Метод оценки конструкции внедорожных автомобилей по величине разрушающего воздействия на грунт

В настоящее время проблема экологического воздействия автомобилей на окружающую среду доминирует при проектировании автомобильной техники. В рамках международного сотрудничества создано и работает направление проектирования «Автомобили дружественные окружающей среде» (EFV).

Потребности многочисленных отраслей экономики страны привели к созданию целого класса автомобилей — полноприводных внедорожных машин, предназначенных5 для работы на местности. Долгие годы развитие их конструкции осуществлялось в направлении повышения показателей проходимости и эффективности применения. Поэтому в основном рассматривались параметры взаимодействия движителя с опорной поверхностью с точки зрения снижения сопротивления качению и повышения его сцепных качеств. Экологическая составляющая этого процесса, т. е. разрушающее воздействие автомобиля на грунт практически не рассматривалась, как не исследовались и конструктивные показатели автомобилей, влияющие на этот процесс: компоновка, схемы перераспределения потока мощности по ведущим колесам и мостам, сцепные свойства движителей и т. д.

Конструкция современного полноприводного автомобиля должна отвечать не только общим требованиям повышения эффективности движения, но и требованиям, направленным на снижение экологического ущерба, наносимого колесными машинами грунту. Поэтому на основании теоретических и экспериментальных исследований необходимо разработать метод, позволяющий осуществить выбор конструктивных решений систем силового привода ведущих колес, систем рулевого управления и компоновки автомобиля с целью снижения разрушающего воздействия движителя на грунт при обеспечении достаточного уровня проходимости.

Особенно это необходимо учитывать при проектировании автомобилей для специализированных отраслей, например, лесоперерабатывающей промышленности, сельского хозяйства, автомобилей для геологоразведочной деятельности, нефтегазодобывающей отрасли и т. д.

Таким образом, существует и требует своего решения актуальная научная проблема установления научно-обоснованных закономерностей экологического воздействия автомобилей на окружающую среду и с этой точки зрения разработки основных принципов проектирования внедорожных транспортно-тяговых систем.

Важнейшей и актуальной научной задачей в этой проблеме является установление закономерностей влияния конструкционных особенностей внедорожных автомобилей на экологические показатели взаимодействия колесных движителей с деформируемым грунтом и разработка на основе этих закономерностей расчетно-экспериментального метода определения степени разрушающего воздействия внедорожных автомобилей на грунт, который позволяет проводить сравнительные расчеты влияния основных конструктивных особенностей автомобиля на разрушение грунта и на другие потребительские свойства автомобилей, в том числе на проходимость. До настоящего времени подобные исследования недостаточно освящены в научно-технической литературе.

Вышеизложенное определяет актуальность данного исследования.

Проблемами теории автомобиля, связанными с взаимодействием полноприводных колесных транспортных средств с грунтом, в том числе в повороте, занимались отечественные ученые: Агейкин Я. С., Аксенов П. В., Антонов Д. А., Барахтанов JT.B., Бахмутов С. В., Белоусов Б. Н., Беляков В. В., Бочаров Н. Ф., Ванцевич В. В., Вержбицкий А. Н., Вольская Н. С., Высоцкий М. С., Добромиров В. Н., Елисеев А. Н., Котиев О. Г., Кутьков Г. М., Ларин В. В., Наумов В. Н., Петрушов В. А., Пирковский Ю. В., Платонов В. Ф., Плиев И. А., Полунгян А. А., Смирнов Г. А., Фаробин Я. Е., Чистов М. П., Шарипов В. М., Шухман С. Б., Яценко Н. Н. и зарубежные ученые: М. Г. Беккер, Дж. Вонг, F. Armstrong, D.L.Margolis, Willis и др.

Работы, направленные на снижение разрушающего воздействия движителей на грунт нашли отражение в работах отечественных ученых Бабкова В. Ф., Ксеневича И. П., Матюка Н. С., Переладова А. С., Полетаева А. Ф., Пупонина А. И., Русанова В. А., Соловьева В. И. и других.

Целью диссертационной работы является разработка расчетно-экспериментального метода оценки экологических показателей внедорожных автомобилей, позволяющего проводить расчеты влияния основных конструктивных параметров автомобиля на разрушение грунта при обеспечении заданного уровня проходимости.

Объектом исследований является полноприводной автомобиль.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы следующие основные научно-технические задачи, вытекающие из современного состояния научной проблемы:

1. Проведение исследований с целью получения теоретически обоснованных аналитических зависимостей для оценки параметров колееобразования и величины уширения колеи при различном расположении полюса поворота в процессе криволинейного движения полноприводного автомобиля по деформируемому грунту.

2. Разработка расчетно-экспериментального метода оценки разрушающего воздействия колесного движителя автомобиля на грунт в общем случае движения автомобиля.

3. Определение наиболее рациональных компоновочных решений расположения осей по базе автомобиля и схемы рулевого привода колес, обеспечивающих снижение уровня разрушающего воздействия автомобиля на грунт с учетом назначения и предполагаемых условий его эксплуатации.

4. Разработка экспериментальной методики оценки изменения параметров основных свойств фунта при последовательных проходах в условии частичного несовпадения колей колес автомобиля.

5. Экспериментальное подтверждение представленных теоретических положений и получение экспериментальных данных для решения аналитических зависимостей, представленных в работе.

Методы исследования, используемые в работе, базируются на основных положениях прикладной механики, теории грунтов, теории автомобиля, методов инженерного эксперимента, математического анализа. В работе нашли применение логический метод, анализ, синтез, математическое и физическое моделирование с использованием аппарата математической статистики.

Научная новизна полученных результатов при решении вышеуказанной научной задачи заключается в следующем:

— разработана математическая модель функционирования подсистемы «колесо — опорная поверхность» при криволинейном движении колесного движителя, позволяющая определить величину глубины колеи при последовательных проходах колес в условиях частичного несовпадения колей колес автомобиля;

— получены аналитические уравнения для определения величины уширения колеи с учетом сдвига грунта в повороте для различных случаев расположения полюса поворота автомобиляуточнена зависимость для оценки показателя разрушающего воздействия полноприводного автомобиля на грунт (Кпчв) при повороте, на основе которого разработана расчетная методика определения разрушающего воздействия полноприводного автомобиля на грунт;

— разработана экспериментальная методика оценки изменения параметров основных свойств грунта при последовательных проходах в условии частичного несовпадения колей колес автомобиля.

Эти результаты выносятся на защиту.

В первой главе изложены состояние вопроса, обоснование решаемой научной задачи, а также проведен анализ работ, посвященных вопросу взаимодействия колесного движителя автомобиля с грунтом, в том числе при движении в повороте. Рассмотрены работы известных научных школ: МГТУ.

МАМИ", МГТУ им. Баумана, НАМИ, НАТИ, 21 НИИИ МО РФ, Нижегородского ГТУ, МГИУ, Белорусской научной школы и др.

По результатам анализа выполненных работ в диссертации выдвинута гипотеза о том, что существует оптимальное соотношение конструктивных особенностей транспортных средств, обеспечивающих минимальное разрушающее воздействие колесного движителя па грунт, а все многообразие параметров существующих грунтов различного состояния можно учесть соответствующей адаптивной системой автоматического управления качения колеса.

Во второй главе представлены математические зависимости, необходимые для оценки экологического ущерба расчетно-экспериментальным методом. При этом исследования построены из следующих соображений. Для создания методики сравнительной оценки экологического ущерба, наносимого автомобилем опорной поверхности, важно определить параметры грунта, которые характеризуют его разрушение и время восстановления. По оценкам специалистов к таковым относятся размеры (глубина и ширина) колеи и уплотнение грунта. Поэтому в главе сделан упор на разработку теоретических зависимостей данных параметров разрушения грунта, которые достаточно просто можно было бы использовать в расчетно-экспериментальном методе.

В третьей главе рассмотрено криволинейное движение автомобиля и разработан критерий, позволяющий уже на стадии проектирования количественно оценить с экологической точки зрения различные схемы рулевого управления, схемы расположения осей по базе автомобиля, схемы трансмиссий, распределение массы по осям и др.

В качестве критерия оценки принят коэффициент разрушающего воздействия колесного движителя на почву (KmJ, учитывающий влияние как уплотнения грунта в вертикальном направлении, так и сдвиг и вынос части грунта вследствие буксования движителей.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена экспериментальной проверке разработанных методов оценки конструкции полноприводных автомобилей по критерию Кпчв и получению исходных данных для расчета степени разрушающего воздействия внедорожных автомобилей на грунт на эталонном участке. Экспериментальные исследования проведедены в период с 2004 по настоящее время на специальных дорогах и на грунтовом участке НИЦИАМТ ФГУП «РТАМИ» (г. Дмитров, Московской области).

В качестве объектов испытаний были выбраны: автомобиль Гидроход-49 061 (бхб), автомобиль ЗИЛ-4972 (6×6), автомобиль УРАЛ-4320 (6×6), автомобиль на шинах сверхнизкого давления НАМИ-1918 «Умка» (4×4), автомобиль на шинах сверхнизкого давления «Вектор» (8×8). Основным объектом испытаний являлся опытный образец автомобиля 6×6 «Гидроход-49 061», оснащенный индивидуальным гидрообъемным силовым приводом колес, который позволяет реализовывать различные схемы силового и кинематического привода ведущих колес. Автомобили НАМИ-1918 «Умка» и «Вектор» использованы в исследованиях в качестве эталона.

Заключение

м диссертации являются общие выводы и рекомендации по работе, а также основные направления дальнейших исследований.

Основные результаты работы реализованы в следующих направлениях:

— в конструкции полноприводного автомобиля 6×6 с гидрообъемным силовым приводом колес «Гидроход-49 061»;

— в НИР «Бальзамин» и «Кочегар» при изготовлении макетных образцов многоосных шасси с электротрансмиссией и всеколесным рулевым управлением, выполненных НПЦ СМ МГТУ им. Н. Э. Баумана по Гособоронзаказув разработанном руководящем документе РД-37.083−003−2005 «Определение параметров грунта и их изменения по проходам при проведении испытаний колесной машины на деформируемом грунте»;

— в учебном процессе кафедры «Автомобили» им. Е. А. Чудакова МГТУ «МАМИ».

Материалы диссертации в различное время были рассмотрены и обсуждены:

— на 49 конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», посвященная 140-летию МГТУ «МАМИ», Москва, 2005 г.

— на конференции-семинаре ААИ «Значение технических регламентов в решении проблем создания и эксплуатации автомобилей в условиях Сибири и Крайнего Севера», посвященной 75-летию СИБАДИ, Сургут, 2005 г.;

4-ом международном автомобильном научном форуме «Научные, конструктивные и технологические достижения», ФГУП НАМИ, Москва, 2006 г.;

— на научно-технической конференции «Проектирование колёсных машин», посвящённой 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006 г.;

— на 58 конференции ААИ «Автомобиль и окружающая среда» НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», 2007 г.;

— на 3-ем Белорусском конгрессе «Механика-2007», Минск, 2007 г.;

— на 65-й конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», проведенная в рамках международного научного симпозиума «Автотракторостроение — 2009», МГТУ «МАМИ», Москва, 2009 г.;

— на постоянно действующих научных семинарах ОАО «Инновационная фирма «НАМИ-Сервис».

Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных трудах автора, а также в 2 Патентах РФ и одном Свидетельстве о регистрации программы расчета разрушающего воздействия автомобиля на грунт.

Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, общих выводов к работе, списка использованных источников в количестве 108 трудов и 2 приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель функционирования подсистемы «колесо — опорная поверхность» при криволинейном движении колесного движителя, основная новизна которой заключается в том, что позволяет определить величину глубины колеи при последовательных проходах колес в условиях частичного несовпадения колей автомобиля.

2. Получены аналитические зависимости для определения величины уширения колеи при криволинейном движении автомобиля при различных расположениях полюса поворота относительно мгновенного центра поворота. По полученным выражениям составлена расчетная программа для ЭВМ расчета величины уширения многоосных автомобилей.

3. Для оценки разрушающего воздействия полноприводного автомобиля на грунт в работе уточнен показатель Кпчв, физический смысл которого определяется как его взаимосвязь со снижением репродуктивных возможностей почвы по сравнению с ее естественным природным состоянием при отсутствии на нее всяческого механического воздействия. Таким образом: Ктв =0 — отсутствие воздействияКпчв =1 —воздействие автомобиля на грунт несовместимое с восстановлением нормальных процессов жизнедеятельности в следе в течении как минимум одного года. Полученный показатель Кт (является безразмерным и однозначным, позволяет оценить разрушающее воздействие автомобиля в общем случае движения по деформируемому грунту, в том числе криволинейном движении.

4. Разработана методика определения разрушающего воздействия колесного движителя на грунт в общем случае движения полноприводных автомобилей с учетом несовпадения колей, которая может быть использована при сравнительной оценке экологической безопасности автомобиля на стадии проектирования и в процессе испытаний. Данная методика применена при разработке экспериментального образца автомобиля 6×6 с гидрообъемным силовым приводом колес в ОАО «Инновационная Фирма «НАМИ-Сервис», а также при разработке макетных образцов с электротрансмиссией и всеколесным управлением НПЦ СМ МГТУ им. Н. Э. Баумана в НИР «Бальзамин» и «Кочегар», выполненных по Гособоронзаказу.

5. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что на величину разрушающего воздействия автомобиля на грунт влияет не только величина уплотнения грунта движителем и степень его буксования, но и суммарная ширина колеи. При криволинейном движении увеличивается площадь взаимодействия автомобиля с грунтом. Доказано, что в зависимости от расположения осей по базе автомобиля, особенности конструкции рулевого управления и способа передачи мощности к ведущим колесам, автомобиль формирует колею различной ширины и глубины, и в зависимости от радиуса поворота формирует различную величину бокового уплотнения грунта и уширения следа.

6. На основе результатов исследований с использованием показателя разрушающего воздействия автомобиля на грунт Кпчв обоснованы рациональные схемы рулевого управления, обеспечивающие снижение разрушающего воздействия движителя на грунт на стадии проектирования автомобилей. Так, теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что увеличение числа осей автомобиля с управляемыми колесами обеспечивает снижение разрушающего воздействия. Для автомобилей с колесной формулой 6×6 применение схемы РУ с управляемыми колесами передних и задних осей или всеколесное РУ, позволяет снизить разрушающее воздействие движителя на грунт при криволинейном движении автомобиля на 10.40% (в зависимости радиуса поворота). Для автомобилей с колесной формулой 8×8 с всеколесным РУ разрушающее воздействие на 10.30% ниже, чем для остальных схем РУ, рассмотренных в работе.

7. Определено оптимальное расположение осей по базе многоосного автомобиля, обеспечивающее снижение степени разрушающего воздействия движителя на грунт. Так, результаты сравнительного расчета, подтвержденные экспериментальными исследованиями, по влиянию расположения осей по базе автомобилей с колесной формулой 6×6 на величину параметра Ктв показывают, что минимальным уровнем разрушающего воздействия на грунт обладает автомобиль, сконструированный по схеме с равномерным расположением осей по базе, например, по схеме автомобиля ЗИЛ-4972 и его аналогов. Это связано с тем, что полюс поворота проходит через среднюю ось автомобиля, тем самым, обеспечивая минимальную суммарную ширину образуемой колеи. Это положение увязывается с требованиями специалистов в области сельскохозяйственной мобильной техники. Ими установлено, что, для уменьшения нарушения нормального естественного хода физических и биологических процессов в следе и прилегающей зоне, более благоприятно увеличение глубины колеи, чем разрушение, сопровождающееся увеличением ширины следа, т.к. основное разрушение почвы происходит при первом проходе колеса.

8. Результаты исследований по уровню разрушающего воздействия полноприводных автомобилей на грунт позволяют заключить', что при одинаковом радиусе поворота рассматриваемые компоновочные схемы расположения осей по базе и схемы рулевого управления по увеличению показателя Кпчв можно ранжировать следующим образом: а) для трехосных автомобилей:

— схема с равномерным расположением осей и управляемыми колесами передней и задней осей (или с всеколесным рулевым управлением);

— схема со сближенными средней и задней осями и всеколесным рулевым управлением;

— схема с управляемыми колесами передней оси и задней тележкой с неуправляемыми колесами;

— схема с управляемыми колесами сближенных передней и средней осей и задней осью с неуправляемыми колесами. б) для четырехосных автомобилей:

— схема с равномерным расположением осей и всеколесным рулевым управлением;

— схема со сближенными второй и третьей осями с неуправляемыми колесами и передней и задней осями с управляемыми колесами;

— схема с передней тележкой с управляемыми колесами и задней тележкой с неуправляемыми колесами;

— схема с разнесенными первой и второй осями с управляемыми колесами и задней тележкой с неуправляемыми колесами;

— схема с передней осью с управляемыми колесами и задней тележкой с неуправляемыми колесами.

9. Применение регулируемого силового привода колес автомобиля по сравнению с дифференциальным и блокированным позволяет снизить буксование движителя при повороте автомобиля, уменьшая при этом разрушающее воздействие автомобиля на грунт на 14−25% (в зависимости от радиуса поворота).

10.Экспериментальные исследования показали, что со снижением давления воздуха в шинах величина показателя Ктв автомобиля уменьшается. Например, при снижении давления воздуха в шинах с номинального до 0,05МПа величина показателя Ктв снизилась на 6 — 32% (в зависимости от радиуса поворота). С уменьшением радиуса поворота влияние величины давления воздуха в шинах на величину показателя Кпчв заметно падает. Величину Кте в этом случае в основном формирует боковое уширение колеи, т. е. радиус поворота и схема рулевого управления.

11.По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оценки изменения параметров грунта по колее в условиях частичного несовпадения колес многоосного автомобиля в процессе испытаний, которая положена в основу руководящего документа РД-37.083−003−2005 «Определение параметров грунта и их изменения по проходам при проведении испытаний колесной машины на деформируемом грунте».