Результат интеллектуальной деятельности: Способ снижения потерь в ведущей оси со спаренными колесами полноприводных машин

Изобретение относится к автотракторному машиностроению, а именно к способам снижения отрицательного влияния кинематического несоответствия в трансмиссии полноприводных машин с шинами равного размера.

Известен способ снижения отрицательного влияния кинематического несоответствия между ведущими осями на тягово-сцепные и эксплуатационные показатели полноприводных машин реализуемый с помощью отключения одной из ведущих осей (Д.А. Чудаков. О тяговой динамике трактора с четырьмя ведущими колесами / Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1957 г., с. 8-18).

К недостаткам известного способа относится то, что одновременно с устранением отрицательного влияния кинематического несоответствия машина становится неполноприводной. Последнее приводит к снижению тяговых и эксплуатационных показателей машин.

Известен способ снижения отрицательного влияния кинематического несоответствия в трансмиссии полноприводных машин путем изменения кинематического несоответствия заменой (переводом) блокированного привода на дифференциальный, который реализуется с помощью комбинированного (дифференциального с принудительной блокировкой) межосевого привода (Ю.А. Пирковский, к.т.н. Н.Н. Яценко. Влияние конструктивной схемы привода к передним ведущим мостам автомобиля на их тяговые и экономические качества / Автомобильная промышленность, 1963 г., №1, с. 15-19).

К недостаткам данного способа относится то, что при дифференциальном приводе машина не может полностью использовать свои тягово-сцепные возможности, усложняется конструкция трансмиссии, повышается ее стоимость и снижается надежность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ снижения отрицательного влияния кинематического несоответствия с помощью изменения давления воздуха в шинах в зависимости от вида опорной поверхности, а также перераспределения нормальных реакций по ведущим осям (Патент №2202477, МПК В60С 23/00, опубл. 20.04.2004 г., бюл. №11), в котором:

r_ст = r_св – (К_ш × R^0,75 / (1 + Р_вн)), (1)

где r_ст – статический радиус колеса;

r_св – свободный радиус колеса (R = 0);

К_ш – коэффициент деформации шины;

R – нормальная реакция, действующая на колесо;

Р_вн – внутреннее давление воздуха в шине.

К недостаткам известного способа относится следующее: необходимость использования дополнительного оборудования, так как вначале устанавливается определенное давление в шинах ведущих осей, а затем производится перераспределение нормальных реакций по ведущим осям; невозможность использования для трактора на сдвоенных шинах; в результате применения способа не происходит устранение отрицательного влияния кинематического несоответствия внутри ведущей оси.

Технической задачей изобретения является снижение отрицательного влияния кинематического несоответствия в ведущей оси машины на сдвоенных шинах на ее тягово-сцепные и эксплуатационные показатели.

Задача достигается изменением давления воздуха в шинах внутренних и наружных колес. Изменение кинематического несоответствия осуществляют изменением внутреннего давления, для чего во внутренних и наружных шинах устанавливают разное давление воздуха.

В отличие от прототипа изменение величины кинематического несоответствия внутри ведущей оси осуществляется с помощью различных давлений воздуха в шинах внутренних и наружных колес в зависимости от вида опорной поверхности за счет изменения статических радиусов внутренних и наружных колес.

Техническое решение поясняется фиг.1, на которой изображена схема ведущей оси машины на сдвоенных шинах, и фиг. 2, на которой представлен график зависимости изменения нормальных реакций на внутреннем и наружном колесах в зависимости от величины а.

Способ осуществляется следующим образом. В шинах внутренних колес устанавливают оптимальное давление, необходимое для проведения обработки почвы в зависимости от вида операции. Делается пробная ездка на том участке, где будет проводиться данная операция обработки почвы. Визуально определяют глубину колеи, оставленную наружным и внутренним колесами. При правильном выборе давления глубина колеи одинакова. Если наружное колесо оставляет более глубокую колею, чем внутреннее, то производится уменьшение давления в шине наружного колеса. В случае обратного эффекта производят увеличение давления в шине наружного колеса. При транспортировке агрегата ведущими являются внутренние колеса.

При соединении колес с ведущей осью угловые скорости внутреннего и наружного колеса равны:

ω_н = ω_вн = ω_о,(2)

где ω_н - угловая скорость наружного колеса;

ω_вн - угловая скорость внутреннего колеса;

ω_о - угловая скорость ведущей оси.

Однако статические радиусы колес не равны между собой:

r_стн≠r_ствн, (3)

где r_стн - статический радиус наружного колеса;

r_ствн - статический радиус внутреннего колеса.

Основной причиной неравенства статических радиусов колес ведущей оси при прочих равных условиях является неравномерное распределение нормальных реакций между внутренними и наружными колесами

R_н≥R_вн, (3)

где R_н - нормальная реакция наружного колеса;

R_вн - нормальная реакция внутреннего колеса.

Так как l_н ≠ l_вн (4)

Неравенство статических радиусов внутренних и наружных колес приводит к их различной окружной скорости

V_вн = V_н,(4)

где V_вн - поступательная скорость внутреннего колеса;

V_н - поступательная скорость наружного колеса.

V_вн = r_ствн × ω_{вн ,} (5)

где V_вн - поступательная скорость внутреннего колеса;

r_ствн - статический радиус внутреннего колеса;

ω_вн - угловая скорость внутреннего колеса.

V_н = r_стн × ω_н,(6)

где V_н - поступательная скорость наружного колеса;

r_стн - статический радиус наружного колеса;

ω_н – угловая скорость наружного колеса.

Так как ω_вн = ω_н, а r_н≠r_вн.

При различной окружной скорости внутренних и наружных колес их поступательные скорости равны:

V_вн = V_н.

Это явление получило название кинематического несоответствия, которое определяется следующим выражением.

где К_Н – величина кинематического несоответствия;

V_н - поступательная скорость наружного колеса;

V_вн - поступательная скорость внутреннего колеса.

Выравнивание поступательных скоростей внутреннего и наружного колес происходит за счет проскальзывания колеса, имеющего меньшую окружную скорость, последняя приводит к снижению касательной силы тяги трактора ΔР_к, которое описывается выражением:

ΔP_к = ΔV×R_i×φ_{i ,}

где ΔV – разность окружных скоростей внутреннего и наружного колес;

R_i – нормальная реакция на проскальзывающее колесо;

φ_i – коэффициент сцепления проскальзывающего колеса.

Кроме этого колесо, имеющее больший радиус качения, создает более глубокую колею (фиг.2), образование которой связано с дополнительной потерей касательной силы тяги и увеличением расхода топлива.

Как было установлено ранее (1), статический радиус колеса определяется нормальной реакцией, действующей на колесо, и давлением воздуха в шине. Величина нормальных реакций, действующих на внутреннее и наружное колеса, определяется следующими выражениями (Гребенников М.Н. Расчет многопролетных неразрезных балок. Учебное пособие. Научно-аэрокосм. ун-т. Харьков. Авиационный ин-т. 2010. – 46 с.):

Из графика на фиг. 2 видно, что с увеличением расстояния а нагрузка на внутреннее колесо увеличивается, а на наружное уменьшается. Следовательно, для выравнивания статических радиусов колес следует устанавливать соответствующее давление в шинах внутреннего и наружного колес.

В результате проведенных исследований на тракторе JohnDeere установлено, что в результате изменения давления в шинах наружного колеса с 1,2 кг/см² до 0,8 кг/см² произошло снижение расхода топлива на 8,6%.