Layout solutions and transmission failures of off-road vehicles with low pressure tires

Full Text

Транспортные средства на шинах сверхнизкого давления находят все более широкое применение при решении транспортных проблем на обширных бездорожных территориях в различных регионах страны и мира. При их использовании в труднодоступных районах снижается ущерб, наносимый почвенно-растительному покрову и экологии. В районах Севера, Сибири и Дальнего Востока, а также во многих районах Волгоградской области для обслуживания нефтяных и газовых промыслов и выполнения иных видов работ в период осенне-весенней распутицы не обойтись без применения данного вида транспортных средств, обладающих высокой проходимостью и удовлетворительными экологическими качествами. Возросший потребительский спрос на транспортные средства на шинах сверхнизкого давления (ТСШСД), а поэтому и перспективность НИР и ОКР, направленных на совершенствование данного вида транспортных средств, привели к тому, что помимо машиностроительных предприятий с развитой производственной базой разработку и производство ТСШСД взяли на себя техники-энтузиасты. Они производят такие вездеходы в основном в единичных экземплярах и для частных условий эксплуатации [1]. Известно, что трансмиссии ТСШСД, таких, например, как «Странник-08», выпускаемый ООО «Норд-Авто», «Петрович» ООО «Экотранс», «Лопасня ВМ» Ассоциации «Арктиктранс», «Кержак» и «Ункор ООО «ТрансМАШа», имеют сложную конструкцию. Это в большинстве случаев связано с тем, что в трансмиссиях транспортных средств на пневмоколесных движителях используются в основном узлы и агрегаты привода колес, применяемые при производстве серийно выпускаемых автомобилей повышенной проходимости. При этом, кроме элементов трансмиссий легковых и грузовых автомобилей повышенной проходимости, могут использоваться узлы и элементы трансмиссии выпускаемых тракторов [2, 3, 8, 10]. Поэтому, по мнению создателей, в большинстве случаев не требуется детального расчета элементов трансмиссии. Если известны передаточные числа и основные характеристики элементов трансмиссии и главной передачи, то задача сводится к рациональной и правильной компоновке этих элементов. Однако такой подход в ряде случаев приводит к усложнению привода колес, снижению ресурса элементов трансмиссии и к серьезным поломкам в эксплуатации. Выполнен анализ характерных поломок в трансмиссии ТСШСД марки ТРЭКОЛ-39041 в транспортной организации, эксплуатирующей данные вездеходы для обслуживания нефтяных промыслов в Волгоградской области. Он показал, что необходим более внимательный подход к расчету передаточных чисел элементов трансмиссии и учитывать при этом основные эксплуатационные факторы, влияющие на снижение ресурса. Рисунок 1. Схема привода колес ТСШСД ТРЭКОЛ-39041 Рассмотрим схему привода колес ТСШСД ТРЭКОЛ-39041, приведенную на рисунке 1. Крутящий момент от двигателя передается на 4-х ступенчатую КПП 1 от автомобиля УАЗ-3160 и далее на раздаточную коробку 2 с симметричным дифференциалом от ГАЗ-33027, имеющую принудительную блокировку. Раздаточная коробка перераспределяет момент между передним и задним мостом. Задний мост состоит из главной передачи 3 от автомобиля УАЗ-31512 и бортовых редукторов 5 от автомобиля УАЗ-3151. Передней мост также состоит из главной передачи 4 и бортовых редукторов 6, в конструкции которого использованы узлы тех же автомобилей. При применении стандартных автомобильных мостов в данной схеме получается не вполне корректное отношение грузоподъемности к допустимому передаваемому моменту. Это предопределяет либо их слишком высокую массу, «съедающую» большую часть допустимой полезной нагрузки при подборе моста по требуемому передаваемому моменту, либо недостаточную надежность при подборе по грузоподъемности, поэтому в работе [4] отмечается обычно низкий ресурс элементов трансмиссии ТСШСД. Из анализа статистики отказов при эксплуатации двух ТСШСД ТРЭКОЛ-39041 следует, что наиболее часто ломаются (см. таблицы 1 и 2) валы привода шестерни колесного редуктора. В среднем такой вал приходилось заменять через 650 км пробега для ТСШСД № 2, для ТСШСД № 1 - через 1600 км пробега. Во всех случаях зарегистрирован типичный характер разрушения - скручивание вала и его косой разлом [4]. Фотографии сломанных валов приведены на рисунке 2. Рисунок. 2. Характерные эксплуатационные поломки ведомых валов колесного редуктора Если учесть, что эксплуатация данных ТСШСД происходит зимой и весной и обслуживают они одни и те же объекты, а следовательно, движутся по одному и тому же маршруту, можно предположить, что основной причиной отказов являются условия эксплуатации. Эксплуатация ТСШСД в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока со слабонесущими грунтами, видимо, характеризуется еще большим числом отказов [9, 10]. Чтобы понять причины рассмотренных выше характерных отказов элементов привода колес, рассмотрим метод расчета передаточных чисел элементов трансмиссии ТСШСД, так как от правильности подбора этих элементов зависит долговечность и безотказность работы всей трансмиссии. Метод расчета передаточных чисел для трансмиссий ТСШСД предложен В.Н. Шалягиным [5]. В его работе обобщен ранее накопленный опыт конструирования ТСШСД и рассмотрены некоторые особенности конструирования и расчета вездеходов на шинах сверхнизкого давления. Расчет передаточных чисел трансмиссии этих транспортных средств базируется на тех же принципах, что и расчет передаточных чисел трансмиссий колесных машин высокой проходимости. Расчет минимального передаточного числа трансмиссии ведется исходя из максимальной скорости, которую должна развить машина: (1) где: Rк - рабочий радиус ведущего колеса, м; vmax - максимальная скорость движения транспортного средства, м/с; nmax - частота вращения коленчатого вала двигателя при vmax, мин-1. Для определения параметров элементов ходовой части ТСШСД применяются некоторые ограничения и упрощения. Так, Rк принимается равным 0,475 D, где D - наружный диаметр шины сверхнизкого давления. Максимальная скорость движения vmax, как правило, принимается равной 50…70 км/ч, так как ТСШСД различных компоновочных решений на твердой опорной поверхности при данных скоростях движения и внутреннем давлении воздуха в шинах 0,05…0,07 МПа [6, 7] отличаются удовлетворительной устойчивостью. Дальнейшее увеличение скорости движения считается нецелесообразным и влияет на безопасность [11]. При давлении в шине 0,02…0,03 МПа машина становится практически неуправляемой и непредсказуемой. Таблица 1 Статистика поломок и отказов в трансмиссии вездехода № 1 Таблица 2 Статистика поломок и отказов в трансмиссии вездехода № 2 Максимальное передаточное число imax определяется из необходимого максимального момента на ведущих колесах и требуемой минимальной устойчивой скорости движения: (2) (3) где: imax P - максимальное передаточное число исходя из требуемого максимального усилия; Gсц - составляющая веса, приходящаяся на ведущие колеса, Н; j - коэффициент сцепления; Mmax - максимальный крутящий момент двигателя, Н∙м; hтр - КПД трансмиссии; imax V - максимальное передаточное число исходя из требуемой минимальной скорости движения транспортного средства; nmin - минимально устойчивая частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; vmin - минимальная скорость движения транспортного средства, м/с. Большее из передаточных чисел принимается для дальнейших расчетов. Таким образом, опираясь на ранее проведенные исследования и разработки и зная передаточные отношения коробки передач для проектируемого транспортного средства на шинах сверхнизкого давления, В.Н. Шалягин [5] предлагает рассчитывать максимальное передаточное число imax по формуле: (4) где, iкп min, iкп max - минимальное и максимальное передаточные числа коробки передач. После определения передаточных чисел определяется схема трансмиссии и проводится разбивка общего передаточного числа по узлам и агрегатам. Сложность заключается в необходимости правильно распределить передаточные числа, обеспечив подвод необходимого крутящего момента и требуемый запас прочности элементов трансмиссии. Для ТСШСД ТРЭКОЛ-39041 максимальное imax и минимальное imin передаточные числа в трансмиссии определяются из выражений: (5) (6) где: i1п - передаточное число КПП на 1-ой передаче; i4п - передаточное число КПП на 4-ой передаче; iркнп - передаточное число низшей передачи раздаточной коробки; iрквп - передаточное число высшей передачи раздаточной коробки; iгп - передаточное число главной передачи; iбп - передаточное число бортовой передачи; vmax = 70 км/ч или 19,444 м/с; nmax = 5200 мин-1. На данном виде ТСШСД применены шины «ТРЭКОЛ» 1300×600×533, для которых Rк = 0,641 м. Для сравнения возьмем передаточные числа трансмиссии автомобиля повышенной проходимости УАЗ-3151, где установлены П-образные мосты с колесными редукторами, применяемые на ТРЭКОЛ-39041. Выберем распространенную модель УАЗ-3151 с двигателем УМЗ-4178.10 и 4-х ступенчатой КПП с синхронизаторами на 3-й и 4-й передачах, так как у нее передаточное число первой передачи несколько больше и составляет 4,124. В раздаточной коробке имеется прямая высшая передача и понижающая с передаточным числом 1,94. В ведущих мостах установлена главная передача с передаточным числом 2,77. Общее передаточное число моста при этом составляет 5,38. Используя данный метод, выполним расчет максимальных и минимальных передаточных чисел трансмиссии ТСШСД ТРЭКОЛ-39041. Момент, развиваемый двигателем на участке, где происходят характерные поломки трансмиссии (вал шестерни колесного редуктора), определяется по выражению: (7) где: Мн = 183,7 Н∙м - крутящий момент двигателя ЗМЗ-4062.1000400-70 вездехода ТРЭКОЛ-39041 на режиме максимальной мощности, Н·м; hтр - КПД участка трансмиссии от двигателя до вала шестерни колесного редуктора; Мн = 156 Н∙м - для двигателя УМЗ-4178.10. При работе трансмиссии с полной нагрузкой, т. е. при работе двигателя на внешней скоростной характеристике, КПД трансмиссии имеет следующие значения: легковые автомобили 0,90…0,92; грузовые автомобили и автобусы 0,83…0,86; грузовые автомобили повышенной проходимости 0,80…0,85. Большие значения КПД имеют место на прямой передаче в коробке передач. Принимаем hтр = 0,85. Момент, найденный по сцеплению ведущего колеса с дорогой, он же момент, который может быть реализован движителем, равен моменту, который может быть реализован одним ведущим колесом и определяется по выражению [1, 15]: (8) где: lк - коэффициент распределения сцепного веса по колесам, для колесных машин с формулой 4´4 принимаем равным 0,33 [1, 15]; iвк - передаточное число от исследуемого вала до ведущего колеса, равное 1; hвк - КПД от исследуемого вала до ведущего колеса, равно 0,99; Gсц - сцепной вес, Н. Сцепной вес: (9) где: Gэ - эксплуатационный вес транспортного средства, Н; l - коэффициент распределения веса по мостам. Значения коэффициента j сцепления движителя с опорной поверхностью зависят от типа и состояния дорожного покрытия и для различных типов дорог составляют (первое значение для сухого, а второе для мокрого состояния несущей поверхности): с цементобетонным покрытием 0,8 и 0,5; с асфальтобетонным покрытием 0,7 и 0,4; грунтовой 0,6 и 0,3; укатанной снежной 0,3 и 0,2 [1]. Для анализа берем два значения коэффициента j, максимальный 0,8 и минимальный 0,2. В расчетах используем эксплуатационный вес транспортного средства, приходящийся на задний мост, так как он является более нагруженным и разрушения валов чаще происходили именно на заднем мосту. Принимаем Gсц равным 12005 Н для ТСШСД ТРЭКОЛ-39041 и 13573 Н для автомобиля УАЗ-3151. Для автомобиля УАЗ-3151 принимаем Rк=0,41 м для шины 225/75 R16 108Q. Данные расчетов приведены в таблице 3. Так как Мтр φ < Мдтр, то для дальнейшего анализа и расчетов следует применять Мтр φ, так как больший момент (в соответствии с третьим законом Ньютона) реализовать невозможно. Таблица 3 Расчетные характеристики элементов трансмиссии Выводы Из приведенных расчетных данных (таблица 3) видно, что разница такого важного показателя, как максимальное передаточные число imax трансмиссии у ТСШСД ТРЭКОЛ-39041 и у рассчитанного с помощью приведенного выше упрощенного метода расчета передаточных чисел незначительна. При этом минимальное передаточное число imin в трансмиссии хоть и отличается почти в 2 раза, но влияет только на минимальную скорость движения. При этом крутящий момент на валу колесного редуктора получается в 1,38 раза больше момента на УАЗ-3151, что вызывает существенно большую нагруженность вала. Следовательно, как отмечалось выше, можно предположить, что основной причиной отказов являются условия эксплуатации, большое количество дифференциалов в трансмиссии ТСШСД и существенно больший (по сравнению с традиционными шинами) момент инерции шин сверхнизкого давления, а также несколько другой характер взаимодействия шин сверхнизкого давления с опорной поверхностью. В настоящее время авторским коллективом на основе предыдущего опыта [12 - 17] разрабатывается математическая модель трансмиссии ТСШСД и готовится серия расчетных экспериментов, в которых будут исследоваться условия нагружения каждого из элементов трансмиссии при движении по реальным маршрутам в зимний период и в период весенней распутицы. Кроме того, предполагается выполнение более подробного исследования взаимодействия шины сверхнизкого давления с опорной поверхностью, а также анализа влияния ее инерционных характеристик на динамическую нагруженность трансмиссии. Это позволит уточнить расчетную методику, а также выработать рекомендации по компоновочным и конструкторским решениям ТСШСД.

About the authors

M. V. Lyachenko

VSTU

Email: ts@vstu.ru
Dr.Eng., Prof.

V. V. Shekhovtsov

VSTU

Email: ts@vstu.ru

A. I. Migunov

JSC “Nizhnevolzhskoe UTT”

Email: ts@vstu.ru

A. P. Chebanenko

VSTU

Email: ts@vstu.ru

References

Supplementary files