автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета профильной проходимости двухосных колесных машин

На правах рукописи

Васильев Вадим Геннадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОФИЛЬНОЙ ПРОХОДИМОСТИ ДВУХОСНЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН

05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени 2 д ?П1С

кандидата технических наук

Волгоград-2015

005563719

Работа выполнена на кафедре «Автомобили» ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет», г. Владикавказ.

Научный руководитель: Мамитн Герас Ильич,

доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Котисв Георгий Олегович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана», заведующий кафедрой «Колесные машины»;

Чернышев Константин Владимирович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», доцент кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный

технический университет им. Р. Е. Алексеева».

Защита диссертации состоится «4» декабря 20 15 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте www.vstu.ru по ссылке http://www.vstu.ru/nauka/dissertatsionnye-sovety/d-21202803.html.

Автореферат разослан «15» октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ляшенко

Михаил Вольфредович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Проходимость является одним из основных эксплуатационных свойств колесной машины и определяет возможность ее эффективного использования в тяжелых дорожных условиях и в условиях бездорожья.

Академик Е. А. Чудаков для автомобилей специального назначения первоочередным требованием к проходимости считал преодоление вертикальных препятствий и рвов. Профессор Г. В. Зимелев отмечал, что «теоретические вопросы, связанные с возможностью преодоления автомобилем вертикальных стенок, рвов и т.п. в настоящее время разработаны еще недостаточно». Еще определеннее высказался профессор А. И. Гришкевич: "Теория автомобиля является относительно молодой наукой, и многие ее разделы нуждаются в дальнейшей разработке и уточнении".

Степень разработанности темы исследования. Теоретические проблемы, связанные с преодолением двухосной полноприводной колесной машиной вертикального препятствия, до сих пор не получили удовлетворительного решения, несмотря на актуальность проблемы для теории движения колесной машины и, следовательно, проектирования машин и достоверной оценки возможностей их использования в различных условиях эксплуатации.

Решение этой проблемы для двухосных колесных машин, производство которых многократно превосходит по количеству все прочие машины, даст возможность определить оптимальное распределение масс по осям (развесовку) полноприводной, заднеприводной и переднеприводной колесных машин для заданных условий эксплуатации и тем самым обеспечить при проектировании максимально возможную их потенциальную профильную проходимость.

Цель исследования. Целью исследования является разработка и совершенствование методов расчета параметров профильной проходимости двухосных колесных машин, и тем самым обеспечение возможности формирования на стадии проектирования максимально возможной их потенциальной проходимости, за счет оптимального распределения масс по их осям.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- классифицировать вертикальные препятствия по высоте и профилю;

- выявить все значимые параметры колесной машины и опорной поверхности, влияющие на профильную проходимость;

- обосновать расчетный режим преодоления порога высотой, не превышающей величины радиуса колеса;

- получить аналитические зависимости между, ограниченной величиной радиуса колес, высотой порога, преодолеваемого разноприводными колесными машинами, и всеми значимыми параметрами машины и опорной поверхности;

- для полноприводной колесной машины получить функциональную зависимость между развесовкой и условиями движения;

- установить аналитические зависимости для определения замедлений при динамическом преодолении невысоких порогов разноприводными колесными машинами;

- разработать методику и программу дорожных испытаний автомобилей на преодоление вертикальных препятствий и провести их.

Объект исследования — двухосная колесная машина.

Научная новизна работы.

1. Проведена классификация вертикальных препятствий по высоте и профилю.

2. Выявлены все значимые параметры колесной машины и опорной поверхности, влияющие на профильную проходимость.

3. Обоснован расчетный режим преодоления порога высотой ИА, не превышающей величины радиуса г колеса {Иа<г).

4. Получены аналитические зависимости между ограниченной высотой (Ил<г) порога, преодолеваемого разноприводными колесными машинами, и всеми значимыми параметрами машины и опорной поверхности.

5. Для полноприводной колесной машины получена функциональная зависимость между развесовкой и условиями движения, при соблюдении которой развивается максимально возможная сила тяги на ведущих колесах, и тем самым оптимальное распределение масс машины по ее осям.

6. Установлены аналитические зависимости для определения замедлений при динамическом преодолении невысоких порогов разноприводными колесными машинами.

7. Разработаны методика и программа дорожных испытаний разнопри-водных автомобилей на преодоление вертикальных препятствий.

Теоретическая значимость работы заключается в совершенствовании аналитических методов расчета параметров профильной проходимости колесных машин, что является определенным вкладом в развитие теории проходимости, одного из основных разделов теории движения колесных машин.

Практическая значимость работы. Аналитические зависимости между всеми значимыми параметрами разноприводных колесных машин, условиями движения и высотой, которую могут преодолеть передние колеса машин, могут быть использованы при проектировании машин, в том числе и специальных, так как позволяют оптимально распределить между осями массу машины и тем самым обеспечить максимально возможную ее проходимость за счет создания наибольшей силы тяги. Кроме этого, они позволяют достоверно оценивать возможности существующего парка колесных машин с целью продуктивного их использования в чрезвычайных ситуациях для принятия правильных решений в конкретных условиях эксплуатации.

Методология и методы исследований. Цель работы достигнута комплексным и системным подходом к теоретическим и экспериментальным исследованиям. При решении поставленных задач использованы методы теоретической механики, теория движения колесных машин, математическое моделирование, разработанные методы проведения экспериментальных исследований, научные методы обработки опытных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Классификация вертикальных препятствий по высоте и профилю.

2. Значимые параметры колесной машины и опорной поверхности, влияющие на профильную проходимость.

3. Расчетный режим преодоления порога высотой ИА, не превышающей величин!,! радиуса г колеса (hA<r)

4. Аналитические зависимости между ограниченной высотой (hA<r) порога, преодолеваемого разноприводными колесными машинами, и всеми значимыми параметрами машины и опорной поверхности.

5. Функциональная зависимость между развесовкой полноприводной колесной машины и условиями движения, при соблюдении которой развивается максимально возможная сила тяги на ведущих колесах, и тем самым оптимальное распределение масс машины по ее осям.

6. Аналитическая зависимость для определения замедлений при динамическом преодолении невысоких порогов разноприводными колесными машинами.

7. Методика и программа дорожных испытаний разноприводных автомобилей на преодоление вертикальных препятствий.

Достоверность результатов работы. Проведенные теоретические исследования профильной проходимости двухосных колесных машин основываются на фундаментальных положениях физики, теоретической механики, математики и апробированных пакетах прикладных программ для ПЭВМ. Результаты теоретического анализа проходимости колесных машин хорошо согласуются с результатами их дорожных испытаний, что подтверждено проверкой по критерию Фишера.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на:

- научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет», 2012-2015 г.г., г. Владикавказ;

- научной конференции молодых ученых ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет», 2012 г., г. Владикавказ;

- научной студенческой конференции (бакалавриат, специалитет, магистратура), 28-30 марта 2013 г., г. Владикавказ;

- IV международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», 16-18 июня 2013 г., г. Владикавказ;

- международной научной конференции «Прогресс транспортных средств и систем -2013», 24-26 сентября 2013 г., г. Волгоград;

- международной научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития агропромышленного комплекса горных и предгорных территорий», посвященной 95-летию Горского государственного аграрного университета, 26-27 ноября 2013 г., г. Владикавказ;

- научной студенческой конференции (бакалавриат, специалитет, магистратура, аспирантура), 1-3 апреля 2015г., г. Владикавказ;

- V международной научно-практической конференции «Перспективы развития АПК в современных условиях» 15-17 апреля 2015 г., г. Владикавказ.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет» (г. Владикавказ), ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» (г. Могилев, Республика Беларусь), Пермский военный институт внутренних войск МВД РФ, а также в войсковых частях и транспортной компании «Дизель» (г. Пермь).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, в том числе 18 статей в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, 12 статей в сборниках научных трудов и в материалах научно-технических конференций, 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список использованных источников из 137 наименований и б приложений. Полный объем диссертации составляет 188 стр., в т. ч. основного текста 167 стр., 66 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, направленной на разработку и совершенствование методов расчета параметров профильной проходимости разноприводных колесных машин.

Первая глава посвящена анализу работ по теории движения колесных машин, в которых затрагиваются вопросы качения колеса и профильной проходимости колесных машин. Их авторы: Я. С. Агейкин, В. Б. Альгин, П. А. Амельченко, А. С. Антонов, Ю. Е. Атаманов, Е. В. Балакина, J1. В. Барахтанов, С. В. Бахмутов, У. 111. Вахидов, В. К. Вахламов, Д. П. Великанов, Н. С. Вольская, М. С. Высоцкий, Г. И. Гладов, А. И. Гришкевич, В. В. Гуськов, Г. В. Зи-мелев, В. В. Иванов, В. А. Иларионов, В. А. Ким, Г. О. Котиев, В. Н. Кравец, В. В. Ларин, А. С. Литвинов, Г. И. Мамити, В. А. Петров, В. А. Петрушов, С. X. Плиев, А. А. Ревин, И. С. Сазонов, В. В. Селифонов, В. В. Серебряков, А. Т. Скойбеда, Г. А. Смирнов, В. П. Тарасик, В. А. Умняшкин, H. М. Филькин, А.Ш. Хусаинов, Е. А. Чудаков, В. М. Шарипов, С. Б. Шухман, Н. А. Яковлев и др. Тут же отметим, что в работах зарубежных авторов как ранних A. Jante, J. J. Та-borek, J. R. Ellis, J. V. Wong, так и последних, G. Rill, H. В. Pacejka, Th. D. Gillespie, R. N. Jazar, проходимость колесных машин, не рассматривается, за исключением работы M. G. Bekker, связанной с лунной поверхностью.

Обзор литературы выявил проблемы, решение которых позволило найти оптимальные развесовки по осям разноприводных колесных машин, обеспечивающие создание максимально возможных сил тяги в местах контакта ведущих колес с дорогой и тем самым максимально возможную потенциальную проходимость по вертикальным препятствиям (порогам), формируемую на стадии проектирования.

Вторая глава содержит сведения о силах и моментах, действующих на эластичные колеса машины. Определяются результирующие (равнодействующие) касательных (тангенциальных) реакций, действующих в местах контакта ведущих и ведомых колес с опорной поверхностью, без учета реакций, вызываемых силами, приложенными к корпусу колесной машины.

В третьем главе рассматриваются геометрические параметры проходимости колесной машины и проблемы преодоления порогов и рвов.

Определение радиусов продольной К, и поперечной R,¡ проходимости сводится к известной задаче определения радиуса описанной окружности, проходящей через вершины треугольника со сторонами a, b и с:

R = ahc/4jp(p-ci)(p-b)(p-c), где: р = (a+b+с) / 2; а - ВС, b - АС, с - ЛИ - стороны треугольника ABC, вершина А которого является низшей точкой вблизи середины продольного или поперечного сечения автомобиля.

При изучении проходимости по вертикальным препятствиям обычно рассматривают их преодоление с места и сходу (динамическое).

Вертикальные препятствия, преодолеваемые с места, можно классифицировать по высоте и профилю, следующим образом:

- максимальная высота Итш вертикальной стенки, на которую может взобраться полноприводной автомобиль передними колесами без опрокидывания;

- пороги и бордюры высотой ИЛ = г, непреодолимые для неполнопривод-ных автомобилей, где г- радиус колеса;

- пороги высотой hA < г, преодолеваемые разноприводными автомобилями, если позволяет клиренс, база автомобиля и конструкция колес.

Преодоление передними колесами машины порога (рис. I) высотой hM

Рис | - Силы, действующие на передние колеса Рис. 2 - Схема, показывающая изменение угла полноириводной колесной машины при а в процессе преодоления машиной

преодолении порога высотой Ил<г вертикального порога высотой Л.,<г

Если машина полноприводная, то на колеса будут действовать: Си С2 -части силы тяжести, приходящиеся на переднюю и заднюю оси; ср/72 - толкающая сила, создаваемая силами тяги задних колес; <р.„ Ф..( - коэффициенты сцепления с дорогой и гранью порога; /г С,2 - сила сопротивления качению задних кол ее; ^,/4 - коэффициенты сопротивления качению по дороге и грани порога; М] - крутящий момент, подведенный к передней оси машины от двигателя; И - радиальная реакция кромки (грани) А препятствия в момент, когда нормальная реакция опорной поверхности, направленная по вертикальному диаметру, становится равной нулю; флЛ - сила тяги, развиваемая передними колесами на грани А моментом Мй/А11 - сила сопротивления качению передних колес.

Если рассматривается заднеприводная колесная машина, то из схемы сил рис. 1 следует исключить М\ и фAR, если переднеприводная - то <pxG2.

В процессе преодоления порога высотой hA < г передними колесами машины наступает момент, когда нормальная реакция опорной поверхности становится равной нулю и единственной опорой передних колес становится грань Л препятствия, в которой сосредотачивается внешняя реакция R, направленная по радиусу колеса.

Для этого, наиболее тяжелого при hA < г режима преодоления порога (начало) из треугольника ЛОС найдем

cosa =(г-Л,)/(г-Д), (!)

где: Ал - высота порога; А - радиальная упругая деформация колеса; a - угол между направлениями реакции R и силы тяжести G|.

Составляющие уравнения (1) известны, за исключением угла противодействия а, который можно определить из рассмотрения сил, действующих на колеса, в зависимости от схемы привода к осям автомобиля.

По мере преодоления порога высотой ИА при hA < г угол а между нормалью (вертикальной осью колеса) и реакцией грани R (рис. 1 и 2) уменьшается до величины а' (рис. 2), а затем и до нуля (а' = 0), когда колеса полностью взберутся на порог, при этом текущий угол а' заключен в диапазоне a > a' > 0.

Поэтому, условием преодоления порога высотой hA < г является соблюдение равенства (1), где величина угла a соответствует моменту, когда колеса, не испытывающие уже нормальные нагрузки (реакции) от опорной поверхности, еще не оторвались от нее. Так как при этом угол a имеет максимальное значение, то это и есть наиболее тяжелый режим преодоления препятствия высотой, не превышающей радиус колеса, ограниченной клиренсом машины.

Учитывая, что сила сопротивления качению задних колес равна /tG2, а толкающая сила, создаваемая силой тяги задних колес, передаваемая на ось передних колес ф.гС2, можно найти их сумму, как (фг —fx)G2.

Составив сумму проекций действующих на передние колеса машины сил на направление реакции /?, найдем

/? = С1со5а + (фг -.£)G2sina. (2)

Составим теперь сумму моментов относительно точки А кромки порога

0; M¡-GXr-A)sma+(<px-fx)G2(r-A)cosa = 0. (3)

Максимальное значение момента М\ не может быть больше

Л^^Ф'-Л)- (4)

Подставив в уравнение (3) выражения (4) и (2), получим

{<РА ~ /л X'' - A1G\ eos a + - )G2 sin a] = G, (/- - A)sin а-(<рх- fx)G2(r - A)cos a.

, ^ (5)

Разделив равенство (5) на (г - AJcosa, найдем

(ф, - /а ) С. +(Ф,-./;) C2tga = G, tga - («р, - fx )G2,

откуда определим

tga = [(Ф/1- /л )G,/G2 + (ф, - fx)]/[G,/G2 - (Ф/( - fA )(Фл - fx)]. (6)

Все решения по определению максимальной высоты преодолеваемого препятствия можно представить в наиболее компактном виде, одинаковом для всех машин кроме специальных полноприводных, в виде (!)

Ил=г-(г-А) cosa. (7)

Уравнение (7), общее для всех колесных машин, кроме специальных, содержит угол а, который равен в зависимости от схемы привода ведущих колес: «,„„„ =arctg{[(9, -fA)Gt/G2 + (Ф, -Л)]/[(7,/С2 -(<р, -/,)(<!>,-/,)]}; (8)

«„.....=arctg{(9(-/;)/(r;l/r;J)}; (9)

«„,,,„ = arclg{[(-Л)6'/6'2]/г;,/6-2+(ф, -fA)fx). (10)

Формулы (7) - (10) можно представить иначе, для чего в выражении (7) выразим cosa через tga и обозначим tga = к:

cos a = I Д/Ги^а = 1 /л/i+T7.

Тогда формула (7), с учетом выражения (11), примет вид

hA =/"|j —(l-Д/г)/-v/Г+Т^], где вместо к соответственно подставляются £,„„„, кю„„ и кП1,

=[(ф, + (Ф, -/r)]/[G,/C2 -(ф, -Л)(Фл -/,)];

^=[(ф,-L)gjg2 -Л]/[С,/С2 +(ф, -л)л].

(11) (12)

(13) (И) (15)

Формулы (7) и (12) можно уточнить следующим образом (выражения для определения углов а и параметров к остаются без изменения).

Известно, что под действием силы тяжести О, в местах контакта колес с дорогой шины деформируются, образуя пятна контакта, при этом расстояние от оси колес до поверхности дороги, называемое статическим радиусом, обозначаемое через гс, меньше, чем радиус г недеформированных колес (рис. 3).

В процессе преодоления препятствия кромка а порога будет все больше внедряться в эластичную шину от нуля до максимального значения радиальной деформации Д и максимальной величины реакции Н кромки и силы тяги (фл - /()/? в ней. Одновременно с этим нормальная реакция 7л дороги и сила тяги X, будут уменьшаться и достигнут нуля, когда единственной опорой колес станет кромка а порога и ее реакция станет максимальной, а колеса восстановят первоначальную форму - свободный радиус.

Это дает право использовать ранее полученные выражения для угла а и параметра А. Тогда в начале процесса преодоления вертикального препятствия с

Рис. 3 - Уточненная расчетная схема

места будем иметь соза = (/;. - Ил)/(''-А), откуда максимальная высота преодолеваемого порога при ЬА < г выразится ИА =/;. -(г-Л)соягх, или

Функциональные зависимости (7) -(10) или (12) - (15) для случаев Ил < г позволяют выявить степень влияния тех или иных параметров автомобиля и опорной поверхности на высоту преодолеваемого порога и тем самым максимальную силу тяги, которая может быть развита ведущими колесами автомобиля при оптимальной развесовке.

К примеру, можно проследить, как влияет радиальная деформация Д шин передних колес на высоту ИА преодолеваемого порога (рис. 4).

к,/г 0,Х 0,6 0.4 0,2

Рис. 4 - Влияние радиальной деформации шины (А/г) на грани препятствия на высоту (Ил/г) преодолеваемого порога разнопривод-ными автомобилями при: фл = фг = 0,8;/( =/ = 0,014; С|/С2 = 1

0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Д/г

Теперь покажем на числовом примере влияние сопротивления качению на проходимость автомобиля по бордюрам. Пусть автомобиль наезжает передними колесами на бетонный бордюр, имея под задними колесами бетон, грунт и песок, соответственно. Примем С,/С2 = 1, чтобы исключить влияние развесовки на проходимость. Будем считать, что коэффициенты Ф/| и/, несколько больше, чем под задними колесами <рг и /, учитывая, что эластичные шины передних колес входящие в зацепление с гранью бордюра, больше деформируются, вызывая большие потери на преодоление сопротивления качению. Результаты расчетов приведены в таблице 1, которые показывают, что неучет коэффициентов сопротивления качению/4 и/г может привести в зависимости от дорожного покрытия почти к двукратной ошибке при определении максимальной высоты преодолеваемого порога полноприводным и заднеприводным автомобилями.

Таблица I - Влияние сопротивления качению на проходимость автомобиля

Дорожное покрытие под залп, колесами Фи /А фд /, г А/г Высота преодолеваемого бордюра !гл, м

полнопри-нодной заднепри-водной переднеприводной

/=о /"0 /= о /"0 /=о

Вето п 0,9 0,02 0.80 0,014 0,37 0,1 0,31 0,32 0,12 0,12 0,1 1 0,11

Грунт 0.9 0,02 0,68 0,08 0,37 0,1 0,27 0,29 0,10 0,12 0,08 0,09

Песок 0,9 0,02 0,30 0.29 0,37 0,1 0,12 0,20 0,07 0,12 0,04 0,05

Преодоление рва передними колесами двухосной машины.

Рассмотрим преодоление рва двухосной машиной (специальным автомобилем и сельскохозяйственным колесным трактором), как самый тяжелый случай по сравнению с преодолением этого препятствия многоосной машиной.

При преодолении рва передними колесами полноприводной машины (рис. 5, а) на них будут действовать те же силы и моменты, что и при преодолении вертикального препятствия. Аналогично будут действовать силовые факторы при преодолении рва задними колесами машины (рис. 5, б).

Рис. 5 - Схема преодоления рва передними (а) и задними (б) колесами

полноприводной двухосной машины Кроме прежних обозначений на рис. 5 указана максимальная ширина Ь преодолеваемого рва и глубина погружения колес в ров /?, равная ранее найденной максимальной высоте вертикального препятствия (эскарпа, порога и т. п.), преодолеваемого колесной машиной.

Из треугольника АОС находим максимальную ширину преодолеваемого

рва

Ь = 2{г-И)^а. (16)

С учетом (7) и (12) формула (16) примет вид

Л = 2(г-Д)зта (17)

или

Ь = 2{г-&)/у]\ + \;к2 (18)

Преодоление рва задними колесами двухосной машины. Выражения (17) и (18) для определения максимально возможной ширины рва, которую может преодолеть двухосная машина, остается в силе. Изменятся только формулы для определения параметров а и к применительно к задним колесам.

Опуская выводы, для задних колес (рис. 5, б) с разными приводами получим расчетные формулы для определения угла противодействия а и параметра к:

С|-(ф,-/4)(фд.-/г)02 С,-(<р„-/,)(<!>,-/г)Сг

«„.,„„ = агс18

«™,„=агс 18(Фг-/г)С,/С2;

^ , =

(20) (21)

-/,)<?,-/, С,.

С.+(ф.-/„)/, «V .

К полученным формулам следует заметить, что расчет на проходимость по рвам сельскохозяйственного колесного трактора следует вести для оси с меньшим радиусом колес.

Максимальная высота стенки на которую могут взобраться передние колеса полноприводпого автомобиля

Движение передних колес полноприводного автомобиля по вертикальной стене, если не мешают габаритные параметры, возможно в начальный период, когда колеса под действием силы тяги задних колес прижались к стене с силой, достаточной для создания силы сцепления колес со стенкой, превосходящей вес <7| (рис. 6, а). Это самый тяжелый режим движения (а„ = 0).

Л.

('Р.-ЛКУ;

а)

\ V

а ■а \\

I \т

1 ^

2,' Н)

Рис. 6-Схемы к изучению возможностей движения передних колес полноприводного автомобиля по вертикальной стенке в начальный период (а) и в последующем (б), до начала опрокидывания (в)

На схемах обозначено: /?с - реакция противодействия стенки в начальный период; Фс, - коэффициенты сцепления и сопротивления качению под передней осью (на стенке); И, - расстояние от центра масс автомобиля до плоскости осей автомобиля; а„ - угол подъема; 2„ 7.г - нормальные реакции стенки и опорной поверхности на колеса автомобиля.

Рассмотрим силы (рис. 6, а), действующие на передние колеса полноприводного автомобиля, когда они уперлись в стенку, в которой сосредоточилась вся сила /?с противодействия движению (7, = 0). На ось колес будет действовать часть С, силы тяжести (веса) автомобиля и результирующая всех касательных реакций опорной поверхности колес, представляющая собой сумму силы сцепления Ф/72 и силы сопротивления качению/гС,,

(фх"Л)С2-

В контакте передних колес со стенкой под действием момента М{ создается результирующая всех касательных реакций стенки, представляющая собой

сумму силы сцепления передних колес со стенкой ц>сКс и силы сопротивления качению по стенке/<Д , равная (фг —/с) Rc ■ Составив суммы проекций, найдем

/<=(Ф,-Л)С2; (22)

Движение передних колес автомобиля по вертикальной стенке возможно только в том случае, если

(Ф ,-X)/fc>G,. (23)

Подставив в уравнение (23) значения (22) получим

а,/с2<(ф(.-./;)(ф,-./;). (24)

Выражение (24) представляет собой условие возможного движения передних колес полноприводного автомобиля по вертикальной стенке.

С началом перемещения передних колес по стенке сила Rc противодействия движению превращается в нормальную реакцию стенки на передние колеса Zc, изменяясь в диапазоне от максимального значения до нуля (Rc > Zc > 0), что неизбежно приводит к опрокидыванию автомобиля. Для описанного переходного периода (рис. 6, б) составим уравнение моментов относительно центра контакта задних колес с опорной поверхностью.

Zt.(Ls'ma + /-) + (ф< )Zt.(¿cosa + /•) +

+G(/7, + rcosa)sina-G'(fc + rsina)cosa = 0, откуда выражение для определения текущей нормальной реакции Zc стенки в зависимости от угла а„ определится как

Cj[(/> + /s¡na)cosa-(A, +rcosa)sinoc] (Ls\na + r) + (t$c-f^)(Lcosa.+r) Ясно, что при Zc = 0, автомобиль опрокинется.

Из выражения (25), положив Zt. = 0, можно определить методом итерации угол атах, при котором опрокинется автомобиль.

Наиболее просто угол а1ШХ можно определить следующим образом. Очевидно в положении, когда центр масс автомобиля окажется над задним мостом (рис. 6, в), Z-, =G, a Zt. = 0. Нетрудно из этой схемы найти максимальный угол наклона продольной оси автомобиля, при котором он опрокинется amax = тг/2 — у, где у - угол, определяемый из выражения у = arctg/¡„/7).

Из этой же расчетной силовой схемы найдем выражение для определения максимальной высоты /гтах вертикальной стенки, на которую может взобраться полноприводной автомобиль передними колесами, после чего опрокинется.

Л,,,,, =rc + ¿sinam»> (26)

где гс- статический радиус колеса автомобиля.

Разумеется, движение по стенке не имеет практического значения, разве что для демонстрации мощи выпускаемых вездеходов для рекламных проспектов предприятий. А вот для проектирования автомобилей максимально воз-

можной проходимости дает мощный рычаг - функциональную зависимость (24) - по которой можно однозначно определить оптимальное распределение масс по осям двухосной полноприводной колесной машины и тем самым обеспечить возможность придания ему на стадии проектирования самых высоких потенциальных свойств по проходимости. Особо выделим, что под оптимальным распределением масс по осям автомобиля (развесовкой) понимается та, при которой создается максимально возможная сила тяги на ведущих колесах.

Динамическое преодоление невысокого порога.

Считаем, что максимальная высота преодолеваемого даже с минимальной скоростью порога не должна превышать, чтобы избежать катастрофических последствий из-за возникающих ударных нагрузок, величины

К„={г + г,)12, (27)

где г„ - радиус обода колеса.

Динамическое преодоление даже невысокого вертикального порога, должно происходить с небольшой скоростью.

На рис. 7 показано преодоление порога полноприводным автомобилем где обозначено: 8от/ - приведенная сила инерции автомобиля; 8 - коэффициент учета вращающихся масс; от - масса автомобиля; / - замедление автомобиля.

при динамическом преодолении невысокого порога

Воспользуемся способом приведения сил, приложенных к корпусу автомобиля, к контакту колес с опорной поверхностью, использованным проф. Ма-мити Г. И. при составлении уравнения движения колесной машины, и сведем все силы и моменты, действующие на полноприводной автомобиль (рис. 7) к оси О передних колес и к грани Л порога (рис. 8).

Составив сумму проекций действующих на передние колеса полноприводного автомобиля сил на направление реакции R

R - G, cos а - [((рг - /х) (J2 + боту] si п а = 0,

найдем

R = G, cosa + [(фг - fs)C2 + 5«j/']sina. (28)

Составим теперь сумму моментов относительно точки А кромки препятствия

Л/, - G, (г - Д) • sin a + [(<р, - fx)G2 + бот/](г - Д) • cosa + 5от/(А - г) = 0. (29)

Рис. 8. Силы, действующие на передние колеса полноприводного автомобиля при динамическом преодолении порога высотой /?тах

Максимальное значение суммы моментов Л/; + 8mj(h - г) не может быть больше

Л/, +Smj(h-r)<yAR(r-A), (30)

где М| - момент, подведенный от двигателя к передним колесам автомобиля.

Подставив в уравнение (29) выражения (30) и (28), получим

(j>„(r-A){G,cosa + [((pt -/JG2 +8m/']sina| =

= G,(r - A)sina -[(ф, -/j)G2 + Sm/'](r - A)cosa .

Разделив равенство (31) на (г — A)cosa, найдем

9А {(', + [(ф, ~.fx)c>2 + 8/»/]tga} = G,tga -(ф, - /,)C2 - 5mj, откуда определим замедление автомобиля при преодолении порога _ [G, (tga - <р„ )/(! + Фи1ёа)] -(Ф, - fx)a2

8 т

Из рассмотрения треугольника ЛОС (рис. 8) вытекает, что

r-h

cosa =-ssü.,

г-А

откуда можно определить угол а как

рц

a = arccos-^^ (j3)

г-А

Функциональная зависимость (32) позволяет оценить возможность преодоления невысокого порога без неприятных ощущений для людей и недопущения поломок подвески.

Расчетная схема, приведенная на рис. 8, пригодна и для неполнопривод-ных автомобилей. В случае заднеприводного автомобиля в ней будет отсутствовать момент Л/1, подводимый от двигателя, а в случае переднеприводного автомобиля будет отсутствовать толкающая сила (ф*-/г)С2, вместо которой останется сила сопротивления качению (-/tG2).

Проинтегрировав выражение (32) по времени можно рассчитать безопасную начальную скорость для преодоления порога определенной высоты.

В четвертой главе приведена разработанная методика и программа испытаний Iюлноприводной колесной машины на проходимость по преодолению вертикальных препятствий. Идея метода состоит в том, что испытаниям подвергается один автомобиль - полноприводной, который в ходе испытаний используется как полноприводной, заднеприводной и переднеприводной при движении задним ходом. Такой способ экспериментального исследования обеспечивает «прочие равные условия» для объекта испытаний, и тем самым, при одинаковых дорожных условиях, получать сравнимые опытные данные.

На рис. 9 приведены фрагменты дорожных испытаний автомобиля УАЗ-31512 по преодолению вертикального препятствия (бордюра) при заднем ходе с места.

В таблице 2 приведены результаты экспериментальных исследований, которые сопоставлены с теоретическими. Проверка по критерию Фишера показала, что аналитические решения адекватны опытным данным.

Таблица 2 - Результаты экспериментального и теоретического исследования максимальной высоты вертикального препятствия (порога 1ы < г), преодолеваемого передними колесами автомобиля

Автомо- Высота преодолеваемого порога Ил. м

биль, С,/С-,, % фл <Рх /а /; г А/г полмопри-водной заднепри-водной переднеприводной

экон. теор. эксп. теор. эксп. теор.

УАЭ-31512 41 /59 0,9 0,8 0,02 0,014 0,37 0,1 0,35 0,3692 0,17 0.1419 0.15 0,1248

В приложении приводятся акты (справки) внедрения и использован результатов диссертационной работы.

а) б) Рис. 9 - Процесс преодоления вертикального препятствия (бордюра) при заднем ходе с места: а) - начало; б) - завершение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена классификация вертикальных препятствий по высоте и профилю, позволяющая систематизировать условия преодоления препятствий.

2. Выявлены все значимые параметры колесной машины и опорной поверхности, влияющие на проходимость по порогам.

3. Обоснован расчетный режим преодоления порога высотой Ил, не превышающей величины радиуса г колеса {Иа < г), позволяющий связать функциональной зависимостью максимальную высоту порога и все значимые для проходимости параметры колесной машины и опорной поверхности.

4. Получены аналитические зависимости между ограниченной высотой (Л.| / ) порога, преодолеваемого разноприводными колесными машинами, и всеми значимыми параметрами машины и опорной поверхности, позволяющие рассчитать кроме максимальной высоты порога, принятой за основной критерий проходимости по порогам, оптимальное распределение масс по осям машин для обеспечения максимально возможной потенциальной проходимости по порогам на стадии проектирования.

Одновременно они позволяют достоверно оценивать возможности существующего парка колесных машин с целью продуктивного их использования в чрезвычайных ситуациях для принятия правильных решений в конкретных условиях эксплуатации.

Исследование влияния различных параметров на величину максимальной высоты преодолеваемого порога < г) на основе полученных аналитических зависимостей показало:

- оптимальной развесовкой полноприводной машины при преодолении барьерных препятствий и порогов в зависимости от условий эксплуатации следует считать С|/С2 = 0,40/0,60 (при уА = 0,8, ц>х = 0,8) и С>ХЮ2 = 0,45/0,55 (при

= 1, фг = 0,8);

- подтверждено, что с увеличением радиальной деформации Д шины на грани порога, увеличивается высота преодолеваемого препятствия;

- для заднеприводной и переднеприводной машин оптимальной развесовкой ((7|/0\) следует считать ту, при которой центр масс С находится наиболее близко к ведущей оси, но не ближе расстояния, найденного из условия недопущения опрокидывания при разгоне (Ь = ИС) и торможении (а = Ис), где — высота центра масс;

- если соотнести друг к другу максимальные высоты преодолеваемых порогов, то полноприводная машина преодолевает в 2 раза большую высоту, чем заднеприводная, и в 3,4 раза большую, чем переднеприводная;

- неучет коэффициентов сопротивления качению/^ и/„ может привести в зависимости от дорожного покрытия, почти к двукратной ошибке при определении максимальной высоты преодолеваемого порога полноприводным и зад-неприводным автомобилями.

Некоторые уточнения можно ввести в расчеты, если учесть еще и статическую деформацию шины в начале процесса преодоления препятствия.

5. Впервые для полноприводной колесной машины получена функциональная зависимость между развесовкой (С/, /С2) и условиями движения (ф../>Ф„/,) в виде ('J(>2 = (ф. ~ У,)(ф,- У»)' ПРИ соблюдении которой развивается максимально возможная сила тяги на ведущих колесах, позволяющая непосредственно определить: оптимальное распределение масс (OJG^) машины по ее осям (развесовку); максимально возможный угол атах и высоту /imax, на которую могут подняться передние колеса, после чего машина опрокинется.

6. Впервые установлены аналитические зависимости для определения замедлений при динамическом преодолении невысоких порогов разноприводны-ми колесными машинами, позволяющие рассчитать безопасную скорость преодоления конкретного порога.

Преодоление порогов (Ил < г) колесными машинами с ходу допустимо только с минимальными скоростями, во избежание возникновения больших инерционных и ударных нагрузок, приводящих к поломкам подвесок машин.

7. Разработаны методика и программа дорожных испытаний разнопри-водных автомобилей на преодоление вертикальных препятствий высотой, не превышающих радиус колес, позволяющие обеспечить при испытаниях «прочие равные условия» путем использования в качестве объекта испытаний только полноприводного автомобиля, как автомобилей полноприводного, заднепри-водного и переднеприводного (при движении задним ходом).

Адекватность полученных теоретических и экспериментальных результатов подтверждена проверкой по критерию Фишера.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Васильев, В. Г. Нерешенные проблемы теории проходимости, связанные с преодолением вертикальных препятствий колесной машиной / В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 49, ч. 4. - Владикавказ, 2012. - С. 220-221.

2. Мамити, Г. И. Преодоление вертикального препятствия заднепривод-ной колесной машиной с места / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, Э. К. Гутиев, В.Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 49, ч. 4. - Владикавказ, 2012. - С. 213-216.

3. Мамити, Г. И. Преодоление вертикального препятствия переднеприводной колесной машиной с места / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, Э. К. Гутиев, В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 1. — Владикавказ, 2013. - С. 177-180.

4. Мамити, Г. И. Преодоление вертикального препятствия полноприводной колесной машиной с места / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, Э. К. Гутиев, В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 1.-Владикавказ, 2013. - С. 181-183.

5. Мамити, Г. И. Преодоление вертикальных препятствий колесными машинами / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, Э. К. Гутиев, В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 2. -Владикавказ, 2013. - С. 180-183.

6. Мамити, Г. И. Условие преодоления вертикального препятствия различными колесными машинами / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, Э. К. Гутиев, В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 2. - Владикавказ, 2013.-С. 184-186.

7. Плиев, С. X. Алгоритм расчета высоты преодолеваемого колесной машиной вертикального препятствия / С. X. Плиев, В. Г. Васильев // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Наземные транспортные системы». Выи. 6 : межвуз. сб. науч. ст. - Волгоград : Вол-гГТУ, 2013. -№ 10(113). — С. 27-28.

8. Мамити, Г. И. Учет статического радиуса колеса при расчете максимальной высоты преодолеваемого вертикального препятствия колесной машиной с места / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 3. - Владикавказ, 2013.-С. 172-174.

9. Васильев, В. Г. Преодоление вертикального препятствия колесной машиной с ходу / В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 3. - Владикавказ, 2013. -С. 181-184.

10. Васильев, В. Г. Геометрическая проходимость двухосного автомобиля / В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 4. - Владикавказ, 2013. -С. 170-172.

11. Васильев, В. Г. Результаты дорожных испытаний автомобилей на преодоление вертикальных препятствий / В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 50, ч. 4. - Владикавказ, 2013.-С. 172-177.

12. Мамити, Г. И. О высоте вертикального препятствия, преодолеваемого полноприводным автомобилем / Г.И. Мамити, С. X. Плиев, Э. К. Гутиев, В.Г. Васильев//Автомобильная промышленность. - 2014. - № 1.-С. 17-18.

13. Мамити, Г. И. Геометрическая проходимость двухосного автомобиля / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, Э. К. Гутиев, В. Г. Васильев // Автомобильная промышленность. - 2014. - № 4. - С. 8.

14. Мамити, Г. И. Преодоление вертикальных препятствий и рвов автомобилем и колесным трактором / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, В. Г. Васильев // Тракторы и сельхозмашины. -2015. -№ 3. -С 7-10.

15. Мамити, Г. И. Преодоление порогов и рвов колесными машинами / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 52, ч. 1. - Владикавказ, 2015. - С. 127133.

16. Мамити, Г. И. Оптимальная развесовка полноприводного автомобиля / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, В. Г. Васильев // Известия ФГОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 52, ч. 2. - Владикавказ, 2015. - С. 157160.

17. Плиев, С. X. Оптимальная развесовка неполноприволных автомобилей / С. X. Плиев, В. Г. Васильев // Известия ФГОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 52, ч. 2. - Владикавказ, 2015. - С. 160-168.

18. Мамиги, Г. И. Динамическое преодоление невысокого порога полноприводным автомобилем / Г. И. Мамити, С. X. Плиев, В. Г. Васильев // Известия ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ» : научно-теоретический журнал. Т. 52, ч. 3. -Владикавказ, 2015. - С. 165-168.

Публикации в других изданиях и материалах конференции:

19. Васильев, В. Г. Изменение коэффициента сцепления шин с опорной поверхностью при преодолении вертикального препятствия / В. Г. Васильев // Вестник научных трудов молодых ученых ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ». Выпуск 49. - Владикавказ, 2012. - С. 95-96.

20.Васильев, В. Г. Проходимость или механика эластичного колеса?/ В. Г. Васильев // Вестник научных трудов молодых ученых ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ». Выпуск 49. - Владикавказ, 2012. - С. 96-97.

21. Васильев, В. Г. Преодоление вертикальных препятствий заднепривод-ной, переднеприводной и полноприводной колесными машинами с места / В. Г. Васильев // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1. - Владикавказ, 2013. - С. 13-14.

22. Васильев, В. Г. Преодоление порога передними и задними колесами автомобиля / В. Г. Васильев // Вестник научных трудов молодых ученых ФГБОУ ВПО «Горский ГАУ». Выпуск 50. - Владикавказ, 2013. - С. 76-77.

23. Васильев, В. Г. Классификация вертикальных препятствий с точки зрения их преодоления колесными машинами / В. Г. Васильев // Перспективы развития АПК в современных условиях: материалы V междунар. науч. практ. конф. 15-17 апреля 2015 г.-Владикавказ, 2015.-С. 158-159.

24...31, приведенны в списке литературы диссертации.

Личный вклад автора. Из 31 научного труда 9 выполнено единолично, из которых 4 опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Подписям» в печать "20" .августа 201 5 г. Формат 60*84/16. Нумага офсетная. Печать трафаретная. Псч. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 19 .

Тигкнрафия ФГ1ЮУ ВПО «Горский государсг венный аграрный университет». 362040, г. Владикавказ, ул. Кирова, 37.