Выбор оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф трактора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Михайлин, Иван Александрович

• Михайлин, Иван Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михайлин, Иван Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ назначения углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф.

1.2. Влияние углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф на эксплуатационные параметры колесной машины.

1.3. Существующие методы определения необходимых углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф.

1.4 Задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ УГЛОВ УСТАНОВКИ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС И ШКВОРНЕЙ ПОВОРОТНЫХ ЦАПФ ТРАКТОРА.

Щ 2.1. Общий подход к решению задачи выбора параметров оптимизации.

2.2. Описание плоскости управляемого колеса.

2.3. Математическая модель движения трактора 4К2а при повороте.

2.4. Влияние углов установки управляемых колес на сопротивление движению колеса.

2.5. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛАСТИЧНОГО КОЛЕСА.

Г 3.1. Объект исследования, испытательный стенд, методика проведения испытаний и обработка их результатов.

3.2. Анализ результатов экспериментальных исследований.

3.3. Определение коэффициентов увода по результатам анализа экспериментальных исследований.

3.4. Определение упругого стабилизирующего момента управляемых колес по результатам анализа экспериментальных исследований.

3.5. Выводы.

4. ВЫБОР УГЛОВ УСТАНОВКИ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС И

ШКВОРНЕЙ ПОВОРОТНЫХ ЦАПФ ДЛЯ УНИВЕРСАЛЬНО

ПРОПАШНОГО ТРАКТОРА.

4.1. Маневренность трактора.

4.2. Управляемость и устойчивость трактора.

4.3. Сопротивление движению трактора.

4.4. Выбор оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф трактора.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф трактора»

В настоящее время область применения тракторов в народном хозяйстве весьма значительна. Их используют в сельском хозяйстве, на дорожных и строительных работах, в коммунальном хозяйстве, а также во многих других отраслях хозяйственной деятельности. При этом колесные тракторы значительную часть времени используются на транспортных работах.

В сложившейся экономической ситуации, когда появляется все больше мелких частных хозяйств, способность тракторов выполнять транспортные работы приобретает дополнительную ценность. Мелкие предприниматели не могут позволить себе большой парк машин, а объем перевозок в таких хозяйствах относительно невелик. В свете этих причин многоцелевые возможности тракторов особенно актуальны.

Одним из мало изученных вопросов конструирования колесных тракторов является задача выбора углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф. Этот вопрос чаще всего рассматривался применительно к автомобильной технике [1-23], однако полностью на сегодняшний день не изучен. В настоящее время не существует общепринятых методик расчета данных углов, а их значения при создании новых образцов колесных машин определяются по хорошо зарекомендовавшим себя аналогам с последующей экспериментальной доводкой. Проведение же экспериментальных исследований требует существенных материальных и временных затрат. Вследствие этого разработка методики определения рациональных значений выше описанных углов имеет важное теоретическое и практическое значение и является актуальной научной задачей.

Основным отличием условий эксплуатации трактора от автомобиля является его использование на тяговых работах, а также многофункциональность. При этом необходимо отметить, что характеристики тракторных шин существенно отличаются от автомобильных. Вследствие этого методики выбора выше отмеченных углов, разработанные для автомобилей, не всегда можно использовать применительно к тракторной технике.

В свете всего выше сказанного целью данной работы является разработка методики выбора оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф трактора.

В работе предложены критерии оптимизации, которые позволяют учитывать влияние исследуемых углов на различные эксплуатационные и технико-экономические показатели трактора. Разработаны методы расчета данных критериев, использующие как уже известные зависимости, так и новые, предлагаемые автором. Также получен обобщенный коэффициент эффективности, позволяющий численно оценивать эффективность выбранных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф.

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Михайлин, Иван Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложены безразмерные критерии (коэффициенты эффективности), позволяющие оценивать качественный уровень работы трактора, а также разработана методика их определения и использования. В качестве основного (интегрального) критерия принят обобщенный коэффициент эффективности, который определяется исходя из численных значений частных коэффициентов эффективности с учетом их значимости.

В качестве частных критериев использованы: коэффициент эффективности качения, характеризующий сопротивление качению; коэффициент маневренности, позволяющий численно оценить возможность маневрирования машины; коэффициент эффективности управления, характеризующий устойчивость и управляемость колесной машины.

2. Разработана математическая модель для описания положения плоскости управляемого колеса в зависимости от углов установки колеса, угла его поворота и углов, определяющих положение шкворня поворотной цапфы.

3. Разработана математическая модель установившегося криволинейного движения МТА (универсально-пропашного колесного трактора с транспортным прицепом) по горизонтальной недеформируемой опорной поверхности, позволяющая решать задачи устойчивости и управляемости транспортного МТА.

4. На основе экспериментальных исследований качения тракторного управляемого эластичного колеса с уводом по жесткому основанию предложена зависимость, позволяющая оценить влияние углов установки управляемых колес и углов их поворота на сопротивление движению трактора. Среднеквадратичное отклонение результатов расчетов с данными экспериментальных исследований для тракторной шины 7,5-20 модели В-103 при изменении угла увода до 6° и в диапазоне внутренних давлений воздуха в шине от 0,16 до 0,218 МПа не превышает 7,6%.

5. Получена эмпирическая зависимость для определения коэффициента сопротивления боковому уводу с учетом нагрузки на колесо и внутреннего давления в шине. Среднеквадратичное отклонение между расчетными и экспериментальными значениями коэффициентов сопротивления боковому уводу составило 10,7 % для шины 7,5-20 модели В-103 и 13,1 % для шины 15,5Д38 модели Ф-2А.

6. На основе анализа экспериментальных данных по шине 7,5-20 модели В-103 получена эмпирическая зависимость для оценки величины упругого момента стабилизации, возникающего при уводе, с коэффициентами, вычисляемыми в зависимости от нагрузки на колесо и внутреннего давления в шине. Среднеквадратичное отклонение между экспериментальными и расчетными значениями моментов стабилизации составило 12,8 %.

7. Разработана методика определения оптимальных значений углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф для трактора, в основу которой положен принцип определения максимального значения интегрального критерия оптимизации - обобщенного коэффициента эффективности.

На основе данной методики определены оптимальные углы установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф для трактора МТЗ-80. В результате проведенных расчетов получены следующие численные значения углов: схождения колес е = 0,18°, продольный наклона шкворня у = 2,13°, поперечный наклон шкворня р = 4,88° и отклонение плоскости колеса от оси шкворня \|/ = 6,08°, которые отличаются от значений углов установки серийного трактора на величины от от 2 до 70 %.

8. На примере трактора МТЗ-80 был проведен численный анализ влияния различных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф на обобщенный коэффициент эффективности. В результате установлено, что наиболее существенное влияние на величину обобщенного коэффициента эффективности оказывает угол развала. Причем, каждому численному значению угла развала колес соответствует оптимальное значение угла схождения, даже незначительное отклонение от которого приводит к существенному падению обобщенного коэффициента эффективности. Угол продольного наклона шкворня оказывает наименьшее влияние на обобщенный коэффициент эффективности и не связан с другими углами установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф.

9. На основе анализа экспериментальных данных, полученных по результатам испытаний пяти шин 7,5-20 модели В-103 в разное время, определены коэффициенты для эмпирической зависимости, позволяющей вычислять коэффициенты сопротивления боковому уводу с учетом нагрузки на колесо и внутреннего давления в шине. В результате среднеквадратичное отклонения между расчетными и экспериментальными значениями коэффициентов сопротивления боковому уводу (по пяти сериям испытаний) составило 10,7 %. Аналогичные коэффициенты были определены для шин 15,5/238 модели Ф-2А (для двух серий испытаний). При этом величина среднеквадратичного отклонения между расчетными и экспериментальными данными составила 13,1 %.

10. Анализ экспериментальных данных шины 7,5-20 модели В-103 позволил выбрать для оценки величины упругого момента стабилизации, возникающего при уводе, полиномную зависимость второго порядка, с коэффициентами, вычисляемыми в зависимости от нагрузки на колесо и внутреннего давления воздуха в шине. Определены численные значения коэффициентов, входящих в полином, с использованием которых среднеквадратичное отклонение между экспериментальными и расчетными значениями моментов стабилизации составило 12,8 %.

162

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михайлин, Иван Александрович, 2005 год

1. Певзнер Я. М. Влияние установки управляемых колес автомобиля на их стабилизацию // Автотракторное дело. - 1937. - №1. - С. 10-12.

2. Чудаков Е. А. Качение автомобильного колеса при наклонном расположении его средней плоскости. Доклады АН СССР: том ХС, 1953. - №3. -С. 108-111.

3. Чудаков Е. А. О качение автомобильного колеса при наклонном расположении его средней плоскости. Доклады АН СССР: том XCII, 1953. -№3. -С. 95-97.

4. Фалькевич Б. С., Ечеистов Ю. А., Трубников В. М. Установка управляемых колес автомобиля. Автотрансиздат: МАМИ, Научные труды. - Вып. 1.-1954.-С. 45-46.

5. Ечеистов Ю. А., Слуцкин М. М. Влияние установки управляемых колес на сопротивление движению автомобиля // Автомобильная промышленность. 1958. — №7. - С. 18-19.

6. Голубков В. С., Кнороз В. И., Стрюков И. Л. Влияние углов установки передних колес на износ шин // Автомобильная промышленность. 1961. -№8.-С. 28-31.

7. Голубков В. С., Кнороз В. И., Стрюков И. Л. Исследование стабильности углов установки управляемых колес автомобиля // Автомобильная промышленность. 1962. - №2. - С. 9-11.

8. Иларионов В. А. Стабилизация управляемых колес автомобиля. М.: Транспорт, 1966. - 168 с.

9. Карузин О. И. Исследование плеча обкатки управляемых колес автомобиля: Дис. . канд. техн. наук. — М., 1966. — 169 с.

10. Тарасов А. Я. Исследование влияния углов установки передних колес автомобиля «Волга» на износ шин // Автомобильная промышленность. — 1966.-№6.-С. 19-21.

11. Фортунков Д. Ф. Исследование стабилизации управляемых колес легковых автомобилей // Автомобильная промышленность. 1967. - №4. - С. 26-27.

12. Гинцбург JI. Д., Вендель В. Е., Носенков М. А. Методика определения оптимальных углов установки управляемых колес // Автомобильная промышленность. 1970. —№3. - С. 10-12.

13. Каменев В. Д. Исследование влияния углов установки управляемых колес на эксплуатационные свойства автомобиля: Дис. . канд. техн. наук. М.,1970.- 169 с.

14. Литовченко Н. Н., Цукерберг С. М. Изменение схождения управляемых колес при движении автомобиля // Автомобильная промышленность. —1971. №4. - С. 23-24.

15. Пешкилев А. Г. Исследование влияния плеча обкатки управляемых колес и углов установки шкворней на устойчивость автомобиля при торможении: Дис. . канд. техн. наук. — М., 1977. -218 с.

16. Балабин И. В., Кнороз А. В. О влиянии угла наклона плоскости качения колеса на износ шин при повороте автомобиля // Автомобильная промышленность. 1979. - №9.-С. 13-14.

17. Носенков М. А., Бахмутский М. М., Гинцбург Л. Л. Управляемость и устойчивость автомобилей. М.: НИИН — Автопром, 1981. - 48 с.

18. Платонов В. Ф., Леиашвили Г. Р. Повышение экономичности автомобилей за счет оптимизации углов установки управляемых колес // Автомобильная промышленность. 1983. - №4. - С. 16-17.

19. Караев М. Н. Оптимизация углов установки управляемых колес переднеприводного автомобиля: Дис. . канд. техн. наук. -М., 1987.

20. Задворнов В. Н. Влияние параметров установки колес на износ шин в задней независимой подвеске легкового автомобиля: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 2000. - 16 с.

21. Редчиц С. В., Редчиц В. В., Плотников В. И., Голобородько А. А. Расчет оптимального развала и схождения управляемых колес // Автомобильная промышленность. 2000. - № 11. - С. 15-16.

22. Тепер Р. А. Исследование устойчивости прямолинейного движения колес трактора. Дис. . канд. техн. наук. — М., 1968. 141 с.

23. Fazee I., Landon W., G. Hafferkamp. Automotive Suspensions, Steering and Wheel Alignment. — London. The Techn. Press. Ltd., 1955.

24. Charls R. Stahn. Automotive Construction and Operation. — New York. McGraw-Hill, 1976. 521 p.

25. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1982. —284 с.

26. Гришкевич А. И. Автомобили: Теория. Минск: Вышэйшая школа, 1986. -208 с.

27. Гинцбург JI. Д., Носенков М. А. Методы оценки управляемости автомобиля на поворотах // Автомобильная промышленность. — 1971. — № 2. С. 15-17.

28. Фалькевич Б. С. Теория автомобиля. М.: Машгиз, 1963. - 239 с.

29. Литвинов А.С., Ротенберг Р.В. Стабилизация управляемых колес и углы их установки // Автомобиль, 1951, №4.

30. Кнороз В. И., Петров И. П., Юрьев Ю. М. Влияние некоторых эксплуатационных факторов на коэффициент сопротивления боковому уводу шин // Автомобильная промышленность. 1971. - 5. - С. 17-18.

31. Раймпель Й. Шасси автомобиля. М.: Машиностроение, 1983. — 356 с.

32. Campbell С. Automobile Suspension London. Chapman and Hall, 1982. — 365 p.

33. Иванов И. В. Исследование боковой деформации эластичной шины // Научные труды НАМИ. Вып. 1. - М.: Автотрансиздат, 1954. - 56 с.

34. Ишлинский А. Ю. О проскальзывании в области контакта при трении качения. Известия АН СССР: ОТН, 1956. - № 6. - С. 24-25.

35. Freundenstein G. Luftreifen bei Schrag und Kurvenlauf (Experimentalle und theoretische Untersuchung an LKW Reifen) // Deutsche Kraftfahrtforschung.- 1961. -H. 152.

36. Freundenstein G. Zun Verhiaten von Luftreifen auf vor-derzadern // ATZ / Jahrgang 65.-Heft 5.-Mai 1963.-S. 121-127.

37. Смирнов Г. А. Теория движения колесных машин: Учеб. для студентов автомобильных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1981 — 271 с.

38. Янте А. Механика движения автомобиля. I Часть. / Пер. с нем. — М.: Маш-гиз, 1958.-264 с.

39. Hunter L. Wheel Alignment Equal Motion Balance. Bridgetown, Hunter Engineering Co., 1978.-34 p.

40. Антонов Д. А. Теория устойчивости движения многоостных автомобилей.- М.: Машиностроение, 1978. 216 с.

41. Литвинов А. С. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971.-416 с.

42. Тепер Р. А. Исследование влияния продольного угла наклона шкворня на маневренность универсально-пропашных тракторов. Отчет о НИР/МАМИ. Тема № 8308. М., 1984. - 35 с.

43. Чудаков Е. А. Качение автомобильного колеса. ,Изд. АН СССР, ОТН, 1947.-№10.-С. 49-53.

44. Гаспарянц Г. А. Боковой увод автомобильного колеса // Сб. «Вопросы машиностроения». М.: Изд. АН СССР, 1950. - С. 10-12.

45. Певзнер Я. М. Проблемы устойчивости и управляемости автомобиля // Автомобильная промышленность. 1951. - №1. - С. 14-15.

46. Трубников В. М. Качение эластичного колеса, наклоненного к дороге: Дис. . канд. техн. наук. -М., 1952. —161 с.

47. Gough V. Е. Garnering Characteristics of Tire. «Automobile Engineering», London, April, 1954. P. 113

48. Певзнер Я. M. Работа автомобильных шин при боковых колебаниях // Автомобильная промышленность. 1954 - №5. — С. 20-21.

49. Михайловский Е. В. Теория и расчет автомобиля. М.: Автотрансиздат, 1955.-172 с.

50. Певзнер Я. М. О качении автомобильных шин при быстроменяющихся режимах увода // Автомобильная промышленность. — 1968. №6. - С. 8-9.

51. Каменев В. Д., Пирковский Ю. В., Бочаров Н. Ф. Качение эластичного колеса в плоскости, наклоненной к поверхности дороги // Известия вузов. -1970-№9.-С. 27-29.

52. Кнороз В. И., Маркарян Р. Г., Юрьев Ю. М. Влияние увода на сопротивление качению шин // Автомобильная промышленность. — 1972. — №11.— С. 15-17.

53. Gough V. Е. Tire-to-Ground Contact stress. Wear, 2, №2. P. 34-36.

54. Кушвид P. П. Экспериментально-теоретический комплекс для определения реакций автомобиля на внешние возмущения и износ шин. — М.: Машиностроение-1, 2004. 164 с.

55. Непомнящий Е. Ф. Износ эластичного колеса при качении с проскальзыванием. Роль спектра нагрузок / Сб. «Резина — конструкционный материал современного машиностроения». М.: Химия, 1967. - С. 56-58.

56. Раймпель Й. Шасси автомобиля: Амортизаторы, шины и колеса/ Пер. с нем. В. П. Агапова. М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.

57. Брянский Ю. А. Управляемость большегрузных автомобилей. М. Машиностроение, 1983. - 176 с.

58. Раймпель Й. Шасси автомобиля./ Сокр. пер. 1 тома 4 нем. изд. В. П. Агапова; Под ред. И. Н. Зверева. М.: Машиностроение, 1983. — 356 с.

59. Кленников Е. В. Исследование влияния некоторых эксплуатационных факторов на распределение напряжений в контакте и износ шин: Дис. . канд. техн. наук. М., 1969. — 167 с.

60. Bull A. W. Tire behavior in Steering "SAE Journal", 1939, v. 45, №2.

61. Келдыш M. В. Шимми переднего колеса трехколесного шасси. Труды ЦАГИ, 1945.-№564.-С. 1-34.

62. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Наука, 1967.-608 с.

63. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

64. Шарипов В. М., Михайлин И. А. Описание центральной плоскости управляемого колеса// Межвузовский сборник научных трудов «Колесные и гусеничные машины». Вып. 1. М.: МГТУ «МАМИ», 2004. - С. 217-232.

65. Литвинов А. С., Фаробин Я. Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов. — М.: Машиностроение, 1989. 240 с.

66. Бойков В. П., Белковский В. Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. М.: Агропромиздат, 1988. — 240 с.

67. Кушвид Р. П., Горобцов А. С., Карцов С. К. Развитие теории управляемости автомобиля на базе пространственных компьютерных моделей. М.: Машиностроение-1, 2004. - 136 с.

68. Кленников Е. В. Влияние боковой силы на износ шин и сопротивление качению // Автомобильная промышленность. 1971. - №8. - С. 13-14.

69. Балабин И. В., Кнороз А. В. Исследование характеристик расхода топлива при установившемся криволинейном движении автомобиля // Автомобильная промышленность. 1980. - № 2. - С. 17-19.

70. Отчет по научно-исследовательской теме № 712. МАМИ. Москва, 1990. — 35 с.

71. Тракторные поезда/П. П. Артемьев, Ю. Е. Атаманов, Н. В. Богдан и др.; Под ред. В. В. Гуськова. М.: Машиностроение, 1982. - 183 с.

72. Шарипов В. М. Конструирование и расчет тракторов. М.: Машиностроение, 2004. - 592 с.169