Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопросов анализа управляемости и устойчивости движения легкового автомобиля с самоблокирующимся межколесным дифференциалом 13
1.1. Общий обзор методик анализа управляемости и устойчивости движения легкового автомобиля 13
1.2. Обзор и анализ конструкций дифференциалов автотракторного типа 21
1.3. Критический анализ методов исследования» управляемости и устойчивости движения легкового автомобиля с самоблокирующимся межколесным дифференциалом 34
1.4. Постановка цели и задач диссертационной работы 43
Глава 2. Разработка математической модели и теоретических основ исследования управляемости и устойчивости движения легкового автомобиля с самоблокирующимсямежколесным дифференциалом 45
2.1. Выбор и обоснование схемы динамической модели движения-легкового автомобиля для исследования управляемости и устойчивости 45
2.2. Показатели (критерии) устойчивости и управляемости движения легкового автомобиля 51
2.3. Разработка математической модели движения-легкового автомобиля для исследования управляемости и устойчивости 57
2.4. Определения реакций на колесах автомобиля с учетом работы самоблокирующегося дифференциала 88
2.5. Основные положения анализа управляемости и устойчивости движения легкового автомобиляс самоблокирующимся межколесным дифференциалом 105
2.6. Инженерная методика выбора конструктивных параметров самоблокирующегося межколесного дифференциала легкового автомобиля 112
Глава 3. Расчетные исследования и разработка- конструкции самоблокирующегося межколесного дифференциала легкового автотмобиля 118
3.1. Анализ влияния конструкции межколесного дифференциала на управляемость и устойчивость прямолинейного движения автомобиля...118
3.2. Расчетные исследования самоблокирующихся межколесных дифференциалов 138
3.3. Разработка конструкции самоблокирующегося дифференциала 153
Глава 4. Испытания самоблокирующегося межколесного дифференциала в стендовых и лабораторно - дорожных условиях . 162
4.1. Стендовые испытания 166
4.1.1. Исследование характеристик внутреннего трения межколесных дифференциалов 166
4.1.2. Определение долговечности самоблокирующихся дифференциалов и износа фрикционных дисков 173
4.2. Лабораторноудорожные испытания. 175
4.2. 1 Определение минимальных радиусов поворота и характера распределения моментов по полуосям,ведущего моста автомобиля ИЖ-21261 „оборудованного различными типами дифференциалов... 175
4.2.2. Определение износа шин автомобиля с самоблокирующимися дифференциалами. 186
4.2.3. Определение проходимостиавтомобиля. 189
4.2.4. Определение топливной экономичности. 190
4.3. Оценка влияния характеристик различных типов дифференциалов на управляемость и устойчивость автомобиля ИЖг21261 ...191
4.3 1. Результаты испытаний в летний период времени; 194
4.3 2. Испытания и результаты испытаний в зимний;период времен 199
414: Оценка точности математической модели. .203
Основные результаты и выводы; 204
Литература..205
- Критический анализ методов исследования» управляемости и устойчивости движения легкового автомобиля с самоблокирующимся межколесным дифференциалом
- Показатели (критерии) устойчивости и управляемости движения легкового автомобиля
- Определения реакций на колесах автомобиля с учетом работы самоблокирующегося дифференциала
- Расчетные исследования самоблокирующихся межколесных дифференциалов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в мире наблюдается устойчивая тенденция использования в автомобилях самоблокирующихся дифференциальных механизмов, разнообразие и назначение которых позволяет значительно улучшать эксплуатационные свойства транспортных средств.
Применение автомобильных межколёсных дифференциалов, вызвано необходимостью качения колес без скольжения на закруглениях дороги и неровной поверхности, при различии радиусов качения шин, предотвращением появления в трансмиссии циркулирующей мощности. Это повышает устойчивость и управляемость автомобилей и уменьшает износ шин и ходовой части транспортных средств. При этом с увеличением скоростей движения современных автомобилей, особенно легковых, большая разница между скоростями колес может привести к заносу и опрокидыванию, тем самым, уменьшая устойчивость и управляемость.
Движение в условиях, в которых возможно появление большой разницы между сцеплением ведущих колес, также ограничивает применение обычного дифференциала, позволяющего использовать только часть этого сцепления, значительно ухудшает проходимость автомобиля, и отдает преимущество
«жесткой оси». Разрешить противоречия позволяет отключение дифференциала – его блокировка, способ осуществления и степень которой во многом определяют взаимосвязанное изменение эксплуатационных показателей транспортных средств, а именно проходимости, устойчивости, управляемости т.д.
Межколёсные самоблокирующиеся дифференциалы (МСД) за рубежом используются на легковых автомобилях различных классов. При этом в российском автомобилестроении их использование, как правило, рассматривается только в применении к специальному транспорту и грузовым автомобилям, в крайнем случае, в спортивных автомобилях. Сложившаяся ситуация объясняется недостаточностью научно-обоснованных рекомендаций по выбору наиболее рациональных конструктивных параметров и характеристик при создании МСД для заданного автомобиля и неполными исследованиями влияния таких дифференциалов на различные эксплуатационные свойства. Особенно мало работ изучающих влияние МСД на эксплуатационные свойства легковых автомобилей, которым, в отличие от грузовых транспортных средств, свойственно движение с высокими скоростями.
Целью диссертационной работы является анализ влияния межколёсного самоблокирующегося дифференциала на тягово-скоростные свойства, устойчивость и управляемость движения легкового автомобиля и разработка методики выбора и обоснования базовых конструктивных параметров и характеристик межколёсного самоблокирующегося дифференциала.
Для достижения цели диссертационного исследования в работе решаются следующие основные задачи:
- проведение анализа существующих конструкций МСД, выявление их основных преимуществ и недостатков;
- выбор и обоснование математической модели движения легкового авто-
мобиля для теоретического исследования его устойчивости и управляемости;
- разработка алгоритма расчета показателей устойчивости и управляемости движения легкового автомобиля с учетом расположения ведущих мостов и работы МСД;
- разработка методов анализа влияния МСД на тягово-скоростные свойства легкового автомобиля;
- выполнение расчетных исследований по обоснованию конструктивных параметров МСД легкового автомобиля;
- разработка конструкции МСД для легкового автомобиля.
- проведение комплекса лабораторно-дорожных испытаний МСД легкового автомобиля.
Методы исследования. В работе использованы математические и экспериментальные методы исследования. Решение задач базируется на экспериментальных данных и известных теоретических положениях теоретической механики, теории автомобиля, эксплуатационных свойств и математического моделирования. Достоверность исследования обеспечена обоснованностью теоретических положений, экспериментальной проверкой их в лабораторных и дорожных условиях на экспериментальных образцах самоблокирующихся дифференциалов с использованием математической статистики и методов метрологии при оценке погрешностей.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель движения легкового автомобиля с МСД для теоретического исследования устойчивости и управляемости.
-
Методика анализа и алгоритм исследования влияния МСД на эксплуатационные свойства легкового автомобиля.
-
Расчетные исследования и обоснование конструктивных параметров МСД легкового автомобиля.
-
Комплекс лабораторно-дорожных исследований влияния МСД на основные эксплуатационные свойства легкового автомобиля ИЖ-21261.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Математическая модель движения автомобиля с МСД учитывает влияние коэффициента блокировки на устойчивость и управляемость автомобиля с передним и задним приводом.
-
Метод исследования влияния МСД на устойчивость и управляемость легковых автомобилей с передним и задним приводом реализован в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.
-
Обоснованы наиболее рациональные базовые конструктивные параметры и характеристики МСД для легковых автомобилей с передним и задним приводом.
-
Разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию МСД для легковых автомобилей с передним и задним приводом, учитывающие условия эксплуатации и требования, предъявляемые к эксплуатационным свойствам проектируемых или модернизируемых автомобилей.
Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют определить влияние МСД на тягово-скоростные свойства, устойчивость и управ-
ляемость легковых автомобилей и обосновывать конструктивные решения на начальной стадии их проектирования.
Реализация результатов. Методы анализа влияния МСД на эксплуатационные свойства легкового автомобиля использовались при создании опытных конструкций межколёсных дифференциалов для автомобиля ИЖ-21261. Методические разработки и результаты исследований используются в учебном процессе при изучении курса «Теория автомобиля» в Чайковском технологическом институте Ижевского государственного технического университета и в Удмуртском государственном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IX региональной научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития региона» (г. Чайковский, 2005 г.), на III Всероссийской научно-практической конференции «Транспортные системы Сибири» (г. Красноярск, 2005), на научно-методической конференции «Значение научной работы в процессе подготовки конкурентно способных специалистов для предприятий Удмуртской республики» (г. Воткинск, 2006 г.), на Всероссийской конференции «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (г. Чайковский, 2006 г.), на Всероссийской конференции «Применение теории динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (г. Чайковский, 2007 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» (г. Ижевск, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (г. Пермь, 2008 г.).
Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ИжГТУ "Автомобили и металлообрабатывающее оборудование" и кафедре «Автомобильный транспорт» Чайковского технологического института (филиал) ИжГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, одна принята в печать, в том числе две научные статьи в издании, рекомендуемом ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы из 107 наименований и приложения. Работа изложена на 211 листах машинописного текста, содержит 83 рисунка и 17 таблиц.
Критический анализ методов исследования» управляемости и устойчивости движения легкового автомобиля с самоблокирующимся межколесным дифференциалом
Известно, что МСД оказывают влияние на такие важнейшие показатели автомобиля как проходимость, устойчивость, управляемость, в определенной мере на топливную экономичность, нагруженность трансмиссии и др.
Исследованиям в этой области посвящены работы российских и зарубежных авторов: А.Ю. Барыкина, СВ. Бахмутова, В.В. Ванцевича, А.Б. Гредескула, Н.В. Дивакова, И.Я. Дьякова, Ю.А. Ечистова, О.И. Карузина, Л.И. Короткова, Н.И. Коротоношко, И.А. Левина, А.Х. Лефарова, А.С. Литвинова, И.С. Лунева, М.А. Носенкова, В.А. Петрушова, Н.И. Попова, В.В. Селифонова, Г.А. Смирнова, Б.С. Фалькевича, A.M. Хлебникова, Хуан Ши Линя, Е.А. Чудакова, С.А. Шуклина, Б.Ф. Юдакова, А.И. Яскевича, L.G. Bougner, D. Velicu, М. Debicki, P. Sima, S. Staruch и др.
Значительное количество работ связано с оценкой влияния МСД на тяговые качества и проходимость автомобиля, оценкой влияния коэффициента блокировки на основные эксплуатационные свойства. При этом в большинстве работ исследуются самоблокирующиеся дифференциалы полноприводных транспортных средств.
В работе [103] проведено сравнение влияния отключающего механизма и обычного дифференциала на способность транспортного средства к движению при установке их в качестве межколесных и межосевых дифференциалов методами теории вероятности.
Выполнены обширные экспериментальные исследования влияния частичной блокировки межколесного дифференциала на проходимость автомобиля в разнообразных дорожных условиях: заснеженные дороги, снежная целина песок, размокшие грунтовые дороги, луговина [24, 35, 80, 82].
Исследования показали бесспорное, увеличение тяговых качеств автомобиля с дифференциалами повышенного трения в сравнении с обычными дифференциалами во всех условиях движения. Вместе с тем отмечено, что применение муфт свободного хода в ряде случаев, например при криволинейном; движении, по влажной луговине, отрицательно сказывается, на проходимости автомобиля.
В.Ф. Платонов в [62] отмечает, что при движении по дорогам с малым сопротивлением качению выключение муфтой отдельных колес будет происходить при относительно малом кинематическом рассогласовании;, что приведет к увеличениюфасхода топлива и динамическому нагружению привода автомобиля. Отключение муфтой свободного хода отдельных колес происходит практически постоянно, так как полное кинематическое соответствие угловых скоростей выходных валов муфты весьма маловероятно. П.В.. Аксенов в. [3] указывает, что в таких случаях многоосный автомобиль теряет свои преимущества как в отношении проходимости из-за малого использования сцепной массы и перегрузки остающихся в ведущем режиме колес, так ив отношении экономичности, управляемости, устойчивости. 3. Яскевич; оценивая: дифференциал с отключающими муфтами трения, замечает, что такие муфты приводят к непрерывным ударным нагрузкам в трансмиссии, которые могут быть причиной серьезных повреждений (поломки полуосей и т.д.). Как уже отмечалось выше, внезапное включение блокирующих муфт может вызвать пробуксовку колес и потерю сцепления с опорной поверхностью (особенно с деформируемым грунтом) [92].
Уменьшение тягово-динамических показателей при дифференциальном приводе колес показано в работе В.А. Петрушова, Ю.В. Пирковского и С.А. Шуклина [60]. Возможная величина потерь в реальных условиях оценивается методами теории вероятности.
В работе В.В; Ванцевича и других [13] отмечается что в результате испытания автомобиля, оборудованного самоблокирующимся дифференциалом повышенного трения, увеличение его опорной проходимости и тягово-скоростных, свойств составляет 15-46% по сравнению с автомобилем, оборудованным серийным дифференциалом.
Практически во всех работах отмечается отсутствие необходимости в большом значении коэффициента блокировки, так как это практически не дает улучшения тяговых качеств автомобиля.
Ю.В. Пирковским [61] помимо прочего проведено исследование влияния конструктивных показателей межколесных дифференциалов на сопротивление качению с оценкой их в комплексном влиянии с межосевыми дифференциалами на топливную экономичность, которая при различных условиях эксплуатации составляет от 3 до 12%..
В: своей монографии А.Ю Барыкин проводит сравнение блокирующих свойств автомобильных дифференциалов наиболее распространенных типову в том числе самоблокирующихся, одновременно в комплексном учете всех значимых внешних и внутренних факторов [6]. Автор приходит к выводу, что обеспечению оптимальных (или близких к ним) эксплуатационных свойств, таких как проходимость, устойчивость и управляемость в сочетании с высокой надежностью и долговечностью, а также низкой стоимостью производства и эксплуатации, могут соответствовать лишь некоторые разновидности самоблокирующихся дифференциалов, а именно «фрикционные и вязкостные дифференциалы, оснащенные пакетами дисков трения». При этом автор отмечает, что для объективного сравнения трансмиссий обязательно необходимо учитывать влияние «межколесных дифференциальных механизмов с автоматически изменяющимися моментами трения, причем и для случая строго прямолинейного (теоретически) движения».
Одна из первых фундаментальных теоретических работ по исследованию устойчивости криволинейного движения выполнена Е.А. Чудаковым [86]. В динамической модели автомобиля, составленной автором, учитывался момент, возникающий из-за неравенства продольных реакций на ведущих колесах в результате трения в дифференциале силовой передачи, в качестве которой рассматривалась межколесная муфта свободного хода. В работе рассмотрено начало бокового скольжения оси ведущих колес при наличии и отсутствии буксования внутреннего к повороту колеса. По результатам исследования сделан вывод, что в случае буксования внутреннего колеса устойчивость движения ведущей оси зависит в первую очередь от величины коэффициента тягового усилия у, определяемого отношения суммарной тяговой и вертикальных реакций на ведущей оси. При малых значениях коэффициента тягового усилия у устойчивость выше при простом дифференциале и наоборот: наличие самоблокирующегося дифференциала при больших значениях коэффициента у способствует повышению устойчивости движения автомобиля. При отсутствии буксования внутреннего колеса устойчивость движения автомобиля с самоблокирующимся дифференциалом ниже во всем диапазоне изменения коэффициента тягового усилия у. И.Я. Дьяковым и М.А. Носенковым в работе [25] получено, что установка самоблокирующегося дифференциала при криволинейном движении приводит к некоторому повышению устойчивости задней оси против заноса, причем для исследуемого грузового автомобиля это увеличение не превышает 4,5 %. Н.В. Диваковым [22] при изучении устойчивости криволинейного движения автомобиля исследуется случай, когда тяговая реакция на внутреннем колесе является максимально возможной по сцеплению, но его угловая скорость остается меньше угловой скорости внешнего колеса. На основании анализа выведенных зависимостей делается вывод, что на повороте возмущающий момент от неравномерности тяговых сил на ведущих колесах «приводит к снижению боковой устойчивости передней оси и повышает устойчивость задней оси».
Показатели (критерии) устойчивости и управляемости движения легкового автомобиля
В качестве критериев, оценивающих устойчивость и управляемость автомобилей, применяется множество различных показателей в зависимости от режима движения автомобиля и методов их исследования.
Е.А. Чудаков в качестве критерия устойчивости движения автомобиля предложил принимать боковую устойчивость его осей, оцениваемую количественно коэффициентами устойчивости, под которыми в работе [88] понимается отношение предельно допустимой боковой реакции на оси к ее суммарной вертикальной реакции. Кроме того, оценочным показателем устойчивости движения автомобиля в данном исследовании является зависимость максимально возможной скорости равномерного движения автомобиля от радиуса поворота. Устойчивость движения автомобиля оценивается по наступлению заноса в основном задних колес, которое провоцируется при повороте разгружением от нормальной реакции внутреннего ведущего колеса.
Подобный метод и критерии оценки использованы в дальнейшем во многих исследованиях.
И.Я.Дьяковым и М.А. Носенковым [25] для оценки устойчивости криволинейного движения введено понятие критерия устойчивости, определяемого отношением квадрата скорости движения автомобиля к минимально допустимому радиусу поворота.
И.А. Левиным, И.С. Степановым и Б.Ф. Юдаковым [43] влияние самоблокирующегося дифференциала на устойчивость движения автомобиля оценивается по запасу устойчивости оси ведущих колес, вычисленному как отношение предельно допустимой по сцеплению и реально действующей на ось боковой силы.
В зависимости от режима движения автомобиля в ряде работ [47, 59, 77] принято разделять устойчивость на статическую и динамическую, под которым предлагается понимать устойчивость соответственно в установившемся и неустановившемся режимах движения автомобиля.
Существуют различные методы оценки статической устойчивости. Согласно [46] статическая устойчивость может быть оценена величиной восстанавливающей силы или момента в функции амплитуды отклонения от положения равновесия.
В некоторых исследованиях предлагаются такие показатели статической устойчивости, как разность углов увода передних и задних колес, величина критической скорости и другие. О некоторых критериях устойчивости сообщается в работе [107]. Так К.А. Стонексом предложен тест устойчивости при движении по кругу, когда автомобиль увеличивает скорость в диапазоне изменения бокового ускорения от 0 до 4 м/с . При этом движение считается устойчивым, если дополнительный поворот управляемых колес не превышает 2-3. Г. Е. Л. Уолкером введено понятие статического запаса устойчивости, определяемого отношением расстояния между линией нейтральной поворачиваемости и центром масс автомобиля к его базе, причем запас по Г.Е.Л. Уолкеру должен составлять порядка 4-6 %. Нетрудно заметить, что знак статического запаса устойчивости однозначно определяет степень поворачиваемости автомобиля. Аналогичный вывод можно сделать и по работе Л. Сиджела [68].
Попытка уточнения изложенных выше критериев устойчивости движения изолированного автомобиля предпринята 3. Ланзендерфером [101]. На основании проведенного анализа автором предложено принять в качестве критерия устойчивости угол поворота продольной оси автомобиля, имеющий место при движении со скоростью 30 м/с при величине боковой возмущающей силы, равной поперечной составляющей веса автомобиля на дороге с боковым уклоном 0,22 радиан (12,5) и по истечении 0,5 секунд с момента появления нарушения движения. Рассчитанный таким образом угол поворота для легкового автомобиля должен находиться в пределах 0,05-0,08 радиан.
В отраслевой нормали [56] в качестве критерия устойчивости установившегося движения введен запас статической устойчивости автомобиля, определяющий степень его поворачиваемости.
Однако разность углов увода передней и задней оси, запас статической устойчивости и большинство других показателей устойчивости не являются исчерпывающими, так как характеризуют удаленность от нейтральной поворачиваемости, а не от границ устойчивости при данной скорости движения.
Известно, что статическая устойчивость определяет степень поворачиваемости автомобиля, так как рост статической устойчивости снижает чувствительность автомобиля к управлению и наоборот. Следовательно, изменение характеристики поворачиваемости автомобиля может служить мерой изменения статической устойчивости. Чувствительность автомобиля к управлению может быть оценена зависимостью отношения угловой скорости установившегося движения к скорости автомобиля от угла поворота рулевого колеса [56], либо отношением угловой скорости поворота автомобиля к углу поворота рулевого колеса при постоянной скорости движения в функции бокового ускорения автомобиля [50].
Помимо статической устойчивости, важной характеристикой движения автомобиля является динамическая устойчивость. Исследователями предложены различные способы количественной оценки динамической устойчивости.
В случае скачкообразной возмущающей функции устойчивость переходного периода может быть оценена следующими показателями: временем переходного процесса; величиной заброса исследуемого параметра относительно его установившегося значения; временем, за которое исследуемый параметр впервые достигает величины установившегося значения; коэффициентом демпфирования переходного процесса и прочим. Подобного подхода придерживались авторы [46, 50, 54].
При гармоническом возмущающем воздействии динамические характеристики автомобиля принято оценивать с помощью амплитудной и фазовой частотных характеристик [51, 40]. Так одним из способов, предлагаемых Международной организацией по стандартизации ИСО [1] для оценки автомобиля в движении на переходных режимах, является частотная характеристика, а именно - длительный синусоидальный вход в поворот, то есть изменение угла поворота рулевого колеса осуществляется по синусоидальному закону.
Определения реакций на колесах автомобиля с учетом работы самоблокирующегося дифференциала
Реакция опорной поверхности дороги на действие колеса представлена в виде трех составляющих силы: продольной - Xh поперечной - Yh нормальной -Z,- и стабилизирующего момента М&-. Для решения дифференциальных уравнений, описывающих движение автомобиля (2.44 и 2.45), необходимо вычисление их значений и определение перераспределения величины нормальной реакций в зависимости от действия внешних сил, изменения условий движения и работы самоблокирующегося дифференциала. При движении автомобиля на повороте происходит перераспределение нормальных реакций в результате поперечного и продольного крена кузова. Описание поперечного крена относительно неподвижной оси крена снижает точность вычислений вертикальных реакций, так как допущение о неизменности этой оси справедливо лишь при малых углах крена. Описание крена подрессоренных масс относительно произвольной оси через производные подвески позволило расширить достоверный диапазон расчетных значений нормальных реакций. Подобный, подход сделан в работах [7, 11, 38, 50, 90] и др. В работе [5] предложено дополнительно учитывать смещение пятна контакта относительно средней плоскости колеса вследствие боковой деформации шин. Таким образом, при движении автомобиля по ровной горизонтальной поверхности нормальная реакция колеса определяется по формуле: где Z, - нормальная реакция в статическом состоянии на горизонтальной поверхности без учета внешних воздействий; AZf - изменение реакций вследствие перераспределения нагрузки между внутренними и наружными колесами; bZ p - изменение реакций вследствие перераспределения нагрузки между колесами переднего и заднего моста.
В статическом состоянии суммарные нормальные реакции Z и Zi4 на передней и задней оси соответственно можно определить как Допуская, что при движении по ровной поверхности инерционными силами, действующими на неподрессоренные массы, можно пренебречь, изменение реакций вследствие движения по криволинейной траектории выразим, описав крен подрессоренных масс относительно оси ХиУ. При повороте подрессоренной массы относительно оси X (рис. 2.11) условие равновесия передней и задней подвески для автомобиля с задним приводом будет выглядеть как: Обозначая суммарные нормальные реакции на передней и задней оси соответственно Zj2 и Z34, и пренебрегая заведомо малыми членами, получим для автомобиля с задним приводом: Для автомобиля с передним приводом: Аналогичным образом (рис. 2.12) определено перераспределение нормальных реакций между колесами передней и задней осей: Для определения продольных и поперечных реакций, возникающих при качении колеса, используем расчетную модель колеса, основанную на идее Рейнольдса о наличии зон сцепления и скольжения, используемую в ряде работ [7, 26 и др.] и дающую хорошие результаты. Как известно, из-за боковой деформации элементов колесо, снабженное эластичной шиной, движется одновременно со скоростями vXK (в плоскости вращения) и v}K (перпендикулярно этой плоскости). Вектор скорости vK колеса, равный геометрической сумме скоростей vx и vy, отклоняется от плоскости вращения на угол S (рис. 2.13, а). Согласно предложенной модели реальный криволинейный отпечаток заменен равным по площади отпечатком прямоугольной формы длиной 10 и шириной bo, причем принято, что деформация изменяется по длине отпечатка, оставаясь неизменной по его ширине. Зоне сцепления соответствует участок 1СЦ, зоне скольжения - оставшаяся часть. Сделано допущение (рис. 2.13), что эпюра нормальных напряжений является прямоугольной, а касательные напряжения в зоне сцепления подчиняются линейному закону. В частности, тангенс угла подъема эпюры боковых напряжений пропорционален тангенсу угла увода где /3 - угол подъема эпюры боковых сил; % - коэффициент пропорциональности. Как показано в работе [27] указанный коэффициент где ку - коэффициент сопротивления уводу в линейной зоне. При построении эпюр касательных напряжений в зоне скольжения принято, что коэффициент трения связан линейно со скоростью скольжения и определяется средней величиной скорости скольжения на рассматриваемом участке. Такое описание явлений в контакте колеса с поверхностью является двухэтапным, на первом из которых зона скольжения отсутствует, а касательные и боковые напряжения изменяются независимо друг от друга. В зоне сцепления поперечная реакция составит:
Продольная реакция в зоне сцепления может быть найдена из условия, что в конце зоны сцепления: где //„ - коэффициент трения ПОКОЯ. Следовательно, Известно, что радиус качения в тяговом режиме: где г0 — радиус качения ведомого колеса; сп - коэффициент удельной сдвиговой жесткости протекторного слоя. Указанный коэффициент может быть определен через коэффициент тангенциальной эластичности шины Хх, введенный Е.А. Чудаковым, Исключая величину 1СЦ из выражений (2.55) и (2.57) и опуская промежуточные преобразования получим: где ікт =rKlrQ — передаточное число колеса в тяговом режиме; п, т — безразмерные коэффициенты, определяемые следующими соотношениями: Рассматривая зону скольжения, отметим, что в этой зоне скорости скольжения по осям X и Г соответственно составят: а полная скорость скольжения будет: где сок - угловая скорость колеса. Очевидно, что в зоне скольжения отношение продольной и поперечной составляющей определяется скоростями скольжения по этим осям, так как суммарная реакция направлена противоположно полной скорости скольжения Ц.,т. е.: Заметив, что v = oxS и иу = vxtg5, где S - скольжение по продольной оси, причем в тяговом режиме S = ——- имеем следующие выражения для продольной и боковой реакции: где у, — коэффициент трения в зоне скольжения. Согласно принятым выше допущениям коэффициент трения
Расчетные исследования самоблокирующихся межколесных дифференциалов
Для определения необходимых характеристик самоблокирующегося дифференциала сравним максимально реализуемый дифференциалами тяговый момент и рассмотрим влияние вида характеристики трения дифференциала на тяговое усилие при внезапном уменьшении сцепления с дорогой одного ведущего колеса.
На основании формулы (2.118) на рис. 3.23 приведены графики максимального реализуемого тягового момента для различных типов и характеристик межколесных дифференциалов при различных коэффициентах сцепления колес с дорогой. Характеристики построены для автомобиля ИЖ-21261, имеющего GK=2604 Н и гд=0,281 м.
Прямая 1 соответствует максимально реализуемому моменту при одинаковом сцеплении ср обоих колес с дорогой, а прямая 2 - максимально возможному реализуемому моменту при коэффициенте сцепления одного из колес рзаб, а другого =0,9=Const.
Разница тягового момента, обеспечивающегося самоблокирующимся (Кб=2, 3, 4) и,обычным дифференциалом Kg=l, увеличивается до тех пор, пока коэффициент сцепления не станет равным здб=0,23 при Kf=4, эдб=0,33 при Кб=3, рзае=0,47 при Kd=2. При дальнейшем увеличении коэффициента сцепления буксующего колеса разница в тяговых усилиях между самоблокирующимся и обычным дифференциалом будет уменьшаться, т.к. общее тяговое усилие ограничивается максимальным коэффициентом сцепления другого колеса.
При уменьшении коэффициента сцепления отстающего колеса разница в тяговых усилиях начнет уменьшаться при меньших коэффициентах сцепления буксующего колеса. Приведенные характеристики показывают, что дифференциал с возрастающим внутренним трением, позволяя более полно реализовать тяговое усилие при движении в плохих дорожных условиях, имеет все же существенный недостаток - излишне большие блокирующие свойства при движении с большой нагрузкой в хороших дорожных условиях, что приводит к снижению КПД, уменьшает управляемость и поперечную устойчивость автомобиля при движении с большой нагрузкой на поворотах. Этих недостатков лишен самоблокирующийся дифференциал с убывающим внутренним трением.
В таких конструкциях на фрикционные муфты действуют пружины, усилия которых уменьшаются по мере увеличения нагрузки, тем самым уменьшается и фрикционный момент в блокирующих муфтах. Необходимо подбирать характеристику дифференциала так, чтобы при движении автомобиля в хороших дорожных условиях отсутствовал бы фрикционный момент в муфтах и самоблокирующийся дифференциал работал как обычный дифференциал (прямая 3, рис. 3.23).
Самоблокирующийся дифференциал с убывающим внутренним трением особенно необходим для автомобилей с высокими тягово-скоростными качествами, т.к. позволяет двигаться на поворотах с максимальной скоростью и его характеристика при этом приближается к характеристике обычного дифференциала.
Однако самоблокирующийся дифференциал такого типа имеет свои, не менее существенные недостатки. Из рис. 3.23 видно, что самоблокирующийся дифференциал с убывающим внутренним трением в меньшей степени способен перераспределять моменты по полуосям и не позволяет полностью реализовать максимально возможный момент при достаточно хорошем сцеплении одного из колес с дорогой, т.е. он в меньшей степени улучшает тяговые качества транспортной машины по сравнению с дифференциалом первого типа. Повышение его блокирующих свойств ограничено тем, что это приведет к ухудшению управляемости при движении на поворотах с малыми нагрузками и в накат, и к потере управляемости и устойчивости при малых коэффициентах сцепления, например, при движении в гололед.
В этих случаях существует опасность превращения дифференциального привода в жесткую ось.
Более современным будет дифференциал, который более полно реализует тяговое усилие в плохих дорожных условиях и в то же время не вносит ухудшения КПД и снижения управляемости и устойчивости, как при движении с большими нагрузками в хороших сцепных условиях, так и при движении с малыми нагрузками и в накат, и при движении на дорогах с малыми коэффициентами сцепления.
Такой дифференциал для легкового автомобиля может характеризоваться линией ОАВ. На участке ОА дифференциал работает с возрастающим внутренним трением, на участке АВ — с убывающим внутренним трением, в точке В дифференциал не имеет блокирующих свойств.
По величине относительного тягового усилия (2.140) оценим влияние параметров Мн и к характеристики трения дифференциала на тяговое усилие в случае внезапного уменьшение сцепления с дорогой одного из двух ведущих колес автомобиля.
