Для подбора шин и определения по их размерам радиусов качения колеса необходимо знать распределение нагрузки по мостам.

У легковых автомобилей распределение нагрузки от полной массы по мостам зависит в основном от компоновки. При классической компоновке на задний мост приходится 52…55% нагрузки от полной массы, для переднеприводных автомобилей 48%.

Радиус качения колеса r к выбирается в зависимости от нагрузки на одно колесо. Наибольшая нагрузка на колесо определяется положением центра масс автомобиля, которое устанавливается по предварительному эскизу или прототипу автомобиля.

Следовательно, нагрузку на каждое колесо передней и задней оси автомобиля соответственно можно определить по формулам:

P 1 = G 1 / 2, (6)

P 2 = G 2 / 2. (7)

где G 1 , G 2 - нагрузки от полной массы на переднюю и заднюю ось автомобиля соответственно.

Расстояние от передней оси до центра масс найдем по формуле:

a=G 2 *L/G a , (8)

где G a – модуль сил тяжести автомобиля (Н);

L – база автомобиля.

Расстояние от центра масс до задней оси

Выбираем шины исходя из нагрузки на каждое колесо по Таблице 1.

Таблица 1 – Шины автомобилей

Обозначение шины	Обозначение шины
155-13/6,45-13		240-508 (8,15-20)
165-13/6,45-13		260-508P (9,00P-20)
5,90-13		280-508 (10,00-20)
155/80 R13		300-508 (11,00R-20)
155/82 R13		320-508 (12,00-20)
175/70 R13		370-508 (14,00-20)
175-13/6,95-13		430-610 (16,00-24)
165/80 R13		500-610 (18,00-25)
6,40-13		500-635 (18,00-25)
185-14/7,35-14		570-711 (21,00-78)
175-16/6,95-16		570-838 (21,00-33)
205/70 R14		760-838 (27,00-33)
6,50-16
8,40-15
185/80 R15
220-508P (7,50R-20)
240-508 (8,25-20)
240-381 (8,25-20)

Например: 165-13/6,45-13 с максимальной нагрузкой 4250 Н, 165 и 6,45 - ширина профиля мм и дюймах соответственно, посадочный диаметр обода 13 дюймов. По этим размерам можно определить радиус колеса, находящегося в свободном состоянии

r c = + b, (10)

где b – ширина профиля шины (мм);

d – диаметр обода шины (мм), (1 дюйм = 25,4 мм)

Радиус качения колеса r к определяется с учетом деформации, зависящей от нагрузки

r к = 0,5 * d + (1 - k) * b, (11)

где k – коэффициент радиальной деформации. Для стандартных и широкопрофильных шин k принимают 0,1…0,16.

Расчет внешней характеристики двигателя

Расчет начинается с определения мощности N ev , необходимой для обеспечения движения с заданной максимальной скоростью V max .

При установившемся движении автомобиля мощность двигателя в зависимости от дорожных условий может быть выражена следующей формулой (кВт):

N ev = V max * (G a * + K в * F * V ) / (1000 * * K p), (12)

где - коэффициент суммарного дорожного сопротивления для легковых автомобилей определяется по формуле:

0,01+5*10 -6 * V . (13)

K в – коэффициент обтекаемости, K в = 0,3 Н*с 2* м -4 ;

F – лобовая площадь автомобиля, м 2 ;

КПД трансмисии;

K p – коэффициент коррекции.

Коэффициент суммарного дорожного сопротивления для грузовых автомобилей и автопоездов

=(0,015+0,02)+6*10 -6 * V . (14)

Лобовую площадь для легковых автомобилей находим из формулы:

F A = 0,8 * B г * H г, (15)

где B г – габаритная ширина;

H г – габаритная высота.

Лобовая площадь для грузовых автомобилей

F A = B * H г, (16)

Частота вращения коленчатого вала двигателя

Частота вращения коленчатого вала двигателя n v , соответствующая максимальной скорости автомобиля, определяется из уравнения (мин -1) :

n v = Vmax * , (17)

где - коэффициент оборотистости двигателя.

У существующих легковых автомобилей коэффициент оборотистости двигателя лежит в приделах 30…35, у грузовых с карбюраторным двигателем – 35…45; у грузовых с дизельным двигателем– 30…35.

В общем случае колесо автомобиля состоит из жесткого обода, эластичных боковин и контактного отпечатка. Контактный отпечаток шины представляет собой элементы шины, контактирующие с опорной поверхностью в рассматриваемый момент времени. Его форма и размеры зависят от типа шины, нагрузки на шину, давления воздуха, деформационных свойств опорной поверхности и ее профиля.

В зависимости от соотношения деформаций колеса и опорной поверхности возможны следующие виды движения:

Эластичного колеса по недеформируемой поверхности (движение колеса по дороге с твердым покрытием);

Жесткого колеса по деформируемой поверхности (движение колеса по рыхлому снегу);

Деформируемого колеса по деформируемой поверхности (движение колеса по деформируемому грунту, рыхлому снегу с пониженным давлением воздуха).

В зависимости от траектории возможны прямолинейное и криволинейное движения. Заметим, что сопротивление криволинейному движению превышает сопротивление прямолинейному. Это особенно касается трехосных автомобилей с балансирной задней тележкой. Так, при движении трехосного автомобиля по траектории с минимальным радиусом на дороге с высоким коэффициентом сцепления остаются следы от шин, с выхлопной трубы идет черный дым, резко увеличивается расход топлива. Все это является следствием возростания сопротивления криволинейному движению в несколько раз по сравнению с прямолинейным.

Ниже нами рассмотрены радиусы эластичного колеса для частного случая- при прямолинейном движении колеса на недеформируемой опорной поверхности.

Существуют четыре радиуса автомобильного колеса:

1) свободный; 2) статический; 3) динамический; 4) радиус качения колеса.

Свободный радиус колеса - характеризует размер колеса в ненагруженном состоянии при номинальном давлении воздуха в шине. Этот радиус равен половине наружного диаметра колеса

r c = 0,5 Д н ,

где r c – свободный радиус колеса в м;

Д н – наружный диаметр колеса в м, который определяется экспериментально при отсутствии контакта колеса с дорогой и номинальном давлении воздуха в шине.

В практике этот радиус используется конструктором для определения габаритных размеров автомобиля, зазоров между колесами и кузовом автомобилем при его кинематике.

Статический радиус колеса – расстояние от опорной поверхности до оси вращения колеса на месте. Определяется экспериментально или рассчитывается по формуле

r cт = 0,5 d + l z H,

где r cт – статический радиус колеса в м;

d – посадочный диаметр обода колеса в м;

l z - коэффициент вертикальной деформации шины. Принимается для тороидных шин l z =0,85…0,87; для шин регулируемого давления l z =0,8…0,85;

Н – высота профиля шины в м.

Динамический радиус колеса r d – расстояние от опорной поверхности до оси вращения колеса во время движения. При движении колеса по твердой опорной поверхности с малой скоростью в ведомом режиме принимается

r cт » r d .

Радиус качения колеса r к – путь, проходимый центром колеса, при его повороте на один радиан. Определяется по формуле

r к = ,

где S – путь, проходимый колесом за один оборот в м.;

2p - число радиан в одном обороте.

При качении колеса на него могут действовать крутящий М кр и тормозной М т моменты. При этом крутящий момент уменьшает радиус качения, а тормозной – увеличивает.

При движении колеса юзом, когда имеется путь и отсутствует вращение колеса, радиус качения стремится к бесконечности. Если происходит буксование на месте, тогда радиус качения равен нулю. Следовательно, радиус качения колеса изменяется от нуля до бесконечности.

Экспериментальная зависимость радиуса качения от приложенных моментов представлена на рис.3.1. На графике выделим пять характерных точек: 1,2,3,4,5.

Точка 1 – соответствует движению колеса юзом при приложении тормозного момента. Радиус качения в этой точке стремится к бесконечности. Точка 5- соответствует буксованию колеса на месте при приложении крутящего момента. Радиус качения в этой точке приближается к нулю.

Участок 2-3-4 – условно ли-нейный, а точка 3 соответствует радиусу r ко при качении колеса в ведомом режиме.

Рис.3.1.Зависимость r к = f (M).

Радиус качения колеса на этом линейном участке определяется по формуле

r к = r ко ± l т M,

где l т – коэффициент тангенциальной эластичности шины;

M - приложенный к колесу момент в Н.м.

Знак « + » брать, если к колесу приложен тормозной момент, а знак « - » - если крутящий.

На участках 1-2 и 4-5 не существует зависимостей для определения радиуса качения колеса.

Для удобства изложения материала в дальнейшем введем понятие «радиус колеса» r к , имея ввиду следующее: если определяются параметры кинематики автомобиля (путь, скорость, ускорение), то под радиусом колеса понимается радиус качения колеса; если определяются параметры динамики (сила, момент), то под этим радиусом понимается динамический радиус колеса r d . С учетом принятого в дальнейшем динамический радиус и радиус качения будет обозначаться r к ,

П Е Т Р О З А В О Д С К И Й

Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т

ЛЕСОИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Тяговые машины»

ЛЕСНЫЕ МАШИНЫ

(Конспект лекций. Часть 2)

Данный конспект лекций не претендует на полноту излагаемого материала, поэтому для полного изучения отдельных вопросов необходимо использовать рекомендуемую литературу (подробно каждый вопрос рассматривается в процесе аудиторных занятий).

В конспекте изложены назначение и место лесных (мобильных) машин в лесозаготовитель ном производстве, общая и тяговая динамика колесных и гусеничных машин (тяговый баланс автомобилей и тракторов, тягово – скоростные характеристики и мощностной баланс, проходимость, устойчивость и общая динамика лесных машин.). Рассмотрены типы трансмиссий, их устройство и принцип действия (достоинства и недостатки), требования, предъявляемые к ним; рассмотрены элементы схем механических и гидравлических трансмиссий (сцепления, коробки передач, раздаточные коробки, карданные и главные передачи, дифференциал и его кинематика и статика, механизмы поворота гусеничных машин, основы теории поворота гусеничных (трелевочных) машин, определение основных параметров поворота и тормозных систем, элементы рулевого управления, установка управляемых колес и др., схемы гидромуфты и гидротрансформатора, их характеристики).

В заключение приведены краткие сведения о ходовых системах колесных машин, подвесках колесных и гусеничных машин.

Конспект может быть использован при изучении следующих дисциплин:

«Теория и конструкция колесных и гусеничных машин»,

«Трансмиссии мобильных машин»,

«Трансмиссии и механизмы управления лесных машин»,

«Лесотранспортные машины»,

«Лесозаготовительные машины»

и может быть полезен студентам и аспирантам, занимающимся тяговыми расчетами колесных и гусеничных машин при курсовом и дипломном проектировании, исследованием тягово – сцепных качеств, основ теории поворота и др. лесных и машин общего назначения.

Конспект разработан профессором кафедры «Тяговые машины»

М. И. Куликовым

ВВЕДЕНИЕ

Ведущее место в механизации лесопромышленных работ все большее и большее место занимают лесные машины. Лесные машины – машины применяемые в лесной промышленности для транспортировки леса, которая включает подвозку (трелевку) и вывозку леса (колесные и гусеничные тракторы, лесовозные автомобили и др.). Базой для большинства лесных машин служат автомобили и тракторы общего назначения (ЗИЛ, МАЗ,Урал, КамАЗ, КРАЗ, Т-130, МТЗ-82, и др.). К лесным машинам предъявляется ряд требований, основными из которых являются:

1.Соответствие конструкции машины условиям эксплуатации и обеспечение высокопроизводительной работы.

2.Высокие тягово-динамические качества, высокая проходимость, хорошее сцепление движителя с грунтом, высокая маневренность, хорошая приспособляемость для эксплуатации в различных климатических условиях и др.

3.Перспективность конструкции, дающая возможность длительное время модернизировать первоначальную базовую модель.

4.Высокая надежность и износостойкость деталей, узлов и агрегатов, их унификация.

5.Высокая экономичность – минимальные затраты на ГСМ, запчасти, техобслуживание и проч.

Кроме того, к лесовозным автомобилям предъявляются дополнительные требования: увеличение рейсовой нагрузки, повышение скорости движения и улучшение проходимости.

Выполнение этих требований обычно достигается увеличением мощности двигателя, приходящейся на тонну массы автопоезда и увеличением его общей грузоподъемности. Из года в год возрастают мощности автомобильных двигателей и грузоподъемность автопоездов(ЗИЛ-131-110 кВт-12.0 т; МАЗ-509-132 кВт-17.0 т; КРАЗ-255 – 176 кВт-23.0 т; КРАЗ-260-220 кВт-29,0 т).

Совершенствование трансмиссии и ходовых систем играют ведущую роль в увеличении средней скорости движения автомобиля и повышения его проходимости. Трелевка леса производится специальными тракторами – трелевочными, транспортирующими древесину в полупогруженном положении. В последние годы ведется интенсивная разработка новых конструкций специальных машин.

Впервые трелевочные тракторы были созданы в СССР – 1946 г.В основном на лесосечных работах применяются гусеничные машины, имеющие лучшую проходимость, чем колесные (большинство лесозаготовок производится в районах с малой несущей способностью грунтов). Однако, достоинства колесного движителя – высокие скорости движения, плавность хода и др. заставили конструкторов пойти по пути разработки новых колесных машин с повышенной проходимостью (ТЛК-4, ТЛК-6, ШЛК и др.).

Повышение производительности и тягово-сцепных качеств гусеничных тракторов достигается увеличением грузоподъемности и мощности двигателей.

ПЕРЕДАЧА КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ ВЕДУЩИМ

КОЛЕСАМ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ. КПД ТРАНСМИССИИ

На современных автомобилях и тракторах, как зарубежных, так и отечественных, применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в развитии которых установилась тенденция к увеличению их быстроходности. Это приводит к их компактности и малому весу. Однако, с другой стороны это приводит к тому, что крутящий момент на валу этих двигателей значительно меньше момента, который должен быть подведен к ведущим колесам машины, несмотря на сравнительно большую мощность этих двигателей. Следовательно, для получения на ведущих колесах необходимого для движения крутящего момента нужно в систему – "двигатель – ведущие колеса", ввести дополни тельное устройство, обеспечивающее не только передачу момента двигателя, но и его увеличение. Роль этого устройства на современных автомобилях и тракторах выполняет трансмиссия. В трансмиссию входит целый ряд механизмов: сцепление, коробка передач, карданная, главная, конечная (бор товая) передачи, механизмы поворота, и дополнительные редукторы (раздаточные коробки), устанавливающие постоянное передаточное число. Момент от двигателя передается коробке передач посредством муфт сцепления. На современных машинах основное распространение получили фрикционные муфты сцепления. Отношение момента трения муфты М м к номинальному моменту двигателя Ме называется коэффициентом запаса муфты сцепления β:

β=М м / М е (1)

Величина этого коэффициента изменяется в широком диапазоне (1.5 - 3.8) для грузовых автомобилей и тракторов и выбирается из условий величины работы трения при буксовании в период разгона тракторного агрегата, а также предохранения от поломок деталей двигателя и трансмиссии при возможных перегрузках.

При выборе коэффициента β учитывают также возможное изменение коэффициента трения дисков муфты, уменьшение силы давления пружин из-за износа поверхностей трения и др. От муфты сцепления крутящий момент через коробку передач и другие элементы трансмиссии передается ведущим колесам. При отсутствии буксования между ведущими и ведомыми дисками муфты сцепления (δ сцеп =0) передаточное число трансмиссии в общем виде определится: i тр =ω е /ω к = n е /n к, (2)

где ω е и n е – соответственно угловая скорость и частота вращения коленчатого вала двигателя;

ω к и n к - соответственно угловая скорость и частота вращения ведущих колес.

Равенство (2) можно представить в виде:

i тр =i к ∙i рк ∙i гл ∙ii кп = i к ∙i рк ∙i о, (2΄)

где i к – передаточное число коробки передач;

i рк – передаточное число раздаточной коробки;

i гл – передаточное число главной (центральной) передачи;

i - передаточное число механизма поворота;

i кп – передаточное число конечной (бортовой) передачи;

i о –постоянное передаточное число осуществленное в главной, механизме поворота, и конечной передачах, а также в других редукторах трансмиссии.

Крутящий момент на ведущих колесах машины определяется:

М к =М е ∙i тр ∙η тр, (3)

η тр – КПД трансмиссии, который определяется из соотношения:

η тр =N к /N e =(N e - N тр)/N e =1-(N тр / N e) , (4)

где N к – мощность, подводимая к ведущим колесам;

N тр – мощность, теряемая в трансмиссии.

КПД трансмиссии η тр учитывает механические потери, которые имеют место в подшипниках, зубчатых сопряжениях коробки передач, центральной и конечной передачах и потери при взбалтывании масла. КПД трансмиссии обычно определяется экспериментально. Он зависит от типа конструкции трансмиссии, качества изготовления и ее сборки, от степени загрузки, вязкости масла и т.д. КПД современных автомобильных и тракторных трансмиссий при номинальном режиме работы находится в пределах 0.8..0.93 и зависит от числа пар шестерен включенных последовательно η кп =0.97..0.98; η ц.п. =0.975..0.990.

В соответствии с этим величина η тр приближенно может подсчитываться:

η тр = η ц.п. ∙η кп (4΄)

Без учета потерь при холостом ходе:

η хол =1-М хол / М е, (5)

где М хол – приведенный к первичному валу трансмиссии момент сопротивления, возникаю щий при холостом прокручивании трансмиссии.

m ц, m к - число пар соответственно цилиндрических и конических шестерен.

Радиусы качения колеса

Автомобиль (трактор) движется в результате действия на него различных сил, которые делятся на движущие силы и силы сопротивления движению. Основной движущей силой является тяговая сила, приложенная к ведущим колесам. Тяговая сила возникает в результате работы двигателя и вызвана взаимодействием ведущих колес с дорогой. Тяговую силу P к определяют как отношение крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес при равномерном движении автомобиля. Следовательно, для определения тяговой силы необходимо знать величину радиуса ведущего колеса. Поскольку на колеса автомобиля устанавливаются эластичные пневматические шины, то величина радиуса колеса во время движения изменяется. В связи с этим различают следующие радиусы колес:

1.Номинальный – радиус колеса в свободном состоянии: r н =d/2+H, (6)

где d – диаметр обода (посадочный диаметр шины), м;

H – полная высота профиля шины, м.

2.Статический r с – расстояние от поверхности дороги до оси нагруженного неподвижного колеса.

r с =(d/2+H)∙λ , (7)

где λ–коэффициент радиальной деформации шины.

3.Динамический r д –расстояние от поверхности дороги до оси катящегося нагру женного колеса. Этот радиус увеличивается с уменьшением воспринимаемой нагрузки колесом G к и увеличением внутреннего давления воздуха в шине p ш.

При увеличении скорости автомобиля под действием центробежных сил шина растягивается в радиальном направлении, вследствие чего радиус r д увеличивается. При качении колеса изменяется и деформация поверхности качения в сравнении с неподвижным колесом. Поэтому плечо приложения равнодействующих касательных реакций дороги r д отличается от r с. Однако, как показали эксперименты, для практических тяговых расчетов можно принимать r с ~ r д.

Кинематический радиус (качения) колеса r к – радиус такого условного недеформирующегося кольца, которое имеет с данным эластичным колесом одинаковую угловую и линейную скорости.

У колеса, катящегося под действием крутящего момента, элементы протектора, входящие в контакт с дорогой, сжаты, и колесо при равных частотах вращения проходит меньший путь, чем во время свободного качения; у колеса же, нагруженного тормозным моментом элементы протектора, входящие в контакт с дорогой, растянуты. Поэтому тормозное колесо проходит при равных числах оборотов несколько больший путь, чем свободно катящееся колесо. Таким образом, под действием крутящего момента радиус r к – уменьшается, а под действием тормозного момента – увеличивается. Для определения величины r к методом “меловых отпечатков” на дороге мелом или краской наносят поперечную линию, на которую накатывается колесо автомобиля, а затем оставляет на дороге отпечатки.

Замерив расстояние l между крайними отпечатками, определяют радиус качения по формуле: r к = l / 2π∙n , (8)

где n – частота вращения колеса, соответствующая расстоянию l .

В случае полного буксования колеса расстояние l = 0 и радиус r к = 0. Во время скольжения не вращающихся колес (“ЮЗ”) частота вращения n=0 и r к
.

Некоторые вещи нудно звучат и трудно запоминаются, но знать их нужно. Особенно автолюбителям. Особенно считающим себя специалистами и имеющим по любому поводу собственное мнение. Дьявол кроется в мелочах, и как раз об одной такой мелочи эта статья.

Не бывает у шины радиуса

Многие сейчас даже не поймут, к чему я клоню. «Ну, радиус, и что? У меня вот колеса 195-65R15, радиус 15, все ж написано, че ты умничаешь?!» Вот то, что умничаю. R15 к радиусу никакого отношения не имеет. Ни R, ни 15.

Сейчас в интернете можно найти массу информации, только такие мелочи, как маркировка автомобильных покрышек, не относятся к самым востребованным. Мы лучше пообсуждаем мощность двигателя или количество «плюшек» в салоне, да? А выбор колес оставим менеджеру в магазине. Ну или у друга спросим. Он-то точно в курсе! У него уже третья машина!

На самом деле, разбираться в этих скучных цифрах не помешает даже просто для общего развития. Тем более, что это и сэкономить поможет, и на поведение машины повлиять, но об этом позже. Пока что - чистый ликбез, дабы потом можно было хорошо понимать друг друга.

Итак, 195/65R15. Классический случай. Присядем на корточки возле своего автомобиля. Первая цифра - это ширина беговой части покрышки, грубо говоря, ширина протектора. Выражается в миллиметрах. То есть 195 мм. - это ширина вашего колеса. С пониманием этой цифры у большинства проблем нет.

Через дробь 65 - это величина профиля. Выражается в процентах от ширины. Не в миллиметрах! Профиль - это часть покрышки, «торчащая над диском». Боковина. То есть, высота этой боковины будет 195х65%=125,75 мм. А не 65 мм. И не что-то еще. Более того, из этой схемы однозначно следует, что высота 65% при ширине 195 будет одна, а если покрышка с маркировкой (условно) 225/65R15 - уже совсем другая! 225х65%=146,25 мм. Хотя цифры 65 - одинаковые!

R - это радиальная конструкция шины, а точнее, способ укладки металлического корда внутри нее. Когда-то конструкция шины предполагала диагональную укладку, но это было давно. Сейчас «диагональных» шин уже почти не встретишь, все сплошь радиальные, и буква R никому ничего нового не сообщит, только споры о пресловутом радиусе вызовет…

Ну и, наконец, цифра 15. Это диаметр. Диаметр посадочной части покрышки, внутренний диаметр, та часть, которая с диском соприкасается. Выражается в дюймах. 1 дюйм = 2,54 см. То есть 15х2,54=38,1 см Это еще и наружный диаметр диска, если кто не догадался…

Какие шины можно ставить, а какие нельзя?

А дальше начинается самое интересное. Мы можем играть этими цифрами, если хотим поставить на машину другие шины (диски). В идеале, главное - чтобы общий диаметр не отличался, либо отличался незначительно. Пример.

Колесо 195/65R15 имеет вот такой общий диаметр: 38,1 см - внутри, плюс 125,75 мм х2 = 251,5 мм (профиль же и сверху, и снизу есть). Переведем в сантиметры для простоты, получится 38,1 см+25,15 см=63,25 см. Вот как! Это и есть диаметр колеса в сумме.

Теперь при желании поставить другие колеса владелец автомобиля должен понимать следующее: эту цифру автопроизводители понимают так же, как и мы. Учитывая диаметр колеса, проектируется подвеска, тормозная система и кузов. Поэтому для одной и той же модели автомобиля (например, для Фольксваген Поло седан) официально допустимы три размерности колес. Самая простая версия довольствуется 175/70R14 (общий диаметр 60,06 см), 185/60R15 (60,3 см) и 195/55R15 (59,55 см).

Получается, что «колесо на 14» БОЛЬШЕ, пусть и незначительно, чем колесо на 15 в случае 195/55. Это к вопросу, затронутому выше, о том, чтоб на зиму колеса побольше поставить... Нужно все внимательно посчитать. Будет ли большая цифра диаметра означать и больший размер колеса в целом? Далеко не всегда.