Объясните условия поворота колесной машины
Принцип поворота колесных машин
Одна из самых важных систем ТС с точки зрения безопасности движения — система рулевого управления, обеспечивающая его движение (поворот) в заданном направлении.
В зависимости от конструктивных особенностей колесных машин различают три способа поворота:
Много- или двухзвенные колесные ТС (автопоезда), состоящие из колесного тягача, прицепа (прицепов) или полуприцепа (полуприцепов), осуществляют поворот при помощи управляемых колес только тягача или тягача и прицепного (полуприцепного) звена.
Поворот машины при помощи поворота управляемых колес одной, нескольких или всех осей
Наиболее широкое распространение получили схемы колесных машин с поворотными (управляемыми) колесами.
При увеличении числа пар управляемых колес уменьшается минимально возможный радиус поворота машины, т.е, улучшаются маневренные качества ТС. Однако стремление улучшить маневренность за счет применения передних и задних управляемых колес существенно усложняет конструкцию привода управления ими. Максимальный угол повороту управляемых колес обычно не превышает 35 …40°.
Рис. Схемы поворота двух-, трех- и четырехосных колесных машин с управляемыми колесами:
а, б — передними; в — передними и задними; е, ж — первой и второй осей; з — всех осей
Рис. Схемы поворота колесной машины с неуправляемыми колесами:
а — с большим радиусом поворота; б — с нулевым радиусом; О — центр поворота; V1, V2 — скорости движения отстающего и забегающего бортов машины
Поворотом управляемых колес ТС водитель заставляет его передвигаться по траектории заданной кривизны в соответствии с углами поворота колес. Чем больше угол их поворота относительно продольной оси машины, тем меньше радиус поворота ТС.
Поворот ТС «по-гусеничному» принципу
Основными недостатками ТС с неуправляемыми колесами являются повышенный расход мощности на совершение поворота и больший износ шин по сравнению с автомобилями, имеющими управляемые колеса.
Шарнирносочлененные схемы поворота ТС для инженерных тягачей
Инжирные тягачи обладают хорошей маневренностью (минимальный радиус поворота у них меньше, чем у обычных автомобилей с такой же базой и лучшей приспособляемостью к неровностям дороги (из-за наличия шарниров в сцепном устройстве тягача и прицепного звена), а также обеспечивают возможность использования колес большого диаметра, что улучшает проходимость этих ТС.
Анализ конструктивных схем поворота колесных машин
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 10.02.2020 2020-02-10
Статья просмотрена: 154 раза
Библиографическое описание:
Анализ конструктивных схем поворота колесных машин / Н. А. Кузьмин, В. О. Терентьев, А. Ю. Сагач [и др.]. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 6 (296). — С. 35-39. — URL: https://moluch.ru/archive/296/67282/ (дата обращения: 27.12.2021).
Статья раскрывает сущность поворота колесных машин, принцип работы, преимущества и недостатки каждой конструкции, проводится анализ поворота колесных машин, работающих по разным принципам.
Ключевые слова: конструкции поворота колесных машин.
На данном этапе развития, довольно сложно представить современный мир без автомобиля. Автомобиль, как механическое транспортное средство является средством повышенной опасности, и обеспечить безопасное управление им является важнейшей задачей в общей системе безопасности дорожного движения. Одним из путей решения задачи обеспечения безопасного управления автомобилем является своевременная эксплуатация и ремонт транспортного средства.
В настоящее время любой автомобиль должен обладать соответствующими для него эксплуатационными свойствам, это такие свойства, которые характеризуют выполнение ими транспортных работ, а также приспособленность к выполнению этих работ: перевозка пассажиров, грузов и специального оборудования [1]. Эффективность работы автомобиля определяется совместным влиянием всей совокупности эксплуатационных свойств автомобиля, в которой основными являются следующие: тягово-скоростные, тормозные, топливная экономичность, устойчивость, управляемость, плавность хода и проходимость. Данные свойства тесно взаимодействуют друг с другом и изменение одного свойства, приводит к изменению других. При этом улучшение одних свойств может привести к ухудшению других [2].
С целью предотвращения дорожно-транспортных происшествий, огромную роль играют такие свойства как управляемость и маневренность, которые в свою очередь зависят в значительной мере от кинематики и силовых параметров поворота. Чтобы объединить данные свойства в единую целую, два отца автомобилестроения, — Готтлиб Даймлер и Карл Бенц — изобретая свои автомобили, возвращаются к трапеции Жанто. Изобретение Жанто заключалось в управлении передними колесами кареты, однако для карет, передвигавшихся с малыми скоростями, это было не существенно, как для машин, в конечном итоге изобретение Жанто было забыто. В 1889 году Даймлер получает патент на «способ независимого управления передними колёсами с разновеликими радиусами поворота». А в 1893 году Бенц получает патент на «устройство управления экипажей с тангенциальными к колёсам окружностями управления». Решив задачу управления передними поворотными колёсами и другие важные технические вопросы, Карл Бенц строит свой первый знаменитый четырёхколёсный автомобиль «Виктория» (рис.1) [3].
Рис.1: Четырехколесный автомобиль «Виктория»
Автомобиль прекрасно себя показал не только на улицах города, но и на более трудных и длинных маршрутах. Так, барон Теодор Либиг решил совершить на своей «Виктории» пробег из Либерец (Чехия) в Реймс и обратно. Барон Либиг успешно преодолел на «Виктории-Бенц» путь в 2500 км, что дополнительно поспособствовало популяризации автомобиля [4].
На сегодняшний день на планете существуют огромное количество автомобилей, и способы поворота у каждой имеют свои особенности. Различают следующие способы поворота: первый — управляемыми колесами только передней оси; второй — управляемыми колесами обеих осей двухосной машины; третий — бортом за счет создания разности крутящих моментов на ведущих колесах кинематически или торможением; четвертый — комбинацией 1-го или 2-го способа с 3-м; пятый — с помощью шарнирно сочлененной рамы.
Первый способ поворота применяют во всех двухосных автомобилях и тракторах, у которых диаметр передних колес меньше, чем задних, как наиболее приемлемый, когда для этого нет ограничений. У данного способа есть ограничение, распространяющееся на тракторы — возможное соприкосновение колес с остовом двигателя или деталями трактора при повороте управляемых колес. В этом случае применяют шарнирную раму или четыре управляемых колеса, а также бортовой способ поворота [5]. Примером поворота передней оси является УАЗ-31514 (рис.2)
Рис. 2: Поворот колесами передней оси УАЗ-31514
Второй способ поворота включает поворот одновременно передних и задних управляемых колес. При этом значительно уменьшается радиус поворота автомобиля, но повышается маневренность, однако данная конструкция сложна в эксплуатации, заключается это в регулировки как переднего, так и заднего моста, а сделать это в отличие от колес которые осуществляют поворот только передними колесами намного тяжелее, учитывая довольно немалое количество тяг переднего и заднего моста, которые должны взаимодействовать друг с другом, но помимо этого взаимодействие должно быть синхронным. Примером поворота обеих колес является специальное колесное шасси — МЗКТ-19221(рис.3)
Рис. 3: Поворот передних и задних управляемых колес МЗКТ-79221
Третий способ включает в себя поворот бортом или поворот по гусеничному. Причем поворот осуществляется при помощи бортовой части, где разворачивающий момент увеличивается с увеличением разности правого и левого бортов и позволяет получить небольшие радиусы поворота вплоть до разворота вокруг центра машины. При повороте бортом механическое транспортное средство расходует большие мощности на поворот, что приводит к износу шин (гусениц) вследствие проскальзывания колес относительно опорной поверхности. Примером поворота бортом колес и гусениц является Российский вездеход «Шерп» и МТЛБ (рис.4)
Рис. 4: Поворот бортом колес и гусениц вездехода «Шерп» и МТЛБ
Четвертый способ включает в себя комбинированный поворот, который используется на всех универсальных тракторах (рис.5). При эксплуатации пользуются подтормаживанием борта, в частности при выполнении крутых поворотов, что существенно повышает маневренность трактора. Основным недостатком поворота является боковое проскальзывание протектора шины относительно поверхности пути. Это вызывает повышенный износ шин, сильное боковое нагревание на них земли при повороте на рыхлых грунтах и появление заноса остова при повороте на повышенной скорости движения трактора. Этот способ поворота используют на небольших малогабаритных колесных тракторах, в основном коммунального назначения. Примером комбинированного поворота является трактор АГРОМАШ 180ТК — ТК — 3–180Д [6].
Рис. 5: Комбинированный поворот трактора АГРОМАШ 180ТК — ТК-3–180Д
Поворот шарнирно сочлененными рамами осуществляется двумя секциями: передней и задней. При этом в основной части (остова) механического транспорта встроен шарнир, который позволяет вращаться передней секции относительно задней, и таким образом осуществлять изменение направления движения автомобиля. Основной недостаток способа управления поворотом с помощью шарнирной рамы заключается в том, что при маневрировании передний и задний мосты поворачиваются одновременно, но в разные стороны. Это приводит к тому, что при необходимости увеличить расстояние между колесами и бороздой или рядком обрабатываемой культуры, в процессе управления передний мост отъезжает (удаляется) от борозды или от рядка обрабатываемой культуры, а задний мост приближается. При этом достигается обратный эффект, в результате которого стенка борозды разрушается задним колесом или оно заезжает на рядок обрабатываемого растения. Поворот шарнирно сочлененной рамой осуществляют большинство самосвалов, одним из которых является самосвал Bell B50E (рис.6) [7].
Рис. 6: Поворот шарнирно сочлененными рамами самосвала Bell B50E
Таким образом, можно сделать вывод, что от начала создания первого автомобиля двумя творцами: Готтлибом Даймлером и Карлом Бенцом, прошло огромное количество времени и несмотря ни на что, направление, связанное с управлением колесных машин довольно сильно продвинулось вперед, появилось огромное количество способов для управления механического транспортного средства, причем каждое по себе имеет ряд специфических особенностей, которые будут присущи создаваемому механическому транспортному средству.
Способы поворота колесных машин
Под управляемостью понимается свойство автомобиля двигаться в заданном водителем направлении. Автомобиль может практически мгновенно реагировать на малейший поворот руля и устойчиво двигаться как в прямом направлении так и на поворотах или заметны его «рыскания» по дороге, когда заданное направление нарушается, происходит смещение автомобиля из стороны в сторо
ну. Такой автомобиль обладает плохой »курсовой устойчивостью».
Оценка этих свойств производится с помощью специальных испытаний по разработанным и утвержденным методикам.
Наиболее часто управление колесных машин выполняется поворотом передних колес. Но известны и другие способы: за счет поворота соединенных шарнирно частей рамы, за счет поворота переднего моста, притормаживанием колес одной стороны машины.
На рис. 85 приведены схемы поворота автомобиля поворотом правляемых колес.
Для исключения бокового скольжения на повроте управляемые колеса должны быть повернуты таким образом, чтобы их оси пересекались на оси задних колес двухосного автомобиля – (рис. 91а). Точка эта называется центром поворота автомобиля.
Рис. 91. Схемы поворота управляемых колес автомобилей
Для трех- и четырехосных автомобилей центры поворота располагаются на прямой, проходящей по середине между неуправляемыми мостами, в том числе на автомобиле с задними управляемыми колесами (рис. 91г). Признаком правильного выбора конструкции системы поворота является отсутствие повышенного износа шин.
На двухосных автомобилях более высокий износ протектора часто имеют шины передних управляемых колес, на трех- и четырехосных автомобилях сильнее могут изнашиваться шины колес среднего и заднего мостов, т.к. на поворотах они катятся с боковым скольжением.
Схема поворота четырехколесного экипажа была разработана в Германии в 1821 году Лангенспергером. На автомобиле эта схема впервые была применена французом Жанто в 1878 г. Основным элементом её является рулевая трапеция, состоящая из поперечной рулевой тяги, поворотных рычагов колес и балки моста. На автомобилях с независимой подвеской колес, чтобы не происходил поворот колес при качании автомобиля, когда сжимаются пружины подвески, поперечная тяга состоит из трех частей: центральной и двух боковых. Соединяющие эти тяги шарниры расплагаются напротив шарниров подвески.
На автомобилях с червячным рулевым механизмом центральнгая тяга рулевой трапеции закрепляется на сошке руля и маятниковом рычаге, а на автомобилях с реечным рулевым механизмом центральная тяга заключена в корпус и выполнена в виде зубчатой рейки, с которой входит в зацепление шестерня, соединенная с рулевым валом.
Боковые поворотные рычаги рулевой трапеции устанавливаются наклонно к продольной оси автомобиля с таким расчетом, чтобы их оси пересекались по данным акад. Е.А. Чудакова в центре заднего моста, или на 0,7 колесной базы автомобиля от оси переднего моста – по данным Бюссиена. Угол наклона рычагов отрабатывается в процессе доводки автомобиля.
Так как оси поворотных рычагов рулевой трапеции располагаются в разных фазах окружностей, по дугам которых перемещаются наружные концы поворотных рычагов, при перемещении соединенной с ними поперечной тяги поворотные рычаги повернуться на различные углы. Соответственно на разные углы повернуться и соединенные с рычагами управляемые колеса.
Для удобства пользования автомобилем радиус его поворота должен быть минимально возможный. Управляемыми поэтому иногда делаются не только передние, но и задние колеса (рис. 91г). Поворачиваются задние колеса обычно в сторону, противоположную повороту передних колес.
Недостатками такой системы кроме её сложности, является выезд задней части автомобиля в сторону, противоположную повороту передних колес, из-за чего трудно отъехать от стены, тротуара и т.п. Такой автомобиль, кроме того, склонен к опрокидыванию вследствие необычно крутых его поворотов. Чтобы устранить этот недостаток, поворот задних колес может откючаться, либо используются системы, позволяющие поворачивать задние колеса только тогда, когда угол поворота передних колес превышает 6. 7 градусов, например, при маневрировании.
Известны также конструкции легковых и грузовых автомобилей со всеми управляемыми колесами, в которых поворот задних колес может производиться в ту или иную сторону независимо от направления поворота передних. Такая система обеспечивает значительные преимущества перед поворотом только передних колес, позволяя пегковому автомобилю двигаться боком, например, при отъезде с места парковки, а также тягачу при транспортировании длинных грузов по узким дорогам, когда он не вписывается в поворот и т.п.
Рис. 92. Колесная машина с шарнирной рамой
Получили также распространение «одноосные тягачи», состоящие из одной ведущей оси, к которой на раме крепится двигатель, трансмиссия, кабина и сцепное устройство для крепления к полуприцепу (рис. 93).
Рис. 93. Одноосный тягач, повернутый относительно полуприцепа:
В 60-х годах одноосные тягачи МАЗ-529 изготавливались на КЗКТ. Используются одноосные тягачи для скреперов. Колеса соединенного с одноосным тягачем скрепера не являются ведущими, при наборе грунта скрепер сзади толкается трактором.
Известен также поворот колесных машин т о р м о ж е н и е м колес одной стороны. В основном это короткобазные строительные машины и другая специальная техника. Преимуществом такого способа является очень малый радиус поворота, который при использовании дифференциального привода может равняться половине колеи машины, что удобно на небольших строительных площадках. Недостатком этого способа является скольжение колес на повороте и, как результат, повышенный износ шин и высокая мощность, расходуемая на поворот. До 5. 7 градусов поворот происходит обычно за счет деформации шин, а далее имеет место их интенсивное скольжение.
Рассмотрим упраляемость автомобиля наиболее часто используемым способом – поворомом передних колес. Как следуеит из рис.89, управлякмые колеса поворачиваются на разные углы, причем угол поворота внутреннего колеса больше чем наружного. Разница в углах поворота управляемых колес непостоянна, на тем больше, чем больше углы поворота колес.
На рис. 94 показана теоретическая 1 и действительная 2 зависимости между углами поворота нагруженного θн и внутреннего θвн колес автомобиля.
Но реальный угол поворота внутреннего колеса делается несколько меньше теоретически необходимого. Объясняется это тем, что при движении на повороте происходит перераспределение веса автомобиля: наружные колеса загружаются больше, боковая деформация их также больше. Окончательное решение, касающееся величины углов поворота, принимается по результатам износа шин при испытаниях автомобиля.
Рис. 94. Зависимости между углами
поворота наружного и внутреннего
управляемых колес автомобиля:
1 – без учета увода; 2 – с учетом увода
Средний угол поворота колес θсрможет быть найден пз выражения
Теоретическая зависимость между углами поворота наружного θн и внутреннего θвн управляемых колес, базой автомобиля L, расстоянием между осями поворота колес lо может быть выражена (рис. 95):
Решая эти уравнения, получим
Зависимость (69) называется условием поворачиваемости автомобиля без скoльжения колёс.
Рис. 95. Схема поворота двухосного
Увод колес автообиля
Под действием нагрузок шина колеса автомобиля деформируется в зоне контакта с дорогой не только в вертикальном (радиальном), но также окружном и боковом направлениях. Боковая деформация ведет к изменению направления качения колеса. Явление это называется уводом колеса. Чем больше боковая сила, тем больше угол увода.
Сопротивление уводу шины характеризуется коэффициентом сопротивления уводу. Зависимость между действующей на колесо боковой силой, коэффициентом сопротивления уводу и углом увода можно выразить:
где Рп – боковая сила; Кd – коэффициент сопротивления уводу; d – угол увода.
Угол увода зависит от боковой жесткости шины: чем больше боковая жесткость (выше давление, толще боковина), тем меньше увод. С увеличением числа слоев нитей корда в каркасе шины коэффициент сопротивления уводу возрастает. Зависит он и от расположения нитей корда в шине: (шины с радиальным расположением нитей корда – шины типа «Р») имеют коэффициент сопротивления уводу на 10-15% меньше, чем шины, нити корда которых распложены под углом 40-42 0 к средней плоскости колеса (диагональные шины). Увод колес с радиальными шинами будет настолько же больше.
Низкопрофильные шины (ГОСТ 20993-75) имеют более высокую боковую жесткость, чем тороидальные шины и, следовательно, меньший увод. Этим, а также лучшей плавностью хода автомобилей на таких шинах объясняется их широкое распространение на легковых автомобилях.
Рис. 96. Зависимость между
действующей боковой силой
и углом увода колеса
Увод колес существенно влияет на управляемость автомобиля. Радиус поворота автомобиля с учетом увода передних и задних колес может быть больше или меньше, чем в случае, когда увод отсутствует. Значения коэффициентов сопротивления уводу диагональных и некоторыхрадиальных шин приводятся в табл. 13 и 13а.
Кинематика поворота автомобиля.
Существуют следующие способы поворота колесной машины.
1) Поворот передних управляемых колес.
2) Совместный поворот передних и задних управляемых колес.
3) Поворот бортом без управляемых колес за счет отключения передачи вращающего момента на правые или левые неуправляемые колеса и торможение колес, внутренних по отношению к кривой поворота. Поворот без управляющих колес может быть осуществлен созданием разных скоростей вращения колес левого и правого бортов машины (по аналогии с гусеничной машиной).
4) Поворот путем комбинации рассмотренных выше способов.
5) Поворот за счет поворота передней части остова машины при сочлененной раме.
Третий способ поворота (бортом) имеет смысл использовать на машинах со всеми одинакового размера ведущими колесами большого диаметра. При этом упрощается привод к ведущим колесам и компоновка передних колес, однако, повышается износ шин.
На рис.6 схематически показан поворот колесной машины с управляемыми передними колесами (наиболее типичный вариант).
Мгновенный цент поворота О1 находится в точке пересечения перпендикуляров к векторам скоростей движения колес. Расстояние от центра поворота О1 до оси заднего моста автомобиля принято называть радиусом поворота R = L·ctg α. При повороте передних управляемых колес машины на одинаковый угол такое пересечение будет невозможно, так как перпендикуляры к векторам скоростей этих колес будут параллельны.
В этом случае движение на повороте сопровождалось бы скольжением управляемых колес вбок, управляемость машины ухудшалась бы, а износ шин и сопротивление движению возросли.
Как следует из рис.6, чистое качение управляемых колес машины без скольжения при движении на криволинейных участках возможно лишь в том случае, если между углами поворота внутреннего α1 (ближнего к центру поворота) и внешнего α2 (удаленного от центра поворота) колес будет следующее соотношение:
,
где α1 и α2 – соответственно углы поворота внутреннего и внешнего управляемых колес;
В – расстояние между осями шкворней поворотных цапф (приближенно может быть принято равным ширине колеи);
Рис.6. Схема, иллюстрирующая поворот машины с управляемыми