Муратов А., Кайнарбеков А., Абынагиева Ж.Г., Аканова Ж.Ж.

г Алматы, Республика Казахстан, КУПС

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНОГО ДВИЖИТЕЛЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ДОРОГИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Исследование преследует цели повысить проходимость колесного движителя для использования его в условиях бездорожья.

Повышение проходимости колеса предполагается достичь путем изменения геометрической формы колеса, но при этом, не нарушая все достоинства сегодняшнего колеса с круглым ободом, которое используется везде и всюду в конструкциях различных транспортных средств.

В работе [1] отмечены все достоинства колеса при передвижении его по дорогое с ровной поверхностью, т.е. по асфальтированной дорогой. Эти достоинства колеса действительно делает его «господином» среди всех других конструкций опорно-двигательных аппаратов.

Эти достоинства следующие:

- конструктивная простота и динамическая уравновешенность;

- легкость качения, как в ведущем так и в ведомом режимах;

- легкость маневрирования;

- высокая грузоподъемность;

- высокая скорость передвижения.

Единственным недостатком его является низкая степень проходимости в условиях бездорожья. В условиях бездорожья колесо своим ободом сталкивается на каждые неровности дороги, теряет набранную кинематическую энергии и передает к раме все ударные возмущения. Поэтому снижается комфортность езды экипажа.

Становится само собой очевидным первая конструктивная модернизация колеса для езды в условиях бездорожья. Это-снятие обода и езда на нескольких спицах. При этом проходимость колеса повышается, но возникают дополнительные проблемы как вертикальные колебание ступицы колеса и ударные приземления спицы.

Для устранения этих недостатков выполнены различные конструктивные дополнения в работах [2] и [3]. Но результаты этих работ полностью не устранили недостатка колеса и излишне усложнили его конструкции. Поэтому полученные модернизированные конструкций колеса были рекомендованы для езды на низких скоростях.

Для более целенаправленного поиска конструктивных решений по модернизации колеса с целью повышения его проходимости, сохраняя при этом все достоинства сегодняшнего колеса транспортных средств, разработаны ниже приведенные требования, выполнения которых делает колеса универсальным опорно-двигательным устройством для комфортной езды как по асфальтированной дорогой, так и по бездорожью.

Эти требования следующие:

1. Комфортность экипажа, т.е. способность колеса не передавать через ступицы к раме машины ударных возмущений дороги;

2. Высокая степень проходимости через различные сложности дороги и бездорожья;

3. Минимальные энергозатраты на передвижение.

Для оценки конструкции колеса по первому требованию составляется уравнение движения ступицы колеса относительно ровной поверхности дороги. Для оценки колеса по второму требованию будет установлен без размерный коэффициент проходимости. Для определения энергозатраты на перекатывание колеса будут рассчитаны потери первоначальной кинематической энергии при прочих равных условиях перекатывания и будет подсчитан коэффициент полезного действия колеса.

Будут рассмотрены два случая передвижения одиночного колеса- по асфальтированной дорогой и по бездорожью.

А также будут сравниваться три вида колеса с различной геометрической формы. Первый- обычное пневмоколесо, второй- шестиспицевая шагающее колесо, третьи- шагающее колесо с жесткими ступнями и упругой пяткой, впредь будет названо шагающее колесо с упругими спицами.

В таблице №1 иллюстрировано относительное сравнение этих трех видов колес по трем требованиям – по комфортности езды, по проходимости и по затратам энергии на перекатывание.

На рис.1. показаны вертикальное отклонение ступицы трех видов колес а а, а₁ а₁, а₂ а₂ при езды по асфальтированной дорогой. Для первого пневмоколеса это отклонение вычисляется из:

где:- величина вертикального отклонения. Поскольку в этом случае (величина микронеровностей не учитываются), то:

т.е. ступица не перемещается вертикальном направлении. Поэтому коэффициент комфортности:

т.е. комфортности езды считается на 100% соответствует требованию.

Для второго шагающего колеса вертикальное отклонение:

(максимальное значение)

или амплитудное

Амплитудное значение отклонения за один оборот колеса достигает максимального значения 6 раза. Коэффициент комфортности:

Для третьего шагающего колеса с упругими спицами:

поэтому также как первое пневмоколеса:

Поэтому:

Теперь рассмотрим комфортность езды в условиях бездорожья. Примем общее условие сравнения- сложность дороги с препятствием (высота выступа) и частота столкновения колеса о неровности за один оборот колеса.

Для первого пневмоколеса:

(от до )

или: (амплитудное значение)

тогда:

комфортность 77% и частота колебании кол/обор.

Для второго шагающего колеса:

Если брать максимальное значение , то:

тогда

комфортность 83% и частота колебания кол/обор.

Для шагающего колеса с упругими спицами:

комфортность 100% и частота колебания .

Для оценки этих трех видов колес по степени соответствия ко второму требованию, т.е. по проходимости, определим предел проходимости по преодолению рельефной неровности дороги.

На рис. 2 показаны схемы преодоления препятствии пневмоколесом и шагающим колесом.

Пневмоколесо при подъеме на выступы поверхности дороги удерживается в точке контакта «а» под действием двух сил-силы трения и проекция от веса G на касательной , т.е. силы Q:

где

угол наклона касательной (поверхности выступа дороги) к горизонтальной линии отчета.

Сила трения:

где N- нормальная реакция в точке контакта «а» и равна:

Из условия равенства находим, что:

Это значение коэффициента трения скольжения обода колеса об поверхности дороги соответствует значению:

Значение угла наклона соответствует к началу процесса буксования.

При колесо вращается с буксованием, и при

т.е. наступает предел проходимости колеса.

Рассмотрим и оттуда:

Тогда высота неровности h равна:

(предельная высота проходимости)

Коэффициент проходимости колеса П определяется отношениям.

Это значение коэффициента проходимости соответствует 40% от возможно максимальной степени проходимости колеса.

Шагающее колесо имеет просвет Тогда коэффициент проходимости равен:

Шагающее колесо с упругими спицами (рис.3.) имеет просвет:

Поэтому коэффициент проходимости:

Что соответствует максимальному (100%) показателю проходимости (см. табл. 1).

Рисунок. 1. Вертикальное колебание ступицы

Рисунок.2. Проходимость колеса

Рисунок.3. Проходимость колеса.

Для сравнительной оценки энергозатраты на перекатывание колеса по инерции примем конкретные данные, т.е:

G= 10000H- вес автотранспорта, падающий на одно колесо;

r= 0.5 – радиус колеса (м);

I_K=50кг.м² - момент инерции колеса;

V₀=50м/с- начальная скорость колеса;

f_K=0.2 - коэффициент трения качения;

-высота неровности дороги (м);

- угол столкновения колеса;

В начале рассмотрим процесс перекатывания пневмоколеса по асфальтированной дорогой.

Колесо с рамой разгоняется за скорости и двигатель отключается. При прохождении колесом эталонной длины пути метров измеряется скорость в конце пути.

Приведенная к раме масса:

тогда кинематическая энергия при выбега:

(1)

где: S-проиденный путь колесом (м).

Назначим контрольную длину пути S=500м и определим скорости V₁ в конце пути- в финише:

Находим разность:

Коэффициент полезного действия колеса:

полезная энергия;

-невозвратимо потерянная энергия;

первоначальная энергия ().

Аналогично рассмотрим шагающее колесо:

где: п= 166 число оборотов колесо для прохождена- S, =0.02 радиус пятки.

Рассмотрим шагающее колесо с упругими спицами:

.

Теперь эти колеса проверим в условиях бездорожья. Пневмоколесо (рис. 4.) столкнувшись с неровностью дороги теряет часть кинематической энергии.

Из уравнения:

Рисунок 4. Схема преодоления препятствия пневмоколесом

Определим значение .

где - приведенный момент инерции колеса.

кг.м²

- модуль упругости грунта (линейная жесткость)

- начальная угловая скорость колесо.

- где деформация грунта.

- горизонтальная проекция силы сталкивания

- вертикальная проекция силы сталкивания

-начальная длина силы сталкивания

Из уравнения кинематической энергии имеем:

Тогда К.П.Д. равна

Больше половины первоначальной энергии теряет, при первом столкновении с неровностью (рис. 4.) дороги с высотой равной:

Теперь рассмотрим шагающее колесо

Рассмотрим шагающее колесо с упругими спицами:

;

Потеря энергии еще меньше

Результаты проведенных исследований показывают, что сегодняшние пневмоколесо транспортных средств в условиях бездорожья. Не соответствует ни одному из трех сегодняшних потребительских требований. Изменение геометрической формы колеса упростить его конструкции. Результат теореческого и экспериментального исследований привели к целенаправленному модернизацию колеса и позволили получить новую модернизированную конструкцию универсального колеса-шагающему колесу с упругими спицами.

Таблица 1.

№	Виды колеса	дорога	1- требование		2- требование		3- требование
			Комфорт	К	Проходимость	П	К.П.Д. колеса
1		асфальт		1		1		0.99
		бездорожья		0.77		0.4		0.34
2		асфальт		0.87		0.86		0.98
		бездорожья		0.83		0.86		0.99
3		асфальт		1		1		0.99
		бездорожья		1		1		0.99

Литература

1. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. [1] М: Машиностроение, 1981г. 231с.

2. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин. [2] М: Машиностроение,1990г.

3. Муратов А.М., Сазанбаева Р.А. и др. Повышение проходимости колесных машин в условиях бездорожья. [3] «Бастау», г Алматы, 2003г.

4. Муратов А.М., Кайнарбеков А.К. и др. Шагающие движители: Учебное пособие. «Бастау», г Алматы, 2000г.