Исследование путей повышения эффективности работы гусеничного двигателя /1-3/

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

АВТОТРАКТОРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

 

Магистерская диссертация

 

 

Исследование способов повышения эффективности

наименование темы

работы гусеничногодвижителя_________________

Автор работы____________________                Шаров М.И.

                                   подпись,дата                                               фамилия, инициалы

Специальность               551402Тракторы_________________

номер, наименование

Руководитель

магистерской

программы  __________________                        Победин А.В.

                                                                                                                         подпись,дата          фамилия, инициалы

 

Руководитель работы__________________    Ляшенко М.В.

                                                              подпись,дата                                 фамилия, инициалы

 

 

Волгоград, 2000

Рецензия

на магистерскуюдиссертацию студента группы ТС-6

Шарова Михаила Игоревича

Магистерская диссертациявыполнена на тему: ”Исследование способов повышения эффективности работыгусеничного”.

Диссертация посвящена исследованию факторов,влияющих на работу гусеничного движителя, поиску путей увеличения к. п. д.гусеничного движителя, экономичности и экологичности его работы путем веденияновых конструктивных элементов, анализу физической осуществимости работыпредложенных нововведений, а также практической оценке полученных результатов.

Студентпродемонстрировал умение работать с научно-технической и справочнойлитературой, научными отчетами и патентами. Он умеет формулировать задачиисследования, выявлять противоречия при решении научных задач и разрабатыватьметодики по их разрешению.

При выполнении работыстудент проявил высокую степень эрудированности, готовность к самостоятельнойдеятельности и поступлению в аспирантуру.

В первом разделе работырассмотрено общее состояние вопроса и дан глубокий аналитический  обзор.Рассмотрены пути повышения эффективности работы гусеничного движителя ипоставлена задача исследования. Также предложена конструкция ведущего колеса свнутренним подрессориванием.

Второй раздел посвящёнкинетическому исследованию работы представленного ведущего колеса, объясненпринцип его работы.

Третий раздел включает всебя кинетостатическое исследование механизма и дан расчет упругих элементов,обеспечивающих подрессоривание ведущего колеса гусеничного движителя.

В четвертом разделе приведенрасчет навесоспособности и угловой жесткости модернизированного трактора,свидетельствующий о правоте выдвинутых предположений, а также показанырезультаты компьютерного моделирования работы ведущего колеса гусеничногодвижителя с внутренним подрессориванием.

В этих разделах студентпроявил способность самостоятельно разрабатывать методики научных расчетов,производить их сравнение с целью поиска оптимальной для данного типа задач иприменять их для практических нужд.

Магистерская диссертациявыполнена на высоком уровне, соответствует методическим указаниям для студентовнаправления 5514 “Наземные транспортные системы”, имеет научно-практическуюценность и заслуживает отличной оценки.

Студент Шаров МихаилИгоревич заслуживает присвоения степени магистра техники и технологии понаправлению «Наземные транспортные системы».

Главный конструктор

ОАО «Волгоградскийтракторный завод»,

кандидат технических наук                                                                  ИгорьАполлонович Долгов

Раздел 5

Реферат

Магистерская диссертация выполнена на 78 страницахмашинописного текста и включает 12 рисунков, 2 таблицы и список литературы из27 наименований.

Ключевые слова: эффективность, принцип работы, гусеничныйдвижитель, ведущая звездочка, навесоспособность, плавность хода,почвосбережение, внутреннее подрессоривание, упругий элемент, машинноемоделирование.

Работа посвящена исследованию некоторых аспектовэффективности работы гусеничного движителя трактора. В ней была поднятапроблема обеспечения требований к характеристикам почвосбережения,экономичности, экологичности, плавности хода гусеничных машин, условий трудаоператора на рабочем месте.

Согласно поставленной задаче было проведено исследованиевозможных конструкций гусеничного тягово-транспортного средства, отвечающеговыставленным требованиям, предложена конструкция гусеничного движителя сведущим колесом, опущенным на грунт, и конструкция ведущей звёздочки свнутренним подрессориванием.

Произведена оценка предложенной конструкции с точки зрениякинематики и кинетостатики. Сделан вывод о кинематической и кинетостатическойреализуемости данного механизма. Также произведен расчет упругих элементовколеса на изгиб, и расчет координат точек шарниров упругих элементов, какоднозначно задающих положение колеса в пространстве.

На основе произведенных вычислений, на ПЭВМ была реализованаэлектронная модель колеса, что позволило произвести анализ изменения величиныкрутящего момента за один цикл. Также проведена оценка навесоспособности,угловой жесткости и распределения масс новой конструкции. Сделан вывод оконкурентоспособности данной модели и ряде преимуществ по сравнению с серийнымтрактором ВТ–100.

Содержание

1. Введение.. 6

2. Аналитический обзор и состояние вопроса.. 10

2.1 Анализ литературных источников. 10

2.2 Патентное исследование. 23

2.2.1 АС № 821229 «Упругое колесо транспортного средствасо ступицей и обводом». 23

2.2.2 АС № 933481 «Металлоэластичное колесо транспортногосредства»  25

2.2.3 АС № 160092 «Опорный каток гусеничных машин». 27

2.2.4 Патент США № 5125443 «Пружинно подвешенное колесноеустройство»  28

2.2.5 Достоинства и недостатки рассмотренных конструкций. 33

3. Анализ работы объекта исследования.. 35

3.1 Требования, предъявляемые к конструкции. 35

3.2 Описание конструкции и принципа работы ведущегоколеса с внутренним подрессориванием.. 36

3.3 Кинематический расчет исследуемой конструкции. 40

3.3.1 Определение точек кривой траектории движения концаупругого элемента  40

3.3.2 Определение радиуса ведущего колеса по трём точкам. 43

3.3.3 Определение координат шарниров упругих элементовколеса в любой момент времени. 47

4. Физическая осуществимость кинематической моделиведущего колеса с внутренним подрессориванием... 51

4.1 Кинетостатический анализ работы ведущего колеса свнутренним подрессориванием. 51

4.1.1 Расчетная схема. 51

4.1.2 Определение неизвестных реакций в шарнирах упругогоэлемента. 52

4.2 Расчет на изгиб пластинчатых упругих элементов,расположенных в плоскости, перпендикулярной оси ступицы.. 54

5. Анализ результатов проведённых исследований.. 60

5.1 Программная эмуляция работы ведущего колеса свнутренним подрессориванием на поверхности с неровностями почвы.. 60

5.2 Расчет навесоспособности трактора с ведущим колесом свнутренним подрессориванием.. 64

5.3 Расчет угловой жесткости трактора с ведущим колесом свнутренним подрессориванием.. 68

6. Заключение.. 73

Список использованной литературы... 76

1. Введение

Сравнительный анализ и сопоставление колесных игусеничных машин при эксплуатации их в тяжелых дорожных, а особенно во внедорожных,условиях показывает преимущество последних по таким важнейшим показателям, какпроходимость, производительность, манёвренность, тягово-сцепные качества,удобство и надежность работы. Многоприводные автомобили и автопоезда даже приналичии четырех-пяти ведущих мостов не могут обеспечить в условиях бездорожьятакую же реализацию тяговых качеств, как и гусеничные машины. При этомсложность и громоздкость активного привода к колесам ликвидирует такое важноедостоинство автомобиля, как простота конструкций. Следовательно, необходимостьв разработке новых и модификации старых конструкций тягово-транспортных средствс приводом от гусеничного движителя была и остаётся высокой. По-прежнему,эффективная работа целых отраслей народного хозяйства зависит от прогресса вразработках конструкторов гусеничных машин.

Машины с гусеничным приводомочень разнообразны по конструкции и назначению. Это промышленные исельскохозяйственные тракторы, снегоболотоходные транспортеры, специальныетягачи, различные установки на гусеничном ходу, используемые для монтажа производственногоили технологического оборудования, трубоукладчики на строительстве нефте- игазопроводов и т.д. Гусеничный движитель является одним из важнейшихмеханизмов, определяющих тяговые качества, производительность, экономичность инадежность всех этих машин. Поэтому совершенствование конструкции движителя,выбор оптимальных параметров, рациональное сочетание характеристик отдельныхего элементов, разработка более совершенной схемы привода и формы обводагусениц представляют ответственный этап при создании или модернизации гусеничныхмашин.

Следует также учитывать, чтов результате воздействия ходовых систем тракторов, в почве образуютсяуплотненные зоны, вызывая неравномерное распределение влаги и отрицательновлияющие на урожайности по всей ширине воздействия. Исследования влияния уплотненияпочвы тяжелыми мобильными агрегатами на урожай сельскохозяйственных культур,проведённые в нашей стране, а также в США, Швеции, Японии показали, что урожайснижается на 20–35%. При этом большое влияние на уплотнение почвы оказываетсреднее и максимальное удельные давления. Согласно данным [16] для большинствапочв допустимое давление составляет 39–49 кПа, предельное — 98–147 кПа, афактически же, оказываемое мобильными агрегатами давление достигает 294–420кПа.

Создание долговечного,экономичного, экологичного гусеничного движителя является сложнойнаучно-технической проблемой. Сложность ее обуславливается тяжелым режимомработы движителя, подвергающегося абразивному воздействию грунта, высокимидинамическими нагрузками, нестабильностью геометрии и кинематики обвода,особенно при движении по пересеченной местности.

Стремление сократить до минимумавсе механические потери в движителе, иными словами обеспечить максимальный к.п. д., увеличить экономичность машины, повысить почвосбережение еще в большейстепени усугубляет трудности решения этой задачи, так как неизбежнымследствием повышения энергоемкости транспортного средства, уменьшения его массыявляется увеличение динамической нагруженности гусеничного движителя иуменьшение его надежности.

Существенное усовершенствование гусеничного движителя возможнотолько на базе серьезных теоретических и экспериментальных исследований. Теориягусеничного движителя была в основном разработана профессорами А. С. Антоновым,Е. Д. Львовым, М. К. Кристи, Л. В. Сергеевым, А. О. Никитиным, В. Ф. Платоновыми др. Она в достаточном объеме освещает вопросы кинематики нерастяжимогообвода, качения опорного катка по ровному основанию, потери мощности в движителеи взаимодействия опорной ветви с грунтом.

Применение новых конструктивных решений при создании современныхходовых систем гусеничных машин, а также необходимость улучшения ихэксплуатационных показателей не могли не вызвать постановки и решения отдельныхвопросов теории гусеничного движителя, разработки новых методов расчета егоузлов и деталей. Это позволило развивать данную теорию в новых направлениях,позволяющих более полно и глубоко изучить динамическое нагружение гусеничногодвижителя, обосновать пути снижения его нагруженности и повышения надёжности.

Как часть данного направления можно рассматривать и текущуюработу, основными задачами которой являлись изучение путей увеличения к. п. д.гусеничного движителя, экономичности и экологичности его работы путем введенияновых конструктивных элементов, в частности ведущего колеса с внутреннимподрессориванием, служащего одновременно ведущим и опорным элементом. Этопозволяет при несущественном увеличении длины гусеничного обода увеличить базу,навесоспособность и устойчивость трактора от опрокидывания назад, а также значительноулучшить условия труда тракториста на рабочем месте путем улучшенияхарактеристик плавности хода и шумности.

2. Аналитический обзори состояние вопроса

2.1 Анализ литературныхисточников

Интерес к проблемам общей экологичности машины, и почвосбереженияв частности, экономичности разрабатываемых конструкций, увеличения КПД никогдане ослабевал, а новые задачи, поставленные «Федеральной программоймашиностроения для АПК России», утвержденной постановлением Правительства РФ от19 апреля 1994 года №738 [1], увеличили круг затрагиваемых вопросов.

В аспекте создания новых типов гусеничных движителей, атакже модернизации старых, с целью увеличения КПД движителя следует в первуюочередь обратиться к работам [8, 9, 10]. В них широко рассматриваются кактеоретические вопросы работы гусеничного движителя, так и практические задачипо решению проблем потери мощности в движителе, долговечности гусеничногодвижителя, динамики взаимодействия гусениц с направляющим и опорными катками,ведущим колесом, устойчивости обвода и пр.

Труды [8, 10, 14] показывают, что в последнее времяиспользование гусеничных тракторов в сельском хозяйстве стало больше, чем колесных.В таблице 2.1 приведены результаты исследования уплотнений почвы после проходовтракторов с различными типами движителей. Из таблицы следует, что средине имаксимальные давления на почву гусеничных сельскохозяйственных тракторовнаходятся с пределах, соответственно, 0,04–0,06 МПа и 0,154–0,240 МПа [16].

Машина, воздействующая на почву0–10Без уплотненияДТ–75Т–150КК–700

Кратность воздействия при сплошном укатывании	Плотность почвы ´ 103 кг/м3 в слое почвы, см			Показатель воздействия, кН/м
	10–20	20–40
0	1,31	1,45	1,5	—
1 3	1,35 1,40	1,48 1,49	1,52 1,52	112 165
1 3	1,38 1,41	1,48 1,49	1,54 1,54	184 270
1 3	1,38 1,44	1,52 1,52	1,56 1,56	240 354

Такимобразом, гусеничные тракторы обладают меньшим показателем воздействия иудельным давлением, большей проходимостью, позволяя на одну-две недели раньшеначинать полевые работы, что даёт возможность получать более высокие урожаи нетолько за счёт меньшего уплотнения почвы, но и за счёт повышения качестватехнологического процесса.

Эксперименты НАТИ [16, 23–26]показали, что при изменениидавления на почву весьма значительно снижается прирост удельного сопротивлениявспашке. По следу трактора Т–150 он в 4,34 раза меньше, чем по следу трактораК–150К, при этом производительность труда в 1,18–1,4 раза больше, а погектарныйрасход топлива снизился, соответственно, в 1,38–1,07 раза. В среднем, по всемвидам работ, производительность МТА с допустимым давлением на почву возрастаетв 1,27 раза, а расход топлива снижается в 1,22 раза (экономия до 4000 кгтоплива в год только одной машиной).

Благодаря этому и другим, описанным ниже, преимуществам, всовременном зарубежном тракторостроении также наметилась тенденцияиспользования гусеничных тракторов в сельском хозяйстве.

Стоит также упомянуть и о затронутом в различных источниках,как зарубежных, так и отечественных, анализе развития современных технологий,указывающем на постоянно возникающий дисбаланс масс в конструкциях создаваемыхмашин и о путях его устранения.

Как видно из таблицы 2.2, основные массы трактора — этодвигатель и навесные устройства. Исторически сложилось так, что при компоновкаузлов машины эти две основные массы уравновешивают друг друга. Однако,современная наука не стоит на месте. Начинают применяться новые материалы,новые технологии, новые энергоносители, что в контексте развития двигателе- итракторостроения приводит к парадоксу, из которого, казалось бы, нет выхода.

СоставляющаяТ-38МТрактор без водителяБалластТопливоВозимые ЗИПВода системы охлажденияКонструктивный весДвигатель в сборе с муфтой сцепления и воздухоочистителемРадиаторы (водяной и масляныйКоробка передачЗадний мост и редуктор ВОМКонечные передачи со звёздочками (две)Рычаги управления и приборыРамаПолурамаТележки с опорными каткамиКаретки эластичной подвескиПоддерживающие роликиГусеницыКабина с оборудованиемСидение, пол, крыльяОблицовка и капотПрицепное приспособлениеМеханизм навески с цилиндромБак гидросистемы с масломРаспределитель и арматураТопливный бак

Трактор						Среднее значение, %
Т-74	ДТ-75М	Т-150	Т-4	Т-108
4100	5880	6570	7000	8140	11510	105
—	130	200	—	—	—	—
100	180	210	270	260	195	—
20	25	25	30	30	80	—
30	45	60	45	50	75	—
3950	5500	6100	6655	7750	11160	100
750	760	1050	1130	1290	2400	17,0
70	150	180	90	105	110	1,6
160	250	340	660	300	350	5,0
410	480	450	430	600	1010	8,5
570	370	540	340	610	960	8,5
40	60	85	100	95	90	1,1
—	750	750	640	—	—	7,9
190	—	—	—	310	370
390	—	—	—	1410	2010	14,2
—	760	720	420	—	—
30	90	110	130	120	180	1,5
530	860	880	980	1500	2120	16,7
110	130	130	340	260	315	3,0
80	100	100	105	120	105	1,5
60	70	70	85	110	125	1,2
—	50	50	60	120	260	1,2
230	270	270	320	350	—	5,0
30	65	65	60	60	—	1,4
20	25	30	25	30	—
40	50	50	50	70	165	0,9

Напомню, что положение центра тяжести, согласно [11], определяетсякоординатами: горизонтальной — от оси ведущего колеса , вертикальной от поверхности почвы  и поперечным смещением по горизонтали отплоскости симметрии .

Координаты центра тяжести для вновь проектируемого тракторанаходят графически или графоаналитически. На боковой проекции трактора выделяютконтуры основных узлов и механизмов и наносят векторы их веса, приложенные кцентрам тяжести. При графическом методе построением веревочных многоугольниковнаходят вертикальную и горизонтальную равнодействующие суммы весов, точкапересечения которых определит положение центра тяжести. При графоаналитическомметоде находят координаты центра тяжести каждого узла или механизма , , азатем общие координаты центра тяжести:

(2.1)

,

где G_уз —вес узла.

Координаты центра тяжести трактора с навешенным орудием втранспортном положении можно определить по формуле

(2.2)

,

где Q — вес орудия;

а_н — проекция на плоскость пути расстоянияцентра тяжести орудия от оси ведущих (задних) колес (звездочек); берётся сознаком «минус», если направлена в сторону, противоположную центру тяжести трактора;

h_н — высота центра тяжести орудия втранспортном положении.

Итак, очевидно, что на величину горизонтальной координатыцентра тяжести трактора наибольшее влияние оказывают двигатель (энергетическаяустановка) и навешенное орудие, как элементы с наибольшим весом на самыхбольших расстояниях от предполагаемого центра масс. Однако теперь следуетобратиться к истории развития тракторостроения.

Одной из насущных задач в тракторостроении всегда был вопросповышения энергоемкости машинно-транспортного агрегата. Достигается это, впервую очередь, модернизацией двигателя путём применения новых материалов итехнологий. Это приводит, с одной стороны, к снижению веса ДВС, а с другой кувеличению числа и/или массы навешенных на трактор орудий. И первый, и второйиз перечисленных факторов приводит к уменьшению величины горизонтальнойкоординаты центра тяжести (его смещению по направлению к навеске трактора).Получается некий замкнутый круг: снижение веса двигателя трактора и увеличениеего мощности — увеличение числа и/или массы навешиваемых орудий —увеличение мощности двигателя и снижение его веса и т.д. Это приводит кпопыткам конструкторов вынести максимально вперёд массу двигателя с цельюувеличить его плечо (в качестве примера можно привести модельный ряд тракторовВГТЗ серий ДТ-175 и ВТ-100) и/или разместить спереди трактора балластные грузы.

Альтернативным вариантом решения этой задачи может статьувеличение продольной базы трактора путем опускания ведущего колеса на грунт[20, 21]. Это позволить снизить массу балластных грузов, что приводит кэкономии материалов, снижению общего веса конструкции, и, следовательно,снижению воздействия МТА на почву, решению ряда вопросов, связанных сэксплуатацией трактора без навешенных на него орудий. Однако данное решениетакже имеет ряд недостатков. В первую очередь это ведёт к увеличению моментасопротивления повороту. А самое главное, на ведущее колесо теперь будут действоватьничем не компенсируемые силы, которые могут привести к выходу из строя конечнойпередачи.

Еще одним решением проблемы можетстать кардинальное изменение схемы работы движителя и, как следствие, полнаяперекомпоновка узлов трактора. Имеется в виду так называемый трактор с «треугольнымобводом», примером которого может послужить опытный образец, разработанный встенах НАТИ в начале 90-х годов (см рисунок 2.1). Однако, обладая рядомбезусловных преимуществ, среди которых, наиболее рациональное, среди всех типовкомпоновок, расположение центра масс, самая большая навесоспособность, даннаямодель обладает и рядом недостатков, наиболее существенные из которых, этонезамкнутый силовой контур машины и увеличенный износ гусениц ввиду добавлениявторого изгиба в форме обвода.

Стоит также упомянуть и оразличных видах и типах гусениц как средстве увеличения эффективности работыгусеничного движителя.

На рисунке 2.2 показано влияниесопротивления качению, буксования и удельной силы тяги на КПД ходовой системы[13]. Из графиков видно, что чем меньше сопротивление качению и буксование, темвыше коэффициент полезного действия. Увеличивается КПД и при росте тяговой нагрузки.Это указывает на важность обеспечения высоких тяговых качеств трактора за счетего ходовой системы и объясняет преимущества гусеничной ходовой системы передколесной при работе на мягких (легкодеформируемых) почвах с орудиями,требующими реализации высоких тяговых усилий. На тяговые качества трактораопределяющее влияние оказывают конструктивные параметры ходовой системы.

Для работы с минимальными потерями мощности важное значениеимеет натяжение гусеницы. Недостаточное натяжение приводит к ухудшениюраспределения давления на почву и увеличивает ее деформацию, способствуетспаданию гусеницы с опорных катков, а чрезмерное — к росту потерь на трение иускорению износа шарниров.

При работе с большими тяговыми усилиями опрокидывающиймомент от тягового сопротивления орудий приводит к перераспределению нагрузокна опорные катки: передние — разгружаются, задние — догружаются.Поэтому у большинства гусеничных тракторов, работающих с задними орудиями,центр тяжести смещен вперед от середины опорной поверхности или имеютсяпередние грузы, которые должны быть установлены при тяжелых условиях работы,так как наибольший КПД наблюдается при равномерном распределении нагрузок поопорным каткам.

Из конструктивных параметров ходовой системы наибольшеевлияние оказывают на тяговые качества длина опорной поверхности гусениц, числоопорных катков и шаг гусеничной цепи. Увеличение этих параметров способствуетповышению коэффициента полезного действия ходовой системы благодаря снижениюсопротивления качению и буксования. Этим объясняются конструктивные особенностиболотоходных тракторов и увеличенный шаг гусениц на промышленных тракторах.

Тракторы Т-70С, ДТ-75БВ и Т-130Бмогут работать с гусеницами различной ширины. Необходимо иметь в виду, чтоувеличение ширины гусеницы способствует повышению тяговых качеств только наслабых, легкодеформируемых почвах (болота, снежная целина, пески). На почвах игрунтах средней и высокой плотности увеличение ширины гусеницы эффекта не дает,так как приводит к росту массы ходовой системы, а, следовательно, и к повышениюпотерь на трение, ухудшает заглубление почвозацепов и увеличивает буксование. Врезультате КПД снижается.

При неизменной длине опорной поверхности увеличение числаопорных катков способствует росту КПД ходовой системы на легкодеформируемыхпочвах и грунтах. На плотных почвах и грунтах лучшие показатели имеет ходоваясистема с меньшим числом опорных катков большего диаметра, что объясняетсяуменьшением сопротивления качению и лучшим заглублением почвозацепов подопорными катками.

Из всех типов подвесок наиболее высокие тяговые качества обеспечиваетупругая индивидуальная система подрессоривания опорных катков благодаря болееравномерному распределению давления на почву.

Лучшими тяговыми качествами обладают составные гусеницы суплотнениями и смазкой шарниров, а также гусеницы с резинометаллическимишарнирами. Это объясняется постоянством шага гусеницы, обеспечивающим минимумпотерь в зацеплении с ведущим колесом, пониженным трением в шарнирах, а такжеболее равномерным распределением давления на почву при наличии упругих моментовв шарнире.

Оптимальная форма почвозацепа звена гусениц — расчлененныйпочвозацеп с увеличивающимся к краям углом между упорной кромкой и осью шарнира.

2.2 Патентное исследование

Современная конструкторская мысль уделяет большое вниманиепроблеме усовершенствования конструкции всего гусеничного движителя в целом и ведущегоколеса в частности. Были исследованы патенты с глубиной выборки сорок лет дляпатентов России/СССР и тридцать лет для патентов США (согласно [2]). Поискпоказал, что конструкции ведущего колеса подобные проектируемому существуют.Однако, как уже указывалось выше, на практике такие колёса получили распространениетолько на промышленных тракторах. Кратко рассмотрим некоторые из существующихпатентов [3–7] и проанализируем их достоинства и недостатки.

2.2.1 АС № 821229«Упругое колесо транспортного средства со ступицей и обводом»

1.      Колесоизображено на рисунке 2.3.

2.    Описание колесав статике:

Упругое колесо состоит из ступицы1, бандажа 2, разделенных между собой расположенными по окружности пакетами 3,каждый из которых размешен в цилиндрическом гнезде и состоит из стальных разрезныхгильз переменной толщины, удерживаемых от поворота вокруг своей оси стопорящейпланкой 4, размещенной на торцовых прорезях гильз и жестко связанной соступицей, при этом от выпадения пакеты удерживаются также кольцевой планкой 5,жестко соединенной с бандажом винтами 6 и образующей радиальный зазор соступицей 1, а внутренняя гильза каждого пакета 3 имеет резиновую вставку 7.

Регулирование жесткости колесапроизводят следующим образом.

Для регулирования жесткостиколеса отвинчивают винты 6, снимают планку 5, удаляют из торцовых канавокпакетов  3 планки 4 и поворачивают пакет 3 или каждую гильзу пакета 3 наопределенный угол.

Так как грузоподъемностьтранспортного средства может быть различной, упругое колесо с регулируемой жесткостьюпозволяет привести ее к оптимальной и таким образом снизить динамические нагрузкина узлы транспортного средства.

3.    Цель изобретения- регулирование жесткости колеса.

Цель достигаетсятем, что упругие элементы выполнены в виде расположенных в цилиндрическихгнездах пакетов разрезных металлических гильз переменной толщины, имеющих наторцах радиальные канавки, вмещающие стопорный элемент. При этом колесо можетбыть снабжено резиновыми вставками, расположенными во внутренних гильзахпакетов.

2.2.2 АС № 933481«Металлоэластичное колесо транспортного средства»

1.      Колесоизображено на рисунке 2.4

2.    Металлоэластичноеколесо состоит из ступицы 1, гибкого обода 2, включающего траки 3 с резиновымигрунтозацепами, соединенные шарнирами 4, балансиры 5, установленные навнутренней стороне соседних траков 3 одним концом шарнирно, а другим скользящимипо внутренней стороне обода. На каждом балансире 5 в середине его установленшарнир 6; соединенный с шарниром 7 на ступице через спицы 8, которые выполненыв виде двух соединенных между собой шарниром 9 рычагов. Причем каждый шарнир 9соединен с шарниром 6 и шарниром 7 соседних спиц с помощью упругих элементов(пружин) 10.

Для обеспечения поперечной устойчивости колеса спицы с упругимиэлементами расположены в два ряда симметрично относительно вертикальной оси.

Колесо, работает следующим образом.

Крутящий момент независимо от направления движения передаетсяот ступицы 1 через рычаги спиц 8, элементы 10 и балансиры 5 к ободу 2 ивследствие взаимодействия последнего с почвой реализуется в тяговое усилиеколеса. Благодаря тому, что угол между рычагами, образующими спицу 8, отличенот 180°, элементы 10 в нижнейчасти колеса под воздействием вертикальной нагрузки сжаты. Передача крутящегомомента осуществляется также за счет сжатия этих элементов, причем независимоот направления движения колеса. Таким образом, из-за того, что элементы 10 внижней части колеса всегда сжаты, а крутящий момент от ступицы 1 к ободу 2передается через них, работа колеса идентична как при движении вперед, так и назад.

Плавность хода колеса и допустимое давление на грунт обеспечиваютсярегулированием упругих качеств колеса за счет подбора элементов 10 определеннойжесткости и необходимого комплекта спиц 8 с упругими элементами. Вертикальнуюнагрузку воспринимают все элементы 10, сжимаясь или растягиваясь при этом взависимости от места расположения их.

3.    Цельюизобретения является повышение надежности в работе колеса. Для этого ободвыполнен из шарнирно соединенных друг с другом траков, каждая пара которыхсвязана балансиром, а каждый шарнир, соединяющий рычаги спицы, связан с шарниром,соединяющим рычаг со ступицей, и шарниром, связывающим, рычаг с балансиром соседнихспиц упругими элементами.

2.2.3 АС № 160092 «Опорный каток гусеничных машин»

1.      Колесоизображено на рисунке 2.5.

2.    Опорный каток гусеничных машин, включающий обод иступицу, между которыми размешен кольцевой резиновый амортизатор и крепежныедетали, отличающийся тем, что, с целью улучшения характеристики амортизатора,он выполнен из нескольких колец, одни из которых посажены свободно, воспринимаютрадиальные нагрузки, а другие посажены с предварительным натягом, работают насдвиг и смятие, воспринимают радиальные и осевые нагрузки и фиксируют обод наступице. Колесо содержит обод 1 с коническими поверхностями 2 и 3 ,сопрягающиеся с коническими поверхностями 4 и 5 ступицы 6.

2.2.4 Патент США №5125443 «Пружинно подвешенное колесное устройство»

1.      Колесоизображено на рисунке 2.6.

Описание колеса встатике:

Упомянутым в патенте изобретениемснабдили колесо, состоящее из круглого остова или обода, соединённогомножеством пружин с центральной ступицей. Круглый обод лежит в плоскостивращения, ось которой преимущественно перпендикулярна данной плоскости ипроходит через середину плоскости вращения, образуемой ободом. Более того,механизм колеса включает в себя дугообразные элементы пружин, которыерасходятся лучами по спирали в радиальном направлении от ступицы до обода иобеспечивают наружную жесткость обода колеса с целью повышения эластичности и добавлениябольшей ударопрочности.

Также в конструкции колеса предусмотрены два набора спиралевидныхпружин, по одному с каждой стороны от плоскости вращения, передвигающихся, восновном, конически от каждой из сторон ступицы до обода колеса.

Еще в реализованном изобретении каждая из пружин в каждом изнаборов имеет сопряженную пружину в другом наборе так, что первая парасопрягается со второй парой в точке расхождения по длине до точки прикрепленияк ступице.

Далее конструкция отличается тем, что спиральные элементы водном блоке не выровнены относительно друг друга, соседа или оппозитногоэлемента, так чтобы не организовать заранее отобранные шаблоны.

Спиральные элементы в одной группе растягиваются по спиралипо часовой стрелке от центра к периферии, тогда как пружины другой группырастягиваются против часовой стрелки, если смотреть на колесо сбоку отплоскости вращения.

Также в конструкции оськолеса разъединена между ступицами, т.е. колесо закреплено двумя вставками,соединяющими с обеих сторон вилку и ступицу. Промежуток между ступицамиостаётся, то есть отсутствует соединение между оппозитными ступицами.

Выбор специфической конфигурацииили модели двойных спиралевидных деталей в изобретенном колесном устройствепозволяет, по крайней мере, добиться искомого распределения усилий или достичьтребуемой в ряде задач поворачиваемости и сцепления. Таким образом, горныевелосипедные шины могут нуждаться в соприкосновении обоих сторон спиралевидныхэлементов для передачи наибольшей гибкости и улучшенной упругости, поскольку взначительной степени идентичность или согласованность блоков спиральныхшестерен может придать большую поворачиваемость единичному колесу лопастноготипа роликовых коньков, т.е. так называемым роликовым лезвиям.

2.       Цель изобретения. Данный патент США можно считать логическим завершениемцелой цепочки изобретений (патенты США №№ 813423, 1141078, 515456, 2869608,1253975), постепенно развивающих и улучшающих данный конструкционный узелмашины путем введения и модернизации связей различного типа в колесе свнутренним подрессориванием. Например, патент США №813423 Хилла показываеткогтеобразное удерживающее устройство для прикрепления колеса к оси. КонструкцияХилла включает в себя прочные спицы из металлической проволоки, которыесоединяют каждую ступицу с ободом колеса, что распределяет усилия так же, как иось, располагающаяся, как правило, между этими ступицами. Патент США №1141078Шеффела улучшает конструкцию Хилла путём исключения удерживающих устройств,крепящих ступицу к оси. Шеффел также предлагает ввести прочные спицы из проволокии единый вал колеса. Патент США №515456 Вуда направлен, в основном, на конструкциюступицы колеса, и показывает дугообразные спицы, лежащие вне плоскости вращенияколеса, и перемещающиеся по дуге от ступицы к ободу колеса. Патент США №2869608Чамберлена и др. защищает конструкцию пружинного колеса под автомобильные шины,имеющую плоские ленточные пружины (вместо спиц), которые внутренне расходятсяот каждой ступицы до обода колеса, при этом полностью находясь вне плоскостивращения обода. Наконец, патент США №1253975 Ховарда и др. защищает конструкциюс множеством некомпланарных спиц, прикрепленных к множеству независимых ободов.Данный же патент США №5125443, в свою очередь, содержит колесо открытого типа,имеющее круглый обод, расположенный в плоскости вращения колеса, две оппозитныеступицы, размещённые по обе стороны плоскости вращения колеса на его осивращения, саму ось, пересекающую плоскость вращения в центре круга, очерченногоободом, и множественные пружины, расположенные противоположно друг другу,причем каждая из этих пружин расходится от центра к периферии по радиальной испиралевидной траектории от точек прикрепления к ободу до точек прикрепления кступицам, в связи с чем колесо наделяется способностью лучше противостоятьрадиальным и/или боковым деформациям, обеспечивая притом хорошую самоцентровкуи возврат в начальное положение, когда обод колеса перемещается из нормальногоположения в плоскости вращения или по оси вращения.

2.2.5 Достоинства инедостатки рассмотренных конструкций

Все вышеописанные изобретения обладают рядом недостатков, непозволяющих применить эти колёса как ведущие на гусеничных тракторах.

Первый недостаток всех изобретений — они проектировалисьне для гусеничных тракторов, следовательно, абсолютно не учитывают спецификуработы данного тапа машин. Более того, каждое из приведенных выше изобретений,несмотря на оригинальные идеи, не подходят конструктору гусеничных машин поряду причин. Так у первого изобретения значительная металлоёмкость и небольшаявеличина хода обода, что значительно снижает плавность хода и удорожаетконструкцию. То же можно сказать и о третьем из списка изобретении, котороеидеально подходит для применения в опорных катках гусеничного движителя. Второеиз описанных изобретений имеет и малую металлоемкость, и хорошую плавностьхода, но всё же оно недостаточно удовлетворяет требованием жесткости в боковомнаправлении для данного типа ведущих колес. Последний из описанных патентов иавторских свидетельств хотя и обладает достаточно малой металлоемкостью ихорошей плавностью хода, что не маловажно, тем не менее, не содержитвозможность обратимости движения (за исключением последней из предложенныхконструкций), имеет большую степень детализации, что снижает егоэксплуатационные качества, а главное, идеология данного изобретенияподразумевает наличие гибкого обода колеса, что недопустимо в гусеничныхдвижителях из-за необходимости обеспечивания адекватного натяжения гусеницы и обеспеченияеё несоскальзывания.

Несмотря на все описанные выше недостатки, большинство оригинальныхидей, примененных в данных изобретениях требуют отдельного более пристальногоизучения при синтезе новой конструкции опущенного на грунт ведущего колеса с внутреннимподрессориванием гусеничного трактора.

3. Анализ работыобъекта исследования

3.1 Требования,предъявляемые к конструкции

Ведущее колесо наматывает гусеничную цепь, обеспечиваядвижение трактора. К ведущему колесу предъявляются следующие требования:

—  надежное зацепление с гусеницей (независимо от её износа) как введущем, так и в тормозном режиме. Это требование соблюдается путем правильноговыбора геометрии зацепления. Оно легко выполняется в гусеницах, шаг которых впроцессе эксплуатации не изменяется или изменяется незначительно [8];

—  высокая износостойкость зубьев. Обеспечивается геометриейзацепления, подбором износостойких материалов для зубчатых венцов итехнологическими мероприятиями по повышению их поверхностной твёрдости;

—  самоочистка от пыли, грязи и снега.

В данной работе рассматривается возможность создания на базегусеничного трактора (прототип — трактор ВТ–100, выпускаемый ВГТЗ)варианта сельскохозяйственного трактора общего назначения с подрессореннымведущим колесом.

Ведущее колесо опускается на землю, тем самым оно выполняетдве роли: ведущую и опорную [15, 16].

Опуская ведущее колесо на грунт, получаем следующиепреимущества:

—  увеличение КПД;

—  уменьшение удельного давления на почву;

—  уменьшение буксования;

—  увеличение опорной длины гусеницы;

—  почвосбережение.

Однако простое увеличение продольной базы трактора путёмопускания ведущего колеса на грунт ведёт к увеличению момента сопротивленияповороту. А самое главное, на ведущее колесо теперь будут действовать ничем некомпенсируемые силы, которые приведут к выходу из строя конечной передачи.Поэтому ведущее колесо необходимо подрессоривать.

3.2 Описаниеконструкции и принципа работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием

Предложенное в данной работе ведущее колесо состоит из (см.рисунок 3.1):

1.      валаконечной передачи;

2.    ведущей ступицы;

3.    несколькихведомых ступиц;

4.    зубчатого венца;

5.     системыподрессоривания;

6.    дополнительнойсистемы подрессоривания;

7.     втулок-упоров.

Предлагаемая к защите конструкция системы подрессориваниясостоит из четного количества упругих элементов треугольной формы 5расположенными между ведущей 2 и ведомыми 3 ступицами колеса с одной стороны изубчатым венцом 4 — с другой. Упругие элементы верхним концом шарнирнозакреплены на зубчатом венце. Снизу они также шарнирно крепятся на ведущейступице и попарно  закрепляются с возможность совершать вращательное движение вплоскости колеса на ведомых ступицах. Следовательно, количество ведомых ступиц4 равно числу упругих элементов, размещенных на колесе, делённое на два.

Упругие элементы 6 числом равныечислу упругих элементов 5 и расположенные в плоскости, параллельной осивращения колеса, установлены для компенсирования действия сил боковой нагрузкиДанные элементы могут быть заменены защитным кожухом, напрямую соединяющем ведущуюступицу 2 с зубчатым ободом 4, и также выполняющему роль компенсатора боковыхвозмущений.

Колесо работает следующим образом (рисунок 3.2).

Крутящий момент независимо от направления движенияпередаётся от ведущего вала конечной передачи 1 через ведущую ступицу 2 наупругий элемент 5, и через него на зубчатый венец 4 и, вследствиевзаимодействия последнего с гусеницей и почвой, реализуется в тяговое усилиеколеса. Передача крутящего момента осуществляется за счет того, что за счёттого, что с одной ведомой ступицей 3 связаны два упругих элемента,расположенных противоположно друг другу относительно оси ведущего колеса,которые создают усилие направленные в центр колеса, благодаря чему ведомаяступица 3 остаётся неподвижной и каждый из упругих элементов 5 работает какжесткая спица. При наезде на неровность (см. рисунок 3.2) зубчатый ободперемещается вверх, упругий элемент 5 проворачивается вокруг оси шарнира нижнейопоры с ведущей ступицей 2 и вокруг оси шарнира верхней опоры с зубчатым ободом4. Ведомая ступица при этом совершает плоско-параллельное перемещение понаправляющим упора-втулки 7 в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала,чем и обеспечивается свободный ход зубчатого обода. Подрессоривание при этомреализуется за счёт упругой деформации элементов 5 в плоскости, параллельнойпродольной оси вала. Деформация каждого из выше обозначенных элементов тембольше, чем ближе элемент к вертикальному положению, то есть своегомаксимального значения достигает в момент, когда шарниры крепления упругогоэлемента к зубчатому ободу и ведущей ступице расположены на одной линии, строгоперпендикулярной поверхности качения. Исходя из вышесказанного следует, чтодинамические возмущения воспринимают все упругие элементы 5 конструкции, а вслучае «открытого» исполнения к ним также присоединяются и упругие элементы 6.Гашение колебаний осуществляется за счет сил трения в шарнирах крепленийупругих элементов 5 к другим деталям конструкции, сил трения между ведомымиступицами 3 и упором-втулкой 7, а также за счет сил упругости, возникающих вэлементах 5.

Стабилизацию колеса в поперечном направлении осуществляютупругие элементы 6 («открытая» компоновка) или защитная крышка-кожух.

3.3 Кинематическийрасчет исследуемой конструкции

В данной части работы исследуется возможность работыпредложенной конструкции с точки зрения её геометрической осуществимости.Необходимо определить размеры и месторасположение каждого из элементов колеса исделать анализ их взаимодействия.

3.3.1 Определение точеккривой траектории движения конца упругого элемента

(3.1)

По теореме косинусов определим сторону АС=с треугольника АВС (смрисунок. 3.3)

где а — перемещение ведомойступицы;

R —радиус ведомой ступицы.

Далее также по теореме косинусов определим из треугольника ACD углы a₁ и a₂

(3.2)

(3.3)

где l₃ — сторона упругого элемента, соединяющая ведущую иведомую ступицы.

По теореме синусов из треугольника АВС найдём углы s₁, s₂иa₃:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Из треугольника DME также по теоремесинусов найдем е₂ — высоту треугольника ADE,опущенную из точки Е и угол g₂:

(3.8)

(3.7)

Далее из треугольника CFK находим e₁ и а₁(см. рисунок. 3.3):

(3.10)

(3.9)

(3.11)

Теперь, как видно из рисунка 3.3, для того, чтобы определить координатыточек кривой траектории движения конца упругого элемента достаточно сложитьвеличины найденных отрезков:

(3.12)

Данные результаты расчетов служат основой для компьютерногомоделирования работы упругого колеса при движении по пересечённой местности.

3.3.2 Определениерадиуса ведущего колеса по трём точкам

В связи с внесением изменений в конструкцию ведущего колеса,изменяется также и его радиус. Определить радиус колеса возможно методом «трёхточек», суть которого заключается в существовании и единственности окружности,проходящей через три точки с известными координатами, так называемыми«координатными точками».

Определим размеры отрезков а₁, а₂, а₃ —хорд между координатными точками:

(3.13)

(3.14)

(3.15)

Из треугольника 123 (см. рисунок 3.4) найдём углы a1 и a₂:

(3.17)

(3.16)

(3.18)

Из треугольника 345 найдём его гипотенузу l₁и угол b₁:

(3.19)

Из треугольников О46 и О63 найдём l₂ —один из катетов треугольника О46

(3.20)

Далее из треугольника О46 находится второй катет b₃:

(3.21)

Из треугольника О36 находим радиус с (см. рисунок 3.4):

(3.22)

,

что, с учетом выражений (3.1–3.3)запишется как

(3.23–3.28)

Основываясь на полученных выше соотношениях, определимкоординату центра по оси ординат:

(3.30)

(3.29)

(3.31)

Произведем в полученном выражении (3.30) подстановки:

(3.32)

(3.33)

(3.34)

Тогда уравнение (3.30) примет вид:

Проведём дальнейшие преобразования с целью определениякоординаты центра ведущего колеса по оси абсцисс.

(3.35)

(3.36)

В полученном выражении (3.35) произведём подстановки:

(3.38)

(3.37)

(3.39)

Очевидно, что выражение (3.35) имеет форму квадратного трёхчлена:

,

откуда:

(3.40)

Избыточный корень отсекается по условию физическойосуществимости.

Аналогичным образом поступим при определении координатыцентра ведущего колеса по оси абсцисс:

(3.43)

(3.42)

(3.41)

3.3.3 Определениекоординат шарниров упругих элементов колеса в любой момент времени

Для построения модели работы ведущего колеса с внутреннимподрессориванием необходимо определить, какое положение в каждый момент временизанимает каждый из упругих элементов системы подрессоривания. колеса. Первымшагом на пути решения этой задачи является определение координат точек шарнировупругих элементов.

Исходные данные:

—  

(3.44)

закон изменения профиля поверхности:

—  максимальное смещение зубчатого обода относительно оси вращенияколеса:

(3.45)

—  закон изменения угла поворота колеса:

(3.46)

—  

(3.47)

известные конструктивные параметры упругого элемента:

,

(3.48)

;

—  радиус ведущей ступицы:

(3.49)

—  

(3.50)

радиус ведущего обода:

.

(3.51)

Определим координаты оси вращения колеса x₀,y₀:

(3.52)

.

Тогда координаты точки шарнира К, принадлежащей ведущейступице определятся, как

(3.53)

.

Теперь можно определить координаты точки шарнира L, принадлежащей зубчатому ободу колеса:

(3.54)

По известным координатам двух точек шарнира и размерампрямоугольного треугольника, чью форму имеет упругий элемент, вычисляемкоординаты точки шарнира К, физически принадлежащей ведомой ступице. Для этогоопределим расстояние а между точками М и L (см.рисунок 3.5):

(3.55)

.

Далее определим величину угла a, угла между прямой KLи осью ОХ’ и равному ему, как углу со взаимно перпендикулярными сторонами, углумежду прямой KM и осью OY’:

(3.56)

Отсюда координаты точки шарнира М найдутся как:

(3.57)

Расчет данных параметров при помощи вычислительной техникипозволит точно закоординировать положение любого из элементов ведущего колеса впроцессе движения. Использование результатов данных расчетов делает возможнойреализацию программного симулятора движения упругого колеса по неровнойповерхности при помощи одноимённого пакета прикладного моделирования работымеханизмов американской фирмы AEngiCAD.

4. Физическаяосуществимость кинематической модели ведущего колеса с внутренним подрессориванием

4.1 Кинетостатическийанализ работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием.

4.1.1 Расчетная схема

Расчетная схема для кинетостатического анализа приведена нарисунке 4.1.

Принятые допущения:

—  все тела абсолютно жесткие;

—  на обод воздействует только нижняя ветвь гусеницы с силой F_тр;

—  крутящий момент передаётся к любой точке обода колеса без потерь;

—  упругий элемент в данный момент времени не деформирован, то естьс его стороны на обод, ведущую и ведомые ступицы не действуют силы упругости;

—  центр вращения колеса, шарниры 1 и 3 всегда лежат на одной прямой;

—  сила трения линейно зависит от реакции опорной поверхности;

—  модуль реакции опорной поверхности равен силе тяжести машины,приходящейся на данный узел.

4.1.2 Определениенеизвестных реакций в шарнирах упругого элемента

Запишем уравнения кинетостатики для данной системы:

(4.1)

(4.1)

Основываясь на приведённых выше допущениях, они примут вид:

(4.2)

(4.3)

где х — расстояние отповерхности трения до шарнира 1 (определяется из конструкции механизма).

(4.4)

Нетрудно заметить, что в силу всё тех же допущений, часть составляющихреакций шарниров уже известна. Так

(4.5)

;

(4.6)

;

.

Тогда выражения (4.1) примут вид

(4.8)

(4.7)

(4.9)

(4.10)

Проведя простейшие преобразования, получим следующие соотношения:

(4.11)

(4.12)

Данные зависимости выведены для крайнего вертикального положенияколеса. Уравнения для определения реакций в общем случае не приводятся в даннойработе ввиду их громоздкости.

Таким образом, подставляя в полученные соотношения данные,полученные при конструкторском анализе механизма, и передавая полученные данныев программу, работающую на компьютере, становится возможным получить статистикураспределения реакций в шарнирах за один цикл, равный одному обороту колеса.

4.2 Расчет на изгибпластинчатых упругих элементов, расположенных в плоскости, перпендикулярной осиступицы

Вопрос расчета упругих элементов треугольной формы выходитдалеко за рамки обычного курса сопротивления материалов и не решаетсястандартными методами. Безусловно, данная задача имеет приоритет в дальнейшихисследованиях. Однако, повторюсь, это отдельный вопрос, требующий внимательногоизучения с точки зрения теории упругости.

В данной работе производится оценочные расчеты в первом приближении,позволяющие сделать вывод о физической реализуемости предлагаемой конструкции.

Предположим, что пластинчатый упругий элемент имеет формупрямолинейного центрально сжатого стержня.

Данный стержень при определённой величине нагрузки можетоказаться в опасном (критическом) состоянии безразличного равновесия. При этомпрямолинейная форма оси стержня будет неустойчива, и стержень может«выпучиться». Нагрузка, при которой прямолинейная форма перестаёт быть формойустойчивого равновесия, называется критической. При критической нагрузкестержень переходит к новой, криволинейной форме равновесия, что связано споявлением качественно новых деформаций. Сжимающая сила вызывает дополнительныеизгибающие моменты, линейная зависимость между нагрузками и деформацияминарушается; наблюдается сильное нарастание прогибов при малом увеличениисжимающей силы. Это явление называется продольным изгибом. Переход вкритическое состояние, как правило, сопровождается потерей несущей способностистержня и называется потерей устойчивости. Для обеспечения устойчивостизаданного деформированного состояния в конструкциях и сооружениях допускаютсянагрузки, составляющие лишь часть критических. Отношение критической нагрузки кеё допускаемой величине называется коэффициентом запаса устойчивости:

(4.13)

.

Коэффициент n_y зависит отматериала стержня (рессоры). Его рекомендуемые величины находятся в пределах:для стальных стоек — 1,5¸3;для деревянных — 2,5¸3,5;для чугунных —4,5¸5,5.

Допускаемая нагрузка при расчётах на устойчивость не должнапревышать значения

(4.14)

.

Ниже приводится методика расчета для определения критических(эйлеровых) сил центрально сжатых стержней. Эти формулы справедливы лишь пристатистических нагрузках, вызывающих сжимающее напряжение ниже предела пропорциональностиматериала стержня s_п.Другими словами, применимость этих формул определяется условием:

(4.15)

,

где s_кр —критическое напряжение;

F —площадь поперечного сечения;

Е — модуль продольной упругостиматериала;

 —приведенная гибкость стержня при продольном изгибе;

i_min —наименьший радиус инерции поперечного сечения;

m — коэффициент приведённой длины;

l —длина стержня (рессоры).

В общем случае сжатого монолитного стержня (рессоры) критическаясила определяется как:

(4.16)

,

где J_min —наименьший из главных центральных моментов инерции сечения

l —полная длина стержня;

 —коэффициент критической нагрузки.

Коэффициенты h и m зависят от способа закрепления торцовых ипромежуточных сечений рессоры, характера её нагружения продольными силами,закона изменения сечения стержня по длине.

Для рессор постоянного сечения, нагруженных продольными силами,приложенными к их торцевым сечениям, коэффициент hзависит только от условий закрепления концов рессоры. При сжатии рессоры сэксцентриситетом в пределах упругих деформаций наблюдается сложная нелинейнаязависимость между напряжениями и сжимающей силой. Величина эксцентриситета евлияет на быстроту нарастания деформаций: чем больше эксцентриситет, тебыстрее нарастают прогибы при увеличении сжимающей силы Р.

Рассмотрим рессору, шарнирно закреплённую на концах (см. рисунок4.2).

Если сжимающие силы приложены на концах с эксцентриситетом е,прогиб посредине стержня приближенно равен:

(4.17)

, где

Если сжимающая сила Р стремится к эйлеровой критической силе,, прогиб быстро возрастает. Если дозагружения стержень (рессора) имела начальное искривление, которое приближенно можносчитать синусоидой с одной полуволной и амплитудой f₀,то при действии продольной силы Р дополнительный прогиб посредине будет равен:

(4.18)

В этом случае прогиб также неопределённо возрастает, если сжимающаясила приближается к критическому значению.

Исходя из сказанного выше, применительно к нашей задаче можносказать, что критическая сила для конической консольной балки может бытьвычислена по формуле (4.16) как

(4.19)

Дополнительный прогиб, связанный с начальным искривлением:

(4.20)

(4.21)

Суммарный наибольший прогиб рессоры составит

Напряжения в крайних сжатых волокнах стойки от сжимающейсилы Р и изгибающего момента Р_у будет, согласно [22]:

(4.22)

,

следовательно, прочность стойкиобеспечена.

Данные для расчетов взяты изпрограммы расчета реакций в шарнирах упругих элементов, входящей в пакетпрограмм прикладного моделирования AEngiCAD.

5. Анализрезультатов проведённых исследований

5.1 Программнаяэмуляция работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием на поверхности снеровностями почвы

Как уже неоднократно упоминалось выше, результаты кинематическогои кинетостатического анализа передаются в ПЭВМ с целью построения адекватной моделидвижение колеса по поверхности с неровностями почвы.

Данная программная эмуляция, преследуя определенные и описанныевыше цели, в качестве объектов исследования использует ключевые точки колеса. Вданном случае в их роли применяются координаты точек шарниров упругих элементовкак необходимые и достаточные условия, однозначно определяющие положениекаждого из элементов колеса в пространстве и времени. Более того, для каждой изуказанных точек также измерялись величины реакций, размер деформации упругогоэлемента, величину крутящего момента. В силу громоздкости вычислений иневозможности проверки полученных данных на опытно-экспериментальной моделиостановимся лишь на геометрическом моделировании работы.

Обратимся к рисункам 5.1–5.3. На них в виде графических примитивов,заменяющих элементы колеса, изображены стадии движения колеса при наезде нанеровность. Рассмотрим их подробнее.

На рисунке 5.1 мы видим, что колесо занимает нейтральное положение, ободравноудален от ведомых ступиц, упругие элементы равнодеформируемы. В такомрежиме колесо движется с наименьшими потерями крутящего момента (98%–100% отноминала), не вызывая каких либо перемещений в механизме подрессоривания.

Рисунок 5.2 показывает стадию наезда колеса на неровность почвы,когда высота неровности меньше вертикального хода обода, составляющего 70–90мм, в зависимости от конструктивных параметров.

Зубчатый обод, замененный в программе на окружность соответствующих пропорций,перемещается по вертикали относительно центра вращения самого колеса, приводя вдвижение упругие элементы (треугольники) и ведомые ступицы (прямые линии).Упругие элементы претерпевают деформацию, расширяясь в верхней части колеса исжимаясь в нижней. Колесо движется с небольшими потерями крутящего момента(92%–98% от номинала, по оценочным расчётам программы). Перемещения ведущихступиц укладываются в расчетные. Реакции в шарнирах не превышают максимальнопредусмотренные.

И, наконец, на рисунке 5.3 показан момент максимального перемещенияобода колеса, с максимальной упругой деформацией подрессоривающих элементов.

При этом ведомые ступицы максимально перемещаются вдольнаправляющих, выбирая весь заложенный зазор, упругие элементы испытываютмаксимальную деформацию (до 3/5 от запаса прочности), крутящий момент падает до88%–90% от номинала (однако, так как данный режим работы колеса занимает неболее 1,2–2% от всего времени работы, это не вызывает беспокойства с точкизрения физической реализации движения трактора).

Основываясь на результатах описанного выше моделированияпроцесса работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием, можно сделатьвывод о принципиальной реализуемости идей, заложенных в конструкцию данногоколеса. Однако не следует забывать, что проведенный эксперимент — все лишьмоделирование в машинных условиях, и его результаты обязательно требуютподтверждения экспериментом «в железе».

5.2 Расчетнавесоспособности трактора с ведущим колесом с внутренним подрессориванием

Так как у трактора с опущенной ведущей звёздочкой в связи сувеличением базы и перемещением центра тяжести, возможно, ожидать увеличениенавесоспособности, необходимо произвести расчет навесоспособности по методике,предложенной в ГСКБ ВГТЗ.

Согласно ГОСТ 26817–86 навесоспособность определяется массойгруза, при котором центр масс смещается на 0,2 длины опорной поверхности отсередины опорной поверхности назад. Однако данная формулировка страдаетнекоторыми недостатками. Во-первых, смещение центра масс не вполнехарактеризует способность трактора нести тот или иной вес на большем или меньшемплече с сохранением минимально допустимой нагрузки на передние колёса или каткиходового аппарата. Во-вторых, в вышеприведенной редакции отсутствуют дажеуказания на необходимость определения навесоспособности при различных положенияхцентра масс орудия. А поскольку эти положения для различных операций илиперемещения полезного груза существенно отличаются, то, в зависимости отконструкции ходового аппарата, механизма навески и положения центра масстрактора, превосходство одного положения навешиваемого груза над другим негарантирует его превосходства при расположении груза на другом расстоянии отцентра масс трактора. В этой связи применяемую в ряде испытательныхорганизациях методику оценки навесоспособности, когда максимальный навешиваемыйгруз определяется из условия сохранения контакта передних опорных катков иликолес с поверхностью или максимальной нагрузки на них, следует считать болеерациональной с точки зрения объективной оценки данного свойства.

Вертикальная нагрузка, приложенная к трактору сзади и приводящаяк отрыву переднего катка, определяется из условия равенства нулю суммы моментовот веса трактора и веса навешиваемого груза относительно предполагаемой осивращения остова при опрокидывания трактора назад вокруг оси ведущей звёздочки. Приэтом не учитывается остающаяся неподвижной и не создающая момент часть массытрактора в виде нижней ветви гусеницы, задних опорных катков или, как в нашемслучае, ведущей звездочки.

Минимальная масса груза или орудия, обуславливающая опрокидываниетрактора назад определяется из выражения

(5.1)

,

где М — масса трактора;

х₂ —расстояние от середины опорной поверхности до предполагаемой или фактическойточки опрокидывания, измеренное по горизонтали;

х —горизонтальная координата центра тяжести трактора относительно середины опорнойповерхности;

х₁ —горизонтальная координата центра тяжести сзади расположенного орудия или грузаотносительно середины опорной поверхности.

Подставляя физические параметры реально существующего трактораВТ–100 и проектируемого трактора получим:

длятрактора ВТ–100

М =8060 кг;

х₂= 615 мм;

х =187 мм;

х₁= 3163 мм;

(5.2)

 (кг).

дляконструкции трактора с опущенным на грунт ведущим колесом

М =8060 кг;

х₂= 1150 мм;

х =98 мм;

х₁= 3500 мм;

(5.3)

(кг).

Таким образом, навесоспособность Nопределится, как отношение минимальной массы груза или орудия, обуславливающейопрокидывание трактора назад к массе трактора

(5.4)

длятрактора ВТ–100

дляконструкции трактора с опущенным на грунт ведущим колесом

Увеличение навесоспособности вновь проектируемого тракторапо сравнению с серийным трактором семейства ВТ–100 составит

(5.5)

раза.

Данное увеличение достаточно весомое, что является неоспоримымпреимуществом, так как потребность в тракторах с повышенной навесоспособностью,как уже говорилось выше, в последнее время значительно возросла.

5.3 Расчет угловойжесткости трактора с ведущим колесом с внутренним подрессориванием

Одним из преимуществ новой конструкции, по нашим предположением,должно явиться улучшение характеристик плавности хода, что значительно улучшитьряд характеристик, связанных с условиями работы тракториста.

Параметром, непосредственно влияющим на плавность ходатрактора, является угловая жесткость подвески.

Для определения данного параметра сначала необходимо найтиположение центра тяжести вновь спроектированного трактора. Положение центратяжести (центра масс) гусеничного трактора устанавливают так, чтобы получитьравномерное распределение вертикальных нагрузок по опорным каткам при наиболеевероятном тяговом усилии. Оптимальная координата центра тяжести определяется изформулы

(5.6)

,

где L_г —длина опорной поверхности гусеницы;

h_кр —высота линии тяги над плоскостью контакта колёс с почвой;

Р_Н — номинальноетяговое усилие по типажу;

y —коэффициент перераспределения номинального усилия, равный 1,5¸1,75;

G —эксплуатационный вес трактора (см. рисунок 5.4).

Подставляя размеры конструкции трактора, получим, что центр масс располагаетсяна расстоянии 1223 мм от оси ведущей звездочки.

Найдём угловое перемещение рамы трактора при статической нагрузке(Q=0). Считаем, что жесткость упругих элементовзвёздочки равна жесткости пружин катков, то есть с₁=с₂=с₃.

Находим расстояния от середин подрессоренных отрезков до центрамасс:

 (мм)

 (мм)

 (мм)

Угловое перемещение рамы вычислится из формулы:

(5.7)

,

где G₀ — вес подрессоренной части трактора;

(5.8)

G₀=(0.85¸0.9)G [12]

 (кг)

с_i — жесткость упругих элементов;

l_i —расстояние от упругих элементов до центра тяжести.

Подставляя данные по конструируемому трактору в формулу(5.7) получим следующее:

(5.9)

рад

Найдем величину углового перемещения рамы для случая движениятрактора с поднятым плугом массой Q=600 кг.

Вначале определим координаты смещенного центра тяжеститрактора и новые плечи — расстояния от упругих элементов трактора доцентра тяжести:

(5.10)

где  — горизонтальная координата сзадирасположенного орудия или груза относительно середины опорной поверхности(базы) трактора;

а —смещение центра тяжести;

х —горизонтальная координата центра тяжести трактора относительно середины опорнойповерхности.

Согласно [11], величина горизонтальной координаты сзадирасположенного орудия составит

 мм.

Отсюда:

(5.11)

 мм

Как и следовало ожидать, центр масс сместился по направлениюк ведущей звёздочке.

Следовательно,

 (мм)

 (мм)

 (мм)

(5.12)

Тогда угловое перемещение рамы трактора примет значение, равное:

 рад.

Угловые перемещения трактора с ведущим колесом с внутреннимподрессориванием, опущенным на грунт значительно меньше соответствующихперемещений серийного трактора, что ведет к повышению угловой жесткости машины,приводящей, в свою очередь, к улучшению характеристик плавности хода.

6. Заключение

На основании вышеизложенногоматериала следует ряд общих выводов:

1.      Сравнительныйанализ и сопоставление колесных и гусеничных машин при эксплуатации их втяжелых дорожных, а особенно во внедорожных, условиях показывает преимуществопоследних по таким важнейшим показателям, как проходимость, производительность,манёвренность, тягово-сцепные качества, удобство и надежность работы.

2.    На эффективностьработы гусеничного движителя влияет целый ряд факторов, среди которых расположениецентра масс трактора, тип привода ведущего колеса, форма обвода гусеницы, типленты гусеницы и шаг гусеничной цепи, число опорных катков, а также некоторыедругие.

3.    Среди факторов,влияющих на эффективность работы гусеничного движителя можно выделить конструктивноеположение ведущего колеса трактора и тип его подрессоривания.

4.    Как один изспособов повышения эффективности работы гусеничного движителя предложеноприменить ведущее колесо с внутренним подрессориванием, опущенное на грунт.Предположительно это позволит увеличить базу трактора, навесоспособностьмашины, угловую жесткость машины, характеристики плавности хода.

5.     Патентныйобзор с глубиной поиска до тридцати пяти лет показал, что существующие аналогиконструкций не применяются в силу ряда причин на гусеничныхсельскохозяйственных тракторах.

6.    Кинематическоеисследование предложенной конструкции колеса показало принципиальнуювозможность реализации подобной конструкции. Выведены формулы для определениякоординат точек колеса в любой момент времени.

7.     Анализфизической осуществимости кинематической модели колеса показал принципиальнуюреализуемость данной конструкции с точки зрения кинетостатики. Также рассчитанна изгиб упругий элемент, обеспечивающий подрессоривание колеса. Конструкцияобладает необходимым запасом прочности.

8.    С помощьюсредств автоматизированного проектирования смоделировано движение колеса поповерхности с неровностями. Моделирование подтвердило выводы, сделанные впредыдущих разделах.

9.    Расчетнавесоспособности и углового перемещения рамы трактора показал, что сприменением на тракторе новой конструкции ведущего колеса, улучшается целыйкомплекс параметров, связанный с эффективностью работы.

10.                      Работа также поставила ряд вопросов перед исследователями, выраженные внеобходимости проведения целого ряда расчетов и экспериментов с привлечениемопытных образцов конструкции, следовательно, работа не завершена, она будетпродолжена в дальнейшем и имеет большие перспективы на успех.

Список использованнойлитературы

1.      Всероссийскаясеть распространения правовой информации «КонсультантПлюс»: WEB-страница.—www.consultant.ru

2.    Intellectual prophecy network: WEB-страница.—www.patent.ibm.com/ibm.html

3.    А.С. 821229.СССР, МКИ³ B60 B 9/00. Упругое колесожелезнодорожного транспортного средства со ступицей и обводом/ В.В.Калякин

4.    А.С.933481.СССР, МКИ³ B60 B9/00. Металлоэластичное колесо транспортного средства/ В.В.Кацыгин,В.И.Воронцов, И.Г.Львутин, А.В.Вавилов и А.Н.Орда

5.     А.С.160082.СССР, МКИ³ B62 D9/00. Опорный каток гусеничных машин/ В.Н.Бондарев, В.В.Гриднев, Б.В.Круглов,А.А.Незин

6.    Пат.5125443.США, МКИ³ B60 B9/26. Spring-mounted wheel assembly/ Gil Schwartzman

7.    Пат. 4553577.США, МКИ³ B60 B 9/26. Wheel structure with resilienspokes/ John D.W.Gregg

8.    Платонов В.Ф.Динамика и надежность гусеничного движителя.—М.: Машиностроение, 1973.—232 с.

9.    Антонов А.С.Теория гусеничного движителя.— М.: Машгиз, 1949.—354 с.

10.    Медведев М.И.Гусеничное зацепление трактора.— М.: Машиностроение, 1985.— 268 с.

11.  Анилович В.Я., ВодолажченкоЮ.Т. Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов: Справочноепособие.— 2-е изд., переработ. и доп. — М.: Машиностроение, 1976.— 456 с.

12.БарскийИ.Б. Конструирование и расчет тракторов: Учебник для ВУЗов по специальности«Автомобили и тракторы».— 3-е изд., переработ. и доп.— М.: Машиностроение, 1980.—335с.

13.ПлатоновВ.Ф.,Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колёсные тягово-транспорные машины.— М.:Машиностроение, 1986.—296 с.

14.ГуськовВ.В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов.— М.: Машиностроение,1966.—195 с.

15. Гинзбург Ю.В., Швед А.И., ПарфеновА.П. Промышленные тракторы.— М.: Машиностроение, 1986.—296 с.

16.Мировыедостижения по пахотным гусеничным тракторам и основные направления:Методические указания/ Сост. Мезенцев М.С.—Волгоград: ВолгПИ, 1988.—40 с.

17. Ксеневич И.П. и др. Ходоваясистема—почва—урожай/ И.П. Ксеневич, В.А. Скотников, М.И. Ляско.— М.:Агропромиздат, 1985.—304 с.

18.БарскийИ.Б., Анилович В.Я., Кутьков Г.М. Динамика трактора.— М.: Машиностроение,1973.—280 с.

19.Тракторы.Проектирование, конструирование и расчёт/ Под ред. И.П. Ксеневича. М.:Машиностроение, 1991.—544 с.

20.  Гуськов В.В., КоммисарчукА.М. К вопросу выбора оптимального положения центра тяжести гусеничноготрактора.— В кн. Механизация и электрификация сельского хозяйства, Минск:Вышейшая шкла, 1968, вып.1.— с. 38–39

21.Мацепуро М.Е.,Порошков В.А. Влияние положения центра тяжести и центра давления болотноготрактора на его проходимость и тяговые качества.— В кн. Вопросы земледельческоймеханики. Т. 3. Минск: Гос. изд. БССР, 1960.— с.353-377

22.   Фесик С.П. Справочникпо сопротивлению материалов.— Киев: Будивельник, 1970.—674 с.

23.   Фирма Valtra Vametи её новые тракторы: Отчет/ НАТИ; А.П.Парфенов.—М., 1999.—143 с.

24.   Тракторы фирмы New Holland савтоматическим включением привода переднего моста: Отчет/ НАТИ;А.П.Парфенов.—М., 1999.—96 с.

25.   Будущее трансмиссийсельскохозяйственных тракторов за бесступенчатыми передачами: Отчет/ НАТИ;М.Я.Мининзон.—М., 1999.—136 с.

26.   Забавников Н.А. Основытеории транспортных гусеничных машин.—М.: Машиностроение, 1968

27.   Кушнарёв А.С.Конференция по проблеме уплотняющего воздействия на почву ходовых систем.— М.:Тракторы и сельхозмашины, 1981, № 3.— с.38–39