Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследования... 6
ГЛАВА II. Моделирование взаимодействия колеса с грунтом 31
2.1. Выбор математической модели деформации грунта 31
2.2. Выбор формул для учета влияния режима нагружения на несущую способность и деформируемость грунта 38
2.3. Связь между механическими и физическими параметрами грунта 45
2.4. Математическая модель деформации шины 54
2.5. Методика определения взаимной деформации шины и грунта 57
2.6. Расчетные формулы для определения показателей взаимодействия колеса с грунтом 62
2.7. Определение уплотнения грунта (почвы) 66
ГЛАВА III. Взаимодействие автомобильного колеса с неровной грунтовой поверхностью с учетом колебаний автомобиля 70
3.1. Расчет амплитудно-частотной характеристики (передаточной функции) автомобиля с учетом деформируемости грунта 71
3.2. Определение дополнительных вертикальных нагрузок на колесо и грунт, вызываемых колебаниями автомобиля 77
3.3. Влияние колебаний на показатели взаимодействия колеса с грунтом
ГЛАВА IV. Взаимодействие с грунтом колес второй оси и двухосного колесного движителя 98
4.1. Взаимодействие с грунтом колес второй оси автомобиля 98
4.2. Взаимодействие двухосного колесного движителя
с волнообразной грунтовой поверхностью движения 100
4.3. Исследование влияния конструктивных параметров автомобиля на показатели взаимодействия колесного движителя с волнообразной грунтовой поверхностью 108
4.4. Исследование влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на показатели взаимодействия движителя с грунтовой поверхностью со случайным микропрофилем 114
4.5. Обоснование достоверности полученных результатов 119
ГЛАВА V. Методика оценки проходимости, эффективности и экологичности автомобиля 123
Общие выводы 139
Список использованых источников
- Выбор формул для учета влияния режима нагружения на несущую способность и деформируемость грунта
- Методика определения взаимной деформации шины и грунта
- Определение дополнительных вертикальных нагрузок на колесо и грунт, вызываемых колебаниями автомобиля
- Исследование влияния конструктивных параметров автомобиля на показатели взаимодействия колесного движителя с волнообразной грунтовой поверхностью
Выбор формул для учета влияния режима нагружения на несущую способность и деформируемость грунта
Грунты в большинстве случаев неоднородны по глубине. Наиболее часто встречается мягкий верхний и сравнительно твердый нижний слой (грунты в период распутицы, распаханные грунтовые поверхности, снежная целина и т.д.). У этих грунтов глубина распространения деформаций уплотнения не может быть больше толщины Нг верхнего слоя (рис. 1.2). При малом расстоянии между штампом и твердым основанием повышается сопротивление сдвигу грунта в стороны.
Таким образом, наличие близлежащего твердого основания приводит к уменьшению деформации уплотнения и сдвига. Степень этого влияния зависит от соотношения толщины Нг мягкого слоя грунта и ширины Ъ (диаметра) штампа. Как видно из рис. 1.2 при вдавливании малого штампа влияние твердого основания начинает сказываться только после значительного заглубления штампа в грунт (z Hr), а для большого штампа это влияние сказывается с самого начала его погружения.
В условиях эксплуатации автомобилей встречаются грунты с обратной комбинацией слоев, более прочным верхним слоем и мягким основанием (очень влажные грунты со слоем дерна или подсохшей коркой на поверхности, заболоченные грунты). На этих грунтах несущая способность определяется сопротивлением срезу верхнего слоя по периметру штампа. Поэтому увеличение площади штампа приводит не только к расширению зоны уплотнения грунта, но и к снижению его несущей способности. С ростом отношения длины штампа к его ширине повышается несущая способность грунта, а следовательно, уменьшается погружение штампа в грунт.
Остальные возможные комбинации слоев грунта можно свести к рассмотренным путем осреднения параметров деформируемости.
Для оценки деформируемости грунта используют различные формулы. Зависимость деформации грунта от нагрузки многими исследователями выражается формулой Винклера-Герстнера-Берштейна: где: с - параметр, равный давлению от вертикальной нагрузки при z = 1 см; //-параметр, характеризующий кривизну описываемой зависимости.
В формуле (1.1) параметры си// предполагаются постоянными для данного грунта. В действительности они изменяются в зависимости от размеров штампа (см. рис. 1.2), что затрудняет практическое использование формулы (1.1), особенно когда нагрузка и размеры штампов изменяются в больших пределах. Формулу (1.1) можно применять для выражения зависимости q(z) лишь в конкретных условиях, при определенных размерах штампа и диапазона нагрузок. Из-за простоты получаемых решений, эта формула достаточно широко применяется до настоящего времени [126, 127, 129].
Учитывая сказанное, сделано много попыток заменить степенную зависимость другими, более обоснованными теоретически. Однако большинство этих формул также не учитывает влияние размеров штампа на деформируемость грунта.
Рассмотрим известные зависимости для оценки деформируемости грунта, в которых учитываются размеры штампа.
Степенная зависимость, в которой вместо абсолютного значения вертикальной деформации грунта принимается относительное значение [143]:
В этой формуле учитывается влияние размеров штампа на деформацию грунта, но односторонне: учитывается, что при увеличении размеров штампа повышается деформация вследствие большей глубины распространения напряжений, но не учитываются возрастание несущей способности и уменьшение относительной доли деформаций сдвига. Поэтому пропорциональность деформации грунта ширине (диаметру) штампа, получаемая по формуле (1.2), может быть приемлемой только для ограниченного диапазона изменения размеров штампа и нагрузки (см. рис. 1.3). М.Г. Беккер [21] предложил измененную степенную зависимость: q = (k,+kc/b)-zn (1.3) где: кф кс и п - постоянные грунта. В формуле (1.3) влияние размеров штампа на деформацию грунта учитывается дифференцированно для разных грунтов, различным соотношением параметров к кс и значениями п. Отношение к кс в определенной мере характеризует вид грунта и его состояние, а постоянная п отражает неоднородность грунта. Однако характер влияния постоянных к р, кснп на зависимости z(b) согласуется с физической сущностью деформаций не во всем диапазоне значений b и q. Зависимость z(b), выраженная уравнением (1.3), при любых параметрах грунта монотонно возрастающая и поэтому в общем случае не соответствует зависимостям, приведенным на рис. 1.3. Неудовлетворительные результаты получаются при больших относительных деформациях сдвига (область малых значений Ь) и для неоднородных грунтов с близлежащим твердым слоем (и 1).
Методика определения взаимной деформации шины и грунта
При движении транспортного средства нагружение грунта характеризуется различной скоростью деформации и малым (переменным) временем действия нагрузки. Для определения способов учета этого явления проведены обобщение теоретических положений механики грунтов и анализ экспериментальных данных.
В механике грунтов установлено, что зависимость сопротивления грунта деформации от динамичности нагружения определяется тремя факторами: вытеснением воды из пор (фильтрацией), релаксацией и ползучестью грунтов.
В условиях взаимодействия движителей транспортных средств с почвогрунтами влияние времени действия нагрузки (скорости движения транспортного средства) на деформацию и прочностные свойства почвог-рунта преимущественно определяются его фильтрационной способностью. От фильтрационной способности зависит соотношение напряжений, воспринимаемых скелетом грунта и водой. Чем меньше фильтрационная способность грунта, тем в большей мере снижаются динамические напряжения в грунте по сравнению со статическими и соответственно уменьшается деформация грунта, повышается его прочность (несущая способность). Фильтрационная способность снижается при увеличении количества глинистых частиц и плотности грунта.
Применительно к практике наиболее строго это влияние описывается уравнением, предложенным А.П. Софияном [153]:
По величине т также очень мало данных. И.И. Водяником для суглинка (поле подготовленное под посев) получено г = 0,08 с . Для эффективного использования формул (2.8), (2.10) необходимо найти связи между Кф и г, и основными параметрами грунта (W, уск, Е, с, ф), по которым накоплено достаточно данных. Явление ползучести грунта при движении транспортного средства зависит в основном от нагрузки (проявляется при нагрузках близких к несущей способности) и в меньшей мере зависит от скорости нагружения.
Явление релаксации проявляется при длительном воздействии на грунт, не характерном для движения транспортного средства. Время действия нагрузки от колеса автомобиля на грунт при скоростях 5...60 км/ч находится в пределах 0,2...0,02 с . Для окончательного выбора расчетной формулы проведены расчеты по формулам (2.8) и (2.9) и результаты сопоставлены с экспериментальными данными.
Характер зависимостей получаемых по формулам (2.8) (прерывистая кривая) и (2.9) (сплошная кривая) Характер получаемых зависимостей по формулам (2.8) и (2.9) достаточно близок, согласуется с экспериментальными данными. Однако для практических расчетов целесообразнее использовать формулу (2.9), базирующуюся на одном, известном, параметре грунта р0. 2.3. Связь между механическими и физическими параметрами грунта
В принятую математическую модель деформации грунта, входят механические параметры грунта: модуль деформации Е, угол внутреннего трения ро, внутреннее сцепление в грунте со , толщина мягкого слоя HI.
Заболоченные грунты Торфяные- неуплотненные- осушенные или уплотненныеСапропелевые,илистые- неуплотненныеосушенные или уплотненные 0,2-0,5 0,5-1,00,1-0,2 0,2-0,5 0,1-0,20,2-0,40,01 0,1-0,2 0,01-0,02 0,02 0,01 0,01 Из приведенных данных следует исключительно большой разброс значений по всем параметрам. Статистическая обработка этих данных, определение законов распределения, отсутствуют, что затрудняет их практическое использование.
Значительно больше накоплено данных по физическим параметрам грунтов: плотности у, влажности W, типу (механическому составу).
В работе [19] установлено, что распределение влажности в большинстве случаев подчиняется нормальному закону.
Данные по физическим параметрам грунта (почвы) накапливаются в результате систематического их измерения на метеостанциях. Плотность скелета почвогрунтов на сельскохозяйственных полях в диапазоне 0,9-1,4 г/см3 . Толщина мягкого слоя по данным В.В. Сапожни-кова в пределах 0,15-1 м , среднее значение 0,4 м . Из известных предложений по связи механических параметров с физическими заслуживает внимания метод, предложенный В.В. Лариным [93].
Методом аппроксимации он вывел зависимости механических параметров грунтов от физических: коэффициента пористости е , степени влажности Jw для несвязных грунтов и показателя консистенции JL для связных:
Определение дополнительных вертикальных нагрузок на колесо и грунт, вызываемых колебаниями автомобиля
При малой толщине мягкого слоя Н1 0,35 м картина обратная. Такой характер действия дополнительной нагрузки объясняется формой характеристики деформируемости грунта (рис. 1.2). Если нагрузки, действующие на колесо, соответствуют выпуклой части характеристики q(z) , большее изменение глубины колеи и соответственно всех показателей взаимодействия получается в результате увеличения нагрузки. Если нагрузки соответствуют вогнутости части характеристики q(z) , получается обратная картина.
На рис. 3.7 показано, как изменяются показатели взаимодействия колеса с грунтом z ,f, W от динамической нагрузки в зависимости от внутреннего давления воздуха в шине и от скорости движения.
В отношении влияния скорости движения следует отметить два фактора. Первый - при увеличении скорости уменьшается время действия нагрузки на грунт, что приводит к уменьшению глубины колеи и сопротивления грунта качению. На рис. 3.7 значения z и/при статической нагрузке с увеличением скорости снижаются. Второй фактор - при увеличении скорости движения по неровной поверхности увеличиваются ускорения колебаний и дополнительные нагрузки, и соответственно увеличивается прирост глубины колеи и сопротивления качению. 0.39
Зависимости показателей взаимодействия колеса с грунтом от скорости и давления в шинах Определив параметры колебаний Z, ", Zf, Z, можно оценить ускорения вертикальных колебаний по сравнению с допустимыми значениями при различных скоростях движения и давления в шинах. По соотношению получаемого прогиба подвески ZC, и динамического хода подвески оценить возможность пробоя подвески. Можно рассчитать также дополнительное сопротивление движению из-за потерь энергии на колебания автомобиля. Для этой цели Н. Я. Говорущенко [37] предложена формула:
Ускорения вертикальных колебаний и прогиб подвески заметно увеличиваются при увеличении давления в шинах в зоне низкочастотного резонанса и межрезонансной зоне и мало изменяется в зоне высокочастотного резонанса.
На твсфдой неровной поверхности по сравнению с мягким грунтом ускорения в 3,3 раза больше при низкочастотном резонансе, в 1,5-2 раза больше при высокочастотном резонансе и практически не изменяются в межрезонансной зоне. Примерно такие же соотношения и для прогиба подвески. м 0,18
Зависимость значений прогиба рессор от внутреннего давления в шине (твердая поверхность) Для условий движения автомобиля по грунтовой поверхности со случайным микропрофилем в расчетную систему вводится уравнение для дополнительной нагрузки: АР(х)=АРс -qnorm(x,0,l) где: АР с - среднеквадратическое значение дополнительной нагрузки, определяемое по формулам (3.19); х - вероятность появления дополнительной нагрузки не превышающей ЛРХ (см. расчетную систему 4). Примеры расчета показателей взаимодействия колеса с грунтом при движении до поверхности со случайным микропрофилем приведены на рис. 3.9-3.12. На рис. 3.9 показаны вероятностные характеристики глубины колеи и прогиба шины. Диапазон изменения глубины колеи значительно больше (в 2 - 2,5 раза) чем деформации шины. Наибольшие значения глубины колеи получены естественно для худших условий (А = 10 25).
При толщине мягкого слоя HI = 0,5 м возможно вывешивание корпуса на грунт. Вероятность вывешивания или задевания корпуса за грунт можно определить, используя приведенную вероятностную характеристику z01(x) , значение дорожного просвета и вероятностную характеристику вертикальных перемещений подрессоренной массы Z(x) .
Вероятностная характеристика изменяющегося дорожного просвета определяется по уравнению hK{x) = z0l(x)-z(x) . Вероятность полного выбора дорожного просвета (вывешивания корпуса) определяется как вероятность получения hK{x) 0 .
Вероятностные характеристики сопротивления качению при движении в тех же условиях приведены на рис. 3.10. Они полностью соответствуют рассмотренным характеристикам деформации грунта и шины. При HI = 0,5 м они достигают недопустимо больших значений if — 0,5), превышающих сцепление колеса с грунтом. Это подтверждается вероятностными характеристиками удельной свободной тяги (рис. 3.11). Вероятности получения отрицательного значения W около 8%. Однако, при W = 0 движение практически невозможно, так как для трогания с места, преодоления небольших местных препятствий требуется некоторый запас силы тяги. И если принять этот запас равным W= 0,1 , то вероятность полного буксования колес будет около 25%.
Еще проще определять вероятность полного буксования колеса по вероятностной характеристике коэффициента буксования, рис. 3.12, которая получена при приложении к колесу продольной силы равной 0,14-PZ . При действии на колесо такой силы тяги и на грунтовой поверхности со средним уровнем неровностей А = 10 3i; qc = 0,012 , вероятность полного буксования колеса равна » 10%.
Показательны и вероятностные характеристики уплотнения грунта (рис. 3.13). Диапазон изменения плотности существенно зависит от степени ровности поверхности. Уплотнение больше при меньшей толщине деформируемого слоя грунта. При принятых параметрах колеса и нагрузки значительна вероятность превышения плотности по сравнению с допустимой величиной. Если принять за допустимую плотность 1,35-103 кг/м3 , то вероятность превышения плотности будет при HI = 0,35 м и А = 10 2,5 около 22%, а при допустимом значении 1,3-Ю3 кг/м3 при HI = 0,35 м - более 50%, а при HI = 0,5 и А = 10 25 более 10%.
Исследование влияния конструктивных параметров автомобиля на показатели взаимодействия колесного движителя с волнообразной грунтовой поверхностью
Ограничение скорости по условиям пробоя подвески определяется с использованием расчетных систем 1-3. Так же как и при рассмотрении плавности хода, рассчитываются среднеквадратические значения хода подвески в зависимости от скорости (рис. 5.3).
Для значений максимальной скорости, ограничиваемой пробоем подвески, определяется вероятность пробоя подвески. Для этого рассматривается вероятностная характеристика прогиба рессор, получаемая с помощью функции Z {a ) = qnormyco,0,hMMH) , и находится значение вероятности, при которой прогиб рессор равен прогибу при ударе в ограничитель. На рис. 5.3 приведены вероятностные характеристики прогиба рессор и показаны значения вероятности пробоя подвески для значений А равных 10 15.
Из приведенных данных следует, что допустимые по плавности хода диапазоны скоростей должны быть подвергнуты корректировке, если получаются значительные вероятности пробоя подвески.
Влияние системы передаточных чисел в трансмиссии на скорость движения не рассматривается. Принимается идеальный закон распределения передаточных чисел. Косвенно влияние передаточных чисел учитывается коэффициентом 7«
Основная задача настоящего исследования оценить влияние показателей взаимодействия колесного движителя с грунтовой поверхностью движения на возможную скорость. В формулу (5.5) входят два показателя взаимодействия / и Sg , которые необходимо рассчитывать. Остальные параметры задаются для конкретного автомобиля. С целью упрощения последующий анализ проводится для горизонтальной грунтовой поверхности со случайным микропрофилем. Значения f я Sg берутся из результатов, ранее проведенных расчетов (приложение). Учитывая, что функции распределения f и S6 отличаются от нормального закона распределения, для описания зависимостей f(co) и Sg(co) используются выражения:
Учитывая, что максимально возможная скорость, ограничиваемая плавностью хода равна 22 м/с 24 м/с на характеристике VZ(OJ ) (рис. 5.3) исключаются скорости 22 м/с и средняя скорость определяется с учетом этого ограничения ( Vcp = 12 м/с ). Изменение массы автомобиля и мощности двигателя приводят к существенному изменению средней скорости.
Для построения вероятностной характеристики расхода топлива рассматриваются зоны 1 и 3 (рис. 5.4), в которых двигатель работает с максимальной нагрузкой, а значение ge берется по внешней скоростной характеристике, и рассматривается зона 2, в которой максимальная скорость ограничена плавностью хода и следовательно двигатель работает на частичных нагрузках. Для второй зоны значение ge выбирается по нагрузочной характеристике двигателя.
Для описания зависимости удельного расхода топлива двигателя от нагрузки двигателя и оборотов использованы формулы:
Коэффициенты КІ подобраны путем обработки нагрузочных характеристик, представленных в работе [120] . На рис. 5.5 приведена интегральная характеристика распределения расхода топлива, средний ожидаемый расход топлива и показатель эффективности для движения автомобиля по ровной и неровной грунтовой поверхности.
Особенности использования автомобилей и других колесных машин на грунтовых поверхностях заключаются в возможности их движения по сельскохозяйственным полям. Поэтому необходимо оценивать их эколо-гичность в части вредного воздействия на почву. В работах [67, 144] установлено, что уплотнение почвы колесами приводит к снижению урожайности. В качестве оценочного показателя рекомендуется использовать плотность почвы после прохода колес. Установлены допустимые значения плотности для различных видов почвогрунтов (супесчаные грунты - 1,4 г/см3 , суглинистые - 1,35 г/см3 , глинистые -1,3 г/см3 ).
В разработанной системе расчета показателей взаимодействия колесного движителя с грунтом рассчитывается плотность грунта после прохода передних и задних колес. Расчетная система позволяет оценивать влияние на уплотнение почвы нагрузки, параметров колес, параметров подвески, скорости движения. Результаты расчетов приведены в приложении (при изменении давления в шинах - рис. 1-7, при изменении скорости - рис. 8-15, при изменении силы тяги - рис. 16-19).
В результате выполненного исследования разработаны метод расчета показателей взаимодействия колесного движителя автомобиля с неровной грунтовой поверхностью и метод оценки проходимости, эффективности и уплотнения грунта с учетом динамических нагрузок от колебаний автомобиля.
