Карташов А.Б., асп. / Котиев Г.О., д.т.н., проф. / Смирнов А.А., к.т.н., доц. / МГТУ им. Н.Э. Баумана
Рисунок 1. Макет крупногабаритного колесного движителя из стеклопластика в сравнении с колесом автомобиля «Нива»
Одно из направлений решения задач перевозок тяжеловесных крупногабаритных и неделимых грузов на местности, где нецелесообразно строить дороги, — это создание специальных транспортных средств с крупногабаритными колесами.
В прошлом веке применялись специальные колесные машины с крупногабаритными шинами низкого давления типа сверхбаллон (рис. 2) [2]. В основном такими конструкциями занимались в США и Канаде до середины прошлого века. Шины-сверхбаллоны имели тонкослойный каркас с неглубоким эластичным протектором. Наружный диаметр мог достигать 3 м и более, внутреннее давление составляло от 0,02 МПа до 0,17 МПа. Большинство такого рода машин не имело подвески, отсутствие которой компенсировалось низким внутренним давлением воздуха в шинах и невысокими скоростями движения. Как правило, на таких машинах применялись бортовой способ поворота или складывающаяся рама и электрический привод колес. Увеличение наружного диаметра колесного движителя вело к значительному возрастанию веса и момента инерции колеса, а также к сложности и трудоемкости монтажа и демонтажа такого колеса [2].
Рисунок 2. Колесные машины с крупногабаритными шинами низкого давления типа сверхбаллон: а — многозвенный автопоезд с тягачом Snow Train типа 4х4; б — самоходная платформа для перевозки судов; в — амфибия Marsh Buggy на шинах-сверхбаллонах.
Другое направление — создание металлоупругих колес большого диаметра. Металлоупругие колеса разрабатывались главным образом для применения на планетоходах, к ним предъявлялся целый ряд жестких требований — они должны были обеспечивать хорошее сцепление с грунтом, быть легкими и гасить колебания шасси. Классические колеса «Лунохода» были образованы тремя титановыми ободами, соединенными между собой титановыми грунтозацепами и стальной сеткой. Применение стального обода в крупногабаритных колесах повлечет за собой неминуемое увеличение массы и момента инерции, а обеспечение демпфирующих свойств такого колеса будет непростой задачей.
Иначе обстоит дело с созданием крупногабаритных эластичных колес из композиционных материалов, а именно из стеклопластика. Такие колесные движители (рис. 1) при той же грузоподъемности, что и шины-сверхбаллоны обладают значительно меньшей массой и малым сопротивлением качению. Демпфирующие свойства обеспечиваются за счет внутреннего трения в стеклопластиковом ободе. Изготовление больших колес возможно по методу «намотки» и не вызывает технологических трудностей.
Несмотря на кажущуюся простоту, колесо является сложным устройством, работа которого в зависимости от поставленной цели и степени точности может описываться с помощью различных моделей.
Как известно, в общем случае прямолинейного движения колеса на него действуют различные силы и моменты (рис. 3).: Rx и Rz — соответственно, продольная и вертикальная реакция в пятне контакта колеса с опорным основанием; Px и Pz — соответственно, продольная и вертикальная сила, приложенная к оси колеса; Mк — крутящий момент, подводимый к колесу; Mf — момент сопротивления качению, возникающий вследствие внутренних потерь в материале колеса. В зависимости от характера и направления этих сил и моментов различают следующие режимы равномерного движения колеса по твердому основанию [3].
Рисунок 3. Режимы равномерного движения колеса: а — ведомое колесо; б — ведущее колесо; в — свободное колесо; г — нейтральное колесо; д — тормозящее колесо.
1. Ведомое колесо (рис. 3, а) — колесо приводится во вращение продольной силой Px, приложенной к оси колеса и совпадающей по направлению со скоростью Vx его продольного перемещения. Крутящий момент колеса Mк при этом равен нулю.
2. Ведущее колесо (рис. 3, б) — колесо приводится во вращение крутящим моментом Mк, вектор которого совпадает с вектором угловой скорости wк, и нагружено продольной силой Px.
3. Свободное колесо (рис. 3, в) — колесо приводится во вращение крутящим моментом Mк, а продольная сила Px равна нулю.
4. Нейтральное колесо (рис. 3, г) — колесо приводится во вращение одновременно крутящим моментом Mк и толкающей силой Px.
5. Тормозящее колесо (рис. 3, д) — колесо приводится во вращение толкающей силой Px и нагружено крутящим моментом Mк, вектор которого противоположен вектору угловой скорости wк.
Эластичное колесо, как объект исследования, обладает многообразными свойствами, проявляющимися в достаточно сложных физических явлениях, сопровождающих процесс качения. Исследованию явлений, возникающих при качении пневматической шины, посвящено большое количество работ, качение же колеса из композиционных материалов на основе стеклопластика остается недостаточно исследованным.
Таким образом, цель проводимых исследований заключается в изучении процессов, происходящих при движении колеса из композиционных материалов на основе стеклопластика.
Упругое стеклопластиковое колесо (УСК) может представлять собой обод, выполненный из стеклопластика, соединенный с помощью упругих спиц-рессор со стальной ступицей рис. 1. В качестве основных характеристик материала обода колеса приняты следующие величины: модуль упругости первого рода при изгибе E = 40000 МПа; модуль сдвига G = 56000 МПа; плотность материала p = 1900 кг/м3 [1]. Энергетические потери в материале колеса зада- ются через логарифмический декремент затухания б. Для случая, когда внутреннее трение пропорционально перемещению, б = 0,42 (на основе испытаний, проведенных на кафедре «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана).
Читайте также: Мерседес проблемы по can шине
Процесс движения упругого колеса по твердой опорной поверхности моделируется с применением метода конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе LS-Dyna, предназначенном для решения трехмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, а также связанных задач. Более подробно с методом конечных элементов и ПК LS-Dyna можно ознакомиться в имеющейся литературе, далее приводится лишь краткое описание конечных элементов, используемых при решении поставленной задачи.
Рисунок 4. Типы используемых конечных элементов: а — оболочечный 4-х узловой элемент; б — 2-х узловой комбинированный стержневой элемент.
Для моделирования обода и опорной поверхности используется оболочечный элемент Белычко-Цая (Belytschko-Tsay) (рис. 4, а). Упругие спицы-рессоры моделируются двухузловым комбинированным стержневым элементом (рис. 4, б) [4]. Общий вид конечно-элементной модели представлен на рис. 5.
Рисунок 5. Конечно-элементная модель УСК .
В статье представлены результаты моделирования трех случаев качения пластикового колеса: «ведомое колесо», «ведущее колесо» и «свободное колесо», как представляющие наибольший интерес.
Чтобы избежать ударных нагрузок и рывков силы прикладываются постепенно, как показано на рис. 6. В первую секунду прикладывается вертикальная нагрузка к оси колесного движителя. Затем, за вторую секунду, прикладываются продольная сила и крутящий момент в зависимости от режима качения.
Рисунок 6. Графики приложения нагрузок: а — вертикальная сила; б — продольная сила; в — крутящий момент.
Полученные в результате моделирования графики изменения во времени продольных реакций в пятне контакта Rx для трех режимов движения колеса представлены на рис. 7.
Рисунок 7. Графики изменения продольной реакции Rx в пятне контакта: а — ведомый режим; б — свободный режим; в — ведущий режим.
Полученные результаты не противоречат современным представлениям о качение упругого колеса. Как и следовало ожидать, в ведомом и ведущем режимах продольная реакция Rx направлена в противоположные стороны, а в свободном режиме близка к нулю. Разброс значений продольной реакции Rx во всех режимах объясняется крутильными колебаниями, наличие которых есть следствие отсутствия демпфирующего звена между ободом и ступицей колеса.
Общий вид пятна контакта обода УСК и опорной поверхности для различных режимов показан на рис. 8.
Рисунок 8. Общий вид пятна контакт в различных режимах качения УСК : а — ведомый режим; б — свободный режим; в — ведущий режим.
Стоит отметить наличие продольного смещения и несимметричность пятна контакта относительно оси УСК. В результате точка приложения суммарной вертикальной реакция Rz будет расположена перед осью вращения УСК. Это смещение a принято разделять на смещение, возникающее за счет приложения продольной силы к оси колеса, и смещение, возникающее из-за внутренних потерь в материале колеса.
Таким образом, проведенное исследование процесса качения УСК с помощью метода конечных элементов открывает новые возможности для изучения явлений, возникающих при взаимодействии УСК с опорным основанием, и делает возможной оптимизацию конструкций подобных движителей на стадии их проектирования.
1. Афанасьев Б.А., Даштиев И.З. Проектирование элементов подсистем автомобиля из композиционных материалов: Учеб. Пособие / Б.А. Афанасьева. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 136 с.
2. Кочнев Е.Д. Энциклопедия военных автомобилей 1769-2006 гг. Издание 1-е. — М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2006. — 640 с.
3. Чудаков Е.А. Теория автомобиля. — Ленинград: 1-я типография Машгиза, 1950. — 343с.
4. LS-DYNA Theoretical Manual. Edited by John O. Hallquist. Livermore Software Technology Corp, 1998, — 498 c.
Исследование режимов качения колеса из композиционных материалов на основе стеклопластика
Котиев Г.О., д.т.н., Смирнов А.А., к.т.н., Карташов А.Б., аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана
В статье обоснована актуальность создания крупногабаритных колес на основе стеклопластика и необходимость изучения их свойств с целью оптимизации конструкции на стадии проектирования. П редставлены результаты теоретических исследований качения колеса в различных режимах на основе метода конечных элементов.
RESEARCH OF VARIOUS MODES OF THE COMPOSITE FIBREGLASS WHEEL ROLLING MOTION
Kotiev G.O., PhD., Smirnov A.A., Dr., Kartashov A.B., MSc., Moscow State Technical University n.a. N.E. Baumana (MSTU)
The article proves the urgency of creation of large-sized fibreglass wheels and necessity of studying of their properties for the purpose of design optimisation on a blueprint stage. Various modes of rolling motion of the wheel were investigated by finite element method (FEM). The results of researches are represented.
Читайте также: Давление в шинах паз 3206
Видео:Экспертиза шин. "Недокач" и "Перегруз"Скачать
Механическая тяга. Часть 16. Незолотая середина
Значительная металлоемкость, трудоемкость и дороговизна в производстве и эксплуатации являлись сдерживающими факторами для внедрения гусеничных тракторов в 1920-х гг. Поэтому некоторые компании приступили к созданию сменных гусеничных ходов, или «придатков», для установки на колесные тракторы, что при приемлемых затратах позволяло получить конструкцию с удовлетворительными тяговыми показателями.
Видео:КАК УБРАТЬ ЛЮБУЮ ЦАРАПИНУ НА ПЛАСТИКЕ ЗА 5 МИНУТ?Скачать
Болезни «придатков»
Для поставок в нашу страну свою продукцию предлагали несколько иностранных фирм. Так, состоялись испытания гусеничных ходов «Траксон» (Trackson) и «Мун Трак» (Moon Track), которые, впрочем, нашли ограниченное применение. Первые образцы этих гусеничных ходов были рассчитаны на работу с трактором «Фордзон». Но эта машина отличалась низкой общей прочностью, что отчетливо проявлялось при ее эксплуатации в тяжелых условиях. Свойственные для использования сменного гусеничного хода повышенные эксплуатационные нагрузки, особенно при нерегулярном или неграмотном техническом обслуживании, могли способствовать преждевременному выходу и без того не самого надежного трактора из строя.
С принятием принципиального решения об организации производства советской версии трактора «Мак-Кормик-Диринг» («Интернационал») закономерно был поднят вопрос о применении на нем сменного гусеничного хода («придатка»). Основным их заказчиком выступали военные, которые еще в период проведения конкурса выражали заинтересованность в оснащении «Интернационала» гусеничным ходом. Наряду с гусеничными ходами «Траксон» и «Мун трак» рассматривалась возможность использования гусеничных придатков «В.А. Риддель-Компани», или просто «Варко-Риддель».
Вопрос об организации производства гусеничных ходов рассматривался в государственном масштабе еще до начала выпуска базового трактора. В связи с этим 26 мая 1930 г. на заседании СТО по рассмотрению сметы расходов 1929–1930 гг. на сооружение тракторного завода в Харькове (во исполнение постановления СТО от 16 мая) с докладами выступили Медников из Госплана СССР и Лившиц из ВСНХ СССР.
Протокольным решением по итогам заседания констатировалось:
«а/ Рассмотрение сметы Харьковского Тракторного Завода отложить.
б/ Предложить ВСНХ войти в месячный срок в СТО с более точной сметой стоимости XTЗ с заключением Госплана, НКФ и НКРКИ.
Предложить ВСНХ полностью учесть в этой смете опыт строительства Сталинградского Тракторного Завода и в связи с этим уменьшить стоимость Харьковского завода по сравнению со Сталинградским заводом /в ценах текущего года/приблизительно в пределах 20-25%.
в/ Согласиться с предложением ВСНХ об израсходовании в текущем году на постройку Харьковского Тракторного Завода 45 мил. р. из средств, ассигнованных по бюджету на капитальное строительство промышленности.
г/ Обязать ВСНХ рассмотреть вопрос об использовании Сталинградского завода и других заводов УССР для сотрудничества с Харьковским Тракторным Заводом, в целях удешевления постройки и стоимости продукции и свои предложения внести в 2-х декадный срок в СТО.
д/ Предложить ВСНХ СССР единовременно с постройкой Харьковского завода-дублера Сталинградского, вместе с Наркомземом СССР, Наркомвоенмором и Трактороцентром рассмотреть в 2-х месячный срок вопрос о потребности в гусеничных ходах для тракторов «Интернационал» 15/30 и в зависимости от результатов разработать проект производства таких ходов или на основе кооперирования Харьковского Тракторного Завода с одним из заводов общего машиностроения, или путем постройки при Харьковском заводе самостоятельного механического и сборочного цеха гусениц на началах кооперирования такого цеха с основным заводом».
Необходимость существенного снижения расходов на постройку ХТЗ вынудила отказаться от организации массового производства гусеничных ходов к трактору «Интернационал». Тем не менее, военные в течение нескольких лет настаивали на изготовлении гусеничных ходов по типу иностранных образцов и на разработке новых оригинальных конструкций.
Во второй половине июня 1931 г. испытательный отдел НИАБТП провел испытания колесного трактора СХТЗ-15/30, оснащенного гусеничным ходом «Варко-Риддель». Целью этих испытаний являлось определение:
«1. Тяготных и скоростных свойств трактора при тяге дивизионных и корпусных артиллерийских систем.
2. Прочности и надежности трактора.
3. Удобства обслуживания и управления.
4. Расхода горючего и смазки.
6. Времени, потребного для перевода с колесного хода на гусеничный и обратно».
Программа испытаний включала выполнение трех дневных пробегов продолжительностью до 8 ч по шоссе, грунтовым дорогам и бездорожью. При движении на грунтовых дорогах и бездорожье следовало определить максимальные преодолеваемые подъемы с прицепным грузом. Предполагалась буксировка 107-мм пушки обр. 1910 г. с передком, общим весом 2800 кг и 122-мм гаубиц 1909 г. и 1910 г. с передком, общим весом 2600 кг.
Американская фирма «В.А. Риддель-Компани» (W.A. Riddel Company) из Бюсайруса (Bucyrus, Ohio) была известна своими механическими лопатами, агрегатируемыми с гусеничными тракторами, сменными гусеничными ходами и всякого рода дорожно-строительными машинами. Фирма предлагала гусеничные хода к тракторам «McCormick Deering», модернизированному «Fordson», «Case» модели С1 и «Allis-Chalmers» марки U. Эти хода устанавливались на задней оси трактора и благодаря своей качающейся конструкции могли приспосабливаться к рельефу местности.
Читайте также: Метабо дисковая пила с направляющей шиной
Гусеничный ход фирмы «В.А. Ридцель-преемники» (the Hadfield-Penfield steel Company – модель «Т-Н») представлял из себя две рамы с гусеницами, в каждой из которых имелось по одному ведущему зубчатому колесу, расположенному таким образом, что зацепление осуществлялось с верхней ветвью гусеницы. Внутри зубчатых колес помещались тормозные колодки, позволявшие раздельно подтормаживать гусеницы и осуществлять повороты с малым радиусом. Управление тормозами ведущих колес гусеничного хода и рулевое управление не было синхронизировано, что делало управление несколько утомительным, однако в начале 1930-х гг. не рассматривалось как существенный недостаток. Так, раздельное управление поворотом передних колес и тормозами гусеничного хода было применено и на первых отечественных полугусеничных артиллерийских тягачах ЯСП, ЗИС-Сомуа и др.
Трактор постройки СТЗ был условно метризованной копией «Интернационала», поэтому ряд их узлов и агрегатов не были взаимозаменяемыми. Выяснилось, что посадочные места на американском гусеничном ходу не соответствовали посадочным местам на советском тракторе, что вынудило провести слесарную обработку и подгонку деталей. Четверо рабочих с домкратами затратили на снятие колесного хода 1,5 ч и на монтаж гусениц 5 ч, на снятие гусениц – 11 ч, а на установку колес – еще около 1,5 ч.
За все время испытаний трактор и гусеничный ход не имели никаких поломок или неисправностей. Трактор
«свободно буксировал пушку на третьей передаче, давая вторую передачу только на подъемах».
Из немногочисленных недостатков испытатели отметили неудобную прицепку орудия и отсутствие на тракторе места под инструментальный ящик, который пришлось перенести на лафет.
Серийное производство гусеничных ходов «Варко-Риддель» не было освоено по причинам, не связанным с их техническим совершенством.
После принятия решения о внедрении в производство во второй пятилетке на ХТЗ и СТЗ гусеничного трактора проводившиеся Институтом механизации сельского хозяйства (ВИМ) работы по проектированию оригинальных конструкций гусеничных ходов потеряли актуальность.
Видео:Ремонтный герметик колёс. Видеоинструкция. ПрименениеСкачать
Не только для военных
Одной из характерных особенностей тракторов начала XX в. являлось применение ведущих металлических колес с развитыми грунтозацепами. Однако такие колесные хода мало подходили для использования на дорогах с твердым покрытием. По этой причине на основании постановления ЦК ВКП(б) наряду с производством на заводах промышленности «индустриальных» тракторов с колесами на грузоленте или с пневматиками высокого давления по типу иностранных НАТИ и Главрезина организовали опытные работы по изготовлению шин типа «сверхбаллон» – пневматических шин с пониженным давлением воздуха и увеличенным сечением. Государственные испытания трактора СХТЗ с шинами «сверхбаллон» были проведены на НИАБТ полигоне в Подмосковной Кубинке и в Учебно-опытном зерносовхозе №2.
Но в ходе испытаний и опытной эксплуатации шин «сверхбаллон» на тракторах и автомобилях не было выявлено существенных преимуществ, оправдывающих организацию их массового производства. Поэтому, несмотря на ряд положительных оценок, «сверхбаллоны» не получили распространения.
Организация массового производства (до нескольких сот штук в день) тракторов на заводах в Харькове и Сталинграде позволила удовлетворить народное хозяйство в средствах механизации наиболее энергоемких операций – пахоты, посева и уборки.
Вместе с тем, оставалась нерешенной проблема создания пропашного трактора, или «пропашника». К пропашному трактору предъявлялся комплекс противоречивых требований: он должен обладать минимальной массой, быть очень маневренным, устойчивым к опрокидыванию, иметь большой дорожный просвет, минимальное давление на грунт и вместе с тем узкие колеса.
Работы по пропашным тракторам первоначально подразумевали создание специальных модификаций серийных образцов с измененным передним и задним ходами, а также увеличенным клиренсом. 25 апреля 1933 г. постановлением СТО Наркомтяжпром обязывался выбрать тип пропашного трактора и организовать его производство с максимальным использованием действующих заводов. В результате были проведены государственные испытания тракторов СХТЗ, доработанных ВИМЭ, ВИСХОМ и Омским заводом сельхозмашин, а также импортного пропашного трактора «Фармол».
В ходе испытаний однозначно установили, что все предложенные варианты трактора СХТЗ обладают существенными недостатками по сравнению с американской машиной и не отвечают ни одному из предъявляемых к ним требований. В этой связи на заседании комиссии политбюро 8 августа 1933 г. под председательством С.М. Куйбышева было принято решение ограничить выпуск партии приспособлений к трактору СХТЗ: четырехколесных – 100 шт., трехколесных – 500 шт. Для покрытия потребности народного хозяйства в пропашных тракторах следовало организовать производство советской версии трактора «Фармол» на заводе «Красный Путиловец».
источник: Александр Кириндас «МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЯГА Незолотая середина» «Техника и вооружение» Июль 2013 года
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
💡 Видео
ТИХИЕ ШИНЫ ЭТОГО НЕ ЗНАЮТ БОЛЬШИНСТВО АВТОМОБИЛИСТОВСкачать
ШУМОИЗОЛЯЦИЯ ШИНСкачать
Почему шасси самолёта никогда не взорвется?Скачать
Секрет чернения шин от перекуповСкачать
Что такое силовая неоднородность шины и какие методы борьбы с ней есть в современном мире!Скачать
КАК СОЗДАЮТ ШИНЫ? Показываем этапы производства на заводе шин Continental в Калуге : )Скачать
Шины развалились за сезон, как отстоять свои права?Скачать
Галилео. Автомобильные шины (часть 1)Скачать
Клумбы из шин 20 лучших идейСкачать
Приделал ТРЕУГОЛЬНЫЕ КОЛЁСА к велосипедуСкачать
Левые и правые шины. Асимметричные и направленные. Разница?Скачать
Велосипед с колесами от БМВ.Кастом вело. Вело дрифтСкачать
Колёса и шиныСкачать
Зачем WD-40 наносят на номера автомобиля? Я в Шоке!!!Скачать
ВСЕ МАРКИРОВКИ ШИН. БЕЗ ИСКЛЮЧЕНИЙСкачать
Омологация шин - показываю наглядноСкачать
Галилео. Автомобильные шины (часть 2)Скачать
