Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструкций тракторов, используемых для работы на склонах 10
1.1. Общие требования 10
1.2. Приспособление равнинных тракторов 11
1.3. Низкоклиренсные модификации . 11
1.4. Машины специальных конструкций 17
1.4.1. Тракторы, сохраняющие вертикальность остова на склоне 17
1.4.2. Экспериментальные конструкции и вездеходы 22
Выводы к первой главе 26
2. Конструкция горного вездехода 28
2.1. Бортовой узел 28
2.2. Механизм поворота 33
2.3 .Трансмиссия... 36
2.4. Тормозная система 41
Выводы ко второй главе 47
3. Параметры конструкции 49
3.1. Взаимное влияние геометрических параметров 49
3.1.1. Поворот 49
3.1.2. Угол склона 54
3.1.3. «Шагающий» режим движения 57
3.1.4. Обобщение 61
3.2. Углы поворота бортовых узлов 63
Выводы к третьей главе 70
4. Теоретические исследования 71
4.1. Движение горного вездехода 71
4.1.1. Качение колеса по опорной поверхности 71
4.1.2. Движение горного вездехода на подъем... 74
4.1.3. Движение горного вездехода по косогору 77
4.2. Качение эластичного колеса по опорной поверхности с учетом коэффициента трения частичного скольжения 84
4.3. Математические мод ели... 93
4.3.1. Математическая модель движения горного вездехода .93
4.3.2. Математическая модель движения бортовой поворотной передачи ...108
Выводы к четвертой главе 112
5. Экспериментальная часть 113
5.1. Моделирование движения горного вездехода 113
5.2. Натурный эксперимент 118
5.3. Исследование движения бортовой поворотной передачи 124
Выводы к пятой главе 138
Заключение 139
Области возможного применения и народнохозяйственное значение
разработанного горного вездехода 139
Общие выводы к диссертации 142
Список использованных источников 145
Приложения 157
- Тракторы, сохраняющие вертикальность остова на склоне
- Углы поворота бортовых узлов
- Качение эластичного колеса по опорной поверхности с учетом коэффициента трения частичного скольжения
- Исследование движения бортовой поворотной передачи
Введение к работе
Во всем мире научно-техническая мысль инженеров, конструкторов, проектировщиков работает над созданием новой, более совершенной техники. При этом главным критерием совершенства любой машины является степень соответствия ее качеств условиям эксплуатации [4;12].
Для России, обладающей самой большой территорией в мире, исключительное значение имеют мобильные машины (автомобили, тракторы, тягачи и др.). Большое разнообразие природно-климатических факторов и географических поясов, в которых работает эта техника, требует наличия машин, максимально приспособленных к определенным условиям эксплуатации.
Мобильные машины, предназначенные для работы в горной местности, должны обладать рядом специфических качеств. В первую очередь это касается повышенной устойчивости при движении по склону. Кроме того, участки сельхозугодий, расположенные в горах, как правило, имеют малую площадь и труднодоступны для транспорта. Поэтому для успешной работы в таких условиях тракторы должны обладать хорошей маневренностью и высокой проходимостью, т.е. сочетать в себе еще и качества вездехода. Движители горных мобильных машин должны оказывать минимальное давление на опорную поверхность, так как толщина почвенного покрова на склонах меньше, чем на равнине [72].
Многие годы для освоения склоновых земель использовали модифицированные равнинные тракторы. И сейчас подобные машины составляют львиную долю техники, работающей на горных склонах. Со временем появились тракторы, разработанные специально для горных условий. Работы в этом направлении продолжаются и сейчас [5,6], [28], [41], [46], [49], [52-54], [60], [62], [79], [85], [87-89], [104], [120-122].
Однако создание машин, удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, является сложной конструкторской задачей. Существуют тракторы и вездеходы, обладающие многими из качеств, необходимых горной тех 5 нике, однако еще ни в одной машине не реализованы одновременно все свойства, которыми должна обладать горная мобильная машина. Основная проблема здесь состоит в том, чтобы разработать конструкцию, обладающую большими функциональными возможностями (т.е. удовлетворяющую всем необходимым требованиям), избежав при этом ее чрезмерного усложнения.
При решении вопросов, поставленных в настоящей диссертации, учитывались работы ученых и специалистов, посвященный этой тематике (П.А. Амельченко, К.В. Александрии, И.М. Гаджимурадов, А.А. Гаспарян, Г.Д. Го-гелидзе, А.И. Гришкевич, В.В. Гуськов, P.P. Двали, В.П. ЗарецкиЙ, С.С. Ка-лаев, К.Г. Карахаян, Г.К. Карцивадзе, И.П. Ксеневич, Ш.Я. Кересилидзе, М.С. Льянов, В.В. Махалдиани, P.M. Махароблидзе, А.А. Полунгян, Ю.А. Поспелов, И.М. Хохлов, Т.В. Хухуни, Г.И. Шашимелашвили).
Тракторы, сохраняющие вертикальность остова на склоне
При всех преимуществах низкоклиренсных модификаций у них есть ряд серьезных недостатков. Изменения конструкции, повышающие устойчивость тракторов, неблагоприятно сказываются на других их свойствах. Так, уменьшенный клиренс затрудняет обработку высокостебельных культур; широкая колея ухудшает маневренность; сдвоенные колеса увеличивают силу сопротивления движению, особенно при поворотах; балластировка трактора приводит к необходимости перевозить лишний груз, на что дополнительно затрачивается энергия.
Кроме того, перераспределение массы по бортам (нижние по склону колеса нагружаются сильнее, верхние по склону - меньше) приводит к ухудшению тягово-сцепных свойств трактора: удельное давление под нижними по склону колесами возрастает, начинается процесс смятия почвы, резко снижается коэффициент сцепления шин с опорной поверхностью. При этом буксование может достигать 30-35%, что почти на 50% уменьшает силу тяги 15].
Необходимо заметить, что указанные явления для низкоклиренсных тракторов принципиально неустранимы. Причина, вызывающая их, состоит в том, что при работе на склоне остов трактора отклонен от вертикали. Этого недостатка лишены конструкции, автоматически сохраняющие вертикальность остова на склоне. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся схемы компоновки тракторов со стабилизацией остова на поперечном склоне. 1.Остов трактора в виде обратного маятника подвешен на переднем и заднем мостах. Вертикальное положение остова обеспечивается поворотом его с помощью гидроцилиндра относительно нижних шарнирных опор О (рис. 1.6,а). Указанную схему используют, когда стабилизацию ходовой системы осуществить затруднительно. Ее применяют на некоторых зарубежных комбайнах, а также делают попытки применить на гусеничных машинах. Основным недостатком этой схемы является то, что стабилизируется только часть массы трактора, и исключается таким образом возможность использовать преимущества стабилизации всей массы. 2.Вертикальное положение остова обеспечивается поворотом бортовых редукторов (рис. 1.6,6), При этом оси колес смещаются в вертикальной плоскости на величину A, = 2r sin у, где г - межосевое расстояние бортового редуктора; у - угол поворота бортового редуктора. У тракторов, выполненных по этой схеме, проекция колеи не изменяется в зависимости от крутизны склона, а абсолютный размер колеи изменяется в зависимости от угла а склона: cosar По приведенной схеме выполнены механизмы выравнивания тракторов Т-50К, МТЗ-82К, фирмы Пеказет (ФРГ) и др. 3.Вертикальное положение остова обеспечивается установкой всех колес на шарнирном параллелограмме. Такая схема имеет два исполнения: центры шарниров параллелограммного механизма размещены по оси трактора (рис.1.6,в) или прикреплены по сторонам корпуса трансмиссии на расстоянии а (рис.1.6,г). В первом случае ширина колеи трактора не изменяется на склоне, а во втором - уменьшается в зависимости от размера а и угла наклона у звеньев параллелограммного механизма. При исполнении механизма выравнивания по этим схемам привод ведущих колес можно осуществить только при помощи карданной передачи, что при углах склона 20 и более приводит к большим углам в шарнирах карданных валов. 4.Вертикальное положение остова машины обеспечивается с помощью шарнирной рамы (рис.1.6,д). Такую схему обычно применяют для специальных высококлиренсных шасси. Левую и правую части шасси соединяют параллельным четырехзвенником, управляемым гидроцилиндром. Ширина колеи шасси в этом случае не изменяется в зависимости от крутизны склона. По этой схеме выполнены горно-равнинные самоходные шасси СШ-0611 и СШ-50Г [54]. Среди перечисленных вариантов конструкций наибольшее распространение получили второй и четвертый. Типичные представители таких машин - крутосклонный трактор МТЗ-82К и горно-равнинное самоходное шасси СШ-0611. Крутосклонный трактор МТЗ-82К (рис. 1.7 [121]), предназначенный для выполнения сельскохозяйственных работ на склонах крутизной до 20 и рав нинах, создан на базе трактора МТЗ-82 с сохранением его компоновки и мак симальным использованием его узлов и деталей. В конструкцию модифици рованного трактора введены дополнительные узлы: бортовые качающиеся редукторы, механизм выравнивания остова, гидравлическая система автоматической стабилизации остова с автоматом стабилизатором . Изменены также узлы передней оси, механизма навесной системы, рулевого управления. Задние колеса по вертикали перемещаются с помощью Рис. 1.7. Трактор МТЗ-82К. гидроцилиндров системы автоматической стабилизации остова через коромысло и продольные тяги механизма выравнивания поворота бортовых редукторов, свободно насаженных на специальные рукава. Гидросистема автоматической стабилизации остова соединена с раздельно-агрегатной гидросистемой трактора делителем потока. Силовые гидроцилиндры приводит в действие автомат-стабилизатор маятникового типа, включающийся в работу при поперечном наклоне трактора. Исполнение переднего ведущего моста трактора обеспечивает вертикальное положение передних колес при движении на склоне крутизной до 20. Для работы на склоне в агрегате с сельскохозяйственными машинами, навешиваемыми с помощью стандартных присоединительных элементов по трехточечной схеме, в конструкцию механизма навески введены специальные рычаги коррекции с приводом от бортовых редукторов [5].
Углы поворота бортовых узлов
При выборе способа передачи крутящего момента от двигателя колесам рассматривались различные типы трансмиссий - механическая, гидравлическая, электрическая, а также их комбинации [16;43;92;100;123]. Трансмиссию мобильной машины с бортовыми поворотными передачами условно можно разделить на две части. Первая передает крутящий момент двигателя бортовым передачам, вторая - непосредственно колесам. Условия работы обеих частей существенно различаются.
Узлы первой части можно разместить в корпусе (полурамах) мобильной машины и надежно закрепить. Это позволит обеспечить хорошие условия смазки трущихся деталей, их пыле- и влагозащиту. Узлы второй части должны работать в составе бортовой передачи, которая служит опорой машины и может поворачиваться вокруг точки крепления к корпусу. Здесь силовые и динамические нагрузки на детали дополняются конструктивными особенностями подвижного узла.
Казалось бы, для второй части трансмиссии есть широкий выбор типов передач - зубчатая (цилиндрическая или коническая), цепная и т.д. Однако зубчатая цилиндрическая передача (рис. 2.10а) имеет большую металлоемкость, особенно при большой длине бортовой передачи. Чтобы обеспечить нормальные условия работы зубчатых колес при больших знакопеременных изгибающих моментах, действующих на бортовую передачу, ее кожух должен быть достаточно жестким. Это также усложняет и удорожает конструкцию, повышает ее вес. Кроме того, при необходимости изменить длину плеча бортовой передачи ее нужно будет полностью переделать.
Зубчатая коническая передача (рис. 2.106) обладает меньшей металлоемкостью и более высоким к.п.д. по сравнению с цилиндрической при большой длине бортовой передачи. Но конические редукторы, входящие в ее со став, требуют более высокой точности изготовления и сборки, а в процессе эксплуатации нуждаются в квалифицированной регулировке. При больших величинах передаваемого крутящего момента возможно скручивание промежуточного вала, что также необходимо учитывать при разработке конструкции [17;20; 103],
Лучше других, на наш взгляд, для данного узла подходит цепная передача (рис. 2.10в). Она обладает меньшей металлоемкостью и более высоким к.п.д., проста в изготовлении и обслуживании, не предъявляет жестких требований к точности межосевого расстояния и соосности звездочек. Косвенным подтверждением правильности нашего выбора служит тот факт, что практически на всех портальных автомобилях в качестве бортовых передач используются исключительно цепные передачи [19].
Что касается электро- и гидропривода, то в данном случае их применение малоэффективно. Преимущества электрической и гидравлической трансмиссий проявляются там, где крутящий момент необходимо передать на значительное расстояние, когда потери в механической трансмиссии превышают потери в электро- и гидроприводе при двойном преобразовании энергии (ДВС —» генератор (гидронасос) — мотор-колесо), когда требуется бесступенчатое регулирование скорости. В данном случае длина плеча бортовой передачи не настолько велика, а размещение гидромотора (тем более электродвигателя) в ступице колеса по конструктивным соображениям очень нежелательно, так как при этом значительно увеличивается металлоемкость и стоимость узла.
Есть еще один фактор, затрудняющий применение такого типа передач на данной мобильной машине. Бортовая поворотная передача может совершать неограниченное количество оборотов как в одну, так и в другую сторону. Во избежание перекручивания проводов электропитания (шлангов гидросистемы) необходимы дополнительные переходные устройства. Для цепной передачи этого не требуется. Поэтому для мобильной машины с бортовыми поворотными передачами в качестве второй части трансмиссии была выбрана цепная передача.
Для первой части трансмиссии нет таких жестких ограничений. Однако с точки зрения производства лучше выбрать наиболее распространенную схему с двумя ведущими мостами — по одному на каждую полураму. Это позволит к тому же создавать подобные машины на базе существующей мобильной техники, используя готовые узлы и обеспечив тем самым их взаимозаменяемость. В процессе исследования было учтено также следующее обстоятельство. Для улучшения тягово-сцепных качеств, повышения проходимости и устойчивости, снижения удельного давления на опорную поверхность на мобильные машины устанавливают дополнительные ведущие колеса [25;119]. Это очень актуально для вездеходов, тем более, предназначенных для эксплуатации в горных условиях. Но установка дополнительных ведущих мостов усложняет конструкцию машины и неблагоприятно сказывается на ее надежности. В этом отношении трансмиссия рассматриваемой мобильной машины имеет значительное преимущество, которое и было нами использовано.
Бортовой узел конструкции включает в себя цепную передачу. Одна из звездочек расположена на ведущем мосту, другая — на конце поворотного плеча бортовой передачи. Со второй звездочкой жестко связано колесо ма шины. В конструкцию бортовой передачи можно ввести второе колесо, рас положив его на одной оси с первой звездочкой и кинематически связав с ним. Получится механизм, схема которого изображена на рис. 2.11.
Качение эластичного колеса по опорной поверхности с учетом коэффициента трения частичного скольжения
При проектировании вездехода, особенно горного, нужно исходить из того, что машина будет работать в очень тяжелых условиях. Пересеченный рельеф горной местности, погодно-климатические условия, состояние, а зачастую отсутствие каких-либо дорог — сочетание этих факторов делает условия эксплуатации мобильных машин практически экстремальными.
Поэтому для горного вездехода на первый план выходят требования безопасности. Одной из важнейших систем мобильной машины, обеспечивающих безопасность, является тормозная система [13;14;30;39;117]. Для выбора ее оптимальных параметров обратимся к требованиям стандартов.
Требования к тормозному управлению автомобиля обусловлены ГОСТ 22895-77 и международными правилами (Правила №-13 ЕЭК ООН), согласно которым тормозное управление должно состоять из четырех систем — рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной. Системы могут иметь общие элементы, но не менее двух независимых органов управления. Каждая из этих систем включает в себя тормозные механизмы, обеспечивающие создание сопротивления движению автомобиля, и тормозной привод для управления ими.
Рабочая тормозная система служит для уменьшения скорости или остановки автомобиля, действует на все колеса и должна рационально распределять тормозной момент по мостам. Различают два вида рабочего торможения: экстренное (аварийное), с максимальной эффективностью для возможно быстрой остановки автомобиля, и служебное, с умеренной интенсивностью. Запасная тормозная система предназначена для случая отказа рабочей тормозной системы. Применение отдельной запасной тормозной системы не обязательно, если ее функции может выполнять любой контур рабочей тормозной системы или стояночная тормозная система. Стояночная тормозная система служит для удержания автомобиля на месте. Она должна надежно и неограниченно по времени удерживать груженый автомобиль на уклоне, заданном техническими условиями на мобильную машину, но не менее 25%. Вспомогательная тормозная система предназначена для длительного торможения автомобиля на затяжных спусках. Ею оснащаются автобусы и грузовики с полной массой свыше 5т и 12т соответственно [66]. Таким образом, тормозное управление горного вездехода должно включать в себя три тормозные системы: рабочую, запасную и стояночную. При этом рабочую систему лучше сделать двухконтурной, тем самым совместив с ней запасную (аварийную) тормозную систему. Прежде чем проектировать привод системы, необходимо разработать тормозные механизмы.
Горный вездеход с бортовыми поворотными передачами имеет ряд конструктивных особенностей. Одна из них - это кинематическая связь между колесами бортовой передачи. Значит для того, чтобы остановить оба колеса, достаточно затормозить одно из них. То есть для данной восьмиколесной машины достаточно четырех тормозных механизмов — по одному на каждую бортовую передачу. Разумеется, удобнее разместить тормоза на тех колесах, которые расположены на осях ведущих мостов. Это позволит уменьшить массу, приходящуюся на концевые колеса бортовых передач и упростить конструкцию вездехода, в частности, предельно упростить привод к тормозным механизмам.
На сегодняшний день наибольшее распространение для мобильных машин получили барабанные и дисковые тормоза. Каждый из них имеет свои особенности и удовлетворяет определенным условиям эксплуатации [8;63;64;69;70;78;96]. Так, для скоростных автомобилей, используемых на
хороших дорогах, лучше подходят дисковые тормоза. Для внедорожников чаще используют барабанные тормоза, которые лучше защищены от попадания в них пыли и грязи, способны создавать значительные по величине тормозные моменты при помощи небольших приводных усилий, обладают в 2-3 раза большей долговечностью по износу накладок [66]. Для большинства же автомобилей общего назначения получила распространение так называемая классическая схема: впереди - дисковые, сзади — барабанные тормоза. Очевидно, что для вездехода, проектируемого для тяжелых условий эксплуатации, необходимо выбрать барабанные тормозные механизмы.
На современные мобильные машины устанавливаются барабанные тормоза двух типов: с неподвижными центрами поворота колодок и с самоустанавливающимися колодками, причем наибольшее распространение получили первые [11;65]. Кроме них существуют барабанные тормозные механизмы с серводействием (с воздействием одной колодки на другую). Однако большая неуравновешенность, резкость действия и низкая стабильность торможения делают невозможным использование известных тормозов с серводействием в качестве колесных (рабочих) тормозов, несмотря на то, что по эффективности им нет равных [66].
В конструкции данного вездехода использован разработанный и запатентованный барабанный тормоз с воздействием одной колодки на другую [7б;97;98], лишенный недостатков, присущих этому типу тормозов.
Тормоз состоит из барабана 1 (см. рис. 2.13) (стрелкой показано направление его вращения), внутри которого концентрично с зазором относительно него размещены самоустанавливающиеся колодки 2 и 3 с фрикционными накладками 4 и 5. Нажимной конец первой колодки 2 контактирует с рабочей поверхностью 6 разжимного механизма 7, выполненного, например, в виде кулака с рабочим профилем, очерченным по эвольвенте окружности или спирали Архимеда (возможно применение другого типа разжимного механизма-гидроцилиндра и т.п.).
Исследование движения бортовой поворотной передачи
Так как значение коэффициента трения частичного скольжения зависит от многих факторов, то его теоретическое определение, тем более для стабилизированного колеса на склоне, весьма затруднительно. В данном случае удобнее (к тому же проще и точнее) определить этот коэффициент экспериментально для конкретной шины при различных углах склона. А полученные значения затем учитывать и в математической модели, и в условиях эксперимента (имитационного и физического).
Проведение эксперимента ставит своей целью исследовать поведение реальной системы (механизма, машины). Сравнивая результаты опыта с величинами и зависимостями, полученными теоретическим путем, судят об эффективности и жизнеспособности предложенной теории. При этом важно выбрать для исследования именно те параметры, которые отражают качественную картину интересующего нас процесса или явления [118;125;130;133].
Испытания современных машин, особенно на стадии проектирования, требуют значительных финансовых затрат [15;18;134]. В таких условиях выгоднее проводить эксперимент не с реальным объектом, а с его компьютерной моделью. Важным преимуществом данного метода является то, что для модели объекта можно задавать самые разные условия, в том числе и такие, которые в реальном эксперименте труднодостижимы, а то и вовсе невозможны. Кроме того, проведение эксперимента на ЭВМ занимает считанные секунды или минуты (в зависимости от сложности программы). Это значительная экономия времени, а использование современных пакетов программ позволит на том же компьютере производить обработку полученных данных [90;91;132;135].
Для исследования устойчивости и управляемости горного вездехода необходимо создать математическую модель его движения по пересеченной местности. Конструкция вездехода представляет собой шарнирный двузвен-ник, звенья которого имеют друг относительно друга две степени свободы: поворот вокруг горизонтальной продольной оси (свободный) и поворот вокруг вертикальной оси (гидроцилиндрами). Все колеса машины ведущие, размеры полурам одинаковы.
Благодаря указанным особенностям конструкции горного вездехода при создании математической модели его движения целесообразно сначала рассмотреть одну из его частей. В случае горизонтального расположения бортовых поворотных передач каждая из полурам вездехода может быть представлена как четырехколесная пол но приводная мобильная машина. Описав ее движение математически, можно распространить полученные формулы на вторую часть вездехода. Затем, учитывая реакции связи, возникающие в соединительном шарнире, оба полученных блока можно объединить в одну математическую модель. Рассмотрим переднюю часть горного вездехода как самостоятельную мобильную машину, которая движется по пересеченной местности (рис. 4.15). Для исследования ее движения необходимо располагать шестью независимыми дифференциальными уравнениями динамики для шести обобщенных координат, задающих положение тела в инерциальной системе отсчета. Окончательный вид уравнений зависит от выбора обобщенных координат и теоретических основ, используемых для вывода [58]. Первые три уравнения можно получить, записав дифференциальное уравнение поступательного движения центра масс машины в проекциях на оси координат: соответствующие оси координат.
Для определения вращательного движения машины вокруг собственного центра масс воспользуемся теоремой об изменении главного момента количеств движения механической системы: первая производная по времени от главного момента количеств движения механической системы относительно неподвижного центра О равна главному моменту внешних сил, приложенных к точкам системы, относительно того же центра:
