Steering system of universal all-wheel steer tractor

Abstract

The article presents the theoretical substantiation of new steering system and the kinematic analysis of steering gear mechanisms of the ЛТЗ-155 tractor.

Full Text

Разработка на Липецком тракторном заводе (ЛТЗ) системы поворота трактора интегральной схемы с запаздыванием включения в поворот задних колес по отношению к передним заняла довольно много времени. Эта многофакторная задача (величина угла запаздывания включения в поворот задних колес, быстродействие, точность слежения 0,0087 рад (0°30′) и возврата в нейтральное положение 0,0044 рад (0°15′), исключение автоколебаний и т.д.) решалась конструкторами в основном методом подбора лучшего из многочисленных вариантов - по конструкционным соображениям, а порой и интуитивно. В итоге была получена система, в основном удовлетворявшая агротехническим требованиям того времени, что подтверждается приведенными ниже результатами многолетних испытаний тракторов ЛТЗ-145. На тракторе ЛТЗ-145 поворотными служат как передние, так и задние колеса, что обеспечивает движение на повороте след в след с малыми радиусами. Трактор традиционной схемы такого же тягового класса имеет только передние управляемые колеса, крутые повороты он вынужден осуществлять с подтормаживанием заднего внутреннего колеса, что ведет к повышенным энергетическим потерям, ускоренному износу шин, нагребанию почвы и значительному повреждению с.-х. культур на засеваемых поворотных полосах. Крутые повороты трактор ЛТЗ-145 выполняет с радиусом 4 м без подтормаживания и только по дуге окружности, т.е. с минимальной протяженностью (радиус поворота равен половине ширины захвата орудия). Возможная ширина поворотной полосы - не более 8 м, что позволяет засевать и обрабатывать ее одним проходом широкозахватного агрегата. Трактор традиционной компоновки совершает поворот без подтормаживания с радиусом, большим 4 м, что требует более широкой поворотной полосы. В этом случае обработку приходится производить двумя или тремя проходами широкозахватных агрегатов. Минимальный радиус поворота составляет: 3,85-4,45 м у трактора ЛТЗ-145; 4,5-5,3 м у трактора МТЗ-142 [1, 2]. По результатам опытов, в ходе которых определялись радиусы поворота тракторов в агрегате с различными сельхозмашинами, ЛТЗ-145 имел меньший (до 32%) радиус поворота. Компоновка и механизм управления трактора ЛТЗ-145 обеспечивают устойчивость прямолинейного движения и разворотов машинно-тракторных агрегатов на его базе. Колеса каждого борта идут по одной колее при движении по прямой и при повороте, благодаря чему трактор обеспечивает меньшую на 24-30% повреждаемость с.-х. культур на поворотной полосе [3]. Трактор ЛТЗ-145 на одинарных колесах оставляет на поворотной полосе два, а на сдвоенных - четыре следа (рис. 1). Трактор традиционной схемы на одинарных колесах оставляет четыре, а на сдвоенных задних - шесть следов, т.е. практически «вытаптывает» культурные растения на поворотной полосе. В случае подтормаживания внутреннего колеса для уменьшения радиуса поворота он сдвигает почву, вырывая растения с корнем. По результатам проведенных исследований отмечается неудовлетворительная устойчивость прямолинейного движения кукурузного посевного агрегата при работе с трактором МТЗ-142, что обусловлено применением одинарных колес и колеи 1,4 м [4]. Недостаточная устойчивость трактора МТЗ-142 на этой колее также проявляется при работе с культиватором КРН-8,4 как при прямом ходе, так и при разворотах. Недостаточная устойчивость и управляемость трактора МТЗ-142 вызвана также малым значением эксплуатационной массы, приходящейся на передние колеса, которая к тому же уменьшается при тяговых нагрузках на крюке. В процессе исследования трактора ЛТЗ-145 выявлено, что он более устойчив в движении, поскольку количество рабочих движений (воздействий на рулевое колесо) за одну минуту при работе в междурядьях составляет 36-39 против 40-45 у трактора МТЗ-142 [5]. Сравнительные показатели маневренности и управляемости тракторов ЛТЗ-145 и МТЗ-142 приведены в табл. 1 [1-4]. Таблица 1 Показатели маневренности и управляемости тракторов ЛТЗ-145 и МТЗ-142 Показатели ЛТЗ-145 МТЗ-142 Минимальный радиус поворота трактора: без подтормаживания с подтормаживанием 4-4,9 - 4,5-5,4 4,2-4,8 Радиус поворота трактора в агрегате с сельхозмашинами В 39 из 55 случаев у ЛТЗ-145 меньше Площадь следа на поворотной полосе У ЛТЗ-145 на 14-38% меньше Количество воздействий на рулевое колесо за 1 мин при работе в междурядьях 36-39 40-45 Возможность работы в междурядьях на реверсе Есть Нет В настоящее время благодаря теоретико-методологическому обоснованию новой системы рулевого привода и диагностики кинематики с подключением опытных специалистов, владеющих современными методами математического анализа, представилась возможность оценить систему рулевого привода четырех колес интегрального трактора, выявить возможные упущения и в результате дать рекомендации для создания более совершенной системы рулевого управления с надеждой на то, что она будет востребована при возрождении отечественного тракторостроения. По многочисленным статистическим данным, криволинейное движение составляет 40-70% в общем балансе времени движения тяговой машины. Поэтому требуется более тщательный анализ кинематики рулевого привода универсально-пропашного трактора с четырьмя ведущими и управляемыми колесами [6]. Общая схема рулевого привода трактора ЛТЗ-145 представлена на рис. 2. Она включает рулевые трапеции передних и задних колес, механизм управления поворотом задних колес и следящий механизм. На последних образцах интегральных тракторов вместо рулевых трапеций с неразрезными поперечными тягами с гидроцилиндрами на каждом из управляемых колес и разрезными поперечными тягами применена более перспективная схема рулевого управления с использованием в трапециях с неразрезными поперечными тягами встроенных гидроцилиндров двустороннего действия (рис. 3). В качестве начала работ по теоретическому обоснованию новой системы рулевого привода проведем кинематический анализ механизмов рулевого привода трактора ЛТЗ-155, приняв следующие основные допущения: - движение трактора рассматривается на горизонтальной недеформируемой поверхности; - боковое скольжение колес отсутствует; - деформация и увод шин не учитываются. Известно, что для чистого качения всех колес без проскальзывания и боковых деформаций шин при повороте механизмы рулевого привода должны обеспечивать такое соотношение между углами поворота колес, чтобы линии, представляющие собой продолжение осей колес, в каждый отдельный момент пересекались в одной точке, называемой мгновенным центром поворота, или мгновенным центром скоростей. При этом колеса должны поворачиваться на разные углы: внутренние по отношению к центру поворота колеса поворачиваются на большие углы, чем наружные. Рассмотрим рулевую трапецию передних колес и ее кинематическую схему при повороте трактора влево (рис. 4). Исходные данные для кинематического анализа схемы рулевого привода: - расстояние между шкворнями поворота колес в средней точке оси их наклона М = 1590 мм; - ход штока гидроцилиндра поворота колес ± 115 мм; - длина штока гидроцилиндра по осям сфер горизонтальных шарниров 772 мм; - расстояние от оси переднего или заднего моста до оси соответствующего гидроцилиндра 190 мм; - расстояние от оси переднего или заднего моста до осей вертикальных шарниров рулевой трапеции 222 мм; - расстояние от оси вертикального шарнира до плоскости, параллельной продольной оси трактора и проходящей через среднюю точку наклонного шкворня, 92 мм. Далее для анализа половину хода штока (115 мм) разбиваем на пять участков через 23 мм и для каждого положения трапеции определяем соотношения углов поворота передних колес. Результаты расчета углов поворота передних внутренних α и наружных β колес приведены в табл. 2. Таблица 2 Результаты расчета углов поворота передних внутренних α и наружных β колес № п/п d Внутренние колеса α 1 386 430 0,49222 26°12′ 92°22′ 6°12′ 11 370 415,9 0,5135 27°10′ 95°50′ 10°30′ 2 363 409,7 0,52342 27°38′ 97°18′ 12°26′ 3 340 389,5 0,55882 29°02′ 102°48′ 19°20′ 4 317 369,6 0,59937 30°56′ 108°40′ 27°06′ 5 294 350 0,64626 32°54′ 115°06′ 35°30′ Наружные колеса β 1 432 471,9 0,43981 23°45′ 82°34′ 6°10′ 11 448 486,6 0,4241 22°59′ 79°18′ 10°13′ 2 455 493,1 0,41758 22°40′ 77°48′ 12°02′ 3 478 514,4 0,39749 21°41′ 73°15′ 17°34′ 4 501 535,8 0,37924 20°46′ 68°42′ 23°08′ 5 524 557,4 0,36259 19°42′ 64° 28°42′ Примечание: 11 - дополнительное положение трапеции, при котором включаются в работу задние колеса при повороте. В процессе испытаний и эксплуатации опытных образцов трактора, особенно при выполнении междурядной обработки пропашных культур и работ на транспорте, было выбрано 11-градусное запаздывание включения в поворот задних колес относительно передних. В результате исключалось повреждение с.-х. культур при междурядной обработке и обеспечивалось устойчивое движение транспортных агрегатов на базе тракторов. Задержка поворота задних колес обеспечивается зазором, заложенным в кинематической цепи механизма управления поворотом задних колес. За счет запаздывания поворота задних колес они отстают от передних в процессе всего неустановившегося режима поворота. Задние колеса как бы догоняют в повороте передние, что осуществляется в конце неустановившегося режима поворота, когда передние и задние колеса поворачиваются на одинаковые углы, и трактор начинает движение по дуге окружности с минимальным радиусом поворота. На рис. 5 представлен график поворота передних и задних колес в функции хода поршня гидроцилиндра поворота передних колес, а в табл. 3 - соотношение углов поворота передних и задних колес в пяти характерных положениях поршня гидроцилиндра поворота передних колес. Таблица 3 Результаты расчета углов поворота передних и задних колес в пяти характерных положениях поршня гидроцилиндра поворота передних колес № 1 6°12′ 6°10′ 0° 0° 2 12°26′ 12°02′ 2°50′ 2°20′ 3 19°20′ 17°34′ 13° 11°30′ 4 27°06′ 23°08′ 23° 20° 5 35°30′ 28°42′ 35°30′ 28°42′ На рис. 6 представлена кинематика правого поворота четырех колес трактора с указанием мгновенных центров поворота трактора в пяти характерных точках. Основные соотношения и координаты мгновенных центров поворота определены согласно приведенным уравнениям [7, 8]: ; ; ; , (1) где - вертикальная координата мгновенного центра поворота наружных колес; L - база трактора; ; ; ; ; ; ; ; , (2) где - вертикальная координата мгновенного центра поворота внутренних колес; ; ; , (3) где - горизонтальная координата мгновенного центра поворота наружных колес; ; ; , (4) где - горизонтальная координата мгновенного центра поворота внутренних колес. Средние значения вертикальной Υ и горизонтальной Χ координат мгновенного центра поворота определяются по формулам: ; (5) . (6) В табл. 4 представлены результаты расчета по формулам (1)-(6) значений координат мгновенных центров поворота. Таблица 4 Результаты расчета мгновенных центров поворота № Υн Υвн Υ Χн Χвн Χ 1 0 0 0 25 000 26 590 25 795 2 420 496 458 10 329 11 919 11 124 3 1058 1072 1065 5205 6232 5718 4 1214,5 1226 1220 3336,7 4479 3908 5 1350 1350 1350 2468 3473 2970 В начале поворота, когда в нем участвуют только передние колеса, мгновенный центр поворота находится на оси задних колес. По мере увеличения углов поворота передних, а затем и задних колес центр поворота перемещается к середине межбазового пространства. При максимальных равных между собой углах поворота передних и задних колес центр поворота находится в середине базы в максимальном приближении к трактору, когда он движется с минимальным радиусом поворота. Выполненный кинематический анализ механизмов рулевого привода универсально-пропашного трактора со всеми управляемыми колесами одинакового размера и многолетний опыт эксплуатации его образцов позволяют сделать следующие выводы. 1. Одинаковая по конструкции для передних и задних колес рулевая трапеция с встроенным гидроцилиндром и минимальным количеством шарниров обеспечивает стабильное требуемое соотношение углов поворота внутреннего и наружного по отношению к мгновенному центру поворота колес. 2. Обеспечиваемое с помощью рычажного механизма и следящей системы кинематическое соотношение углов поворота передних и задних колес и задержка поворота задних колес способствуют исключению повреждения с.-х. культур при междурядной обработке и уверенному выполнению транспортных работ, в т.ч. на повышенных скоростях. 3. Выполненные по выведенным формулам расчеты координат мгновенных центров поворота трактора подтверждают достаточно обоснованное решение кинематики поворота, в результате чего обеспечиваются рационально близкое расположение центров поворота наружных и внутренних колес по отношению к мгновенному центру поворота колес и, как следствие, минимальные энергетические потери и износ шин при повороте. 4. Предложенный метод оценки кинематики поворота трактора с определением координат мгновенных центров поворота не по мостам, а по бортам трактора - более правильный и рациональный для трактора со всеми управляемыми колесами одинакового размера.