Диссертация (Повышение плавности хода транспортных и транспортно-технологических машин внутренним подрессориванием колес), страница 8

Поскольку упругий элемент КВП испытывает значительные статические и динамические нагрузки, вызывающие большие деформации, к нему предъявляются требования продолжительной работоспособности и высокой надежности, а также возможности сохранения им первоначальных размеров, формы, упругих и демпфирующих свойств.Одновременно к упругому элементу КВП предъявляется ряд других требований: высокая технологичность изготовления; возможность легкого монтажапневматической шины на обод КВП, а также минимальный вес.Перечисленные основные требования могут быть удовлетворены только приналичииметодикирасчета,основаннойнадостоверномучетефизико-механических свойств материала, величины и характера действующих нагрузок.62Как правило, в технических характеристиках различных полиуретановыхэластомеров отражается ограниченное количество информации о физикомеханических показателях материала.Для разработки научно-обоснованного метода расчета деталей, выполненных из полиуретана или содержащих полиуретан наряду с металлическими элементами, требуется дополнительно исследовать ряд параметров эластомера.Полиуретан имеет [128, 130] широкий диапазон твердости, эластичности,низкую истираемость, высокую прочность, высокое сопротивление раздиру, масло- ,бензо- и кислотостойкость, диапазон рабочих температур от -35 ºС до +75 ºС.Полиуретан, как конструкционный материал, по сравнению с металлами,обладает способностью к большим относительным деформациям (вплоть до 50%)при этом объемная сжимаемость настолько мала, что полиуретан можно рассматривать согласно [81], как практически несжимаемое тело, у которого с погрешностью до 3% можно принять коэффициент Пуассона '= 0,5.Полиуретановые детали при деформациях вследствие межмолекулярноготрения в материале подвержены нагреву.

Одним из существенных факторов,влияющих на работоспособность элемента из полиуретана [137] является температура полиуретанового массива.С ростом температуры в эластомере протекают необратимые физикохимические процессы, снижающие его эксплуатационные свойства, причем с ростом температуры материала скорость протекания процессов также возрастает.Таким образом, при расчете деталей из полиуретановых эластомеров, следует учитывать не только максимально допустимые упругие деформации, но ивозможный нагрев детали, который может привести к тепловому разрушению полиуретана.На стадии проектирования и расчета достаточно затруднительно учесть всемногообразие факторов, влияющих на работоспособность упругого элементаКВП. Таким образом, с целью доработки конструкции упругого элемента КВП иуточнения его расчетов большое значение придается экспериментальным иссле-63дованиям, как наиболее достоверному способу оценки параметров и характеристик конструкции в условиях эксплуатации.3.3.2 Расчет упругого элементаколеса с внутренним подрессориваниемКак известно [121, 122], существуют отличия в расчетах полиуретановыхдеталей машин, работающих при статических и динамических нагрузках.В случае использования КВП на автомобильном прицепе ЛАВ-81011, колесные движители будут являться поддерживающими, следовательно, они не будут воспринимать и передавать силовых нагрузок и тяговых крутящих моментов,а лишь осуществлять гибкую кинематическую связь ступиц прицепа с опорнойповерхностью.

Таким образом, при расчете упругого элемента КВП будут рассматриваться деформации растяжения и сжатия.В полиуретановых деталях при статических и разовых ударных нагрузкахтемпература полимера не превышает температуру других элементов детали и неотносится к параметрам, определяющим работоспособность детали.Непосредственно нагрев полиуретана зависит в первую очередь от скоростии величины его деформации, поэтому на стадии теоретических исследований иподбора параметров КВП, приведенных в главе 2, на максимальную величину деформации упругого элемента КВП наложено ограничение, которое позволит сохранить работоспособность упругого элемента.Следует отметить, что нагрев полиуретана также зависит от условий охлаждения детали в процессе эксплуатации, которые, в свою очередь, определяютсяконструкцией самой детали, температурой окружающей среды и т.д.Конструкция упругого элемента КВП предполагает наличие торцевой перфорации, которая помимо регулирования жесткости позволяет обеспечить дополнительное охлаждение полимерного массива.

При этом форма торцевой перфорации выбиралась, исходя из соображений простоты изготовления КВП, а ее размеропределялся возможностью получения требуемого значения коэффициента нор-64мальной жесткости упругого элемента колеса из имеющихся в открытой продажеотечественных полиуретановых эластомеров.Геометрические размеры и форма торцевой перфорации упругого элементаКВП рассчитывались методом конечных элементов с использованием программного обеспечения SolidWorks Simulation и COMSOL Multiphysics.Для исследования упругодеформированного состояния упругого элементаКВП использовалась система моделирования COMSOL Multiphysics.

Данная вычислительная среда позволяет исследовать воздействие различных видов нагрузокна объект исследования. COMSOL позволяет исследовать различные типы моделей – 2D и 3D модели, материалы деталей могут быть как с линейными, так и снелинейными (сверхупругими) свойствами.2D модели целесообразно использовать на самом первом этапе исследования деталей, с точки зрения их базовых конструктивных особенностей. Данныйтип моделей учитывает не все геометрические особенности детали, которые могутвносить существенное влияние на результат, особенно если геометрия детали отличается от цилиндрической формы и имеет особенности вдоль оси z.

В тожевремя, данный тип модели удобно использовать при параметрических исследованиях, так как он дает результат за самое короткое время.Для получения уточненных результатов необходимо перейти к 3D моделям.Данный тип моделей наиболее полно учитывает особенности геометрии исследуемой детали. Самые точные результаты (наиболее приближенные к экспериментальным) дают 3D модели с нелинейными исследованиями (учёт сверхупругих свойств).Нет необходимости упрощать модель (переходить к линейным свойствамматериала, исследовать 2D геометрию и т.п.), так как COMSOL обладает достаточно мощным и быстрым решателем, поэтому целесообразно исследовать полнофункциональные модели – 3D геометрия, учет сверхупругих свойств и параметрическое исследование.

Результатами такого исследования могут быть эпюрынапряжения, перемещения и деформации объекта исследования.65Для наглядного представления алгоритма расчета упругого элемента КВПсоставлена принципиальная блок-схема (рисунок 3.1).Рисунок 3.1 – Блок-схема алгоритма расчета упругого элемента КВП66Модель КВП состоит из трех деталей: упругий элемент, диск и обод колеса.Все детали модели расположены коаксиально друг другу. Геометрия модели импортируется из SolidWorks с помощью LiveLink. На наружную поверхность ободаколеса назначено ограничение от перемещений.

На внутреннюю поверхностьдиска колеса осуществляется приложение нагрузки Pz в виде силы в направленииплоскости «Спереди» (рисунок 3.2).Рисунок 3.2 – Модель КВП с назначенными нагрузкой и фиксациейМодели с нелинейными свойствами позволяют моделировать материалы,обладающие сверхупругими свойствами. Данный тип моделей позволяет получатьболее точные результаты при расчёте перемещений. В тоже время для расчетатребуется больше вычислительного времени. Математический аппарат моделирования сверхупругих свойств описан в [13].Модель использует стандартный модуль расчета Solid Mechanics для определения физики (Physics).

Он включает в себя следующие разделы описания модели (рисунок 3.3):67•материал линейный эластичный (все детали кроме упругого элементаколеса);•свободный (свободными для перемещения являются все части моделикроме обода колеса);•материал гиперэластичный (назначен только для упругого элементаколеса);•нагрузка (прикладывается к диску колеса). Тип нагрузки – Total force.Действует вдоль оси y.

Так как ось y направлена вверх, то значение задаётся сознаком минус (сила действует вниз);•фиксация (обод колеса).Рисунок 3.3 – Разделы описания модели КВПДля диска и обода колеса модели рекомендуется использовать материал смодулем Юнга на порядок большим, чем у материала упругого элемента КВП,наилучшим вариантом является сталь, поэтому в модели использовался материалSteel AISI 4340 (40Х2Н2МА) из библиотеки стандартных материалов COMSOL.Для упругого элемента использовался полиуретан (форполимер уретановый) СКУ-Ф-Э4 [110].