Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научное обоснование создания и разработка ходовых систем транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Котляренко В.И.

Нижний Новгород - 2009

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете (МАМИ) на кафедре «Автомобили»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Агейкин Я.С.

доктор технических наук, профессор Беляков В.В.

доктор технических наук, профессор Васильченков В.Ф.

Ведущая организация: ОАО « КамАЗ»

Защита диссертации состоится «___» _______ 2009 года в «14:00» часов на заседании диссертационного совета Д212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина 24, Первый учебный корпус, ауд. 1307

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное экономическое положение России тесно связано с развитием Севера и Северо-Востока, занимающих более 60% ее территории, где сосредоточены основные запасы природных ресурсов страны. Однако освоение этих районов затруднено из-за недостаточно развитой транспортной сети, сложности природно-климатических условий и чрезвычайной экологической уязвимости региона. Около 70% грузовых и пассажирских перевозок осуществляется автомобильным транспортом, при этом почти 60% - по грунтовым дорогам и автозимникам. В весенне-осенний период оттаявшие дороги и местность становятся непроходимыми для традиционных автомобилей. В результате 15 млн. человек становятся отрезанными от районных и областных центров. В это время широко применяются традиционные колесные и гусеничные транспортные средства (ТС) высокой проходимости, наносящие непоправимый ущерб почвенно-растительному покрову северных районов. Применение колесных машин, оснащенных специальными пневмоколесными движителями сверхнизкого давления, является эффективным средством повышения проходимости и экологии при осуществлении транспортных операций в труднодоступных районах.

Не случайно задача по созданию почвонеразрушающих транспортных систем входила в Федеральную инновационную программу «Техника Российского Севера», одобренную Постановлением Совета Министров и Правительства РФ от 13.12.1993 г. № 1280 и включена в Перечень критических технологий, имеющих важное социально-экономическое значение или значение для обороны страны и безопасности государства, утвержденный распоряжением Правительства РФ от 25 августа 2008 г. №1243.

Теория транспортных средств высокой проходимости, включая колесные машины и их движители, на сегодняшний день разработана достаточно хорошо как зарубежными, так и отечественными исследователями. Однако все исследования проводились, в основном, с шинами низкого и высокого давления (0,1 МПа и более), имеющих большое число слоев корда. Вопросы передвижения машин на тонкостенных пневмоколесных движителях с внутренним давлением воздуха 0,02-0,07 МПа освещены недостаточно и требуют уточнения ряда положений, в том числе в области взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью, определения основных рабочих характеристик движителей, основных направлений и методов создания ходовых систем ТС данного типа. Особенно это важно для сокращения времени разработки и рационального выбора технико-экономических и конструктивных параметров новых моделей ТС на стадии проектирования. Поэтому работа является актуальной.

Цель работы. Научное обоснование создания и разработка ходовых систем транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления. Для достижения цели работы сформулированы и решены следующие задачи:

- разработать основные эксплуатационные требования, предъявляемые к ТС, предназначенных для работы в бездорожных районах Севера;

- разработать методы оценки проходимости и подвижности ТС с точки зрения эффективности, безопасности и экологии осуществления ими транспортного процесса;

- определить базовые параметры наиболее распространенных шин сверхнизкого давления и найти зависимости для их определения;

- разработать математическую модель исследования динамики ТС на шинах сверхнизкого давления при движении по неровностям;

- определить статистические характеристики микропрофиля ряда характерных дорог НИЦИАМТ, позволяющие проводить аналитические исследования динамических процессов транспортных средств с проверкой их адекватности в реальных дорожных условиях с высокой степенью достоверности;

- разработать основные направления и методы разработки ходовых систем и рекомендаций по основным режимам движения ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, включая обоснование и выбор рациональных параметров колесного движителя и способа поворота, обеспечивающих требуемые эксплуатационные качества;

- провести расчетно-экспериментальные исследования по оценке плавности хода, управляемости и устойчивости ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.

Научная новизна.

Разработана новая математическая модель для исследования динамики ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления при движении по неровностям, отличающаяся тем, что скорость движения машины не задается через центр масс, а формируется от движителя.

Предложен метод оценки проходимости ТС с учетом времени на восстановление проходимости при осуществлении непрерывного транспортного процесса.

Разработан метод расчета интегральной оценки подвижности ТС с учетом показателей экологии и безопасности. Особенностью метода является применение оценочного круга по принципу радара. Предложены коэффициенты весомости основных параметров ТС.

Определены базовые параметры наиболее распространенных шин сверхнизкого давления, найдены регрессионные зависимости для их расчета.

Разработаны методы расчета и выбора рациональных параметров пневмоколесного движителя и способа поворота ходовых систем ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.

Научно обоснованы выбор типа ТС для работы в тяжелых дорожных условиях, технические решения по созданию ходовых систем и рекомендации по основным режимам движения ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.

Объекты исследования. Колесные, гусеничные и торовые движители, ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.

Методы исследований. Методы системного анализа, численные методы решения систем нелинейных уравнений и методы математического моделирования. Прикладные задачи решались в среде EXEL и MATLAB SIMULINK. Экспериментальные исследования проводились в дорожных условиях и на лабораторных стендах с использованием современных измерительных средств.

Квалификационная формула работы.

Диссертационная работа является самостоятельной завершенной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, которые можно квалифицировать как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании и разработке основных принципов создания ходовых систем транспортных средств на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, включая методы расчета и оценки проходимости и подвижности, методы расчета и выбора основных параметров ходовых систем, математическую модель движения колесных машин по неровностям.

Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при выборе рационального типа ТС для эксплуатации в заданных дорожных условиях, а также при выборе их основных параметров и технических решений на стадии проектирования.

Внедрение изложенных научно обоснованных технических решений вносит значительный вклад в решение народно-хозяйственных и социальных задач в условиях Севера и Северо-Востока страны, а также в повышение ее обороноспособности.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Из теоретических разработок - математическая модель движения ТС по неровностям, позволяющая исследовать плавность хода и нагруженность ходовых систем колесных машин на шинах сверхнизкого давления.

2.Из научно-методических разработок:

- метод оценки проходимости ТС при осуществлении им непрерывного транспортного процесса;

- метод интегральный оценки подвижности ТС.

- метод расчета и выбора рациональных параметров пневмоколесного движителя и способа поворота ходовых систем ТС на шинах сверхнизкого давления.

3. Из научно-технических разработок - обоснованные по результатам исследований практические рекомендации, направленные на повышение проходимости колесных машин и по выбору эксплуатационных режимов движения ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, созданные по результатам исследований пневмоколесный движитель сверхнизкого давления, образцы машин на этих движителях, новые конструктивные решения и практические рекомендации.

Достоверность результатов. Адекватность математической модели движения ТС по неровностям подтверждена сравнением результатов расчета и натурного эксперимента на дорогах НИЦИАМТ. Проведенный на серийных машинах, опытных образцах и стендах комплекс экспериментальных исследований также подтвердил основные теоретические положения и разработки.

Практическая ценность. Представленные в работе методы расчета позволяют производить оценку и прогнозирование проходимости и подвижности ТС с учетом эффективности, безопасности и экологии выполняемого им транспортного процесса, намечать пути повышения указанных свойств, а также обоснованно выбирать тип ТС для конкретных условий эксплуатации.

Разработанные математическая модель и программа расчета динамики ТС позволяют исследовать плавность хода и нагруженность ходовых систем колесных машин, выбирать рациональные параметры подвески и движителя исходя из реальных процессов, происходящих в контакте движителя с опорной поверхностью.

Полученные статистические характеристики микропрофиля ряда характерных дорог НИЦИАМТ позволяют проверять адекватность существующих и вновь создаваемых математических моделей и программ расчета, проводить аналитические исследования динамических процессов движения колесных машин с возможностью проверки их в реальных дорожных условиях НИЦИАМТ с высокой степенью достоверности.

Полученные характеристики основных параметров шин сверхнизкого давления и регрессионные зависимости для их определения позволяют на этапе проектных работ обоснованно подбирать пневмоколесные движители ТС и рассчитывать технико-эксплуатационные параметры машин.

Разработаны основные направления и методы разработки ходовых систем ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления, даны рекомендации по применению систем подрессоривания, способу поворота. допускаемым нагрузкам и режимам движения ТС на шинах сверхнизкого давления при движении на различных опорных поверхностях.

Проведены исследования и дан сравнительный анализ проходимости ТС с различными типами движителя, в том числе с использованием средств повышения проходимости. Создан полноразмерный ходовой макет ТС на торовых движителях и на основе предварительных исследований получены первые данные по ряду его основных параметров. Показана перспективность этого нового направления в развитии движителей ТС.

Реализация работы. Результаты экспериментально-теоретических исследований по теме диссертации внедрены в НПФ «Трэкол», ДФ ГУ «НПО «СТиС» МВД РФ, ООО «ТрансМаш», ОАО «ГАЗ», ОАО «КамАЗ» и используются в учебном процессе на кафедрах «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана, «Автомобили и тракторы» НГТУ, «Автомобили и двигатели» МГИУ.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывалась на Всесоюзной научно-технической конференции «Технико-экономические вопросы создания и внедрения рациональных и экологически чистых транспортных средств для бездорожных районов Севера» (г. Москва, 1990 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Создание экологически безопасных транспортных и транспортно-технологических средств» (г. Новосибирск, 1990 г.), на International Scientific Congress on Ecology and Transport (г. Гетеборг, Швеция, 1990 г.), на 23-й Международной научно-практической конференции ААИ «Полноприводный автомобиль - перспективы развития (г. Дмитров, 1998 г.); на 43-й Международной научно-технической конференции ААИ «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера» (г. Омск, 2003 г.); на 47-й Международной научно-технической конференция ААИ, России, Беларуси и Украины «Повышение конкурентоспособности автотранспортных средств» (г. Минск, 2004 г.); на Combined Conference on Heavy Vehicles «XXXVI. Meeting of Bus and Coach Experts and Congress on Commercial Vehicles» (Будапешт, Венгрия, 2005 г.); на 53-й Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения России» (г. Ижевск, 2006 г.); на 32^nd International Scientific Congress on Powertrain and Transport Means «European Kones 2006» (г. Варшава, Польша, 2006 г.); на 4-ом Международном Автомобильном Научном Форуме (МАНФ) «Научные, конструкторские и технологические достижения отечественного автомобилестроения» (г. Москва, 2006 г); на Всероссийской научно-практической конференции «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы машиностроения» (г. Москва, 2007 г.); на 60-й Международной научно-практической конференция «Техническое регулирование в области автотранспортных средств» (г. Дмитров, 2007 г.); на 2-й, 3-й и 4-й Международных научно-практических конференциях «Торовые технологии» (г. Иркутск, 2005 г. и 2007 г.); на научно-технической конференции, посвященной 70-летию факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2008 г.); на 62-й Международной научно-практической конференция ААИ «Перспективы развития отечественного автомобилестроения. Конструктивная безопасность автотранспортных средств» (г. Дмитров, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 монографии, 29 научных работ, получено 5 патентов на изобретение, 4 патента на промышленный образец, 2 патента и 2 свидетельства на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Диссертация изложена на 351 страницах компьютерного текста, содержит 138 рисунков, список использованных источников - 287 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены новизна и практическая значимость подлежащих изучению вопросов, намечены методы их исследования, приведены структура и объем работы.

В первой главе проведен анализ конструкций и основных особенностей передвижения ТС с различными типами движителей, а также обзор основных существующих критериев оценки проходимости и подвижности ТС, сформулированы основные проблемы исследования.

В области исследований процессов передвижения транспортных средств высокой проходимости, а также процессов взаимодействия движителей с опорным основанием фундаментальными работами являются труды: Я.С. Агейкина, П.В. Аксенова, А.С. Антонова, Д.А.Антонова, В.Ф. Бабкова, Л.В. Барахтанова, И.Б. Барского, М.Г.Беккера, В.В. Белякова, И.Н. Бескина, Г.Б. Безбородовой, Б.Н. Белоусова, В.В. Белякова, А.К. Бируля, Н.Ф. Бочарова, Ю.А. Брянского, С.Г. Вольского, Дж.Вонга, В.Г. Зимелева, В.П. Горячкина, В.А. Грачева, А.А. Дмитриева, С.С. Дмитриченко, Н.А. Забавникова, В.В. Кацыгина, Л.А. Кемурджиана, М.К. Кристи, В.И. Кнороза, Н.Ф. Кошарного, И.П. Ксеневича, Г.О. Котиева, Г.М. Кутькова, В.С. Лихачева, А.С. Литвинова, В.Д. Львова, В.Н. Наумова, И.П. Петрова, В.А. Петрушова, А.А. Полунгяна, А.Ф. Полетаева, Ю.В. Пирковского, В.Ф. Платонова, Г.А. Смирнова, В.А. Скотникова, В.М. Семенова, В.А. Скотникова, А.П. Софияна, А.П. Степанова, Н.А. Ульянова, Б.С. Фалькевича, Я.Е. Фаробина, М.П. Чистова, Е.А. Чудакова, С.А. Шуклина, С.Б. Шухмана и ряда других ученых.

Одним из движителей, значительно повышающим проходимость ТС является гусеничный движитель. К достоинствам машин с этим типом движителя относятся низкие средние давления ТС на опорную поверхность, высокие тягово-сцепные качества и эффект перекрытия чередующихся неровностей полотна пути. В то же время у них большое сопротивлению движению, особенно при криволинейном движении, большая неравномерность распределения давлений на опорную поверхность по длине гусеницы, большая масса и сложность конструкции ходовой части, значительная неравномерность вращения гусеницы, вызывающая большие динамические нагрузки в движителе и трансмиссии, низкий ресурс движителя. Применение пневмогусениц является эффективным средством повышения проходимости, однако при этом сохраняются многие недостатки традиционных гусеничных машин.

а) б)

Рис. 1. НАМИ-0106 на однополостных пневмогусеничных движителях (а) и пневмотраковый движитель финской фирмы Keksintosaatio (б)

ТС с катково-гусеничным движителем, обладая высокими тягово-сцепными показателями на слабонесущих грунтах, имеют значительные массово-габаритные показатели и повышенное дополнительное сопротивление движению из-за внутренних потерь на трение корпуса относительно катков. Эти потери значительно больше, чем у колесных и гусеничных движителей.

Шагающие и колесно-шагающие машины применяются, в основном, для исследования поверхности планет. Шагающий режим позволяет повысить проходимость и тяговые возможности ТС на сильно пересеченной местности. Однако у них сложная конструкция, трудности с управлением и организацией движения машины.

а) б)

Рис. 2. Движитель «Аэрол» с подвижными пневмотраками (а) и колесно-шагающий вездеход Terra Star (б)

Роторно-винтовые машины являются узкоспециализированными транспортными средствами. Область рационального применения этих машин - переходные зоны от воды к суше, снежная целина и болотистая местность.

Торовые движители обладают высокими экологическими качествами, простотой конструкции и низкой материалоемкостью движителя. Однако у них низкая устойчивость оболочки и высокая склонность к автоколебаниям. Новизна и практическое отсутствие теоретических и экспериментальных исследований затрудняет создание ТС с этим типом движителя.



а) б)

Рис. 3. ТС с РВД производства ОНИЛВМ НГТУ (а) и ходовой макет на торовых движителях производства ФГУП «НИЦИАМТ» (б)

ТС на воздушной подушке целесообразно использовать на длинных плечах перевозок и высоких скоростях движения на равнинной безлесной местности, а также на водных акваториях и в прибрежной зоне. В ряде случаев создание комбинированных ТС позволяет повысить проходимость базовых машин. Однако сфера их использования ограничена, а производство и эксплуатация не отвечают требованиям технико-экономической эффективности. Часто они совмещают недостатки применяемых в конструкции ТС движителей.

а) в) б)

Рис. 4. Транспортер Argo: базовая машина (а); модификация Argo с воздушной подушкой (б); схема организации гибкого ограждения (в)

Применение съемных средств повышения проходимости является временной мерой при преодолении сложного участка движения ТС и не обеспечивает необходимой эффективности машины в широком диапазоне условий эксплуатации.

ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления выявили высокую проходимость и хорошие экологические качества этих машин. Шины сверхнизкого давления имеют тонкостенную резино-кордную оболочку с каркасом, состоящим, как правило, из двух слоев корда, благодаря чему обеспечивается ее высокая эластичность. Внутренне давление воздуха в шине может меняться пределах 0,01-0,08 МПа. Напряжения в зоне контакта шины с опорной поверхностью распределяются весьма равномерно как по длине, так и по ширине контакта. При взаимодействии с грунтом такая шина не разрушает его поверхность и приобретает способность «обтекать» неровности пути.

а) б)

Рис. 5. ТС на шинах сверхнизкого давления: НАМИ-1918 типа 4х4 (а) и Трэкол-39294 типа 6х6 (б)

Однако системных исследований взаимодействия этого типа движителей с опорной поверхностью до настоящего времени не проводилось. Некоторые модели ТС проходили сертификационные испытания, а также были отдельные экспертные публикации в СМИ. До настоящего времени нет достаточных сведений, облегчающих разработчику выбор параметров и правильных технических решений при создании ТС с этим типом движителя.

Резюмируя можно отметить: ТС с роторно-винтовыми движителями являются узкоспециализированными машинами, шагающие и колесно-шагающие ТС сложны как по конструкции, так и в управлении, исследования ТС на торовых движителях находятся в начальной стадии. В силу изложенного на современном этапе развития науки и техники при выборе ТС, предназначенных для работы на слабонесущих грунтах, можно ограничиться колесными и гусеничными машинами и аппаратами на воздушной подушке.

Проведенный анализ методов и критериев проходимости ТС, предложенных различными учеными, показал, что наиболее простым способом оценки проходимости ТС является метод оценки по отдельным параметрам. В качестве оценки, как правило, используются отдельные дискретные коэффициенты или группы коэффициентов, являющиеся статическими моделями оценки проходимости. В качестве показателя проходимости, как правило, используются показатели, в той или иной степени оценивающие тяговые возможности машины:

коэффициент свободной тяги

, (1)

где и - соответственно свободная сила тяги и полный вес машины;

показатель проходимости:

, (2)

где - коэффициент сцепной массы, и - соответственно коэффициенты сцепления и сопротивления качению.

В качестве показателя подвижности используются выражения, содержащие параметры грузоподъемности , скорости , расхода топлива и т.п., например:

:. (3)

Большая часть исследований оценки проходимости решает статические задачи, без учета непрерывности транспортного процесса, а также вопросов безопасности и экологии.

Установлено, что ранее проведенные исследования и разработанные теории по оценке проходимости и разработке ТС не решили всех поставленных перед данной работой задач.

Во второй главе проведен анализ наиболее общих условий эксплуатации ТС, включая климатические, дорожные и грунтовые. Разработаны требования, предъявляемые к ТС, предназначенным для работы на слабонесущих грунтах и методы оценки проходимости и подвижности ТС. Предложены коэффициенты весомости основных параметров ТС.

Количественная оценка дорожных условий дается по отдельным показателям: профилю поверхности движения, кривизне дорог в плане, опорно-сцепным свойствам, сопротивлению движения, микропрофилю и т.п. При движении ТС по деформируемым опорным поверхностям одним из основных условий является не превышения напряжений, возникающих в контакте движителя с грунтом под воздействием нормальной нагрузки на движитель и силы тяги , несущей способности грунта и максимального сопротивления грунта сдвигу :

(4)

, (5)

где - площадь контакта движителя с опорной поверхностью; и - соответственно максимальное и среднее давления движителя на опорную поверхность; - коэффициент неравномерности распределения давлений движителя ТС на опорную поверхность.

Учитывая наиболее часто встречающиеся грунтовые условия при движении ТС, предложены следующие значения реально достижимых средних давлений и касательных напряжений в контакте движителя с опорной поверхностью: и. .

Выявлено, что каждому движителю на каждой опорной поверхности соответствуют свои коэффициенты сцепления и сопротивления качению . Разброс значений этих коэффициентов в зависимости от конструкции движителя и состояния опорной поверхности широк. Для практических расчетов предложены значения этих коэффициентов с учетом анализа ранее выполненных работ и проведенных автором экспериментальных исследований.

Автором предложена модель оценки проходимости в следующей формулировке: «Проходимость - это способность транспортного средства преодолевать дорожное сопротивление непрерывному поступательному движению, создаваемому силами в системе «движитель - опорная поверхность (ДОП)». Из этого определения следует, что критерием проходимости ТС является его непрерывное поступательное движение в осуществляемом транспортном процессе, а показателем проходимости будет являться протяженность этого движения.

Прекращение функционирования системы ДОП выражает необходимость проведения дополнительных мероприятий по восстановлению транспортного процесса, на которое затрачивается время . Если бы препятствие не возникло, с высокой степенью вероятности средняя скорость движения транспортного средства в течение этого времени сохранилась бы той же, что и на предыдущем участке реального продвижения ТС. Протяженность интервала поступательного движения за это время была бы . Этим преобразованием потери времени поступательного движения транспортного средства в соответствующий интервал проходимого пути, формально создается необходимая непрерывность транспортного процесса.

Модель физического проявления свойства проходимости строится в виде значений функций их изменения в зависимости от поступательного движения. Учитывая, что сила тяги должна превышать силы сопротивления качению и не может превышать силы сцепления , признак и условие реального поступательного движения колесной машины можно выразить соотношениями:

(6)

или (7)

Так как физически проходимость транспортного средства проявляется в его поступательном движении, количественный показатель его проходимости определяется протяженностью интервалов между наступлениями потери проходимости и ее восстановлением.

Схематизация транспортного процесса представлена в графической форме на рисунке 6. В части 1а приведен условный фрагмент реализации случайных процессов изменения коэффициентов сопротивления движению и сцепления в системе ДОП. В части 1б показана условная физическая интерпретация возникновения и сохранения критичных соотношений этих случайных процессов в виде наездов ТС на случайные препятствия, полной или частичной утраты сцепления ведущих колес с опорной поверхностью и т.п. В части 1в пункты наступления критичных соотношений силовых факторов поступательного движения ТС вынесены отдельными обозначениями на текущее осуществление транспортного процесса.



Рис. 6. Пример схематизации транспортного процесса: - восстановление движения; ? - потеря движения

Учитывая вышесказанное, показатель проходимости можно выразить отношением протяженности пути при соблюдении непрерывности транспортного процесса к протяженности пути при соблюдении непрерывности транспортного процесса и условного пути с учетом процесса восстановления движения :

(8)

Или учитывая линейную связь протяженности и времени :

(9)

В современных условиях проходимость не может рассматриваться обособленно от других эксплуатационных свойств ТС. Ценность машины, в конечном счете, определяется степенью удовлетворения различных запросов потребителя, которая играет определяющую роль в сбыте продукции на рынке. Отсюда возникает задача интеграции, объединения оценки проходимости с оценкой удовлетворения потребителя проявлением и других свойств ТС.

Применительно к задаче оценки подвижности колесных машин можно предложить следующее определение обобщенной (интегральной) оценки: «Интегральный показатель подвижности - это оцененное потребителем в конкретный момент времени в конкретных условиях эксплуатации превосходство машины над аналогами по проходимости с учетом технико-экономических и экологических показателей и показателей безопасности за жизненный цикл». Интегральный показатель подвижности рассчитывается как площадь так называемого радара, построенного внутри оценочного круга по выбранным параметрам. Он представляет собой выражение:

, (10)

где - площадь полученного для данной машины радара, - площадь оценочного круга.

Его можно определить планиметрированием или по выражению:

, (11)

где - число оценочных параметров, и - координаты вершин радара.

Пример графического изображения интегрального показателя подвижности (радара) приведен ниже.



Рис. 7. Графическое изображение интегрального показателя проходимости

Интегральный оценочный показатель может определяться по отдельным параметрам двойным «взвешиванием»: сначала в пределах группы вычисляется обобщенный средний взвешенный арифметический показатель:

, (12)

где - значение -го показателя в -ой группе, - коэффициент весомости -ого показателя в -ой группе, - количество показателей в -ой группе.

Затем эти показатели суммируются с учетом их весовых коэффициентов в один комплексный показатель:

, (13)

где - коэффициент весомости -го показателя, - количество обобщенных показателей, входящих в комплексный показатель.

В третьей главе приведены результаты экспериментально-теоретических исследований пневмоколесных движителей сверхнизкого давления (ШСНД). На рисунке 8а показаны нагрузочные характеристики шин сверхнизкого давления, а на рисунке 8б характер зависимости боковой, тангенциальной и крутильной деформаций от соответствующих нагрузок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис.8. Нагрузочная характеристика (а) и зависимости тангенциальной, боковой и крутильной деформаций ШСНД от соответствующих нагрузок (б)

Как видно из рисунка 8б зависимость между тангенциальной и боковой деформациями, а также углом закрутки шины от соответствующих нагрузок: продольной и боковой сил и крутящего момента имеют одинаковый характер. Указанные зависимости с достаточной точностью аппроксимируется выражением:

, (14)

транспортное средство давление шина

где - соответствующие нагрузки на шину, - соответствующий коэффициент эластичности.

При этом, тангенциальная и крутильная жесткости мало зависят от внутреннего давления воздуха в шине и их можно принимать одинаковыми для рассмотренных диапазонов давлений. Погрешность при этом допущении не превышает 7-9%. Боковая жесткость достаточно сильно зависит от внутреннего давления воздуха в шине и уменьшается по мере снижения давления воздуха в шине с 0,06 МПа до 0,02 МПа на 33-78% в зависимости от типоразмера и модели шины. По мере снижения нормальной силы величина предельных нагрузок также уменьшается. В точках резкого возрастания перемещений отмечена потеря работоспособности шин (полное скольжение).

Найденные автором значения предельных нагрузок и коэффициентов эластичности приведены в соответствующих таблицах. Ниже приведены предложенные автором эмпирические выражения универсальной характеристики (15), жесткостной характеристики (16) и коэффициента поглощения энергии (17), позволяющие аналитически определять базовые параметры шин сверхнизкого давления.

(15)

(16)

(17)

Здесь , и - соответственно нормальный прогиб, жесткость и коэффициент поглощения энергии шины. Найденные значения коэффициентов , и приведены в соответствующих таблицах.

а) б)

Рис. 9. Универсальная характеристика шины (а) и зависимость коэффициента поглощения энергии от внутреннего давления воздуха в шине (б)

Одной из важных характеристик шин является их сопротивление боковому уводу. Ниже приведены предложенные автором формулы и расчетные схемы для определения углов увода и коэффициентов сопротивления боковому уводу исходя из нагрузочных характеристик шины. Погрешность при расчетах по этим зависимостям не превышает 7-10%.

(18)

, (19)

где - длина отпечатка шины.

Рис. 10. Схема деформации шины при движении колеса с уводом

Расчеты по определению вышеуказанных параметров ШСНД, проведенные по выражениям, предложенных другими исследователями показали, что ошибка может получиться достаточно большой (до 20-30% и более). Это можно объяснить тем, что упомянутые зависимости были получены для многослойных шин высокого и низкого давления (0,1 МПа и более).

На рис. 11 показаны зависимости тяговых параметров ШСНД.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Зависимости радиуса качения и крутящего момента от силы тяги (а) и коэффициента полезного действия и буксования от силы тяги (б)

Полученные значения базовых параметров ШСНД и зависимости для их определения позволяют на стадии проектирования правильно подбирать и рассчитывать основные характеристики шин, а также параметров самих ТС.

В четвертой главе разработана математическая модель движения ТС. В настоящее время одной из главных тенденций в развитии расчетных исследований является стремление как можно точнее приблизить математическую модель к реальному объекту. Учитывая, что в динамической модели колесных машин на ШСНД содержится много элементов с существенными нелинейными характеристиками, был выбран метод имитационного моделирования. Особенностью модели является наличие нескольких систем координат, что объясняется структурой и формой уравнения движения ТС. Положение ТС и его систем в пространстве в любой момент времени определяются взаимным расположением следующих систем координат: подвижной (ПСК) - О_С, X_С, Y_С, Z_С; неподвижной (НСК) - О_Н, X_Н, Y_Н, Z_Н и микроподвижной (МСК) - О_М, X_М, Y_М, Z_М (рис. 12). Внешние и внутренние кинематические и силовые характеристики формируются в микроподвижной системе, то есть задаются от колеса с учетом сглаживающей и поглощающей способности шин. Это позволяет более точно отслеживать воздействие со стороны дороги: одновременно учитывать продольно-угловые и поперечно-угловые колебания ТС, буксование колеса, и т.п. Неподвижная система координат служит для моделирования заданных дорожных условий. Начало координат системы О_Н совпадает с началом моделируемого микрорельефа. Подвижная система координат, используемая для математического описания движения ТС, характеризуется тем, что ее оси совпадают с главными осями инерции машины, а центр находится в центре масс ТС.

Рис. 12. Динамическая модель движения ТС по опорной поверхности

Состояние системы описывается следующими переменными: - радиус-вектор центра масс машины в НСК; - радиус-вектор центра масс -го колеса в НСК; - радиус-вектор центра масс -го колеса в ПСК; - радиус-вектор точки крепления подвески -го колеса к корпусу ТС в ПСК; - вектор скорости центра масс машины в ПСК; - вектор угловой скорости вращения машины вокруг центра масс в ПСК; - координата центра масс -го колеса в ПСК; - относительная скорость центра масс -го колеса в ПСК.

Положение ТС в НСК определяется взаимным расположением координатных систем, которые характеризуются радиус-вектором центра масс и тремя угловыми координатами (углы Эйлера-Крылова): - угол крена, - угол дифферента, - курсовой угол, выраженными через направляющие косинусы.

Проекции угловой скорости на оси ПСК устанавливаются на основе кинематических соотношений:

. (20)

Матрица перехода из ПСК в НСК B имеет следующий вид:

(21)

Матрица перехода из i-й микроподвижной системы координат в НСК имеет следующий вид:

(22)

При составлении математической модели сделаны следующие допущения: массы неподрессоренных элементов ТС приведены к осям колес, подрессоренные массы ТС - к корпусу. Опорное основание предполагается недеформируемым (необходимая податливость по нормали к грунту, может быть учтена в соответствующих характеристиках колес, а тангенциальная податливость грунта учитывается в характеристике его сцепных свойств). Уравнения динамики ТС записываются в подвижной системе координат:

(23)

где , , - проекции вектора угловой скорости ТС на оси ПСК; , , - проекции вектора углового ускорения ТС на оси ПСК; , , - проекции вектора линейной скорости ТС на оси ПСК; , , - проекции вектора линейного ускорения ТС на оси ПСК; , , - проекции силы тяжести на оси ПСК; , , - проекции силы взаимодействия между движителем и опорной поверхностью (ОП) на оси ПСК; , , - проекции нормальной реакции ОП на оси ПСК; , , - проекции момента от нормальной реакции ОП на оси ПСК; , , - проекции момента от силы взаимодействия между движителем и ОП на оси ПСК; , , , - моменты инерции ТС относительно осей ПСК.

Сглаживающая способность шины учитывалась через корректированный микропрофиль:

, (24)

где - длина волны микропрофиля.

На основании начальных значений перечисленных переменных состояния вычисляются силы и моменты, действующие на первом шаге интегрирования. На основании значений сил и моментов вычисляются производные по времени от переменных состояния. Далее выбранным методом численного интегрирования определяются значения переменных состояния в следующий момент времени. После этого вычисляются силы и моменты, действующие на втором шаге интегрирования и т.д.

Возмущающее воздействие со стороны неровностей микропрофиля можно задавать как непосредственно реализациями высот неровностей, так и корреляционной функцией, отражающей вероятностную связь между координатами микропрофиля по длине участка пути , спектральной плотностью, характеризующей частотный состав микропрофиля и дисперсией , характеризующей разброс случайной величины относительно ее среднего значения.

Обширные исследования автомобильных и грунтовых дорог, показали, что нормированные корреляционные функции и спектральные плотности ординат неровностей могут быть аппроксимированы соответственно следующими выражениями:

(25) и (25).

Значения коэффициентов аппроксимации некоторых типов дорог приведены в технической литературе. Тем не менее, при обработке результатов измерений, статистические характеристики микропрофиля одной и той же дороги могут существенно изменяться в зависимости от базы и метода обработки. Так например, проведенные в НИИ-21 исследования одного и того же участка дороги с хорошим асфальтовым покрытием показали, что при базах 200, 30, 20 и 4 м дисперсии оказались равны соответственно 4,2; 2,0; 1,25 и 0,20 см². Кроме этого, в инженерной практике необходимо результаты расчетов проверять экспериментальными исследованиями и здесь возникают определенные трудности, так как практически невозможно идентифицировать предложенные в литературе значения параметров различных типов дорог с конкретными маршрутами движения машины и, следовательно, адекватно оценить результаты расчетов и эксперимента.

Проведенные автором в 2006-2007 годах замеры микропрофиля ряда дорог ФГУП «НИЦИАМТ» позволили определить и записать как непосредственно высоты неровностей микропрофиля, так и коэффициенты аппроксимации, которые приведены в таблице 1.

Сравнение результатов расчета по предложенной математической модели с данными испытаний на плавность хода по исследованным дорогам показали хорошую сходимость результатов - разница не превысила 8-10%.

Таблица 1

Вид дороги	Dq,см2
Асфальтовая 1 (Дин.)	6,6	e-0,02l cos 0,04l
Асфальтовая 2	9,85	e-0,32lcos 1,53l
Булыжная 1	12,7	e-0,11lcos0,07l
Булыжная 2	21,1	e-0,17cos 0,18l
Грунтовая 1	39,4	e-0,21cos 0,23l
Грунтовая 2	52,1	e-0,05l cos 0,15l
Грунтовая 3	70,7	e-0,04l cos0,28l
Грунтовая 4	97,6	e-0,12l cos0,31l
Грунтовая 5	123,0	e-0,16l cos 0,16l
Грунтовая 6	140,7	e-0,07 l cos 0,43l

В пятой главе на основе системного анализа были установлены статистические зависимости между основными параметрами ТС разного типа, обобщены сложившиеся тенденции и обоснован выбор концепции и типа ТС, предназначенных для движения по слабонесущим грунтам. За базовый параметр, характеризующий (при прочих равных условиях) наиболее важный технический и эксплуатационный показатель принята грузоподъемность ТС.

С точки зрения давлений на опорную поверхность наилучшими показателями обладают АВП и ТС на торовых движителях, имеющие равномерные давления по всей площади контакта и составляющие соответственно и . Давление гусеничных и колесных машин на порядок больше. У гусеничных ТС максимальные давления в контакте составляют (у пневмогусеничных ). У колесных машин на шинах сверхнизкого давления это показатель составляет .

По тяговым показателям аппараты на воздушной подушке, не имеющие прямого контакта с опорной поверхностью, значительно уступают колесным и гусеничным машинам. Максимальный коэффициент свободной тяги у них составляет , в то время как у гусеничных и колесных машин он колеблется от (песок, луговина, пахота и др.) до на снежной целине и заболоченных участках.

Одним из показателей совершенства конструкции при равных значениях надежности и ресурса является материалоемкость, то есть отношение снаряженной массы машины к ее грузоподъемности. На рисунке 13а показаны зависимости среднестатистических значений материалоемкости ТС от грузоподъемности. Из них видно явное преимущество колесных ТС перед машинами с другими типами движителей.

Габаритные размеры ТС, особенно ширина и длина, а также площадь контакта с опорной поверхностью и давления в контакте тесно связаны между собой. При этом габаритные размеры ограничивают маневренность и полную массу машины. На рисунке 13б показаны зависимости удельных среднестатистических значений габаритной площади различных типов ТС, из которых видно явное преимущество колесных и гусеничных машин перед аппаратами на воздушной подушке. При этом колесные машины имеют по этому показателю некоторое преимущество перед гусеничными машинами.

Рис. 13. Зависимость удельной материалоемкости (а) и габаритной площади (б) ТС от грузоподъемности: 1 - колесные; 2 - гусеничные; 3 - АВП

В качестве экономических показателей выбраны удельный расход топлива и удельная стоимость ТС. Зависимости среднестатистических значений указанных показатели приведены на рис. 14.



Рис. 14. Зависимость удельного расхода топлива (а) и стоимости (б) ТС от грузоподъемности: 1 - колесные ТС; 2 - гусеничные ТС; 3 - аппараты на воздушной подушке

Результаты расчетов приведены в таблице 2. Из таблицы 2 по абсолютной сумме всех показателей видно преимущество колесных машин перед другими типами ТС. Наиболее близко к колесным ТС по сумме всех показателей находятся пневмогусеничные машины.

Исходя из изложенного в качестве транспортных средств высокой проходимости, предназначенных для работы на слабонесущих грунтах в северных районах более предпочтительными являются машины на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.

Таблица 2

Параметры	Квес	АВП	Гусеничные традиц./ пн.	Колесные ТС
1. Показатели проходимости	0,30	0,222	0,292/0,311	0,30
1.1. Коэффициент св. тяги 1.2. Дорожный просвет 1.3. Преодолеваемый подъем 1.4. Преодолеваемый косогор 1.5. Максимальная скорость 1.6. Удельная площадь	0,25 0,16 0,15 0,14 0.20 0,10	0,33 1,0 0,5 0,5 1,5 0,53	1,00/1,25 0,97 1.15 1,20 0,65 0,98	1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
2. Экономические показатели	0.26	0,052	0,141/0,137	0,26
2.1. Удельная мощность 2.2. Уд. материалоемкость 2.3. Удельный расход топлива 2.4. Удельная стоимость 2.5. Ресурс до 1 кап. ремонта 2.6. Универсальность	0,17 0,15 0.30 0,25 0.08 0,05	0,17 0,55 0,08 0,17 0,25 0,10	1,00 0,75 0,25 0,50/0,45 0,25 0,75/0,80	1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
3. Экологические показатели	0,24	0,557	0,163/0,226	0,24
3.1. Давление на грунт 3.2. Уровень внешнего шума 3.3. Выбросы в ОГ	0,60 0.20 0.20	3,50 0,50 0,60	0,6/1,0 0,8/0,9 0,8	1,00 1,00 1,00
4. Показатели безопасности	0,20	0,074	0,204	0,20
4.1. Управляемость 4.2. Устойчивость 4.3. Тормозные качества 4.4. Надежность	0.30 0,25 0,20 0,25	0,30 0,20 0,40 0,60	0,90 1,25 1,15 0,80	1,00 1,00 1,00 1,00
Комплексный показатель		0,905	0,800/0,878	1,00

Специфика требований, предъявляемых к ТС данного типа, вытекает, прежде всего, из условий обеспечения проходимости на грунтах со слабой несущей способностью при минимальных вредных воздействиях на опорную поверхность, что ограничивает значение максимальных давлений от движителей на грунт величиной 0,02 МПа. Исходя из этого, в первую очередь, необходимо определить грузоподъемность и полную массу ТС, параметры движителя и, соответственно, допустимые нагрузки на колесо и число колес, после чего можно обосновывать основные компоновочные решения: габаритные размеры, способ поворота, тип трансмиссии и т.п.

Анализ применяемых в настоящее время пневмоколесных движителей сверхнизкого давления показал, что наиболее распространенными типоразмерами ШСНД являются шины диаметром от 1250-1300 мм до 1700 мм с нормой слойности 2, реже 3 и 4. Диапазон допускаемых нагрузок таких шин составляет соответственно от 6000-8000 Н до 15000-20000 Н. Отсюда можно выбирать движители и их количество для вновь создаваемых ТС. В главе 3 приведены данные по основным характеристикам шин сверхнизкого давления и методике выбора их рациональных параметров.

Другой важной характеристикой ходовых систем ТС является способ поворота, который необходимо оценить, с точки зрения усилий, возникающих в контакте движителя с грунтом при криволинейном движении. Это особенно важно для машин, работающих на слабонесущих грунтах с легко ранимым почвенно-растительным покровом.

Среди известных способов поворота можно выделить три основных: с управляемыми колесами, по шарнирно-сочлененной схеме и с бортовым способом поворота. В основных работах, посвященных исследованию криволинейному движению колесных машин, приводятся формулы для определения потребных тяговых усилий. При этом необходимо знать ряд параметров (углов поворота управляемых колес или складывания секций шарнирно-сочлененных машин, углов увода колес и коэффициента сопротивления боковому уводу, центра смещения полюса поворота и т.п.), что часто вызывает затруднения, особенно на начальном этапе проектирования. Поэтому в данной работе рассматривается задача качественной оценки тяговых усилий на колесах ТС при различных схемах поворота.

Для достижения целей и упрощения задачи принимаются классические допущения: поворот установившийся равномерный с минимальной скоростью на горизонтальной твердой опорной поверхности смещение центра поворота значительно меньше радиуса поворота, углы увода колес значительно меньше углов поворота колес или секций машины, автомобиль полноприводный, четырехосный, привод колес по схеме с управляемыми колесами и шарнирно-сочлененной схеме дифференциальный, трение в дифференциалах не учитывается. Расстояние между осями одинаково и равно , колея у всех машин одинакова и равна , нормальная нагрузка на все колеса одинакова и равна , радиусы всех колес одинаковы и равны .

Тогда для поворота с помощью управляемых колес:

. (26)

Для шарнирно-сочлененного способа поворота:

. (27)

Для бортового способа поворота:

. (28)

Приведенные расчетные формулы дают достаточно простые и доступные выражения, чтобы оценить тот или иной способ поворота с точки зрения необходимых тяговых усилий. При этом разница между расчетами по формулам Я.Е. Фаробина и предложенными автором составляет не более 10-15%.

Установлено, что рассчитывать тяговые усилия без учета увода колес нельзя, разница может составлять в 2-3 раза. Бортовой способ поворота влечет за собой ухудшение энергетических характеристик маневренности на 45%. Шарнирно-сочлененный способ поворота по тяговым усилиям аналогичен повороту с помощью управляемых колес.

В шестой главе приведены результаты экспериментально-теоретических исследований плавности хода, управляемости и устойчивости ТС на пневмоколесных движителях сверхнизкого давления.

6.1. Результаты расчетов плавности хода ТС на булыжной дороге ровного мощения приведены на рисунке 15 (сплошная линия - ТС с заблокированной подвеской и пунктирная линия - ТС со штатной подвеской).

Рис. 15. ТС НАМИ-1918: СКЗ локальной вибрации на рулевом колесе (а) и СКЗ общей вибрации на сиденье водителя по оси Х (б)

На рисунке 16 а) приведены зависимости СКЗ ускорений от давления воздуха в шинах при движении по асфальтовой дороге и булыжнику ровного мощения со скоростью 50 км/ч. На рисунке 16 б) - зависимость СКЗ ускорений от вида дорог при оптимальном (пунктирная линия) и минимальном (сплошная линия) давлении воздуха в шинах.



Рис. 16. Зависимость СКЗ ускорений от давления воздуха в шинах (а) и скорости (б)

Натурные испытания на плавность хода проводилась при штатной и заблокированной подвесках, четырех значениях внутреннего давления воздуха в шинах и трех значениях скорости движения. Исследования проводились на динамометрической асфальтированной дороге и булыжной дороге ровного мощения НИЦИАМТ. Длина участка измерений составляла соответственно 2000 м и 1000 м. Основной оценкой вибрации являлись среднеквадратичные значения (СКЗ) корректированного виброускорения.

Согласно нормам ОСТ 37.001.291-84 ТС на шинах сверхнизкого давления с заблокированной подвеской могут эксплуатироваться только на асфальтовой дороге и ровной грунтовой дороге типа 1. Согласно нормам МТТ СВ. МО - 81 каждому виду дорог соответствует своя скорость движения.

При движении по булыжной дороге ровного мощения СКЗ виброускорений общей вибрации с заблокированной подвеской больше чем СКЗ виброускорений со штатной подвеской: по оси Х - 1.5-2,1 раза, по оси Y - на 11-37% и по оси Z - на 22-55%,

При движении по динамометрической дороге СКЗ виброускорений ТС с заблокированной подвеской больше чем СКЗ виброускорений со штатной подвеской: по оси Х - на 65-74%, по оси Y - на 12% и по оси Z - на 33-37%.

СКЗ виброускорений локальной вибрации ТС со штатной подвеской меньше по сравнению с заблокированной подвеской на 19-67%, увеличиваясь с увеличением скорости движения. На динамометрической дороге разница СКЗ виброускорений локальной вибрации для ТС со штатной подвеской по сравнению с заблокированной подвеской меньше на 20-36% при внутреннем давление воздуха в шине 0,06-0,07 МПа и на 7-20% при внутреннем давлении воздуха в шине 0,04-0,05 МПа.

Из вышесказанного следует, что блокирование подвески оказывает существенное влияние на СКЗ виброускорений особенно по направлению оси «Х». Наибольшие СКЗ виброускорений по оси Х 2,0-2,8 м/с² получены для ТС с заблокированной подвеской при скоростях движения 20 и 30 км/ч при всех давлениях воздуха в шинах. СКЗ виброускорений 2,8 м/с² находится в пределах области гарантий в отношении потенциального риска здоровья водителя при суточном воздействии общей вибрации в течение 1 часа.