25820-1 (Исследование способов повышения эффективности работы гусеничного движителя), страница 4

Первый недостаток всех изобретений — они проектировались не для гусеничных тракторов, следовательно, абсолютно не учитывают специфику работы данного тапа машин. Более того, каждое из приведенных выше изобретений, несмотря на оригинальные идеи, не подходят конструктору гусеничных машин по ряду причин. Так у первого изобретения значительная металлоёмкость и небольшая величина хода обода, что значительно снижает плавность хода и удорожает конструкцию. То же можно сказать и о третьем из списка изобретении, которое идеально подходит для применения в опорных катках гусеничного движителя. Второе из описанных изобретений имеет и малую металлоемкость, и хорошую плавность хода, но всё же оно недостаточно удовлетворяет требованием жесткости в боковом направлении для данного типа ведущих колес. Последний из описанных патентов и авторских свидетельств хотя и обладает достаточно малой металлоемкостью и хорошей плавностью хода, что не маловажно, тем не менее, не содержит возможность обратимости движения (за исключением последней из предложенных конструкций), имеет большую степень детализации, что снижает его эксплуатационные качества, а главное, идеология данного изобретения подразумевает наличие гибкого обода колеса, что недопустимо в гусеничных движителях из-за необходимости обеспечивания адекватного натяжения гусеницы и обеспечения её несоскальзывания.

Несмотря на все описанные выше недостатки, большинство оригинальных идей, примененных в данных изобретениях требуют отдельного более пристального изучения при синтезе новой конструкции опущенного на грунт ведущего колеса с внутренним подрессориванием гусеничного трактора.

3. Анализ работы объекта исследования

3.1 Требования, предъявляемые к конструкции

Ведущее колесо наматывает гусеничную цепь, обеспечивая движение трактора. К ведущему колесу предъявляются следующие требования:

надежное зацепление с гусеницей (независимо от её износа) как в ведущем, так и в тормозном режиме. Это требование соблюдается путем правильного выбора геометрии зацепления. Оно легко выполняется в гусеницах, шаг которых в процессе эксплуатации не изменяется или изменяется незначительно [8];

высокая износостойкость зубьев. Обеспечивается геометрией зацепления, подбором износостойких материалов для зубчатых венцов и технологическими мероприятиями по повышению их поверхностной твёрдости;

самоочистка от пыли, грязи и снега.

В данной работе рассматривается возможность создания на базе гусеничного трактора (прототип — трактор ВТ–100, выпускаемый ВГТЗ) варианта сельскохозяйственного трактора общего назначения с подрессоренным ведущим колесом.

Ведущее колесо опускается на землю, тем самым оно выполняет две роли: ведущую и опорную [15, 16].

Опуская ведущее колесо на грунт, получаем следующие преимущества:

увеличение КПД;

уменьшение удельного давления на почву;

уменьшение буксования;

увеличение опорной длины гусеницы;

почвосбережение.

Однако простое увеличение продольной базы трактора путём опускания ведущего колеса на грунт ведёт к увеличению момента сопротивления повороту. А самое главное, на ведущее колесо теперь будут действовать ничем не компенсируемые силы, которые приведут к выходу из строя конечной передачи. Поэтому ведущее колесо необходимо подрессоривать.

3.2 Описание конструкции и принципа работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием

Предложенное в данной работе ведущее колесо состоит из (см. рисунок 3.1):

вала конечной передачи;

ведущей ступицы;

нескольких ведомых ступиц;

зубчатого венца;

системы подрессоривания;

дополнительной системы подрессоривания;

втулок-упоров.

Рисунок 3.1 Ведущее колесо гусеничного трактора с внутренним подрессориванием.

1 — ведущий вал; 2 — ведущая ступица; 3 — ведомая ступица; 4 — зубчатый обод; 5, 6 — упругие элементы; 7 — упор-втулка.

Предлагаемая к защите конструкция системы подрессоривания состоит из четного количества упругих элементов треугольной формы 5 расположенными между ведущей 2 и ведомыми 3 ступицами колеса с одной стороны и зубчатым венцом 4 — с другой. Упругие элементы верхним концом шарнирно закреплены на зубчатом венце. Снизу они также шарнирно крепятся на ведущей ступице и попарно закрепляются с возможность совершать вращательное движение в плоскости колеса на ведомых ступицах. Следовательно, количество ведомых ступиц 4 равно числу упругих элементов, размещенных на колесе, делённое на два.

Рисунок 3.2 Положение колеса при максимальном перемещении обода вверх (скриншот программы, без сохранения пропорций оригинала)

Упругие элементы 6 числом равные числу упругих элементов 5 и расположенные в плоскости, параллельной оси вращения колеса, установлены для компенсирования действия сил боковой нагрузки Данные элементы могут быть заменены защитным кожухом, напрямую соединяющем ведущую ступицу 2 с зубчатым ободом 4, и также выполняющему роль компенсатора боковых возмущений.

Колесо работает следующим образом (рисунок 3.2).

Крутящий момент независимо от направления движения передаётся от ведущего вала конечной передачи 1 через ведущую ступицу 2 на упругий элемент 5, и через него на зубчатый венец 4 и, вследствие взаимодействия последнего с гусеницей и почвой, реализуется в тяговое усилие колеса. Передача крутящего момента осуществляется за счет того, что за счёт того, что с одной ведомой ступицей 3 связаны два упругих элемента, расположенных противоположно друг другу относительно оси ведущего колеса, которые создают усилие направленные в центр колеса, благодаря чему ведомая ступица 3 остаётся неподвижной и каждый из упругих элементов 5 работает как жесткая спица. При наезде на неровность (см. рисунок 3.2) зубчатый обод перемещается вверх, упругий элемент 5 проворачивается вокруг оси шарнира нижней опоры с ведущей ступицей 2 и вокруг оси шарнира верхней опоры с зубчатым ободом 4. Ведомая ступица при этом совершает плоско-параллельное перемещение по направляющим упора-втулки 7 в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала, чем и обеспечивается свободный ход зубчатого обода. Подрессоривание при этом реализуется за счёт упругой деформации элементов 5 в плоскости, параллельной продольной оси вала. Деформация каждого из выше обозначенных элементов тем больше, чем ближе элемент к вертикальному положению, то есть своего максимального значения достигает в момент, когда шарниры крепления упругого элемента к зубчатому ободу и ведущей ступице расположены на одной линии, строго перпендикулярной поверхности качения. Исходя из вышесказанного следует, что динамические возмущения воспринимают все упругие элементы 5 конструкции, а в случае «открытого» исполнения к ним также присоединяются и упругие элементы 6. Гашение колебаний осуществляется за счет сил трения в шарнирах креплений упругих элементов 5 к другим деталям конструкции, сил трения между ведомыми ступицами 3 и упором-втулкой 7, а также за счет сил упругости, возникающих в элементах 5.

Стабилизацию колеса в поперечном направлении осуществляют упругие элементы 6 («открытая» компоновка) или защитная крышка-кожух.

3.3 Кинематический расчет исследуемой конструкции

В данной части работы исследуется возможность работы предложенной конструкции с точки зрения её геометрической осуществимости. Необходимо определить размеры и месторасположение каждого из элементов колеса и сделать анализ их взаимодействия.

3.3.1 Определение точек кривой траектории движения конца упругого элемента

П

(3.1)

о теореме косинусов определим сторону АС=с треугольника АВС (см рисунок. 3.3)

где а — перемещение ведомой ступицы;

R — радиус ведомой ступицы.

Рисунок 3.3 Определение точек кривой траектории движения конца упругого элемента. Расчетная схема.

Далее также по теореме косинусов определим из треугольника ACD углы ₁ и ₂

(3.2)

(3.3)

где l₃ — сторона упругого элемента, соединяющая ведущую и ведомую ступицы.

По теореме синусов из треугольника АВС найдём углы ₁, ₂и ₃:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Из треугольника DME также по теореме синусов найдем е₂ — высоту треугольника ADE, опущенную из точки Е и угол ₂:

(3.7)

(3.8)

Далее из треугольника CFK находим e₁ и а₁ (см. рисунок. 3.3):

(3.9)

(3.10)

Т

(3.11)

еперь, как видно из рисунка 3.3, для того, чтобы определить координаты точек кривой траектории движения конца упругого элемента достаточно сложить величины найденных отрезков:

(3.12)

Данные результаты расчетов служат основой для компьютерного моделирования работы упругого колеса при движении по пересечённой местности.

3.3.2 Определение радиуса ведущего колеса по трём точкам

В связи с внесением изменений в конструкцию ведущего колеса, изменяется также и его радиус. Определить радиус колеса возможно методом «трёх точек», суть которого заключается в существовании и единственности окружности, проходящей через три точки с известными координатами, так называемыми «координатными точками».

Определим размеры отрезков а₁, а₂, а₃ — хорд между координатными точками:

(3.15)

(3.14)

(3.13)

Из треугольника 123 (см. рисунок 3.4) найдём углы 1 и ₂:

(3.16)

(3.17)

И

(3.18)

з треугольника 345 найдём его гипотенузу l₁ и угол ₁:

(3.19)

Рисунок 3.4 Определение радиуса ведущего колеса по трём точкам. Расчетная схема.

Из треугольников О46 и О63 найдём l₂ — один из катетов треугольника О46

(3.20)

Далее из треугольника О46 находится второй катет b₃:

(3.21)

Из треугольника О36 находим радиус с (см. рисунок 3.4):

(3.22)

,

что, с учетом выражений (3.1–3.3) запишется как

(3.23–3.28)

Основываясь на полученных выше соотношениях, определим координату центра по оси ординат:

(3.29)

(3.30)

П

(3.31)

роизведем в полученном выражении (3.30) подстановки:

(3.32)

(3.33)