Снижение буксования ведущих колёс – фактор повышения эффективности и безопасности движения колёсных машин

Снижение буксования ведущих колёс -фактор повышения эффективности и безопасности движения колёсных машин

А.В. Богданов, д.т.н., И.С.Житенко, к.т.н., Челябинская ГАА; И.А. Мурог, к.т.н., профессор, Правительство Челябинской обл., зам. губернатора

Буксование ведущих колёс мобильных машин — одно из отрицательных явлений при взаимодействии шины с поверхностью качения. Прежде всего оно обусловлено величиной коэффициента сцепления шины с дорогой. В общем случае с уменьшением коэффициента сцепления буксование возрастает и наоборот. При этом буксование снижает действительную скорость движения колёсной машины и, следовательно, оказывает отрицательное влияние на её динамические качества [1].

Характерной чертой при буксовании является неравномерность движения. Колёса, попадая на разные по сцеплению участки дороги, задают различную действительную скорость. Машина начинает двигаться рывками. Всё это повышает вероятность возникновения ДТП. Если буксующая машина снижает скорость практически до

нуля, то в плотном потоке движения она будет помехой для других транспортных средств, нарушая безопасность движения [1].

При движении колёсной машины по скользким дорогам часто наблюдается ситуация, когда одно из ведущих колёс находится на поверхности с более высоким коэффициентом сцепления, а другое — на поверхности с коэффициентом сцепления, близким к нулю. В этом случае колесо, которое имеет большее сцепление с дорогой, может полностью прекратить вращение, а другое колесо интенсивно вращаться (буксовать). При этом сам автомобиль остаётся на месте, так как наиболее распространённые шестерёнчатые дифференциалы, не имеющие блокировки, полностью передают крутящий момент на буксующее колесо.

Для того чтобы машина тронулась с места, достаточно передать часть крутящего момента с буксующего колеса на неподвижное. Этого можно добиться путём притормаживания вращающегося колеса.

В связи с этим авторы статьи предлагают притормаживание вращающегося колеса с помощью стального ролика (рис. 1). Ролик представляет собой металлический цилиндр радиусом Гр и высотой, равной ширине беговой дорожки шины.

р _ рш . рр

V - V + Р/ •

Величину Рр можно найти по известной зависимости:

РШ = Ж,

ную величине к. При этом область деформации зависит от жёсткости шины Сш и ограничена дугой ВА. Тогда

Нр = Сш К

Рис. 1 - Принципиальная схема воздействия ролика на буксующее колесо

На рисунке 1 видно, что на буксующее колесо действует сила сопротивления качению рш , вызванная нормальной реакцией опорной поверхности Яг, смещённой относительно вертикальной оси колеса на величину асм. Кроме того, на колесо действует ролик с усилием Ир, которое вызывает нормальную реакцию N со стороны шины, смещённую на величину а/см, что обусловливает возникновение силы сопротивления качению ролика Рр.

Тогда суммарную силу сопротивления качению колеса р найдём по выражению:

Рис. 2 - Схема воздействия ролика на неподвижную шину

Когда колесо вращается при 100-процентном буксовании, то при воздействии на него ролика можно предположить, что дуга ВА смещается в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Тогда величина Рр определится из расчётной схемы (рис. 3), которая применяется для анализа качения жёсткого колеса по мягкой поверхности (Ыр = N/) [3]:

ти~~ ~'т —

Рр = N tga = NPtga.

где / — коэффициент сопротивления качению (для твёрдой поверхности / = 0,015— 0,020) [2].

Для определения величины Рр рассмотрим взаимодействие ролика с пневматической шиной. Когда колесо неподвижно, то ролик оказывает давление на колесо, вызванное усилием Ир (рис. 2), а шина испытывает деформацию, рав-

Рис. 3 - Расчётная схема взаимодействия ролика с шиной

Угол а можно определить, используя треугольник ОЕА (рис. 3), по формуле:

а = агеоо8-

ОА 5ОЕ'

На рисунке 3 видно, что ОА = OD и равно радиусу ролика Гр (ОА = OD = Гр), а ОЕ = ОD + DE. Так как отрезки CD и DE равны и отрезок

CD равен величине деформации шины к, то CD = DE = к. Тогда величина ОЕ = Гр + к. С учётом этого равенство (5) примет следующий вид:

а = arccos-

rp + h

Определяя величину к по выражению (3) и подставляя её в формулу (6), получим, что

rp

а = arccos-

+ Npl

Гр С

ш

С учётом равенства (7) выражение (4) примет вид:

Pp = N1 tg arccos-

Np rp + —

p Сш

= NPtg arccos

Np rp + —

p Сш

Pf = fR + Nptg arccos-

rp

Np rp + —

p C,„

Mf = PfrK =

fRz + Nptg arccos-

Np rp + C

'-'п.

rK,

где гк — радиус качения колеса, м.

Для передачи части крутящего момента, подводимого от двигателя через трансмиссию Мтр к буксующему колесу, на неподвижное колесо необходимо, чтобы момент сопротивления М/ составлял не менее 5—10% от Мтр [3]. Этого будет достаточно, чтобы неподвижная машина тронулась с места и продолжила движение. Тогда

Mf > kMmp,

Анализ формулы (8) позволяет определить, что сила сопротивления качению ролика зависит не только от силы Ир, с которой ролик давит на шину, но и радиуса самого ролика Гр, а также жёсткости самой шины Сш (жёсткость шины зависит от её модели и давления воздуха в ней).

Суммарную силу сопротивления качению колеса Р/ найдём по выражению (1) с учётом зависимостей (2) и (8):

Сила сопротивления качению колеса Рр создаёт момент сопротивления вращению колеса Мр который можно вычислить по следующему выражению:

где к — коэффициент соотношения момента сопротивления качению колеса к моменту, подводимому от двигателя через трансмиссию (к « 0,05...0,10);

Мтр — момент, подведённый к буксующему колесу от трансмиссии.

Приведённые зависимости (9), (10) и (11) позволяют рассчитать необходимую силу Np, с которой ролик должен давить на шину, а также радиус самого ролика rp (конструктивно механизм давления ролика на шину может быть выполнен различно).

Предлагаемый подход к перераспределению моментов, подводимых к ведущим колёсам, позволит снизить буксование автомобилей и улучшить технико-экономические показатели машины и безопасность движения.

Литература

1. Богданов А.В. Повышение безопасности и совершенствование оценки условий труда операторов мобильных колёсных машин в агропромышленном производстве: дисс. ... докт. техн. наук. СПб -Пушкин, 2010.

2. Смирнов Г.А. Теория движения колёсных машин: учеб. для студентов машиностроительных специальных вузов. 2-изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. 352 с.

3. Горшков Ю.Г. Повышение эффективности функционирования системы «дифференциал — пневматический колёсный движитель — несущая поверхность» мобильных машин сельскохозяйственного назначения: дисс. . докт. техн. наук. Челябинск, 1999.

r

r

r