Перераспределение нагрузок в динамике между осями колесных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ _АКАДЕМИИ № 2 2016_

МЕХАНИЗАЦИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ

МА ШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 631.37

ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК В ДИНАМИКЕ МЕЖДУ ОСЯМИ КОЛЕСНЫХ МАШИН А. И. БОБРОВНИК, С. Б. ШМАТКО, Р. Ю. МАКАРЕНКО

УО «Белорусский национальный технический университет» г. Минск, Беларусь, 220013, e-mail: bntu@bntu.by

(Поступила в редакцию 25.02.2016)

Для комплексной механизации и автоматизации сельского хозяйства используют тракторы и автомобили, которые должны иметь определенные эксплуатационные свойства. На тягово-сцепные свойства мобильных машин, их управляемость, устойчивость, прочность ходовой системы, разгонные, тормозные, опорные, агроэкологические свойства влияют значения нормальных реакций дороги на задние и передние колеса машин. В связи с этим представляет интерес анализ зависимости нормальных реакций дороги на колеса трактора и автомобиля при движении от конструктивных и эксплуатационных факторов. Особую актуальность приобретает вопрос точного определения нормальных реакций в связи с повышением мощности «БЕЛАРУС» тягового класса 5,0 до 223 кВт (303 л.с.), оборудованных электронной системой управления задним и передним навесными устройствами, а также неуклонным повышением грузоподъемности транспортных и самосвальных автомобилей. Впервые предложено определение нормальных реакций дороги на передние и задние колеса транспортного средства от ведущего моста c учетом реактивного момента. Его направление зависит от конструкции конечной передачи. Расчет выполнен для кинематической схемы трактора «БЕЛАРУС» с колесной формулой 4x2, 4х4 класса 1.4-5.0. Приведены результаты экспериментальных исследований машинно-тракторного агрегата при неравномерном движении трактора с изменением величины нагрузки на колеса, изменяющейся в значительных пределах. Экспериментальные исследования торможения энергонасышен-ного трактора «БЕЛАРУС 3522» с включением переднего ведущего моста.

Ключевые слова: колесные машины, ось, динамика, перераспределение нагрузки.

For comprehensive mechanization and automation of agriculture they use tractors and trucks, which must have certain performance characteristics. Traction characteristics of mobile machines, their controllability, stability, durability of chassis system, acceleration, braking, supporting, agro-ecological properties depend on the values of normal reactions of the road to the front and rear wheels of machines. In this connection it is interesting to analyze the dependence of normal reactions of the road to the wheels of the tractor and vehicle when driving on the design and operation factors. Especially important is the question of precise definition of normal reactions due to upgrading the power of "Belarus" of traction class 5.0 up to 223 kW (303 hp) equipped with electronic rear and front hitch control system, as well as the steady increase in load capacity of transport and tipper vehicles. For the first time we have suggested the definition of normal reactions of the road to the front and rear wheels of the vehicle from the leading axle, taking into account reaction moment. Its direction depends on the final drive construction. The calculation has been performed for the kinematic scheme of "Belarus" tractors with wheel formula 4x2, 4x4 of class 1.4-5.0. We have presented results of experimental research into machine-tractor unit at non-uniform motion of the tractor with considerable change in the load on wheels. We have conducted experimental research into the braking of high-power "Belarus 3522" tractor switching on the front leading axle.

Keywords: wheel machines, axle, dynamics, load redistribution.

Введение

При движении колесных машин происходит перераспределение нагрузок между осями, которое зависит от параметров транспортного средства, а также от условий и характера его движения. Указанное перераспределение происходит как в продольной плоскости между передней и задней осями автомобиля, так и в поперечной плоскости между левыми и правыми колесами [6, с. 69]. В поперечной плоскости учтен реактивный момент, равный по величине вращающему моменту двигателя и направленный ему в противоположную сторону. Выполненные для автомобиля ГАЗ-51 расчеты показали, что разность нагрузок на левые и правые колеса на первой передаче невелика - 60 кг [6, с. 71]. В продольной плоскости изменение реакций на колеса, определенные без учета реактивного момента на задней оси для автомобилей с базой 2,5-4,5 м и при коэффициенте сцепления 0,4-0,6 составило 30 %. Конструктивные параметры машины также оказывают влияние на перераспределение нагрузок между передними и задними колесами. Чем короче продольная база машины и чем выше у нее расположен центр тяжести и условная точка прицепа, тем при равных внешних условиях резче происходит перераспределение [5, с. 76]. При ускоренном или замедленном движении трактора на него действуют веса отдельных частей трактора и агрегатируемой с ним машины, силы инерции агрегата и моменты касательных сил инерции вращающихся масс трактора и агрегата в целом, тяговое сопротивление сельскохозяйственной машины, сопротивление воздуха и реакции грунта на движитель. Уменьшение нагрузки на передние колеса отрицательно сказывается на его управляемости и продольной устойчивости. Для перераспределения нагрузки между осями трактора в продольной плоскости применяют корректоры нагрузок, рабо-

тающие, как правило, при высотном регулировании глубины хода сельскохозяйственного орудия. Наибольшее распространение получили корректоры нагрузки на ходовую часть колесных тракторов как догружатели ведущих колес или увеличители сцепного веса [1, с. 509]. Внешние силы и моменты, действующие на многоосный автомобиль с несколькими ведущими осями без учета реактивного момента определены в работе [2, с. 42]. Если два задних колеса объединены в балансирную тележку, подвешенную к раме, то заменяя реакции колес тележки на одну суммарную силу, могут быть найдены реакции на колеса. Если же задние колеса трехосного автомобиля подвешены независимо одно от другого, то задача решается как для многоосной машины.

Впервые для большегрузного карьерного самосвала, оснащенного самыми последними техническими достижениями автотракторостроения, разработан алгоритм системы загрузки кузова с учетом реактивного момента [4, с. 65]. Вес подрессоренной массы воспринимается гидропневматическими цилиндрами и жесткими центральными шарнирами направляющего аппарата. При движении автомобиля с короткой базой, выполненной для уменьшения радиуса поворота, вследствие действия реактивных моментов весовая нагрузка существенным образом перераспределяется между указанными элементами, а следовательно, между осями транспортного средства. В тяговом режиме нагрузка на цилиндры задней подвески снижается и соответственно увеличивается на центральный шарнир. Силовое действие реактивного момента передается на подрессоренную массу и приводит к перераспределению нагрузок на подвески самосвала. В реактивном контуре заднего моста формируются усилия, образующие пару сил и действующие в центральном шарнире. Значение параметра реактивного момента для карьерного самосвала изменяется в широких пределах и определяется величиной текущих параметров тягового электропривода колес. Эксплуатационные испытания показали, что при движении на подъем большой крутизны 7-12 % и при интенсивных разгонах самосвала доля реактивной силы может достигать 10-25 % веса груза [4, с. 70].

Основная часть

Нормальные реакции дороги [8, с. 50] рис 1. на колеса трактора могут иметь разные значения в зависимости от внешних сил и моментов, действующих на машину во время работы. Из [8, с. 51]: Yn ■ (L + ап) + Y ■ ак + G ■ sina • h + p ■ h + P■ cos ■ H^ - G ■ cos a ■ a = 0,

где G - вес трактора, кгс; Pj - суммарная сила инерции, возникающая при неравномерной скорости движения трактора, кгс; PKP - тяговое сопротивление, кгс; Yn - нормальные реакции дороги на передних колесах, кгс; YK - нормальные реакции дороги на задних колесах, кгс; L - продольная база трактора, м; a - продольная координата центра тяжести, м; h - вертикальная координата центра тяжести, м; an - смещение точки приложения силы реакции дороги на передних колесах, м; аК - смещение точки приложения силы реакции дороги на задних колесах, м; hKP - высота условной точки прицепа над поверхностью пути, м, определенная с учетом угла, под которым тяговое сопротивление направлено к поверхности пути, и угла наклона поверхности.

Касательная сила тяги трактора PK определяется из формулы:

м „ м„

Рк = (— + —) + Pj+ G ■ sina + Pw + PKP,

ГК rn

где гк и гп - радиусы качения задних и передних колес, м.

При подсчете нормальных реакций Yn и YK необходимо среди действующих внешних сил учитывать также силу сопротивления воздуха PW, приложенную в центре парусности, находящемся на высоте hW от поверхности пути, а также дополнить правую часть MP реактивным моментом, действующим на остов относительно задней оси, равный крутящему моменту. После преобразования получим:

G■ (cosa^L + sina^h-cosa^a) + PKP ■ (sin^ ■ L + cosfKP ■ hKP) + p ■ h + Pw ■ hw + Mp + Mf

Yk = L ■

Результаты расчета выполнены для условий: G=3000 кгс; a=0,815 м; h=1 м; PKP=1400 кгс; hKP=0,4 кгс; 1кр=0,5 м; укт=0 °; Pw=0 кгс; hW=0 м; L=2,445 м; гк=0,735 м; Гд=0,5 м; а=20 °.

При j=1 м/с2: без реактивного момента: YK=3536,6 кгс, Yn=-536,6 кгс; с реактивным моментом соответственно: YK=2123,7 кгс, Yn=876,3 кгс. При j=0 м/с2: YK=1798,6 кгс, Yn=1201,4 кгс.

Анализ движения транспортных агрегатов показывает, что для тракторов «БЕЛАРУС» тяговых классов 1,4-5,0 реактивный момент в продольной плоскости относительно оси задних колес может иметь различное направление в зависимости от схемы конечной передачи и режима движения.

Во время движения машинно-тракторного агрегата по опорной поверхности при быстром включении муфты сцепления трактора класса 1,4 может происходить поворот остова трактора относительно оси задних колес. Опасность полного опрокидывания возникает в том случае, если двигатель за соответствующий промежуток времени производит работу, достаточную для преодоления момента сопротивления от присоединенной сельскохозяйственной машины и поворачивания остова на угол, при котором центр тяжести трактора будет находиться в вертикальной плоскости, проведенной через геометрическую ось ведущих колес. Если работа двигателя недостаточна, то вращательное движение остова прекратится и остов вернется в исходное положение [8, с. 254] (рис. 1б).

Рис. 1а. Внешние силы, действующие на трактор в продольной плоскости в общем случае движения

Рис. 1б. Схема продольного опрокидывания агрегата вокруг оси задних колес: Мк - крутящий момент, приложенный к остову трактору; R - сопротивление повороту от присоединенной к трактору сельскохозяйственной машины; Go - сила тяжести навесного агрегата за вычетом силы тяжести ведущих колес и связанных с ними деталей, остающихся неподвижными при вращении остова вокруг оси ведущих колес; l - плечо силы относительно оси ведущих колес; фо -начальное значение угла, определяющее положение остова трактора; во - угол наклона опорной поверхности; у - текущее значение угла поворота остова трактора

Устойчивость к опрокидыванию оцениваем по двум показателям: времени поворота остова трактора относительно оси задних колес и возможному снижению частоты вращения коленчатого вала. Опрокидывания не произойдет, если время поворота остова на указанный угол больше времени на возможное его предотвращение, равное сумме времени реакции водителя (1,0-5,0 с), времени на переключение механизма (0,1-0,8 с), и времени срабатывания исполнительного механизма (0,5-2,5 с), или если угловая скорость коленчатого вала двигателя будет меньше его допустимой угловой скорости. Расчеты показали, что время поворота остова трактора на первой передаче при продолжительности включения муфты сцепления 0,1-1,0 с составляет 0,6-1,2 с, что значительно меньше времени на возможное предотвращение опрокидывания (рис. 2а). При разгоне на более высоких передачах мощности двигателя недостаточно для поворота остова трактора на критический угол. При экспериментальном исследовании машинотракторного агрегата использовалась тензометрическая аппаратура и специальные приспособления. Нагрузку на переднюю ось измеряли специальным тензометрическим звеном, монтируемым вместо обычного пальца (рис. 26).

Рис. 2б. Тензометрическое звено передней оси: 1 - разъем; 2, 3 -

втулки; 4 - отверстие для штифта; 5 - труба передней оси; 6 - ось

„ ~ 0 , качания; 7 - брус передней оси; 8 - заглушка

Рис. 2а. Зависимость времени 11пов и угла поворота ^ ' 7

остова трактора а от продолжительности включения муфты сцепления 1м при достижении коленчатым валом минимально допустимой угловой скорости вращения

При разгоне тракторного культиваторного агрегата наблюдается перераспределение нагрузки по осям. При быстром включении муфты сцепления нормальная реакция на направляющие колеса быстро приближается к нулю и соответствует по времени наибольшему продольному ускорению трактора, затем нормальная реакция увеличивается. При холостом ходе трактора наименьшее значение коэффициента нагрузки передних колес трактора на 5 передаче достигало 0,07-0,09, а на 6-8 передачах наблюдалась полная кратковременная разгрузка передней оси трактора [3, с. 87]. При этом максимальная разгрузка передней оси по времени совпадала с максимальными моментами на ведущих задних полуосях трактора и наибольшими значениями ускорений. Величина коэффициента динамично-

сти на полуосях повышается с уменьшением времени включения муфты сцепления. Средние значения ускорения и буксования при разгоне увеличиваются с повышением момента сопротивления агрегата. Для выполнения энергоемких сельскохозяйственных работ общего назначения, основной и предпосевной обработки почвы, посева зерновых и других культур в составе широкозахватных и комбинированных агрегатов, уборочных работ в составе высокопроизводительных комплексов по заготовке кормов, уборке зерновых культур, транспортных и погрузочных работ разработаны и освоен серийный выпуск тракторов «БЕЛАРУС 2522/2822/3022» с двумя ведущими мостами, базой 2,96 м при общей длине 6,15 м. Для сравнения у Fendt 936 при собственной массе 10,9 т габаритная длина 5,65 м, а колесная база 3,05 м при мощности двигателя 265 кВт (360 л. с.)

Конечные передачи заднего моста - планетарные передачи с двухвенцовыми сателлитами и плавающими коронными шестернями, установленными в проточках рукавов заднего моста. Передний ведущий мост (ПВМ) также содержит планетарные колесные редукторы, соединенные с центральным редуктором полуосевыми валами и сдвоенными карданными шарнирами. В исходном положении привод ПВМ отключен, фрикционная муфта включения соединена со сливом, на электромагнит распределителя напряжение не подается. Отключение привода ПВМ происходит автоматически при повороте направляющих колес на угол свыше 25±2° или при скорости движения свыше 18 км/ч. Автоматическое включение привода ПВМ независимо от заданного режима, в том числе и в режиме «отключено» происходит при нажатии на сблокированные педали тормозов трактора [9, с. 131].

Для определения фактических моментов, передаваемых ПВМ в различных условиях работы трактора ОАО «МТЗ» проведены экспериментальные исследования переднего ведущего моста 3522-2300010-Б в составе трактора «БЕЛАРУС-3522. ПВМ укомплектован специальными полуосевыми валами 3522-2301067-Б с тензодатчиками моментов и узлом приема сигнала от датчиков. Трактор имел омолагационную комплектацию шинами, отличную от серийной. Передние шины трактора фирмы Мitas 600/65R34, задние - фирмы Continental 650/75R42. Трактор был укомплектован передним навесным устройством, передним балластом массой 1350 кг, пропорциональным клапаном включения привода ПВМ с законом включения, соответствующим серийному трактору «Беларус-3522». Теоретическое распределение эксплуатационной массы по мостам серийного трактора «Беларус-3522» составляло7600 кг на ПВМ и 6000 кг на задний мост (ЗМ).

Методикой испытаний предусматривались режимы, имитирующие выполнение транспортных работ на дорогах с твердым покрытием: экстренное торможение при равномерном движении трактора со скоростью 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 км/ч. Тормоза прогретые; Экстренное торможение при равномерном движении трактора со скорости 20 и 35 км/ч с пропорциональным законом включения клапана муфты привода. ПВМ. Экстренное торможение при равномерном движении трактора со скоростью 15, 20 и 30 км/ч. ПВМ включен принудительно. При движении трактора и последующем торможении крутящий момент меняет знак и от -1000 Нм за 0,5 с увеличивается до 6300 Нм, затем за 1 с уменьшается до нуля, а в дальнейшем носит колебательный характер в течении 2 с. Среднее замедление составило 3,6 м/с2, а сила инерции поступательно движущейся массы трактора не менее 4500 кГ. Торможения осуществляли посредством «резкого» нажатия на сблокированные педали левого и правого тормоза, таким образом, что бы происходил «срыв» передних и задних колес на юз. Таким образом достигались максимальные пиковые моменты на сдвоенных карданных шарнирах. Также режимы испытаний имитировали выполнение полевых работ. Максимальные моменты на полуосевых валах, полученные в результате проведения испытаний согласно методике, приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1. Имитация нагружения трактора при выполнении транспортных работ на асфальте

Режим испытаний Скорость, км/ч Максимальный момент, Нм Примечания

1. 1 Экстренное торможение при равномерном движении трактора. Тормоза прогретые 10 4738 Поверхность дороги мокрая

15 6050

20 6216

25 6639

30 6298

35 6741

40 6380

1.2 Экстренное торможение при равномерном движении трактора с пропорциональным законом включения клапана муфты привода ПВМ. Тормоза прогретые 20 2061 Поверхность дороги сухая

35 3496

1.3 Экстренное торможение при равномерном движении трактора. ПВМ включен принудительно 15 6395 Поверхность дороги сухая. Потеря устойчивости машины

20 6358

30 5572

1.4 При повороте колес ПВМ на угол до 25 Разгон и экстренное торможение ПВМ включен принудительно 9-10 5729 Поверхность дороги влажная. Потеря устойчивости машины

1.5 При повороте колес ПВМ на угол до 25 ° при равномерном движении трактора. Экстренное торможение ПВМ выключен 10-12 5732

9 4812

Буксование задних колес получали путем принудительного заглубления 8-микорпусного необоротного плуга Kvemeland при пахоте. При этом задние колеса трактора зарывались до момента перераспределения нагрузки с ЗМ на заднее навесное устройство (ЗНУ). Затем плуги приподнимались так, чтобы передние 2-4 лемеха частично находились в грунте. Измерения производились с использованием мобильного измерительного усилителя Spider 8, к которому были подключены выходные сигналы измерителя крутящего момента на полуосевых валах ПВМ (2 шт.); датчика давления масла в магистрали муфты привода ПВМ; механизма срабатывания тормозной педали; импульсных датчиков частоты вращения зубчатых шестерен конечных передач левого и правого задних колес; тока электромагнитного клапана включения муфты привода ПВМ. Измеритель крутящего момента ТТ01МТЗ, установленный на полуосевых валах 3522-2301067-Б, выполнен на базе доработанного тензоусилите-ля телеметрического ТТ01 и предназначен для усиления, преобразования и бесконтактной передачи на измерительный прибор сигналов от тензорезисторов, расположенных на полуосевых валах, от бортовой сети постоянного тока с напряжением 12V (от 10 до 30V).

Т а б л и ца 2 . Имитация нагружения трактора при выполнении полевых работ

№ п/п Функциональное назначение опыта Полученный момент, Нм

дискретный закон пропорциональный закон желаемый результат

1 Режим «Пахота» 4583 - -

2 Выезд из ямы передний ход 4373 4996 4000

3 Выезд из ямы задний ход 5803 4520 4000

4 Выезд из ямы передний ход колеса влево 5276 - -

5 Выезд из ямы передний ход колеса вправо 4278 - -

6 Выезд из ямы задний ход колеса влево 4364 - -

7 Выезд из ямы задний ход колеса вправо 4076 - -

8 Торможение мост изначально включен 6171 - -

9 Торможение мост изначально выключен 7180 4076 Достигнут

В ходе проведения испытаний на режимах экстренного торможения трактора производилась отработка пропорциональных законов включения клапана муфты привода ПВМ. Отработанные пропор-циональные законы управлением давления во фрикционной муфте привода ПВМ позволили снизить моменты на полуосевых валах ПВМ до 3939 Н-м (в 1,7 раза) при экстренном торможении трактора со скорости 35 км/ч. При проведении режимов экстренных торможений трактора, при дискретном законе управления клапаном включения муфты привода ПВМ, задние колеса полностью теряли контакт с поверхностью дороги в конечной стадии торможения. При применении пропорциональных законов управления такого эффекта не наблюдалось. Реактивный момент, действующий на передний ведущий мост, будет равен сумме моментов, замеренных на полуосях, умноженный на характеристику планетарного ряда колесного редуктора, равную 6,545. Максимальная догрузка моста в сравнении с значением в статике составляет около 4 т.

Заключение

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при движении колесных машин происходит перераспределение нагрузок между осями в продольной плоскости, которое зависит от параметров транспортного средства, а также от условий и характера его движения. Конструктивные параметры машины также оказывают существенное влияние на перераспределение нагрузок между передними и задними колесами. Чем короче продольная база машины и чем выше у нее расположен центр тяжести и условные точки прицепа, тем при равных внешних условиях резче происходит перераспределение. Уменьшение нагрузки на передние колеса трактора с задним ведущим мостом отрицательно сказывается на его управляемости и продольной устойчивости. Для энергонасыщенного трактора с двумя ведущими мостами и короткой базой движение в режиме экстренного торможения приводит к возникновению значительных динамических нагрузок в приводе переднего ведущего моста, возможному нарушению продольной устойчивости, что требует поиска новых решений по плавному подводу ведущего момента к переднему мосту.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анилович, В. Я. Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов / В. Я. Анилович, Ю. Т. Водолаж-ченко. - М.: Машиностроение, 1955. - 520 с.

2. Армейские автомобили. Теория / А. С. Антонов [и др.]. - Л., 1967. - 502 с.

3. Бобровник, А. И. Совершенствование процессов внесения удобрений на основе рациональных приводов машин / А. И. Бобровник. - Минск, 1999. - 409 с.

4. Бусел, Б.У. Механико-математические основы алгоритма работы системы контроля загрузки карьерного самосвала / Б. У. Бусел, М. М. Заболоцкий // Современные проблемы проектирования автомобилей. - Минск: БНТУ, 2015. - 123 с.

5. Гуськов, В. В. Тракторы / В. В. Гуськов. - Минск: Вышэйшая школа, 1977. - 382 с.

6. Зимелев, Т. В. Теория автомобиля / Т. В. Зимелев. - М.: Машиностоение, 1957. - 155 с.

7. Скотников, М. А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля / М. А. Скотников, А. А. Мащенский, А. С. Солонский. - М.: Агропомиздат, 1986. - 383 с.

8. Чудаков, Д. А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля / Д. А. Чудаков. - М.: Колос, 1972. - 384 с.

9. Усс, И. Н. Тракторы «БЕЛАРУС 2522В/2522ДВ/2822ДВ/2822ДЦ/3022В/ 3022ДВ» и их модификации / И. Н. Усс, А. В. Рунов. - 2008. - 395 с.