Experimental definition of lateral stiffness of a pneumatic wheel of the MTZ-82 “Belarus” tractor

Vyacheslav V. Novikov; Новиков Вячеслав Владимирович; Alexey V. Pozdeev; Поздеев Алексей Владимирович; Vitaly V. Erontaev; Еронтаев Виталий Викторович; Dmitry A. Chumakov; Чумаков Дмитрий Андреевич; Nikolay M. Kolesov; Колесов Николай Михайлович; Nikolay V. Timoshin; Тимошин Николай Валерьевич; Timofey A. Kagochkin; Кагочкин Тимофей Александрович

doi:10.17816/0321-4443-280225

Experimental definition of lateral stiffness of a pneumatic wheel of the MTZ-82 “Belarus” tractor

Authors: Novikov V.V.¹, Pozdeev A.V.¹, Erontaev V.V.¹, Chumakov D.A.¹, Kolesov N.M.¹, Timoshin N.V.¹, Kagochkin T.A.¹
Affiliations:
1. Volgograd State Technical University
Issue: Vol 90, No 2 (2023)
Pages: 123-132
Section: Theory, designing, testing
URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/280225
DOI: https://doi.org/10.17816/0321-4443-280225
ID: 280225

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription or Fee Access

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

BACKGROUND: Due to the excessive vertical and angular vibrations of suspensionless vehicles used in agriculture and road construction that occur during movement, the velocity of their motion is limited, which, in the conditions of a constant traffic flow, reduces the road capacity. Therefore, the search for ways to improve the vibration-isolating properties of wheeled suspensionless vehicles is a relevant issue, the solution of which affects not only on traffic safety and driving comfort, but also on average speed and fuel efficiency.

AIMS: To determine the lateral stiffness of the pneumatic wheel from the rear axle of the MTZ-82 “Belarus” tractor at different tire pressures, basing on bench tests.

METHODS: On the basis of the hydraulic pulsation test rig of the Automatic Units department of the VolgGTU, a special-purpose movable supporting and measuring device was developed and assembled, the feature of which is that 4 rollers with flanges are installed on top of the hydraulic actuator force sensor, a flat rectangular base plate is supported on these rollers and connected with a vertical frame of the rig through a force-measuring device by means of a screw mechanism. The tested wheel is mounted on the base plate, the wheel’s axle is fixed on a vertically-moving traverse, on top of which weights creating the necessary vertical force are fixed. The test procedure consisted in measuring the lateral force and lateral displacement of the base plate until the tire slip occurred at the following tire pressures: at the recommended pressure of 0.16 MPa and at reduced pressures of 0.12, 0.08 and 0.04 MPa.

RESULTS: Based on the test results, the elastic characteristic curves of the lateral stiffness of the tested wheel were obtained. These characteristic curves have a regressive form, as their slope significantly decreases with a significant reduce in tire pressure. Thus, when the tire pressure is reduced from 0.16 to 0.12 MPa, there is practically no difference in the obtained values of lateral stiffness, which reaches 112.5 kN/m. After a 2-fold tire pressure reduction, the lateral stiffness decreases by 7%, and after a 4-fold reduction, by 28%. At the same time, the static tire deflection increases from 22 to 32 mm, which significantly increases the contact patch of the tire with the ground.

CONCLUSIONS: By means of the tests carried out, it is established that tire pressure reduction by 25–50% of the recommended value does not have a significant effect on the loss of lateral stiffness of the pneumatic wheel of the rear axle of the MTZ-82 “Belarus” tractor, which is important to use in order to increase traction and improve ride comfort of wheeled tractors.

Keywords

pneumatic wheel, lateral stiffness, static tire deflection, movable supporting and measuring device, bench tests

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, в сельском хозяйстве и дорожном строительстве применяется большое количество колесных тракторов, комбайнов и дорожно-строительных машин, не имеющих системы подрессоривания их остова. В результате чего, основным элементом, сглаживающим неровности дороги и существенно влияющим на колебания данного класса техники, являются пневматические колеса, которые обеспечивают необходимую опорную проходимость и требуемые тягово-сцепные свойства машины. При этом производители шин в зависимости от выполнения тех или иных технологических и транспортных работ, рекомендуют оптимальное давление в шинах, не обращая внимания на виброзащитные свойства колес, что при транспортных работах приводит к возникновению чрезмерных вертикальных и угловых колебаний машин, вследствие чего, водители вынуждены ограничивать скорости движения.

Согласно паспорту [1] скорость движения трактора МТЗ-82 «БЕЛАРУС» при выполнении сельскохозяйственных работ варьируется в диапазоне от наименьшей рабочей – 1,94…2,09 км/ч до наибольшей рабочей – 15,0…15,6 км/ч (в зависимости от модификации модели). Соответственно, при таких скоростях не возникнет больших ускорений кузова, приводящих к дискомфорту оператора машины. Однако, транспортная скорость указанного трактора [1] составляет 34,3…36,9 км/ч, при этом, отсутствие подвески существенно сказывается на ускорениях кабины трактора и кресла оператора при наезде на неровности дорожного полотна. В работах [2–6] приведены оценки виброускорений кабин оператора тракторов и зерноуборочных комбайнов. Исследуемые образцы техники способны развивать скорость до 40–50 км/ч, однако из-за существенных виброускорений, возникающих при движении, скорости передвижения ограничены, что в условиях постоянного потока автотранспорта снижает пропускную способность автодорог. Поэтому, поиск путей повышения виброзащитных свойств колесных бесподвесочных машин является актуальной задачей, от решения которой зависит не только безопасность движения и комфорт управления, но и средняя скорость движения, а также топливная экономичность.

В связи с этим, постоянно ведутся работы по совершенствованию колес с целью придания им повышенных демпфирующих свойств и снижения их радиальной жесткости [7–17]. Однако, последнее может привести к существенному уменьшению их боковой жесткости, что может повлиять на безопасность движения. Для исследования боковой жесткости шин требуется специальное стендовое оборудование.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью работы является экспериментальное определение упругих характеристик шины при боковом уводе, боковой жесткости, максимального бокового увода шины до начала ее проскальзывания и статического прогиба пневматического колеса от задней оси трактора МТЗ-82 «БЕЛАРУС» при разных избыточных давлениях в шине 400-965/15.5-38.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Перед началом работ по проектированию экспериментальной установки были проанализированы существующие аналоги. Так, например, в работе [18] приводится обзор стендов для испытания шин. В частности, известна установка для определения боковой жесткости пневматической шины, в основе которой заложен принцип смещения опорной поверхности шины перпендикулярно плоскости вращения пневматического колеса для создания боковой силы. В конструкции установки для воздействия по нормали к колесу применяется трос, перекинутый через блок, на одном конце троса закреплен груз массой М, другим концом трос крепится к опорной плите колеса, имеющей опорные ролики, опирающиеся, например, на твердое покрытие дороги. В результате чего, боковая нагрузка осуществляется под действием силы тяжести груза. Однако, при смещении опорной плиты происходит перераспределение вертикальных реакций опорных роликов относительно вертикальной плоскости колеса, что может повлиять на точность получаемых результатов.

Известна установка для определения коэффициента сопротивления бокового увода колеса (зависимость боковой силы от угла увода колеса) при его качении [19]. В данной установке боковая нагрузка возникает в результате поворота колеса на заданный угол относительно плоскости беговой дорожки, которая и придает колесу вращение. Боковую силу измеряют с помощью тензодатчиков, наклеенных на рычагах механизма нагружения и крепления диска колеса к раме стенда. Однако, данная установка не позволяет определять боковую жёсткость шины.

Существует динамометрический диск, позволяющий с высокой точностью определять продольные и поперечные силы и моменты, действующие на колесо. Тем не менее, данный диск не предназначен для испытания разных диаметров колес и имеет очень высокую стоимость [20].

В работах [21, 22] описываемые стенды имеют схожие конструкции. В работе [22] исследуются сцепные свойства колеса, которое устанавливается на тензометрическую площадку и нагружается продольными и поперечными силами с помощью специальных приводов. В работе [21] приводится оценка жесткостных и поглощающих свойств пневматических шин при комплексном нагружении нормальной и боковой силами колеса, установленного на динамометрическую плиту. Указанные варианты стендов хоть и позволяют получать данные с высокой степенью точности, вместе с тем, не предназначены для исследования колес больших диаметров. В работе [23] представлен способ определения боковой деформации шины путем нагружения трактора МТЗ-80 боковым усилием, при этом, влияние на деформацию шины упругих свойств второго колеса исключалось путем установки под него платформы с опорами качения.

На кафедре «Автоматические установки» ВолгГТУ имеется стенд-гидропульсатор, разработанный индийской фирмой BISS [24]. Устройство стенда (рис. 1) представляет собой основание 1, на котором установлена вертикальная станина 2 c закрепленными на ней рельсовыми направляющими 3. Имитация подрессоренной массы осуществляется с помощью подвижной плиты 4 и закрепленной на ней траверсой 5 с грузами. Под силовым воздействием гидропульсатора 6 плита 4 с помощью линейных роликовых подшипниковых опор имеет возможность перемещаться вдоль направляющих 3 в вертикальной плоскости. С помощью троса 7, связанного с лебедкой, подвижная плита 4 устанавливается на необходимую высоту в зависимости от размеров испытуемых элементов.

Рис. 1. Общий вид стенда-гидропульсатора: 1 – основание; 2 – вертикальная станина; 3 – рельсовые направляющие; 4 – подвижная плита; 5 – траверса с грузами; 6 – гидропульсатор; 7 – трос лебедки.

Fig. 1. Main view on the hydraulic pulsation test rig: 1 – a base; 2 – a vertical supporting structure; 3 – rail guides; 4 – a movable flat base; 5 – a traverse with weights; 6 – a hydraulic pulsating actuator; 7 – a winding rope.

На этом стенде можно проводить статические и динамические испытания как отдельных элементов подвески (амортизаторов, рессор и т.д.) или колес автотранспортных средств различных диаметров, так и блока подвески вместе с колесом, но без его качения.

С целью возможности проведения стендовых испытаний пневматических колес при их качении по неровностям дороги с учетом задания бокового увода шины в ВолгГТУ разработано несколько вариантов модернизации данного стенда с разными конструкциями толкателя [25–30]. Для измерения боковой силы во всех конструкциях предлагается устанавливать горизонтальный датчик силы на ось ролика, фиксирующего поперечное смещение гусеничного обвода, по которому катится испытуемое колесо с боковым уводом. Однако, точность такого измерения из-за высокой поперечной жёсткости гусеничного обвода будет невысокой.

Для устранения этого недостатка авторами статьи была разработана универсальная установка (рис. 2), которая на базе стенда-гидропульсатора позволяет определять боковую жёсткость пневматических шин больших диаметров с высокой точностью.

Рис. 2. Универсальная установка для измерения боковой жёсткости шины колеса: a – модель установки; b – макет опытной установки; 1 – рама установки; 2 – ролики с ребордами; 3 – опорная плита; 4 – образцовый динамометр Токаря; 5 – винт; 6 – упорная планка; 7 – натяжная гайка.

Fig. 2. The universal unit for lateral tire stiffness measuring: a – the CAD-model of the unit; b – the unit prototype; 1 – a unit’s frame; 2 – rollers with flanges; 3 – a base plate; 4 – a Tokar reference dynamometer; 5 – a screw; 6 – a retaining bar; 7 – a tension nut.

Установка представляет собой раму 1, по краям которой на подшипниках установлены четыре ролика 2, между ребордами которых сверху установлена опорная плита 3. Рама 1 своей средней частью крепится к торцу штока гидропульсатора, а опорная плита соединяется через образцовый динамометр системы Токаря 4, винт 5, упорную планку 6 и натяжную гайку 7 с вертикальной станиной стенда-гидропульсатора, с помощью которого и проводились представленные ниже результаты испытаний пневматического колеса на боковую жёсткость.

Общий вид стенда в начальном и конечном положениях испытуемого колеса 1 и датчик силы 5 для измерения боковой силы показан на рис. 3 и 4, соответственно.

Рис. 3. Экспериментальная установка для исследования боковой жёсткости пневматического колеса: а и b – начальное и конечное положения шины испытуемого колеса 1; 2 – опорная плита; 3 – подвижная плита с грузами; 4 – крепление колеса; 5 и 6 – датчики сил горизонтального и вертикального нагружения; Δ – величина бокового увода шины колеса.

Fig. 3. The experimental unit for research of pneumatic wheel lateral stiffness: a and b – initial and final positions of tire of the tested wheel 1; 2 – a base plate; 3 – a movable plate with weights; 4 – wheel mounting; 5, 6 – lateral and vertical force sensors; Δ – value of tire lateral slip.

Рис. 4. Установка на стенд-гидропульсатор датчика боковой силы (вид сверху): 1 – крепление к вертикальной станине; 2 – крепление к опорной плите; 3 – динамометр Токаря.

Fig. 4. Lateral force sensor setup at the hydraulic pulsation rig (top view): 1 – mounting to the vertical supporting structure; 2 – mounting to the base plate; 3 – a Tokar dynamometer.

Методика предварительной подготовки и проведения исследования боковой жесткости пневматического колеса трактора МТЗ-82 «БЕЛАРУС» заключается в следующем:

Установка для исследования боковой жёсткости монтируется на датчик силы 6 (рис. 3), который закреплен на верхнем торце штока гидропульсатора 6, установленного на основании 1 стенда-гидропульсатора по вертикальной оси испытуемого колеса (см. рис. 2 и 3).
Испытуемое колесо 1 устанавливается на креплении 4, жестко связанном с подвижной плитой 3, которая соединена с расположенными на траверсе грузами, имитирующими подрессоренную массу. При этом, плита 3 опирается снизу на упоры, закрепленные на вертикальных направляющих стенда на необходимой высоте (см. рис. 3).
Шток гидропульсатора 6 поднимается вверх до касания испытуемой шиной 1 опорной плиты 2 и полного ее нагружения весом колеса 1, подвижной плиты 4 и траверсы 5 с грузами (см. рис. 3).
Шина 1 накачивается воздухом до необходимого избыточного давления с помощью компрессора. При этом фиксируется ее статический прогиб.
Между опорной плитой 2 (см. рис. 3) и вертикальной станиной 2 (см. рис. 2) стенда устанавливается образцовый динамометр 5 системы Токаря (см. рис. 3). При этом с помощью винта 5, упорной планки 6 и натяжной гайки 7 (см. рис. 2) задается небольшой предварительный натяг, обеспечивающий выбор зазоров в элементах крепления динамометра 3 (см. рис. 4).
Далее с помощью поворотов натяжной гайки 7 (см. рис. 2) осуществляется горизонтальное перемещение опорной плиты 2 (см. рис. 3) на опорных роликах 2 (см. рис. 2) поперек плоскости колеса. При этом по микрометру динамометра Токаря (см. рис. 4) фиксируется боковая сила, а по числу полных оборотов натяжной гайки 7 – перемещение опорной плиты.
При испытаниях замеры боковой силы осуществлялись через каждые 5 полных оборотов гайки, что при шаге резьбы 1,5 мм соответствовало горизонтальному перемещению опорной плиты на 7,5 мм. Перемещение опорной плиты осуществлялось до момента начала проскальзывания шины по опорной плите. Испытания проводились при избыточных давлениях воздуха в шине, равных 0,16, 0,12, 0,08 и 0,04 МПа. Для повышения точности испытания при одинаковых параметрах повторялись 4 раза и потом регистрировались средние значения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам испытаний построены графики зависимостей боковой силы от бокового увода (рис. 5), максимального бокового увода до начала проскальзывания (рис. 6) и статического прогиба под нагрузкой 6 кН при разных избыточных давлениях воздуха в шине (рис. 7).

Рис. 5. Зависимость боковой силы от бокового увода шины 400-965/15.5-38 колеса МТЗ-82 при разных избыточных давлениях: 1 – 0,04 МПа; 2 – 0,08 МПа; 3 – 0,12 МПа; 4 – 0,16 Мпа.

Fig. 5. Lateral force depending on lateral slip of the 400-965/15.5-38 tire of the MTZ-82’s wheel at various tire pressure: 1 – 0.04 MPa; 2 – 0.08 MPa; 3 – 0.12 MPa; 4 – 0.16 MPa.

Рис. 6. Зависимость максимального бокового увода шины 400-965/15.5-38 до начала ее проскальзывания под вертикальной нагрузкой 6 кН от внутреннего избыточного давления воздуха.

Fig. 6. Maximal lateral slip of the 400-965/15.5-38 tire before losing grip under the vertical load of 6 kN depending on tire pressure.

Рис. 7. Зависимость статического прогиба шины 400-965/15.5-38 под вертикальной нагрузкой 6 кН от внутреннего избыточного давления воздуха.

Fig. 7. Static deflection of the 400-965/15.5-38 tire under the vertical load of 6 kN depending on tire pressure.

Из рис. 5 видно, что упругие характеристики при боковом нагружении колеса имеют регрессивный вид и их наклон при значительном снижении избыточного давления заметно уменьшается. При этом установлено, что при снижении избыточного давления воздуха в шине с 0,16 до 0,12 МПа разницы в полученных значениях боковой жёсткости практически не наблюдается, и она достигает 112,5 кН/м. При снижении избыточного давления в 2 раза боковая жёсткость шины уменьшается на 7%, а при снижении в 4 раза – на 28%.

Из рис. 6 видно, что при снижении избыточного давления воздуха с 0,16 до 0,04 МПа максимальный боковой увод шины до начала ее проскальзывания по опорной поверхности увеличивается от 22 до 32 мм, т.е. на 45%.

Из рис. 7 видно, что при снижении избыточного давления воздуха в шине в 4 раза ее статический прогиб увеличивается с 28 до 60 мм, что приводит к существенному увеличению площади пятна контакта шины с опорной поверхностью.

ВЫВОДЫ

Разработана универсальная установка для определения боковой жесткости пневматических шин большого номенклатурного ряда, особенностью которой является то, что сверху штока гидропульсатора установлены 4 ролика с ребордами, на которые опирается опорная плита прямоугольной формы, соединенная через горизонтальное силоизмерительное устройство с вертикальной рамой стенда посредством винтового механизма. На опорную плиту устанавливается испытуемое пневматическое колесо, ось которого закрепляется на подвижной в вертикальном направлении траверсе с грузами, создающими необходимую силу вертикального нагружения.
Стендовые испытания шины 400-965/15.5-38 при боковом нагружении показали, что при снижении избыточного давления воздуха с 0,16 до 0,8 МПа боковая жёсткость пневматического колеса уменьшается всего на 7 % и достигает 112,5 кН/м. При этом ее статический прогиб увеличивается с 28 до 60 мм, т.е. более 2 раз, что существенно увеличивает пятно контакта шины с опорной поверхностью. Однако понижение избыточного давления воздуха в шине на 50 % от рекомендуемого значения не оказывает существенного влияния на уменьшение боковой жёсткости пневматического колеса от задней оси трактора МТЗ-82 «БЕЛАРУС», что важно применять для повышения опорной проходимости и улучшения плавности хода колесных тракторов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. В.В. Новиков ― написание текста рукописи, экспертная оценка; А.В. Поздеев ― разработка методики испытаний, экспертная оценка, утверждение финальной версии; В.В. Еронтаев ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; Д.А. Чумаков ― редактирование текста рукописи, проведение испытаний; Н.М. Колесов ― изготовление и сборка экспериментальной установки, проведение испытаний; Н.В. Тимошин ― изготовление и сборка экспериментальной установки, обработка результатов; Т.А. Кагочкин ― редактирование текста рукописи, создание изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. V.V. Novikov ― writing the text of the manuscript, expert opinion; A.V. Pozdeev ― development of a test procedure, expert opinion, approval of the final version; V.V. Erontaev ― search for publications on the topic of the article, writing the text of the manuscript; D.A. Chumakov ― editing the text of the manuscript, conducting tests; N.M. Kolesov ― fabrication and assembly of the experimental setup, testing; N.V. Timoshin ― fabrication and assembly of the experimental setup, processing of results; T.A. Kagochkin ― editing the text of the manuscript, creating images. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.