Повышение поворотливости машины с колесной формулой 4х4

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗАВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

Диссертация

на соискание академической степени магистра

Повышение поворотливости машины с колесной формулой 4х4

Специальность: 5А521101- «Автомобили»

На правах рукописи

Соатов Музаффар Муроталиевич

Научный руководитель

доц. Расулов Г.Г.

Ташкент-2011 год

Введение

Автомобильный транспорт является массовым и удобным средством перевозок пассажиров и грузов, обладающим большой мобильностью, хорошей проходимостью и маневренностью, приспособленностью для работ в различных эксплуатационных условиях.

С первых лет независимости, Правительство Республики Узбекистан выбрало путь развития транспортной промышленности, в том числе автомобильной.

Отсутствие в Республике морских портов, экономическая неэффективность воздушных перевозок и ряд других обстоятельств, поставило на первый план развитие собственного автомобилестроения, возрождения транспортного коридора шёлкового пути.

Наглядным примером этого является открытие заводов по производству автомобилей в городах Асака и Самарканде и целого ряда предпрятий по производству комплектующих изделий для легковых и грузовых автомобилей, а также автобусов. На рис.1.1 показана динамика выпуска автомобилей УзДЭУ авто за последние годы.

Сейчас можно с уверенностью сказать, что Узбекистан является производителем автомобилей достаточно с хорошей репутацией не только внутри нашей страны, но и далеко за её пределами.



Рис 1.1 Производство на 2008-2011 годы

В своих научных трудах «Мировой экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана» и других опубликованных трудах, Президент И.А. Каримов поставил конкретные задачи перед автомобилистами по созданию и эксплуатации конкурентно способных автомобилей на мировом рынке [2].

Повышение технического уровня автомобиля, его конкурентоспособности связано с улучшением всех его эксплуатационных свойств, учету при проектировании современных требований активной, пассивной и экологической безопасности автомобиля.

Вопросам повышения поворотливости колесных машин (автомобилей, тракторов и сельхозмашин) уделяется большое внимание. Это связано с тем, что поворотливость машин является важной характеристикой, определяющей способность машины совершать повороты на местности или дороге. Это свойство является весьма важным для армейских машин, так как от этого во многом зависит ее подвижность. Это свойство важно также для обычных автомобилей, эксплуатируемых в городских условиях, так как от этого зависят размеры площадки, отводимые для парковки.

Поэтому поворотливость машины является важным эксплуатационным свойством, улучшение которого является актуальным.

Одной из основных характеристик движения колесной машины является траектория. Колесные машины практически все время движутся по криволинейным траекториям. Это объясняется не только тем, что абсолютно прямолинейных участков дорог очень мало, но, главное, тем, что машине приходится поворачивать с одной дороги или улицы на другую, объезжать препятствия. Движение машины почти всегда происходит под действием внутренних и внешних сил, боковые составляющие которых изменяют или стремятся изменить траекторию движения, а водителю приходится ее корректировать поворотами рулевого колеса.

В теории автомобиля принято выделять условно прямолинейное движение по траектории с кривизной менее 0,001 ... 0,002 м-1 (радиусом кривизны более 1000 ... 500 м), а все остальные движения относить к криволинейным.

По статистическим данным, на грунтовых дорогах от 65 до 75% времени машины движутся по траекториям с радиусами кривизны менее 300-400 м и средними скоростями порядка 15 ... 20 км/ч.

На городских перекрестках, отдельных участках грунтовых дорог и местности скорость машин снижается до 8 ... 10 км/ч и радиусы поворота -- до 20 ... 25 м, а в закрытых помещениях и при разворотах на ограниченных площадках скорость снижается до 2 ... 5 км/ч и радиусы поворота -- до минимально возможных по конструктивным и компоновочным возможностям, т. е. до единиц метров у двухосных машин с короткой базой и 10 ... 15 м -- с тремя и большим числом осей.

Криволинейное движение часто называют поворотом, хотя обычно применяют этот термин в тех случаях, когда траектория движения изменяется по желанию водителя. Свойство машины совершать повороты с максимальной кривизной (минимальным радиусом) на дороге и местности называется поворотливостью. Чем больше кривизна возможной траектории, т. е. чем меньше радиус поворота машины, тем лучше ее поворотливость. Таким образом, основным показателем оценки поворотливости является радиус поворота машины.

Поворот машины характеризуется несколькими радиусами (радиус повороту по переднему наружному колесу, который обычно приводится в технических характеристиках, радиус поворота машины с условно жесткими в боковом направлении колесами и др.). В данной диссертации за расчетный радиус поворота принимается расстояние от мгновенного центра вращения (поворота) до продольной оси машины. Такое определение находится в соответствии с принятыми в теории автомобиля определениями, так как остальные радиусы можно легко найти зная радиус поворота Rn. Поскольку траекторию движения машины принято характеризовать траекторией центра масс, радиусом кривизны траектории считается расстояние от мгновенного центра поворота до центра масс.

Минимальный радиус поворота служит показателем оценки статической поворотливости машины. Этот показатель наиболее важен, но не дает исчерпывающей характеристики поворотливости. В ряде случаев важен не только сам факт поворота машины с определенным радиусом, но и то, за какое время и на какой угол сможет повернуться машина или на сколько снизится ее скорость в процессе поворота в сравнении с прямолинейным движением. Такие данные характеризуют динамическую поворотливость машины.

Исследование криволинейного движения машины ведут в двух направлениях:

-определение и исследование кинематических параметров: траектории, скорости и ускорения движения машины;

-определение силовых параметров: крутящих моментов, продольных, боковых и нормальных реакций колес, а также сил и моментов, возникающих при повороте.

Кинематические параметры дают большую, но не полную информацию о повороте. Полная информация о возможности движения с заданными кинематическими параметрами не может быть получена без определения силовых параметров, характеризующих криволинейное движение машины.

Цель исследования. Целью магистерской диссертации является повышение поворотливости двухосной колесной машины со всеми ведущими колесами. Рассмотрены способы поворота колесных машин с передними поворотными (управляемыми) колесами, колесных машин с бортовой системой поворота, а также двухсекционных сочлененных машин с различными способами создания поворачивающих моментов. Кроме этого, рассмотрены условия устойчивости движения колесных машин с различными схемами поворота.

Повышение поворотливости колесной машины с управляемыми колесами осуществляется за счет увеличения максимальных углов поворота управляемых колес, рационального распределения тяговых - тормозных сил на ведущих колесах и их комбинацией.

Повышение поворотливости двухсекционных сочлененных машин осуществляется выбором сочетаний схем создания поворачивающих моментов.

В диссертации используются методы теоретических исследований и расчетного моделирования поворотливости колесной машины.

Задачи исследований. Для достижения цели диссертации были сформулированы следующие задачи исследований:

-разработка математической модели кинематики поворота управляемых колес с целью определения минимально возможных радиусов поворота машины;

-численный анализ результатов расчетного моделирования поворота управляемых колес и выбор наиболее рациональных параметров рулевого привода;

-разработка математической модели плоско-параллельного движения сочлененной колесной машины для выбора рационального способа создания поворачивающих моментов;

Объект исследований. Объектом исследований является поворотливость колесной машины со всеми ведущими колесами.

Методика исследований. Теоретические исследования, включающие в себя аналитические методы и методы расчетного моделирования с использованием многофакторного планирования экспериментов (расчетов). Теоретические исследования включают в себя решение нескольких задач.

Первая из задач посвящена повышению поворотливости за счет соответствующего выбора параметров кинематики рулевого привода, обеспечивающего поворот управляемых колес на максимально возможные углы. Эта задача сводится к анализу кинематики рулевого привода методами теории механизмов и машин и численным расчетам. При этом решается задача выбора таких параметров рулевого привода, которые обеспечивают максимальные углы поворота колес и необходимое соотношение углов поворота наружного и внутреннего колес. Как известно, соотношение между углами поворота наружного и внутреннего колес должно соответствовать уравнению котангенсов, то есть разница между котангенсами углов поворота наружного и внутреннего колес должна быть равна отношению колеи колес к базе машины (с некоторыми допущениями). Решение задач поворотливости машины проводится с использованием уравнений кинетостатики, что учитывая малые скорости движения является допустимым. Такой подход был обоснован Я. Е. Фаробиным в монографии «Теория поворота транспортных машин».

Следует иметь в виду, что обеспечение кинематической поворотливости является необходимым, но не достаточным условием движения машины по траектории с максимальной кривизной в заданных дорожных условиях.

Второй задачей теоретических исследований является исследование поворотливости двухсекционной шарнирно-сочлененной машины при различных способах создания поворачивающих моментов. Рассмотрены пять вариантов создания поворачивающих моментов, позволяющих уменьшить радиус поворота машины.

Следующей задачей теоретических исследований является определение условий устойчивости движения колесных машин с различными схемами поворота (поворот управляемыми колесами, бортовая схема поворота, поворот складыванием секций двухсекционной сочлененной машины).

Решение этой задачи проводится классическими методами анализа характеристического многочлена уравнений движения машины методом Рауса- Гурвица. Как известно, этот метод не требует вычисления корней характеристического уравнения, что при уравнении 4-го порядка уже представляет определенные сложности.

Диссертация состоит из 3-х глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. В первой главе проведен анализ состояния исследований по повышению статической и динамической поворотливости колесных машин.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям, направленных на повышение поворотливости колесной машины за счет увеличения углов поворота управляемых колес. Получены уравнения кинематики рулевого привода, состоящего из семи звеньев. Анализ результатов расчета проводится методами многофакторного планированного эксперимента.

Третья глава диссертации посвящена исследованиям поворота сочлененной двухсекционной машины, и установлению условий, при которых обеспечивается наименьший радиус поворота. Рассмотрены пять различных комбинаций поворачивающих моментов.

В заключении диссертации приводятся рекомендации по выбору параметров рулевого привода и регулирования соотношения касательных сил на колесах, повышающих поворотливость двухсекционной колесной машины.

колесный рулевой динамический поворотливость

Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Способы поворота колесных машин. Требования, предъявляемые к рулевому управлению

Изменение направления движения колесных машин, в том числе автомобилей, может осуществляться четырьмя способами:

1) поворотом управляемых колес (колес передней оси, колес нескольких осей, колес всех осей);

2) поворотом управляемых осей или управляемых тележек (передней оси, нескольких осей, всех осей или тележек для многоосных машин);

3) складыванием звеньев транспортного средства (так называемый оппозитный способ поворота);

4) бортовым способом (по-гусеничному).

Маневрирование поворотом управляемых колес наиболее распространенное. Расстановка управляемых колес при этом способе зависит от типа и назначения колесной машины (рис. ….а). Вариант а-I с одной передней парой управляемых колес применяется на наиболее распространенных, народнохозяйственных грузовых и легковых моделях машин; вариант а-II со всеми управляемыми колесами (с числом ходовых осей две, три и более) в использовании редок и встречается только на специальных автомобилях («Бюссинг--Наг», «Сарацин» и др.), он позволяет существенно сократить радиус поворота автомобилей; вариант а-III характерен для трехосных автомобилей со сближенными задними осями (чаще всего в этом случае в качестве ходового агрегата монтируется балансирная тележка). Рулевое управление с поворотными колесами достаточно полно удовлетворяет большинству предъявляемых требований. Во всех случаях, когда это допустимо, число пар управляемых колес стремятся выбрать наименьшим: это упрощает конструкцию рулевого управления, повышает устойчивость движения за счет уменьшения люфтов и высокой жесткости привода. Однако, если число пар управляемых колес

Рис 1.1 Способы поворота колесных машин

На рис. 1.1.а.III показаны, для примера, векторы скоростей наружных неуправляемых колес трехосного автомобиля: v-- вектор абсолютной скорости движения колеса v-- скорость движения колеса в плоскости его вращения, v; -- скорость бокового скольжения колеса меньше, чем n -- 1, где n -- общее число ходовых осей, то при повороте неизбежно боковое скольжение неуправляемых колес. Появление скорости v при повороте является нежелательным. С целью снижения бокового скольжения оси неуправляемых колес необходимо максимально приближать друг к другу, уменьшая расстояние lт.

Маневрирование при помощи поворота осей (рис. 1.1, б, I) или тележек (рис. 1.1 б,) относительно центрального шкворня III применяется на специальных колесных вездеходах, называемых транспортерами (ХМ-401 -- США; «Ураган» - Россия и др.). Транспортеры, как было указано ранее , оборудуются широкопрофильными колесными движителями (пневмокатками) и сделать их поворотными из-за компоновочных ограничений не представляется возможным. Как видно из на рис. 1.1 б, II, транспортные средства с поворотными тележками не лишены серьезных недостатков: для них также неизбежно боковое скольжение колес по дороге.

Поворот складыванием звеньев целесообразен для специальных длиннобазных транспортных средств, от которых требуется повышенная маневренность (рис. 1.1 в). К таким транспортным средствам относятся сочлененные машины типа МАЗ-529 (Беларуси), ХМ-437 (США) и др. Угол складывания может доходить до 90°.

Маневрирование по-гусеничному (рис. 1.1 г) производится отключением от ДВС при помощи фрикциона Ф одного из бортов и его торможением тормозом Т с обязательным подводом мощности к другому борту. Этот способ поворота сопровождается большим расходом мощности ДВС, интенсивным скольжением колесных движителей и с точки зрения требований менее всего рационален. Однако в отдельных случаях для короткобазных транспортеров он оправдывается, поскольку приводит к значительному упрощению и удешевлению конструкции машины. Круговой стрелкой НП на рис. 1.1 показано направление поворота автомобиля.

Рассмотрим требования, предъявляемые к рулевому управлению.

На рис. 1.2 показана принципиальная схема рулевого управления (без усилителя). Здесь рулевое колесо / посажено на верхнем конце рулевого вала 2, установленного в рулевой колонке 3. Последняя жестко связана с картером 4 рулевого механизма, картер рулевого механизма закреплен на раме, а рулевая колонка -- в кронштейнах кабины водителя.

Нижний конец рулевого вала соединен с рулевым редуктором. На выходном валу рулевого редуктора посажена сошка 5 на шлицах, которая через продольную тягу 6 соединена с рычагом 7 поворотной цапфы 8. Поворотная цапфа поворачивается вокруг неподвижного шкворня 9, установленного в проушине передней оси 10. Поворот одного колеса вызывает через поворотную трапецию поворот другого колеса.

Для облегчения поворота, а также для обеспечения безопасности движения автомобиля служит усилитель руля.

Для автомобилей с поворотными колесами привод рулевого управления может быть подведен к колесам одной оси, к колесам двух и более осей, к колесам всех осей.

Схема рулевого управления и число управляемых осей определяются назначением автомобиля и условиями его эксплуатации. На автомобилях многоцелевого назначения с колесной формулой 4X4 и 6x6 и народнохозяйственных образцах автомобилей в качестве управляемых преимущественно используется передняя пара колес. Некоторые тактические автомобили иногда оборудуются передней и задней парами управляемых колес.

На многоосных шасси с колесной формулой 8X8 управляемыми выбираются или колеса двух передних осей (вариант МАЗ и др.), или колеса передней и последней осей (вариант б-- ЗИЛ и др.). При одинаковых радиусах поворота вариант а требует больших углов поворота управляемых колес. Это обусловливает необходимость применения шарниров повышенной гибкости, а также рам с небольшой габаритной шириной. В тех случаях, когда по условиям компоновки требуются рамы с увеличенными габаритами по ширине, удобнее применять вариант б.

Рис. 1.2 Схема рулевого управления

В чрезвычайно редких случаях на автомобилях с колесной формулой 8X8 в качестве управляемых применяются все колеса (например, бронетранспортер «Бюссинг-Наг» ФРГ).

По месту установки рулевого механизма на раме различают рулевое управление с левым расположением и рулевое управление с правым расположением. Первый тип рулевого управления применяется при правостороннем движении транспорта, второй тип --при левостороннем движении транспорта. Оба типа рулевого управления, отличающиеся друг от друга местом размещения рулевого механизма, с конструктивно-эксплуатационной точки зрения совершенно одинаковы.

К рулевому управлению предъявляются следующие требования:

-- Обеспечение высокой маневренности автомобилей, при которой возможны крутые и способность быстро повороты на сравнительно ограниченных площадях;

-- Легкость управления автомобилем, оцениваемая величиной усилия, прикладываемого к рулевому колесу ;

-- правильная кинематика поворота, при которой колеса все всех осей автомобиля катятся по концентрическим окружностям (не выполнение этого требования приводит к скольжению шин по дороге, быстрому их износу, излишнему расходу мощности двигателя и топлива);

-- Умеренное ощущение толчков на рулевом колесе при езде по плохим дорогам (при ощущениях на руле толчков водитель быстрее утомляется и снижает безопасность движения).

-- Точность следящего действия, в первую очередь кинематического, при котором любому заданному положению рулевого колеса будет соответствовать вполне определенная заранее рассчитанная крутизна поворота;

-- Высокая степень надежности действия, поскольку в отличие от многих других агрегатов и механизмов автомобиля выход рулевого управления из строя в большинстве случаев заканчивается аварией или катастрофой.

-- Отсутствие в рулевом управлении больших люфтов, приводящих к плохому держанию автомобилем дороги, к его вилянию, особенно при движении на больших скоростях или при движении по ухабистым дорогам.

Первое требование обеспечивается максимально допустимыми углами поворота управляемых колес. Эти углы равняются примерно 35--45° Причем чем больше угол, тем больше места необходимо для разворота колес и уже будет рама автомобиля (или глубже ниши в корпусе). Высокая маневренность автомобиля зависит также от легкости управления. Последняя зависит от величины передаточного числа рулевого управления (чем больше передаточное число, тем легче управлять автомобилем) или от наличия усилителя руля.

Требуемая кинематика поворота зависит от правильного выбора углов наклона и размеров рычагов поворотной трапеции. При этом все же не всегда возможно обеспечить чистое качение колес автомобиля, это зависит от выбранной схемы расстановки ходовых осей и числа управляемых колес (см. «Армейские автомобили. Теория»).

При движении, особенно на местности вне дорог, автомобиль испытывает толчки вследствие наезда колес на неровности. Эти толчки передаются через привод и рулевой механизм на рулевое колесо. Величина толчков зависит от сопротивления в приводе и в рулевом механизме. Можно так сконструировать рулевое управление, что толчки не будут передаваться на руль, т. е. рулевое управление будет необратимым. Однако при этом снижается к. п. д. рулевого управления и уменьшается срок его службы, так как толчки будут жесткие, не амортизирующиеся усилием рук человека. Кроме того, если механизм будет необратимый, то нельзя использовать стабилизацию управляемых колес, т. е. при случайном отклонении от нейтралу они не будут восстанавливать свое первоначальное положение. Поэтому рулевой механизм конструируют на границе самоторможения (необратимости). В этом случае к. п. д. механизма управления достаточно высок, но трение в механизме все же значительное и оно поглощает большую долю энергии толчков. Так как рулевой механизм не обладает полным самоторможением, то при значительной величине бокового импульса, приходящегося на управляемые колеса, водитель не в состоянии их удержать в заданном положении (например в нейтральном при прямолинейном движении автомобиля) и колеса развернутся, в результате чего возможна авария. Это особенно опасно при проколе шин управляемых колес. При наличии усилителя руля колеса развернуться не смогут, даже если на них будет действовать значительный боковой импульс. Усилитель руля не только облегчает труд водителя, но и помогает ему удерживать управляемые колеса в заданном положении. Таким образом, усилитель руля повышает безопасность движения автомобиля, особенно на высоких скоростях.

Усилитель рулевого управления должен осуществлять следящее действие, обеспечивающее пропорциональность усилий и углов поворота между рулевым колесом и управляемыми колесами. Водитель должен чувствовать дорогу: с увеличением сопротивления повороту должно возрастать и потребное усилие на рулевое колесо. Это непреложный закон всех видов механизмов полуавтоматизированного управления.

Люфты в соединениях рабочих деталей рулевого управления неизбежны, но они должны быть ограничены, так как при слишком больших люфтах будет большой свободный ход рулевого колеса и неустойчивое движение управляемых колес.

1.2 Исследования по повышению статической и динамической поворотливости колесных машин

Повышению поворотливости колесных машин посвящены работы зарубежных ученых Я.Е. Фаробина, А.С. Литвинова, Д.А. Антонова, М.Г. Беккера и др. У нас в стране вопросам повышения поворотливости тракторов, самоходных шасси и сельхозмашин посвящены работы, которые проводились в УзИМЭ (С. Базаров, Б. Караматов и др.), ТИИМСХ (И. Маруфов, Ю. Хайруллаев и др.), в ТАДИ (Д.И. Хашимов, Б. Тургунбаев), на ТТЗ ( В.А. Никитин, А. С. Фролов и др.).

Рассмотрение исследовательских работ и патентной информации показывает, что повышение поворотливости машин с управляемыми колесами ведутся в направлении с совершенствования конструкции рулевого управления по увеличению углов поворота управляемых колес, уменьшения размеров ведомых управляемых колес, вплоть до замены их аутригерами, созданием дополнительных поворачивающих моментов за счет притормаживания внутреннего по отношению центра попорота ведущего колеса.

Сказанное выше подтверждается рядом изобретений, к числу которых относится авторские свидетельства Россия №839814, 292647,757372и другие. Патенты Catarpiller Tractor(США)3783966 Daimler Benz (Германия) 3.216.965 и 7916240 Lonsing Begnall Ltd (Британия) 1590335 и другие.

В некоторых работах и изобретениях рекомендуется для уменьшения радиуса поворота осуществлять до поворот забегающего управляемого колеса, например, коррекцией рулевой трапеции. Однако, как показано в работе уменьшение радиуса поворота при до повороте забегающего колеса происходит менее интенсивно, чем при совместном повороте управляемых колес и одновременно резко увеличивается коэффициент использования цепной силы переднего забегающего колеса и задних колес.

Эффективным способом улучшения поворотливости является увеличение угла поворота управляемых колес путем выполнения всех колес управляемыми. Однако, как правило, ухудшается устойчивость движения машины управляемость, из-за возникающих на задних колесах дестабилирующих моментов

Для обеспечения удовлетворительной устойчивости движения, в этом случае, обязательно блокирование привода к задним управляемым колесам при прямолинейном движении и включение поворота управляемых колес с некоторым запаздыванием по отношению к началу поворота передних управляемых колес при покорите машины. Это усложняет конструкцию рулевого привода. Конструктивные решения этого вопроса предлагаются в изобретениях лаборатории рулевых управлений НАМИ, Липецкого тракторного завода (АС 380519 и 677977 ) и других.

Другие недостатком при 4-х управляемых колесах и одинаковых размеров шин передних и задних колес, является значительное уменьшение межбазового, пространства для установки различных орудий.

Наиболее эффективным способом уменьшения радиуса поворота является уменьшение базы машины. Однако, база машины выбирается исходя из большего числа факторов и возможность ев уменьшение, в рамках существующих конструкций, является весьма проблематичной задачей.

Вторая схема - шарнирно-сочлененное шасси получает все большее распространение ( является второе по распространенности ). Шарнирно - сочлененные машины обладают рядом достоинств, по сравнению, например, с тракторами. Рама шарнирно-сочлененной машины практически полностью разгружена от скручивания (благодаря горизонтальному шарниру ). Это позволяет значительно уменьшить массу машины и повысить ее надежность и долговечность. Повышается проходимость и производительность мамины при работе в тяжелых дорожных условиях за счет более полного, чем на трактарах, использования сцепного веса машины

При расположении шарнира по середине базы снижается и энергетическая затрата на поворот машины на деформирующихся грунтах, так как задние колеса движутся по колее передних колес. Следует также подчеркнуть, что машина с шарнирно-сочлененной схемой удобна для унификации и агрегатирования. Секционность машины позволяет сочленять одну и ту же базовую секцию машины, например, моторную секцию шасси, с различным навесным оборудованием. Последнее, очень часто используется при составлении строительно-дорожных машин. Другим важным достоинством схемы является возможность получения высокой поворотливости и хороших тягово-сцепных свойств при выполнении колес передней заднее секции ведущими.

Основным недостатком шарнирно - сочлененных машины считают конструктивные трудности размещения грузовой платформы.

Другим недостатком шарнирно - соленных машин относится снижение запаса устойчивости по опрокидыванию, что может приводить к потери устойчивости одной секции независимо от другой. Особенно ухудшается устойчивости машин у которых рабочее оборудование значительно вынесено за габариты машины. При складывании машины в плане опорный контур уменьшается, что приводит к ухудшению устойчивости машины на поперечном уклоне дороги.

Одной из первых колесных машин с шарнирной рамой является трактор фирмы "Павеси", ( Италия, 1913 г. ), по конструктивной схеме которой подобные машины выпускались до 30-х годов в Италии, Англии и Швеции.

В России шарнирно-сочлененные машины выпускаются по двум схемам. Белорусским автомобильным заводом, Могилевский заводом подъемно -транспортного оборудования, онежским тракторным заводом созданы сочлененные машины, состояние из одноосного тягача и полуприцепа. Санкт-Петербургским и Харьковский тракторными заводами выпускаются сочлененные колесные тракторы К-7ОО, Т 125 и Т 150К.

Большое распространение шарнирно - сочлененные схемы получили на землеройно-транспортных, строительно - дорожных и погрузочных машинах (тягач Д--357М6, погрузчики ТО-17, Т0-18 и другие , Россия).

Комбинирование системы поворота. С целью дальнейшего повышения поворотливости и маневренности тракторов и других колесных машин предложен целый ряд конструктивных решений, представляющих, в большинстве случаев, комбинированные системы поворота машины.

Большой интерес с конструкторов к комбинировании системам поворота подтверждается наличием большого числа изобретений ( авторские свидетельства Россия № 839014, 1092061, патент США 3827517, патент Франции 2221002 патент Германии 314787, патент Италии 0084687 и другие). В первую очередь к этим решениям следует отнести автоматическое притормаживание одного из ведущих колес тракторе (или колесной машины), имеющей управляемые не ведущие колеса. Подобное решение предложено в авторском свидетельстве № 839В14. Притормаживание внутренних по отношению к центру поворота колес применяется и на шарнирно-сочлененных машинах.

Другой комбинированной системой поворота является применение управляемых колес на шарнирно-сочлененных машинах. Это решение, позволяет весьма эффективно повысить поворотливость и маневренность машины ( макетный образец трактора Липецкого тракторного завода). Известны конструктивные решения, когда машина имеет в качестве основной системы поворота бортовую систему (с притормаживанием колес одного из бортов ) и дополнительно управляемые колеса. При движении близком к прямолинейному изменение направления движения осуществляется поворотом управляемых колес. Более значительные изменения траектории движения и маневрирование осуществляется бортовой системой поворота.

Проведенный краткий анализ показывает, что наиболее эффективным путем повышения поворотливости и маневренности колесных машин является применение бортовой или комбинированной системы поворота. В частности, при шарнирно-сочлененной схеме, когда максимальный угол складывания не превышает 30...З50, дальнейшее уменьшение радиуса поворота возможно за счет притормаживания внутренних по отношению к центру поворота колес. Следует отметить, что отключение одной из полуосей колеса секции сочлененной машины обеспечивается применением межколесной муфты свободного хода, например, как у трактора К 700, не является оптимальным, так как при повороте отключаются разноименные колеса передней и задней секций.

Колесные машины с неповоротными колесами (с бортовой системой поворота). Бортевая система поворота позволяет получить минимально возможные радиусы поворота (в пределе - равные половине колеи машины). По этому машины, выполненные по этой схеме обладают наиболее высокой поворотливостью и устойчивостью среди колесных машин.

Известен ряд удачных конструкций колесных тракторов и тягачей с бортовой системой поворота. Английская фирма «Штрауслер» создала компактную конструкцию трактора - тягача с арочными шинами. В России серийно выпускается колесный тягач Д 566, предназначенный для работы с бульдозерным и другим оборудованием. В ВНР выпускается компактный садово-огородный трактор «Мургаш» с бортовой системой поворота.

Анализ патентной литературы показывает, что интерес конструкторов к машинам с этой схемой поворота увеличивается. Так за последнее десятилетие были запатентованы изобретения в США, Германии, Англии, России на колесные машины с бортовой системой поворота

Анализ применяемости различных схем компоновки энергетических средств (самоходных шасси и колесных машин) в сельскохозяйственном производстве, а также в других отраслях производства и строительства, показал, что по способам поворота наиболее распространенным схемами являются следующие:

1) Колесные машины управляемыми колесами (передними или задними).

2) Сочлененные двухсекционные машины (поворот за счет складывания секций).

3) Машины с комбинированной системой поворота.

4) Машины с неповоротными колесами (поворот за счет принудительного изменения соотношения скоростей вращения колес разных бортов).

Критерии статической поворотливости колесных машин

На основе анализа работ, посвященных исследованию поворотливости колесных машин, приняты следующие критерии статической поворотливости.

Минимальный радиус поворота

Приращение удельной силы тяги, потребной при повороте

Коэффициент использования сцепной силы при повороте

Поворотная ширина

Приращение удельной силы тяги, потребной при повороте, определяется как отношение дополнительной силы тяги, развиваемой ведущими колесами к весу машины.

(1.1)

Коэффициент использования сценой силы тяги, потребной для поворота машины, к коэффициент сцепления шин с опорной поверхностью

(1.2)

Где - коэффициент сцепления

Поворотная ширина определяется как разность максимального и минимального радиусов поворота машины:

(1.3)

Выводы по первой главе

1. Повышению поворотливости колесных машин уделялось и постоянно уделяется повышенное внимание исследователей и конструкторов машин, о чем свидетельствуют публикации и результаты патентного поиска.

2. Наиболее распространенным схемами поворота колесных машин являются следующие:

- поворот машины управляемыми колесами (передними или задними).

- сочлененные двухсекционные машины (поворот за счет складывания секций).

- машины с комбинированной системой поворота.

- машины с неповоротными колесами (поворот за счет принудительного изменения соотношения скоростей вращения колес разных бортов.

3. Обеспечение кинематической поворотливости (увеличение максимальных углов поворота колес) является необходимым, но не достаточным условием повышения поворотливости колесной машины. Для обеспечения достаточных условий необходимо, чтобы выполнялись условия достаточности сцепления колес с дорогой и достаточность тяговых сил на ведущих колесах.

4. Поворотливость колесных машин целесообразно оценивать комплексом измерителей.

Глава II. Теоретические исследования по повышению статической поворотливости колесных машин

В качестве объекта исследований выбран макетный образец колесной машины многоцелевого назначения, предназначенный для движения как по дорогам с искусственным покрытием, так и по бездорожью. Колесная машина из компоновочных соображений имеет сложную конструкцию рулевого привода, состоящего из семи звеньев. Ввиду того, что рулевой привод на макетном образце заимствован с другой колесной машины, имеющей другую колесную базу и колею колес, необходимо расчетным путем определить параметры рулевого привода, обеспечивающие заданный в техническом задании радиус поворота. Кроме этого, необходимо проверить соответствие кинематики рулевого привода кинематике подвески колес.

Эта задача имеет самостоятельное значение и не входит в задачи исследований данной диссертации.

2.1 Уравнения кинематики рулевого привода

Расчетная схема рулевого привода макетного образца колесной машины показана на рис. 2.1. Ведущим звеном рулевого привода является звено 3, связанное через продольную тягу (на схеме не показано) с сошкой рулевого механизма. Ведущее звено 3 связано поперечной тягой 4 с «ведущим» звеном правой части рулевого привода.

Уравнения кинематики рулевого привода можно получить методом замкнутых контуров. Однако при этом получаются чрезмерно громоздкие выражения, представляющие некоторые сложности для численного анализа.



Рис. 2.1 Схема рулевой трапеции

Кинематический анализ такой схемы в общем виде представляй значительные сложности. Поэтому учитывая симметричность привода относительно оси “Y” можно задачу кинематическое анализа разбить на три задачи. При решение первой задачи отыскиваться решение (составляются уравнения) для угла поворота наружного колеса (поворот управляемых колес по часовой стрелке) в виде

?н = ?н(?1)

где ?1 -угол поворота ведущего звена рулевого привода.

Вторая задача сводится к нахождению зависимости между углом поворота ведущего звене и углом поворота ?2 (“ведущего звено правой части рулевого привода”) в виде ?2=?2(?1)

Третья задача состоит в нахождение зависимости между углом поворота ?2 и углом поворота ?В внутреннего управляемого колеса; ?н = ?н(?2);Таким образом, при заданном входном угле поворота ведущего звена ?1 находятся углы поворота наружного ?н и внутреннего ?в управляемых колес.

Получение соотношение, легко программируются в программе Excell и не содержат каких либо сложностей.

Дане задача сводится к отысканию таких параметров рулевого привода при которых обеспечивается максимум (?н+ ?в)1/2 и максимум кинематического рассогласования углов поворта ?н и ?в котрый должны удовлетворять уравнению.

BD-ведущие звено привода, поэтому входной величиной является угол ?1. Необходимо найти зависимость между углом поворота ?1 и углом поворота ?н.

Ось “X” направим по линии OB. Для удобства повернем ось “X” на угол

90-?0 где ?0- угол наклона бакового рычага рулевого привода при нейтральном положении управляемых колес. В результате получим схему, показанию на рис

Аналитическое исследование механизма легче всего провести по методу векторных контуров В.А.Зиновьева. Для этого замкнутый контур ОАДВ разобьем два три угольника ОАВ и АВД, проведя вектор “S”,соединявший точки А и В .

Составим векторные равенства для три угольников ОАВ и АВД

l1+s-d=0

l2+s-l3=0

Найдем проекции векторных равенств (1) на оси X и Y



Рис. 2.2 Исходная расчетная схема для нахождения угла поворота наружного колеса (поворот управляемых колес по часовой стрелке) в виде ?н = ?н(?1)

Рис. 2.3 Расчетная схема для нахождения угла поворота наружного колеса (поворот управляемых колес по часовой стрелке) в виде ?н = ?н(?1), при повороте до совмещения с декартовыми осями координат



Рис. 2.4 Расчетная схема для нахождения зависимости между углом поворота ?2 и углом поворота ?В внутреннего управляемого колеса

Из

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Отсюда

(2.5)

Найдем значение из треугольника

(2.6)

Значение S подставим в уравнение для определения угла ?4

(2.7)

Таким образом, при входном воздействии угла поворота ?2 ведущего звена рулевого звена рулевого привода можно вычислить угол ?4, по значении по которою определения угол поворота ?в

?в =?2 -?20

где ?20 - наклон бокового рычага по отношению к продольной оси автомобиля.

Решение второй задачи. Постановка задачи: по известному (задаваемому) углу поворота ?4 ведущего звена рулевого привода найти угол поворота ?5 ведущего звена правой части рулевого привода.

Расчетная схема для этого случая представлена в следующем виде:



Рис. 2.5 Расчетная схема для определения угла ?5 ведущего звена правой части рулевого привода

Пользуясь методом векторных контуров В.А. Зиновьева и проводя преобразования, подобные тем, которые были использованы при определении угла ?4 , получим:

(2.8)

На третьем этапе по задачи значением угла поворота ?5 ведущие с звено для правой части рулевого привода необходимо найти угол поворота ?6

Расчетная схема будет иметь такой же вид это и для левой части рулевого привода.

Расчетная схема будет иметь такой же вид этом для левой части рулевого привода.



Рис. 2.6 Расчетная схема левой части рулевой трапеции

Поэтому сразу можно записать выражение для угла ?6, замена в угол ?2 на угол ?6

(2.9)

Порядок расчета углов поворота управляемых колес

1. Определяется угол поворота ?2 при заданном угле поворота «ведущего звена» ?4 по уравнению (2.5).

2. По полученному значению угла ?4 рассчитывается угол поворота ?5

3. По полученному значению угла поворота ?5 определяется значение угла поворота ?6 .

4. Углы поворота управляемых колес определяются с учетом начальных значений ?2 и ?6



2.2 Выбор критериев оптимизации параметров рулевой трапеции

В существующей практике конструирования рулевых трапеций автомобилей и тракторов используют аналитические, графические, или графо - аналитические методы. Применяя первый метод, приходится выполнять громоздкие вычисления с рядом приближений, а графо - аналитические методы расчета при всей своей наглядности обладают малой точностью.

Известно, что наиболее простой метод правильного подбора элементов трапеции заключается в выборе углов наклона поворотных рычагов. Угол наклона поворотных рычагов выбирают так, чтобы в положении, соответствующем прямолинейному движению автомобиля, направления их пересекались в некоторой точке. Так, по рекомендации акад. Е. А.Чудакова (Конструкция и расчет автомобиля, М. Машгиз, 1947) эта точка должна располагаться на расстоянии 0,7L от передней оси для автомобиля с передними управляемыми колесами. Однако Р.Бюссиен считает, что эта точка должна лежать на задней оси автомобиля (Автомобильный справочник). Имеется и ряд других методов, например, метод Б.Е. Митина (Литвтнов А.С., Ротенберг Р.В., Фрумкин А.К. Шасси автомобиля, 1965 г.). По методу, предположенному Г.Е. Митиным, определяется угол наклона поворотного рычага для максимальных теоретических углов поворота управляемых колес ?н мах и ?в мах по формуле:

(2.10)

Далее, точность кинематики рулевой трапеции проверяют графическим или аналитическим способами.

При определении параметров трапеции, обеспечивающей минимальный радиус поворота машины без скольжения колес, приходится варьировать размерами звеньев трапеции и тем самым многократно преодолевать трудности упомянутых методов расчета. Кроме того, рулевая трапеция автомобиля, имеющего шкворни поворотных кулаков которые не расположены в вертикальной плоскости, будет представлять собой не плоский, а пространственный четырехзвенный механизм. Учет пространственного движения звеньев трапеции еще более усложняет методы расчета. Н.И. Алексиашвили предложил табличный метод определения размеров звеньев трапеции, который лишен некоторых упомянутых трудностей. В основу табличных данных легло следующее уравнение кинематики поворота управляемых колес с учетом пространственного движения звеньев рулевой трапеции автомобиля, имеющей цельную переднюю ось:

(2.11)

где

(2.12)

Особенностью рассматриваемой в работе рулевой трапеции является наличие семи звеньев в ней (вместо четырех), что исключают возможность использования имеющихся рекомендаций. Поэтому выбор параметров рулевой трапеции проводился на основе методики, предложенной в работе [16]. Сущность этой методики заключается в следующем: расчетным путем варьируя параметры трапеции определяются параметры некоторой реальной трапеции таким образом, чтобы на всем диапазоне изменения углов поворота управляемых колес разности между теоретическим необходимыми и углами поворота колес рассчитываемой трапеции была минимальной.

Тогда, критерием выбора параметров рулевой трапеции может служить разность Yk между теоретическим необходимыми углами поворота колес и углами поворота колес при действительной трапеции:

(2.13)

т.е. соответствие углов поворота управляемых колес реальной трапеции /рассчитываемой/ теоретическим соотношениям углов поворота. За критерий оптимальности расчетных вариантов трапеции можно принять величину . При равенстве нулю этой величины рассчитываемая трапеция обеспечивает теоретически необходимое соотношение между углами поворота управляемых колес.

Для определения оптимальных параметров рулевой трапеции были использованы методы теории планирования экспериментов. Для чего составлены уравнения кинематики трапеции и определены исходные данные для расчета ее.

2.3 Построение математической модели рулевого привода методами многофакторного планированного эксперимента

Для определения оптимальных параметров рулевой трапеции использованы методы факторного планирования, позволяющие получать комплексное математическое описание статики исследуемых объектов.

Связь между выходной функцией Yк и входными независимыми управляемыми факторами Xi ? Xn представляется в виде полинома отрезка ряда Тейлора:

(2.14)

В качестве входных независимых факторов приняты величины:

X1- длина поворотного рычага - i в мм;

Х2 - длина крайнего бокового рычага l , мм;

Х3 - длина верхней тяги - r , в мм;

Х4 - угол наклона крайнего бокового рычага- ? , в град.

Х5 - угол наклона поворотного рычага - ?, в град;

Х6 - длина основания трапеции - ? , в мм.

Предельные значения факторов и их диапазон изменений определены графо-аналитическим методом. Принятые значения нулевого уровня, интервала варьирования верхнего и нижнего уровнем факторов приведены в таблице 1. Для облегчения исследования влияния отдельных факторов на параметр оптимизации используем кодированные значения факторов. Верхний уровень фактора соответствует + I , нижний - I, а основное нулю.

Кодированное значение фактора определяется формулой

(2.15)

Таблица 1

Значения уровней и интервалов варьирования переменных

Уровни и интервалы варьирования факторов	Факторы
	X1	Х2	Х3	Х4	Х5	Х6
	мм	мм	мм	град	град	мм
Интервал варьирования	25	55	50	6	2	1
Нижний уровень -I	200	900	412	78	0	1655
Нулевой основной уровень	255	955	462	84	2	1656
Верхний уровень +I	250	1010	512	90	4	1657

где Xj- кодированное значение фактора;

Xj- натуральное значение фактора;

Xjo- натуральное значение основного уровня;

Jj - интервал варьирования;

j - номер фактора.

Интервал варьирования - это некоторое число, своё для каждого фактора, прибавление которого к основному уровню дает верхний, а вычитание - нижний уровень фактора.

Кодирование факторов соответствует переходу к новой безразмерной системе координат с началом в центре исследуемой области.

Переход, от натуральных значений к кодированным, производится

согласно следующим выражениям:

с (2.16)

Для определения рациональных параметров рулевого привода в работе используется полно-факторный эксперимент, матрица которого для шести Факторов приведена в таблице № 1.

Пользуясь таблицей 1, производят расчет коэффициентов уравнения регрессии по формуле

(2.17)

bi коэффициент i -того фактора;

Где: b0 - свободный член уравнения;

bnj - коэффициент при эффектах взаимодействия. Интерполяционная формула аналитического описания связи выходной функции и исследуемых входных факторов X1? X6 , варьируемых на двух уровнях, имеет вид:

y = 0,123096+0,00320746X1+0,057473X2+0,0133192Х3-+0,0508804X4 +0,00847069X5 + +0,00667063X6 +0,00226476Х1Х2 +0,0133654X1X3 -0,011076Х1Х4 -0,0085471Х1Х5 + +0,00755393 Х1Х6 -0.023289Х2Х3 -0,0168879Х2Х4-0,00102704 Х2Х5 +0,0107585 Х2X6 +0,0112966ХзХ4 +0,00251461ХзХ5 -0,00161466X3X6 -0,00099777X4X5+ +0,00542853Х4Х6 +0,00152187Х5Х6 -0,0093892Х1Х2Х6 -0,000984126Х1Х3Х4-+0,0106647Х1Х2Х^ -0,000984126Х1ХзХ4+0,00317763Х1ХзХ5-0,00194076Х1Х3Х6-

- 0,00753Х68Х1Х4Х5+0,00576276Х1Х4Х6-0,00173863Х1Х5Х6-0,0136973X2X3X4-

-0,00469801Х2Х3X5+0,00138438Х2ХзХ6-0,0106352Х2Х4Х5+0,0132 346Х2Х4Х6 +

+0,0092832Х2Х5Х6 -0,00232539X3X4X5+0,00131746X3X4X6-0,00783784X3X5X6+

+0,0083072Х4Х5Х6 -0,0069217Х1Х2Х3X4+0,00227117X1X2X3X5 +0,00141339Х1Х2Х3Х6-

-0,0111028Х1Х2Х4Х5 + 0,0132472Х1X2X4X6 +0,00933507Х1Х2Х5Х6 + 0,00124266Х1Х3Х4Х6 -

- 0,00799542Х1Х3Х5Х6 +0,0044485Х1Х4Х5Х6 - 0,0114807Х2Х3X4X5 + 0,00874800X2X3X4X6 +

+0,000262349Х2ХзХ5Х6+0,0114704Х2Х4Х5Х6-0,00390482Х3Х4Х5Х6-0,00737968Х1Х2Х3Х4Х5 + +0,00896126Х1Х2Х3X4X6+0,0113418Х1Х2Х4Х5Хб+ 0,00395701X1Х3X4X5X6 + +0,00693544X2X3X4X5X6 + 0,00697652X1X2X3X4X5X6 (2.18)

Для проверки адекватности представленных результатов опыта с полученной математической моделью использован шаговый метод.

(2.19)

где : F - критерии Фишера;

Для первого шага:

(2.20)

- значение параметра оптимизации»

Для второго шага:

(2.21)

и т.д.

Значение F табл. получим по статистическим таблицам при соответствующих значениях степеней свободы. Если рассчитанное значение F- критерия не превышает табличного, то с соответствующей доверительной вероятностью модель считаем адекватной.

В таблице также приведены значения параметра оптимизации, полученные расчетным путем. Минимальная сумма квадратов отклонений между предсказанными и расчетными значениями показывает наилучшую аппроксимацию опытных данных.

Полученная математическая модель позволяет определить координаты экстремальной точки, в которой параметр оптимизации будет иметь наименьшее значение, а также даёт количественную оценку степени влияния основных факторов на кинематическую точность трапеции. По величине линейных коэффициентов можно судить о степени влияния отдельных факторов на величину критерия оптимизации. Чем больше величина для соответствующего фактора, тем сильнее его влияние. Важно учитывать также знак этих коэффициентов: если коэффициент имеет положительный знак, то увеличение соответствующего фактора должно способствовать росту значения критерия оптимизации; наоборот, при отрицательном знаке линейного коэффициента увеличение значения соответствующего фактора будет снижать значение критерия оптимизации.

2.4 Поворотливость сочлененного шасси. Определение момента сопротивления складыванию

Для определения момента сопротивления складыванию воспользуемся следующей схемой, рис 2,1

Момент сопротивления повороту при складывании сочлененной колесной машины определяется выражением:

(2.22)

Момент сопротивления повороту при выпрямлении сочлененной колесной машины равен:

(2.23)

Момент сопротивления повороту колес сочлененной колесной машины на месте соответственно для переднее ( Ms1) и задней ( Ms2) секций определяется по формулам:

Ms1 =M1п+M2п (2.25)

Ms2 =M13+M23

где, M1 -момент сопротивления, возникающий в результате трения между опорными поверхностями колес и почвы;

M2 - момент сопротивления, возникающий за счет сдвига почвы боковыми поверхностями колес грунтозацепами.

(2.26)

где, м - коэффициент трения шины

q - давление в зоне контакта шины с опорной поверхностью.

Среднее давление в зоне контакта

(2.27)

где» рш - давление в шине колеса;

z - показатель степени (z-0,8);

A - показатель жесткости {А=1,1).

Момент М2 определяется по эмпирическое формуле:

 (2.28)

где, rk - свободные радиус колеса;

h - глубина колеи;

K- коэффициент, зависящие от эластичности шины

Рис 2.7 Расчетная схема сил и моментов устойчивости на машины при его складывание

2.5 Расчет исполнительных механизмов складывания

Давление в исполнительных цилиндрах поворота определим для двух видов поворотных устройств:

1) поворотное устройство содержит два исполнительных цилиндра (конструкция опорно-поворотного устройства ТТЗ по авторскому свидетельству);

2) поворотное устройстве содержит редуктор червяк-сектор и исполнительный цилиндр Ц-90 ( поворотное устройство управляемого колеса трактора Т28Х4М ).

В начале рассмотрим случай 1.

Схема поворотного устройства показана на рис. 2.2,

где, буквами А и В обозначены точки крепления штоков гидроцилиндров к передней полураме, а буквами С и Д - к задней.

Поворачивающий момент, создаваемый обоими гидроцилиндрами равен:

(2.29)

где, h1 и h2 - плечи приложения сил;

...