Оценка конструкций механизмов управления транспортными средствами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

электронное научно-техническое издание

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

_Эя №ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0411000025.1994-040В_

Оценка конструкций механизмов управления транспортными средствами

# 11, ноябрь 2010

авторы: Беляков В. В., Вахидов У. Ш., Куляшов А. П.

УДК 629.032

Нижегородский государственный технический университет

Введение

Степень транспортного обслуживания населения оказывает большое влияние на уровень развития производства, в том числе и сельскохозяйственного, сферы обслуживания, культуры и образования. Вместе с тем прокладка стационарных автомобильных дорог, а также их обслуживание в высокогорных районах, где плотность населения не велика, не является экономически обоснованным мероприятием. Поэтому, наиболее эффективным путём решения транспортных задач в горных условиях является развитие специальной внедорожной техники.

Существующие теории расчёта и принципы конструирования внедорожной техники создавались для применения в качестве снегоходных и болтоходных машин, основное ареал применение которых - Север Европейской части Российской Федерации, а также Север и Восток Сибири. Условия применения техники в данной местности диктовали применения конструктивных решений, направленных в первую очередь на снижение удельного давления на опорную поверхность и повышение клиренса. Анализ условия применения внедорожной техники в горных условиях показал, что данные условия не характерны для горных районов, где эксплуатация машин происходит на до-

вольно твёрдой опорной поверхности, однако обладающей значительным наклоном к линии горизонта, с низкими сцепными свойствами и большим количеством местных препятствий.

Анализ влияния управляемости транспортных средств на проходимость в горных условиях

Повышение сцепных свойств движителя повышает курсовую устойчивость движения машины [1]. Так угол отклонения гусеничного движителя при движению по склону примерно в 2 раза меньше, чем у колёсного. Величина увода транспортного средства с траектории движения может быть описана зависимостью

где I - расстояние от центра масс машины до осей ведущих элементов движителя, £ -коэффициенты сопротивления движению всех элементов движителя, X - коэффициент неравномерности распределения веса машины, связанного с движением на склоне, В -ширина колеи машины, N - количество ведущих осей транспортного средства, а М -общее количество осей.

В ряде работ отмечается, что изменение площади опорной поверхности в случае применения грунтозацепов с переменной шириной или изменения давления в шинах [2,4,6] является одним из перспективных мероприятий, позволяющих предотвращать боковой увод машин, движущихся по склону.

Одним средством повышения мобильности движения вездеходных машин в горных условиях является возможность создание движителем каждого борта разнонаправленных векторов скорости (поворота части движителей относительно друг друга и корпуса. Такая конструкция принципиально может быть использована при любом типе движителя, однако, наиболее широкое распространение она получила на колёсных ма-

(1)

шинах с ломающейся рамой, бортовым поворотом, или обеспечивающей одновременный поворот передних и задних колёс. Принципиальная схема поворота таких машин показана на рисунке 1.

Анализ зависимостей, взятый из работы [4] показывает, что поворот задних колёс оказывает существенное влияние на курсовую устойчивость движения машины и позволяет подбирать такие значения данного угла, обеспечивающие нулевое отклонение от заданной траектории движения, а также резко уменьшить коридор движения. Однако [4] было отмечено, что поворот колёс на угол, равный 0,1 рад. на склоне с крутизной 0,25 рад приводит к росту сопротивления движения на 10%. Величина тягового усилия, связанного с неравномерностью контакта движителя с полотном пути, а также в следствие дополнительных сопротивлений, связанных с неравномерной деформацией элементов движителей может снизиться на 30%. В этих условиях появление дополнительного 10% сопротивления движению может привести к полной потере подвижности транспортного средства. Предельный угол поворота задних частей движителя может быть аппроксимирован уравнением [7]

где R¡, R2 - радиусы поворота соответственно передних и задних колёс, ф1, ф2 - коэффициенты силы сцепления движителя с опорной поверхностью, колёс задней и передней осей, /¡, /2 - коэффициенты силы сопротивления движению соответственно колёс задней и передней осей, dN - запас мощности двигателя, L - база автомобиля.

№ (5 )Т =

ЯМ " /2) +

35,034 + 7736,64^ -1) ' 368,32!

35,034 + 7736,64^ -1) 368,32!

(2)

Я2ОР1 - /1) +

Рис.1. Принципиальная схема изменения радиуса поворота машин классической компоновки и машин обеспечивающих относительный поворот задней оси относительно передней; 1 - центр поворота машин с классической компоновкой; 2 - центр поворота машин с поворачивающимися

задними колёсами

Тогда рациональная величина угла поворота задней части движителя может быть найдена путём определения максимальной величины

№ (е) = тах

V

4 R(е)

(9 - Г (е)) +

35,034 + 7736,64(0^ -1)

368,32L

(3)

или

0

С 2 Л V 9

ле)

0е

0

Л(е)

0е

(4)

где V - скорость движения транспортного средства, связанная с крутизной склона а за-

висимостью V2 =

g (0,5В - Н sin a)cos аЛ(е)

4Н

В - ширина колеи транспортного средст-

ва, Н - высота его центра масс

Л(е) =

L

2(^е + ^х)

где х - угол поворота передней

части движителя, f(е)=f0(tgа+tgz). Тогда взаимосвязь рационального угла поворота зад-

них колёс примет вид

| g(0,5В-Н зта)соза9

Ь

2^е + tgх)\ _ 0 {/^а + tgе)}

0е

0е

(5)

или

g (0,5В - Н sin а) cosаL 8Н

9 Iln|sin(е)| = / 1п|со8(е)|

(6)

То есть рациональная величина подруливания задней части движителя от параметров транспортного средства и угла косогора, по которому осуществляется движение будет иметь вид

|g(0,5В-Нsinа)cosаL 1п|со8(е)| V 8Н 9) = Ш^и)

(7)

е = 3/2

g (Н sin а- 0,5В) cos аЬ

6Н/

(Р

(8)

Решения данного уравнения показаны на рис.3. Полученные данные свидетельствуют, что для каждого транспортного средства имеется очень узкий диапазон параметров опорной поверхности при движении по которой имеет смысл обеспечивать по-

ворот задней части движителя для повышения проходимости.

тт

рад Ц068

0,03^

О

-от

т»

и

ом

о,г

к V К. ч,

ч ч \ . ч

N г^Ч^ > X ч Г^ \ к \ Ч. \ к о/ \ \ Т

п / ¿14 ЧГ< к. ч X X ч 1 к \ N К \

А/ \\\ Ч \ \\ ) \

N Ч V г

Ъм//// / '///////* У///////, '/////////

/ > ?

лР а

О 0,017 0,03Ь 0,051 0,068 0,085 ^

рад

Рис.2. Влияние поворота задней оси движителя на величину его бокового увода и среднеинтегральный коридор движения; 1- угол косогора 0,1 рад; 2 - угол косогора 0,2рад, пунктиром показаны зависимости с выключенным стабилизатором движения машины.

Исходя из вышесказанного наличие ломающееся рамы может быть признано рациональным при движении транспортного средства с небольшой скоростью движения. Зависимость между скоростью движения и величиной наклона склона может быть определено при помощи следующей зависимости

асу ч у2 . /V чч 35,034 + У1736,64(^-1) ^(г) = max =-(^ - f (г)) +---1--, (9)

4 R(s)

368,32L

или

d

f 2 Л Уф

ds

d

R(s) ds

или

d

у2фЬ 2(tgs+ tgx)

d

2f (tgatgs + tg2s + tgstgX + tgatgX)

L

, (11) ds ds

а считая, что передняя и задняя части машины поворачивается на одинаковый угол (X=s) получим

0,06у2 фL2 ln|sins\ = tga(-ln|cos s \) + 2tgs(-ln | cos s \) (12)

или

У <

4

iv

tgaf (-ln cos s\" ) + 2tgs(- ln coss)

фЫ |sin s

(13)

Таким же способом может быть определена и скорость движения машины, оснащённая бортовым поворотом. Решения данного уравнения показано на рисунке 4.

Рис. 3. Зависимость оптимальной величины поворота задней части движителя от угла склона; 1 - для высоты центра масс транспортного средства равной 1,2м; 2 - для высоты центра масс равной 1,5м; 3 - для высоты центра масс равной 1,75м

То есть рациональным способом поворота при работе на склонах шарнирно-сочленённая рама будет только при скоростях ниже 0,25 м/с, а машины, оснащённые бортовым поворотом, в том числе и гусеничные - при скоростях ниже, чем 0,2 м/с. При движении на слабонесущих опорных основаниях, в частности на снегу, сопротивление движения которого достигает величин равных 0,5 - 0,7 минимальные рациональные значения скорости движения данных транспортных средств могут быть повышены до величин 0,5 и 0,4 м/с соответственно.

0.3

СЧ ОДБ (С

К л

5 г.-

I

и

а

= 0.1 л

О 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45

Угол наклона скчона О,, рад

Рис.4 Зависимость максимальной скорости движения по склону;

1 - для машин с ломающейся рамой, 2 - для машин, оснащённых бортовым поворотом

Заключение

Полученные данные свидетельствуют о том, что наиболее рациональным конструкторским решением, обеспечивающим повышение проходимости транспортных средств в горных условиях будет являться схема с поворотными передними колёсами. Дополнительное подруливание колёс задней оси автомобиля будет приводить к опережающему росту сил сопротивления движению, а применение таких конструктивных

решений как бортовой поворот и ломающаяся рама являются оптимальными только для

машин специального назначения, движущихся со скоростями меньше 0,5 м/с.

ЛИТЕРАТУРА

1. Динамика планетохода /Е.В. Авотин [и др.] М.: Машиностроение, 1979. 440с.

2. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981. - 227 с.

3. Проходимость автомобилей: Учебное пособие /Барахтанов Л.В. [и др.] Н.Новгород: НГТУ, 1996.-200с.

4. Льянов М.С. Улучшение эксплуатационных свойств колёсных тракторов за счёт повышения их курсовой устойчивости на склонах. Дис. ... канд. техн. наук : 05.20.03 Ленинград, 1991. - 201с.

5. Беляков В.В., Вахидов У.Ш., Тютьнев А.М. Колёсный движитель машин для ремонта и содержания трубопроводов. Особенности взаимодействия с опорной поверхностью. // «Управление качеством в нефтегазовым комплексом», 2010г. №2, С. 64-66.

6. Wong JY., Preston-Thomas T. On the characterization of the shearsteregsolisplace-ment relationship of terrain //. Journal of Terramech. - 1983. -v. l9,N4,-p.p.225-234.

7. Shukhman S. В., Solovyev V.I. Minimization of power loss of a ftilly-driven wheeled transport vehicle. Vehicle design №1 2004.