CC BY
197
Повышение тягово-сцепных свойств колёсных машин в тяжёлых дорожных условиях
Ю.Г. Горшков, д.т.н., профессор, И.Н. Старунова, к.т.н., А.А. Калугин, к.т.н., М.А. Белоусов, аспирант, Челябинская ГАА
Более 90% грузовых автомобилей имеют колёсную формулу 4 х 2 и в основном снабжены шинами с универсальным рисунком протектора. Казалось бы, что название рисунка «универсальный» говорит само за себя. Однако на твёрдых дорогах он является наиболее экономичным во всех отношениях, а в тяжёлых условиях движения в большинстве случаев совершенно непригоден. На размытых грунтовых дорогах указанный рисунок беговой дорожки про-
тектора шины забивается грунтом, снижая сцепные качества, на заснеженных участках насыщенный рисунок этого типа шин не способен осуществлять достаточные сцепные качества, что также снижает эффективность колёсной машины.
Для повышения тягово-сцепных свойств и проходимости автомобилей и тракторов с колёсной формулой 4 х 2 применяются основные устройства, представленные на рисунке 1 [1, 2].
Повышение мощности двигателя, как правило, приводит к увеличению геометрических размеров самой машины и её общего веса. Увеличение указанных параметров служит основанием к пе-
Рис. 1 - Основные способы и средства снижения буксования и улучшения тягово-сцепных качеств колёсных машин
рерасходу топлива по сравнению с серииными машинами, что оказывает влияние на их общую эффективность [2].
Применение шипов и цепеИ противоскольжения при эксплуатации машин разрушает поверхность дороги, а масса конструкции различных траков может достигать 170 кг, что значительно снижает оперативность их монтажа в сложных дорожных условиях [2, 3].
Использование различных блокирующихся дифференциалов, централизованная подкачка шин усложняют конструкцию колёсных машин, ухудшают их экономичность.
С целью снижения буксования автомобилей и тракторов с колёсной формулой 4 х 2 авторами статьи предлагается противобуксовочное устройство, которое представлено на рисунке 2.
Фигурная накладка 1 состоит из двух частей: накладки с отверстиями и приваренного к ней верхнего штока с резьбой. Отверстия предназначены для крепления с помощью болтов съёмных траков и резиновых накладок с шипами. Регулировочная гайка 3 служит натяжным устройством при монтаже приспособления. Центральное кольцо 5 является центром соединения фигурных накладок в сборе с нижними штоками. Оно является также центральной частью натяжки приспособления.
Исходя из конкретных требований местности по проходимости помимо стального грунтозацепа устройство может быть оснащено лентой противоскольжения (рис. 3) [3], которая аналогично, как грунтозацеп, крепится к горизонтальной пластине фигурной накладки с помощью болтов.
Монтаж приспособления осуществляется перед прохождением труднопроходимого участка пути. При этом ведущее колесо вывешивается (с соблюдением правил техники безопасности) и фигурные накладки устанавливаются на колесо согласно рисунку 4. Натяжка приспособления производится равномерно регулировочными гайками до плотного прилегания фигурных накладок к протектору и боковинам шины колеса.
Основные конструктивные параметры устройства можно обосновать по методике, представленной ниже.
Силу прижатия фигурной накладки устройства к боковине шины колеса определяем из требуемого усилия затяжки резьбового соединения 4:
К ■ Р
Q-зат. = J-Г > Н (1)
Jem ■Z
где К — коэффициент запаса прочности материала штоков и регулировочной гайки (при статических нагрузках К = 1,2—1,3); Р — внешняя нагрузка, прилагаемая к деталям соединения (в соответствии с нормативными документами [4], максимально допустимое усилие, которое необходимо приложить человеку при выполнении физической работы, составляет Р = 300 Н (30 кгс); fcm — коэффициент трения в соединении fcm = 0,3 [4];
i — число поверхностей стыка в соединении (в данном случае, i = 1).
Полный момент от усилия затяжки регулировочной гайки определяем по следующему выражению [4]:
М„ = 2М„, H ■ м,
(2)
где Мр — момент трения в резьбе.
Момент трения в резьбе находится по следующему равенству:
Мр = Язат. ■ Ъ(а + Р) • Н • м, (3)
р
где а — угол подъёма резьбы (а = агс1ъ——);
па2
С2 — средний диаметр резьбы (для расчёта принимаем С2 ~ 10 мм); р — угол трения в резьбе [5]. Значения момента Мр можно использовать при расчёте геометрических параметров болтового соединения.
6
Рис. 2 - Устройство для повышения тягово-сцепных свойств колёсных машин в тяжёлых дорожных условиях: 1 - фигурная накладка; 2 - верхний шток; 3 - регулировочная гайка; 4 - нижний шток; 5 - центральное стягивающее кольцо; 6 - трак (грунтозацеп)
а)
б)
Рис. 3 - Съёмные приспособления для крепления к фигурной накладке:
а) стальной грунтозацеп; б) лента противоскольжения: 1 - полотно ленты; 2 - шип противоскольжения; 3 - отверстия для крепления ленты противоскольжения; 4 - стальной грунтозацеп
Рис. 4 - Общий вид устройства, смонтированного на ведущем колесе автомобиля
С учётом формул (1—3) момент прижатия Мпр фигурной накладки к боковине пневматической шины колеса выразится следующим равенством:
Мпр = взат. ■ + 12 + Н ' М,
(4)
где Ь = (/1+/2+13) — плечи действия усилия затяжки 0зат на фигурную накладку 1, состоящую из длин верхнего штока, регулировочной гайки и нижнего штока (рис. 2) (Ь = 0,122 м). Силу сцепления фигурной накладки с боковинами шины колеса определяем по следующему выражению:
Рсц.бок. взат. /бок.? Н'
(5)
где /бок — коэффициент трения материала фигурной накладки о материал поверхности шины (/бок . = 0,6), при смоченных или грязных поверхностях этот коэффициент может принимать меньшее значение (/бк =0,1—0,6).
Общая сила сцепления РОсц бок для одной фигурной накладки устройства с двумя боковинами шины ведущего колеса найдётся по равенству:
р = р + р
Осц.бок. сц.бок.1 сц.бок.2'
(6)
где Рсц. бок. 1 и Рсц. бок2 - соответственно силы сцепления внешней и внутренней частей фигур-
ной накладки с боковинами пневматической шины, согласно выражению (5). При равенстве усилия затяжки регулировочных гаек выражение (6) примет вид:
Р = 2 ■ Р
Осц.бок. сц.бок.'
(7)
Распределённую удельную силу Руд прижатия фигурной накладки к боковине шины колеса найдём по следующему равенству:
взат. fбок.
Руд = '
£
Н/см2
(8)
бок.
где Sбок — площадь контакта поверхностей фигурной накладки с поверхностями боковин шины колеса (5бок . = 180 см2).
При качении ведущего колеса в случае, когда устройство не находится в контакте с несущей поверхностью, должно соблюдаться условие:
Р
> Р.
Осц.бок.
где Ри — сила инерции устройства [2, 3]:
(9)
Ри =
О ■¥г
где в V
§ ■ К
- масса устройства (вх=2 кг), кг; линейная скорость ведущего колеса, км/ч;
g — ускорение свободного падения ^ = 9,8 м/с2); Як — радиус колеса (0,287 м). В случае когда устройство находится в контакте с поверхностью качения, возникает сила сцепления между горизонтальной плоскостью фигурной накладки и беговой дорожкой шины (протектором).
Эту силу можно найти по следующему равенству:
/пл, (10)
— вес, приходящийся на ведущее коле-кг;
/пл. — коэффициент трения беговой дорожки шины с горизонтальной поверхностью фигурной накладки (этот коэффициент для стали и резины может быть 0,1—0,6). Меньшее значение коэффициента /пл соответствует тому, что между стальной поверхностью пластины и резиной находится вода, грязь и др. Тогда с учётом значений выражений (7) и (10) общая суммарная сила сцепления Р О сц для одной фигурной накладки определится равенством:
Р = О ■
сц.пласт. к
где в
к
со,
Р,
= 2 Р + Р (11)
Осц. сц.бок. сц.пласт/ ^ '
Для четырёх фигурных накладок устройства общая сила сцепления составит 4- Р /асц.. Общая сила сцепления прижатия фигурных накладок устройства РО сц должна удерживать устройство на ведущем колесе во время движения колёсной машины по труднопроходимому участку дороги (грязь, мокрый и глубокий снег, колея и др.).
Отсюда следует, что для обеспечения проходимости колёсной машины, оборудованной пред-
лагаемым устройством, должно выполняться еще следующее условие:
,Н
P
О.сц
> Pp+ Pu,
(12)
где Рф — сила сцепления ведущего колеса машины с несущей поверхностью (Рф = G • ф).
Для обоснования эффективности работы устройства согласно условию (12) были проведены расчёты по формулам (1) — (11) на примере летней шины 175/70 Р13 НК-129 KAMA EURO (рис. 5) легкового автомобиля переднеприводной компоновки, массой 1500 кг [6].
Тогда условие (12) запишем в следующем виде:
Ра,сц= 1785H > F = Рф + Ри = 519,8 H.
Полученное значение общей суммарной силы сцепления фигурных накладок с боковинами шины колеса РО.ц и силы сцепления горизонтальной пластины с поверхностью шины колеса Рсц. пласт превышает значение суммы сил сцепления ведущего колеса с опорной поверхностью Рф и силы инерции Ри (заданное условие (12) выполняется), что позволяет разработанному устройству быть зафиксированным на колесе машины и обеспечивать преодоление труднопроходимого участка несущей поверхности.
п ■
Рис. 5 - Летняя автомобильная шина 175/70 Р13 НК-129 KAMA EURO
На рисунке 6 представлена зависимость силы сцепления фигурной накладки с боковиной шины колеса Рц 6ок. от внешней нагрузки, приложенной к болтовому соединению Р.
На графике (рис. 6) видно, что зависимость между силой сцепления фигурной накладки с боковиной шины колеса Рсц. 6ок. и величиной внешней нагрузки, приложенной к болтовому соединению Р, носит прямолинейный характер.
100 150 200 250 300 Р, Н
Рис. 6 - Зависимость силы сцепления фигурной накладки с боковиной шины колеса Рсц. от внешней нагрузки, приложенной к болтовому соединению Р
Для повышения силы сцепления накладки с боковиной шины колеса можно на внутренней поверхности фигурной накладки выполнить насечку. Это позволит увеличить силу сцепления боковин в несколько раз за счёт большего удельного давления.
Разработанная конструкция устройства позволяет по аналогии с существующими траковыми устройствами повысить тягово-сцепные свойства колёсной машины на 15—20% [2, 3].
Предлагаемое универсальное устройство будет способствовать повышению скоростных возможностей колёсной машины в тяжёлых дорожных условиях на 9—12%, снижению расхода топлива на 5—12% и улучшит условия труда оператора [2, 3, 7].
Оснащение автомобилей и тракторов с колёсной формулой 4 х 2 подобными устройствами особо рекомендуется предприятиям АПК.
Устройство может быть смонтировано в любых дорожных условиях (грязь, колея, глубокий снег, пахота и др.).
Литература
1. Бабков В.Ф. и др. Проходимость колёсных машин по грунту. М.: Автотрансиздат, 1959.
2. Горшков Ю.Г., Дмитриев М.С., Старунова И.Н. Повышение эффективности транспортно-технологических процессов и улучшение условий труда работников АПК за счёт инженерно-технических устройств: монография. Челябинск: ЧГАА, 2010. 291 с.
3. Горшков Ю.Г. Повышение эффективности функционирования системы «дифференциал — пневматический колёсный движитель — несущая поверхность» мобильных машин сельскохозяйственного назначения: дисс. ... докт. техн. наук. Челябинск, 1999. 311 с.
4. Руководство Р 2.2.2006-05 «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда» от 01.11.2005 г.
5. Детали машин и основы конструирования / под ред. М.Н. Еро-хина. М.: Колос, 2005.
6. Каталог шин предприятия «Торговый дом «Кама». URL: http://www.td-kama.com/ru/tyre_catalog^.
7. Горшков Ю.Г., Старунова И.Н., Калугин А.А. и др. Универсальная лента для улучшения сцепных и тормозных качеств пневматических шин // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 12.
