообразны и противоречивы: одни авторы считают сопротивление качению силой [5, 7, 8, 60], вторые тоже силой, но определяя ее «условной» [16], третьи - моментом [44], четвертые - силой и моментом одновременно [89], пятые мощностью (энергией) [109]. Сопротивление качению эластичного колеса по опорной поверхности объясняют следующими причинами: внутренним трением в шине [108]; проскальзыванием элементов шины по опорной поверхности [12]; присасыванием шины к опорной поверхности [14]; аэродинамическим сопротивлением [25]; несовершенной упругостью реальных материалов [32, 38]; молекулярным сцеплением на площадке контакта [15]; образованием и разрушением мостиков спайки [16]; образованием разноименных электрических зарядов в зоне выхода из контакта [105]. Таким образом, анализ литературы показал существование различных взглядов на причинность качения и сопротивления качению эластичного колеса по опорной поверхности, а также существование различных моделей силового нагружения колеса. Согласно ГОСТ 17697-72 к характеристикам сопротивления качению колеса относятся мощность Nf, момент Mf, сила Pf, коэффициент f и плечо а сопротивления качению колеса. При этом мощность сопротивления качению колеса Nf определяется как разность между мощностью, подведенной к колесу, и мощностью, отведенной от колеса при его качении, а момент сопротивления качению колеса определяется как условная количественная характеристика, имеющая размерность момента и равная отношению мощности сопротивления качению Nf за вычетом мощности скольжения колеса Nc к угловой скорости колеса о: где Mf- момент сопротивления качению колеса; Nf - мощность сопротивления качению колеса; Nc - мощность скольжения колеса; со — угловая скорость колеса. Согласно стандартизованной формуле (1.1) мощность сопротивления качению колеса то есть содержит в себе не только условную мощность вращательного движения колеса Mfco, но и мощность продольного скольжения колеса Nc-мощность буксования Ns в ведущем режиме и мощность юза Ns в тормозном режиме качения.
Согласно стандартному определению [34] сила сопротивления качению колеса Pf является условной количественной характеристикой сопротивления качению колеса, имеющей размерность силы и равной отношению момента сопротивления качению колеса к радиусу качения без скольжения:
Противоположность сопротивлений колеса качению и торможению
На изготовленной установке (рис. 3.8) производилась непосредственная запись круговой диаграммы угла поворота колес трактора Т-25А и трактора МТЗ-80 в ведущем режиме при попытке трогания с места под тяговой нагрузкой и в ведомом режиме при остановке после движения накатом по разным опорным поверхностям. При проведении эксперимента изменяли внутришинное давление воздуха в ведущих колесах, а также измеряли относительный подъем (спуск) опорной поверхности. На рисунке приведены диаграммы колебаний колеса трактора, полученные в ведомом режиме при остановке после движения накатом по разным опорным поверхностям. Из результатов видно, что угол отката изменяется при смене фона опорной поверхности (рис. 4.8),
По результатам эксперимента установлено, что при малых значениях icp переход колеса от качения к покою не только сопровождается откатом на угол аот, но и затухающими колебаниями относительно положения будущего покоя, записанного на откатной диаграмме при обратном радиальном ходе самописца как часть радиуса неподвижного колеса. С увеличением среднего подъема (рис. 4.9-4.10) угол отката a (хорда X) резко возрастает вплоть до необходимости торможения, а с увеличением среднего спуска угол отката уменьшается не только до нуля при полном отсутствии затухающих колебаний, но и до появления отрицательных значений и необходимости торможения колес на этом спуске.
Результаты испытаний по определению угла отката тракторов Т-25А и МТЗ-80 с последующим вычислением его тангенса, на различных фонах представлены в таблицах 4,8-4.10. Исследования по определению угла отката трактора МТЗ-80 с последующим вычислением его тангенса, показали такой же характер его изменения и близость по своему значению коэффициенту сопротивления качению из справочных данных. Коэффициент корреляции между тангенсом угла отката и коэффициентом сопротивления качению, определенным методом буксирования составлял 0,95-0,98.
Полученные результаты подтверждают предложенную модель колеса (рис. 2.1) как наклоненного назад рычага ОС. Так же были проведены эксперименты по определению угла отката в ведущем режиме, с последующим определением тангенса угла отката. Диаграммы отката ведущих колес после попытки трогания с места под тяговой нагрузкой и пробуксовкой муфты сцепления с последующим предельно резким ее выключением, подобны диаграммам отката ведомых колес, но имеют явно выраженную зависимость углов отката от тягового усилия (рис. 4.23). При проведении эксперимента использовалась установка (рис. 3.10), на которой производилась непосредственная запись отката трактора тягового класса 0,6 в ведущем режиме после попытке трогания с места под тяговой нагрузкой и в ведомом режиме при остановке после движения накатом по разным опорным поверхностям. В тех же условиях проводилось определение коэффициента сопротивления качению f методом буксирования. Перед проведением эксперимента измерялся средний статический радиус Тег ведущих колес трактора Т-25А при заданном внутришинного давлении воздуха. С целью последующего вычисления отношения На рисунке 4.24 представлена зависимость отношения аот/rcp tgfo и коэффициента сопротивления качению f от относительного подъема и спуска опорной поверхности в ведомом режиме Коэффициент корреляции между отношением плеча отката к среднему статическому радиусу колеса и коэффициентом сопротивления качению равен 0,98. Полученные результаты эксперимента свидетельствуют о том, что плечо отката трактора может являться характеристикой его сопротивления качению, а отношение аотк/гср близко по своему значению коэффициенту сопротивления качению. По результатам исследований зависимости коэффициента сопротивления качению =fB=aor/rcp в ведущем режиме от коэффициента тяговой загрузки трактора и внутри шинного давления воздуха ведущих колесах трактора Т-25А были составлены план эксперимента и уровни варьирования (табл. 4.22)
Краткаяметодика планирования и проведения экспериментов и статистической обработки полученных данных
Следует отметить, что использование приведенного выше метода затруднено необходимостью иметь довольно большой участок дороги с постоянным уклоном. Эти условия легче выполнимы при проведении испытаний на автодромах.
Существует метод определения коэффициента сопротивления качению в дорожных условиях, который дает возможность использовать для опыта практически любой участок дороги с небольшими уклонами.
От заранее отмеченного места автомобиль движется из неподвижного положения, без включения двигателя, и после спуска и выбега по инерции останавливается. Этот метод может быть также успешно использован потому, что не требует замера параметров движения автомобиля (скорости, ускорения), что устраняет необходимость применения приборов и повышает точность опыта.
Коэффициент сопротивления качению определяется в этом случае по формуле [21]: дороги; а; - угол наклона участков дороги к горизонтали.
Пользуясь этим выражением, можно определять величину коэффициента сопротивления качению при любом сочетании уклонов и протяженности участков дороги. Уклоны не должны быть значительными (для устранения влияния сопротивления воздуха), скорость движения автомобиля не должна превышать 10...15 км/ч. Для определения сил сопротивления воздуха и качению колес автотранспортных средств разработана стенд-платформа представленный на рисунке 1.21 [95]. Данный стенд представляет собой платформу 4, верхняя поверхность которой выполнена "заподлицо" с полотном дороги, но имеет зазор по отношению к нему. Платформа подвешена на тросах 6 и задней своей плоскостью прижата пружиной 5 к упору 7, снабженному пьезоэлектрическим датчиком силы, сигнал от которого поступает на измерительное устройство 8. При испытаниях автомобиль, перемещаясь своим ходом с постоянной скоростью (для легкового автомобиля, например, 120... 140 км/ч), проходит три этапа взаимодействия с платформой. Первый: передние колеса на платформе, задние - на дорожном полотне; второй: все колеса на платформе; третий: передние колеса на дорожном полотне, задние - на платформе. Первый этап в случае заднеприводного автомобиля позволяет измерить силу сопротивления качению передних колес: она равна разности между силой, создаваемой пружиной 5, и силой, с которой платформа давит на упор, то есть замеряемой устройством 8. На втором этапе автомобиль действует на платформу с силой, равной силе сопротивления воздуха. На третьем этапе устройство 8 фиксирует только силу сопротивления качению задних колес. Она равна его показанию минус силы сопротивления воздуха и пружины 5. Датчики 2 и 10 фиксируют время, в течение которого любая, взятая в качестве контрольной точка автомобиля преодолевает расстояние между ними и дает вычислительному блоку возможность рассчитать скорость автомобиля. Измерительное устройство 9 фиксирует нормальные силы, с которыми передние и задние колеса прижимаются к опорной поверхности. Сопротивление качению шин в дорожных условиях определяется также на динамометрических тележках. Применяются динамометрические тележки, буксируемые автомобилем, а также самоходные тележки, на которых замеряются усилия, возникающие при различных режимах качения колес с испытываемыми шинами. Коэффициент сопротивления качению, так же как и в других методах испытаний, находится как отношение необходимого для качения колеса усилия к нормальной нагрузке [21]. Преимущество испытаний на динамометрических тележках по сравнению с испытаниями на автомобилях состоит в возможности более точных измерений и в создании большего разнообразия условий испытаний. Из анализа литературных источников можно сделать вывод, что общей методики по определению сопротивления качению экспериментальным путем, в различных режимах работы колеса нет. Это связано с некоторыми ограничениями возможностей экспериментальных установок. Любое транспортное средство имеет инертно-гравитационную массу m и непрерывно притягивается к центру Земли с ускорением свободно-го падения g 9,8 м/с . Возникающая при этом сила тяжести направленная к центру Земли, распределяется в контакте колес с опорной поверхностью и уравновешивается ее реакциями.
Под действием нормальной нагрузки деформируются все элементы шины. В разных точках окружности колеса и профиля шины эта деформация имеет разную величину. При неподвижном колесе деформация шины по окружности распределяется симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось колеса. Симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через центр колеса, распределяются нормальные реакции (напряжения) опорной поверхности, действующие на колесо в контактной площадке (рис. L22). Касательные напряжения направлены в центр контактной площадки. [1, 47,48, 80, 120].
При равномерном качении ведомого колеса (рис. 1.23), нагруженного нормальной нагрузкой, одновременно происходит как деформирование, так и восстановление профиля шины [ПО, 112, 113, 135, 137].
Определение коэффициента сопротивления качению тракторов Т-25А и МТЗ-80 методом отката в ведомом и ведущем режимах качения
На распределение нормальных реакций (напряжений) в площадке контакта опорной поверхности и тормозящего колеса существует несколько мнений. Одни авторы считаю что эпюра нормальных реакция (напряжений) смещена вперед по ходу движения автомобиля (рис. 1.25) [50, 102, 112], другие наоборот - смещена назад (рис,1.26) [14, 96, 94].
Понятие «откат колеса при остановке» в теории наземных тягово-транспортных систем [55,56,57] нет, но термин «откат» и выражение «колесо откатилось» в словаре русского языка есть.
Эксперименты, проведенные на кафедре автомобилей и тракторов Вятской ГСХА [66, 83], показали, что колесные тракторы, не имеющие упругой подвески ведущих колес, откатываются назад после прерванной попытки трогания с места под непреодолимой тяговой нагрузкой и при остановке после движения накатом. Типичная диаграмма отката и затухающих колебаний колеса показана на рисунке 1.27,а, а зависимость угла отката аот от прерванной тяговой нагрузки Ркр — на рисунке 1.27, б.
При этом процесс перехода колеса из равновесного состояния в неравновесное и из неравновесного в равновесное в различных режимах качения колеса многие авторы считают не существенным и не рассматривают.
Большинство авторов рассматривают установившийся режим качения колеса, а процессы трогания колесных машин и их остановки не рассматривают. Однако любое транспортное средство начинает и заканчивает движение по опорной поверхности состоянием относительного покоя, устойчивого равновесия, а процесс его трогания и остановки являются неравновесными вследствие температурно-временной зависимости и преимущественно энтропийного характера деформации шины и опорной поверхности. Поэтому исследование процессов трогания и остановки колеса может дать значительно большую информацию о качественной стороне качения, чем установившееся качение [115].
На кафедре «Тракторы и автомобили» Вятской ГСХА была произведена непосредственная запись траектории центра колеса трактора МТЗ-80 при трогании с места и его последующей остановке после прохождения пути S (рис. 1.28). В этих неравновесных процессах, разделенных временем прохождения накатом пути S, продольные перемещения а и а0 центра О колеса, его подъем при трогании и опускание при остановке на величину Ah=rd-r„ не имеет аналогичных данных в литературе и требует теоретического и экспериментального исследования Анализ описаний причинно-следственной связи процесса качения колеса в литературных источниках, включая ГОСТ-17697-72, противоречиво и не раскрывает функциональную противоположность ведущего и тормозного режимов разделенных переходными режимами свободным, нейтральными и ведомым. Словосочетание «сопротивление колеса качению» и «сопротивление качению колеса» в литературных источниках не имеют точных признаков своей противоположности, характеризующей внутренние и внешние сопротивления, противодействия или помехи качению. В связи с вышесказанным целью исследования является разработка простого и эффективного метода определения коэффициента сопротивления качению тракторов с учетом силового преобразующего свойства и КПД колеса. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Уточнить энергетическую модель эластичного колеса в различных режимах качения и состояниях. 2. Разработать модель перехода эластичного колеса в функционально -противоположные режимы качения: ведущего в тормозной и тормозного в ведущий. 3. Совместить силовое преобразующее свойство и энергетический КПД колеса в координатах ведуще-тормозной момент — продольная сила и КПД. 4. Разработать методику определения коэффициента и плеча сопротивления качению колеса методом отката при остановке после свободного выбега и при попытке трогания с места под тяговой нагрузкой. 5. Получить закономерности, описывающие изменение коэффициен-та и плеча сопротивления качению от эксплуатационных факторов, характерных для колесных сельскохозяйственных тракторов. 6. Разработать рекомендации по применению более простого и эффективного метода определения коэффициента сопротивления качению колесных сельскохозяйственных тракторов при их испытаниях по ГОСТ 7057-81.
