Ведущие и направляющие колеса

Ходовая часть обеспечивает движение машины и поддержа­ние ее остова. Она состоит из ведущих и направляющих колес, а также элементов, соединяющих колеса с рамой машины.

Ведущие и направляющие колеса обеспечивают движение машины и передают ее массу на опорную поверхность. Помимо общих для всех механизмов требований колеса должны создавать минимальное давление на грунт, оказывать небольшое сопротив­ление движению, обеспечивать высокие сцепные каче­ства с различными поверхностями независимо от их состояния, самоочищаться от налипшей почвы и снега.

Колеса современных строительных и дорожных машин оснащены шинами низкого давления. Шины тракторов и погрузчиков рассчитаны на работу при скоростях до 35 км/ч.

Шины имеют большую универсальность, благодаря чему можно применять тракторы и специальные шасси как на сельскохозяйственных, так и транс­портных работах с большими скоростями движения. Из-за дефор­мации шин площадь их контакта с грунтом увеличивается, что приводит к снижению давления и уменьшению разрушения струк­туры почвы.

Недостатком шин является плохое сцепление с грунтом при повышенной влажности. Однако правильным подбором размеров шин, давления и некоторыми другими мероприятиями можно умень­шить этот недостаток.

До настоящего времени не существует четких рекомендаций, позволяющих подбирать к конкретной самоходной машине шины оптимальных раз­меров, поэтому используют опытные данные. Одним из основных показателей при выборе шин является грузоподъемная сила Q. Это наибольшая нагрузка для данного внутреннего давления в шине, при которой ее радиальная деформация на твердом осно­вании обеспечивает достаточно длительный срок службы.

Существует много эмпирических формул для определения грузоподъемной силы шин. Чаще всего в качестве исходной принимают зависимость

(80)
где F – площадь контакта; q_ср – среднее давление шины на почву.

Давление q_ср является функцией давления в шине:

, (81)
где x – коэффициент, учитывающий жесткость шины (для шин низкого давления принимают x =1).

Предложенные формулы дают удовлетворительные результаты только для частных случаев, поэтому ими пользуются лишь при пред­варительных расчетах.

В результате экспериментов и анализавзаимодействия ходо­вой части колесного трактора с почвой, проведенных в МАМИ (Московском автомеханическом институте), получено, что при работе колеса на жесткой опорной поверхности в контакте с ней находятся только грунтозацепы. В этом случае в основном деформируется каркас шины (приблизительно 80%), деформация грунтозацепов (изгиб и смятие) составляет приблизительно 20%.

При работе на мягком грунте деформируется шина и опорная поверхность. На рыхлых почвах давление по площади контакта распределяется более равномерно: чем плотнее грунт, тем больше отношение опорной площади грунтозацепов к общей площади отпечатка. При работе шин на мягкой опорной поверхности их деформация на 20-50% меньше.

Так как грузоподъемную силу устанавливают по максималь­ной радиальной деформации на твердой поверхности, то при работе на мягких грунтах допустимую нагрузку на шину (ее грузо­подъемную силу) можно увеличить (в зависимости от состава грунта) на 20-50%, при этом радиальная деформация самой шины не увеличится. Эту особенность работы на мягких грунтах необходимо иметь в виду при проектировании и эксплуатации строительных и дорожных машин на базе тракторов.

При выборе шин следует определять нагрузку на колесо с учетом его догрузки (от навесных машин и оборудования, дей­ствия силы тяги на крюке и т. п.) для конкретной компоновки машины и условий работы. Кроме того, необходимо учитывать, что шины больших диаметров обеспечивают лучшие тяговые показатели при работе на транспорте, более широкая шина улучшает плавность движения и проходимость.

Шины направляющих колес для обеспечения хорошей управ­ляемости и устойчивости прямолинейного движения оснащают продольно расположенными кольцевыми ребордами. При выборе шин направляющих колес следует иметь в виду, что при работе нагрузка на них уменьшается за счет динамической разгрузки передней оси.

Для улучшения управляемости и уменьшения сопротивления перекатыванию внутреннее давление в шинах направляющих колес больше, чем в шинах ведущих колес, и составляет 150-250 кПа.

Важным показателем шин направляющих колес, влияющим на управляемость колесной машины, является их боковая жесткость, которая оценивается коэффициентом k_y сопротивления боковому уводу. Явление бокового увода состоит в том, что при приложе­нии боковой силы к колесу шина деформируется и в результате катится не в плоскости симметрии обода, а под некоторым углом d_у к нему, который называется углом увода:

, (82)
где Р_б – боковая сила, ; здесь j_с – коэффициент поперечного сцепления колеса с почвой; G_к – нагрузка на колесо.

Коэффициент возрастает с повышением давления в шине, увеличением нагрузки на колесо, размеров шины. Для тракторов производства МТЗ k_y= 15-25 кН/рад.

Боковой увод шин вызывает при повороте машины отклоне­ние действительной траектории движения от теоретической.

Чтобы повысить тягово-сцепные качества колесных тракто­ров, догружают ведущие колеса, оснащают их дополнительными грунтозацепами, устанавливают шины на уширенные ободы или двойные скаты, увеличивают число ведущих колес, снабжают трактора полугусеничным ходом.

Если нагрузка на ведущее колесо меньше грузоподъемной силы шины, то для повышения тягово-сцепных качеств широко используют догрузку ведущих колес следующими методами:

– устанавливают дополнительные грузы на диски колес либо на раму машины (грузы выполняют в виде отдельных элементов массой до 20 кг);

– заполняют камеры шин водой (этот способ требует больших затрат времени для заполнения водой и ее удаления);

– используют догружатели ведущих колес.

Указанные методы применяют также для догрузки направляю­щих, колес тракторов с неодинаковыми размерами колес, когда при работе с полуприцепами и навесными машинами на направ­ляющие колеса приходится менее 20% общей массы трактора. При работе на слабых почвах устанавливают дополнительные грунтозацепы различных конструкций: в виде дополнительных колес с грунтозацепами, которые привертывают к диску основного колеса; цепей, оснащенных зацепами и укрепляемых на шине и т. д.

Большое внимание уделяют повышению тяговых качеств колесных строительных и дорожных машин путем создания конструкций с четырьмя ведущими колесами.

Тяговый КПД существующих тяговых и строительных машин с четырьмя ведущими колесами значительно превосходит КПД колесных машин с двумя веду­щими колесами. Сила тяги распределяется на четыре колеса, поэтому напряженность сцепления с почвой при прочих равных условиях получается соответственно меньшей. Металлоемкость существующих универсальных тракторов с четырьмя ведущими колесами по сравнению с анало­гичным по тяговому усилию тракторами с двумя ведущими коле­сами меньше на 20-25%.

Наряду с колесным шасси специальных конструкций имеется много различных универсальных тракторов, из которых путем замены передней оси можно получить модификацию со всеми ведущими колесами (Т-40А, МТЗ-52, Л1ТЗ-82 и др.). При этом передние колеса делают меньшего размера, чем задние, и через них может быть реализо­вана соответственно меньшая сила тяги.

Более эффективны специальные шасси с колесами одинакового размера, которые получили большое распространение как в СССР (тракторы Т-150К, К-700 и др.), так и за рубежом.

Широко используют полуприцепы и прицепы с активными осями и приводом от вала отбора мощности.

Передние оси колесных машин

Передние оси служат для соединения направляющих колес с рамой машины. Они должны передавать усилия, возникающие в системе, и обеспечивать правильную установку колес. В зави­симости от того, являются передние колеса только направляю­щими или к ним подводится крутящий момент, их разделяют на передние оси и передние мосты. По способу соединения с рамой передние оси могут быть подрессоренными или неподрессо­ренными, с расставленными или сближенными колесами, с раз­резной или целой осью.

Для обеспечения устойчивого прямолинейного движения и легкого поворота машины направляющие колеса надо устанав­ливать в определенном положении по отношению к дороге и балке передней оси.

При установке шкворня под углом b (обычно b=2-10°) уменьшается плечо обкатки колеса m>т' (расстояние от точки контакта середины колеса до пересечения оси шкворня с почвой) и, следовательно, момент, необходимый для его поворота (рис. 111,а). Для применяемых конструкций колесных машин т=10-30 мм. Кроме того, при повороте колеса вокруг наклонного шкворня передняя часть машины несколько приподнимается и ее вес будут стремиться возвратить колеса в исходное положение.

Рис. 111. Схема установки направляющих колес машин:
а – с боковым наклоном шкворня; б – шкворень в плоскости колеса; в – с наклоном шкворня назад; г – установка колес с развалом; д – то же, со сходимостью

В некоторых случаях шкво­рень компонуют в плоскости колеса (рис. 111, б), но это ухудшает устойчивость движения машины, так как стабилизирующий момент отсутствует.

Наклон шкворня вперед или назад в продольной плоскости позволяет получить дополнительный стабилизирующий момент от боковых реакций почвы.

При увеличении скоростей движения вследствие деформации баллонов шин смещается точка приложения равнодей­ствующей реакции опорной поверхности, т. е. изменяется плечо l (рис. 111, в).

При повороте колеса возникает момент от боковых реакций сопротивления повороту, стремящийся повернуть колесо в исходное положение. Этот динамический стабилизирующий момент можно определить по формуле

, (83)
где m – коэффициент сопротивления повороту.

Угол наклона оси шкворня назад a=0-4°, а вперед – 0-10°.

Наклон шкворня в продольной плоскости вызывает увеличе­ние сопротивления на рулевом колесе при повороте машины.

При установке колес с наклоном к поверхности грунта (рис. 111, г) (с развалом) расстояние между ободьями колес снизу получается несколько меньше расстояния сверху. Этот способ также уменьшает плечо обкатки (т" < т), апод действием составляющей силы тяжести S, направленной по оси цапфы, колесо прижимается к ступице, компенсируя износы. Такое расположение колес вызывает также отрицательные явления: колеса стремятся катиться по дугам к центрам в точке О, левое колесо – влево, правое – вправо, что приводит к скольжению и дополнительному износу шин. В существующих конструкциях угол g=1,5-5°.

Для устранения проскальзывания колеса устанавливают со сходимостью, т. е. не параллельно продольной оси трактора, а так, что расстояние между их серединами спереди меньше, чем сзади (рис. 111, д), при этом L₂-L₁=1-12 мм (измерение производят в точках пересечения обода колеса с го­ризонтальной плоскостью, проходящей через оси колес).

Сходимость достигается регулированием длины поперечной рулевой тяги. При такой установке колеса стремятся катиться по окружности, центр которой находится в точке пересечения продолжения оси цапфы поворотного кулака с опорной поверх­ностью. Силы сопротивления движению стремятся повернуть колеса относительно шкворней, что нарушает устойчивость пря­молинейного движения. При отсутствии сходимости, колеса могли бы установиться под отрицательным углом. Подбор правильного положения колес устраняет эти недостатки.

При установке на строительных и дорожных машинах передних мостов с ведущими направляющими колесами для уменьшения углов перекоса валов соединительных муфт поперечный наклон шкворня b и развал колес g часто делают близкими к нулю. Практически это мало сказывается на устойчивости движения машины, так как исполь­зование шин низкого давления и большого диаметра, обладающих значительной эластичностью, приводит при повороте к по­явлению стабилизирующих моментов из-за боковой дефор­мации шин.

У шасси машин с шарнирной рамой (рис. 112), рама кото­рых состоит из двух шарнирно соединенных секций, колеса жестко связаны с ней и установлены без раз­вала и сходимости.

Рис. 112. Схема поворота трактора с шарнирной рамой:
а – вид сбоку; б – вид сверху

Для повышения тяговых качеств машин подобного типа и обеспечения устойчивого прямолинейного движения необхо­димо, чтобы основным ведущим мостом был передний, задний же мост должен подключаться только в тяжелых условиях движения. Автоматизация включения и выключения заднего моста дости­гается применением обгонных муфт, установленных в приводе. Когда передний мост является ведущим (задний в это время выключен), появляется стабилизирующий момент М_в.с (момент ведущей секции), который при повороте секций на угол j стре­мится вернуть систему в исходное положение:

, (84)
где R – реакция со стороны заднего моста (; здесь f –коэффициент сопротивления перекатыванию, G₂ – доля веса трактора, приходящаяся на заднюю секцию).

Если ведущим мостом будет задний, то толкающее усилие Р_з.с создаст поворачивающий момент, вызывающий неустойчивое прямолинейное движение. Для устойчивого прямолинейного дви­жения помимо выполнения данных выше рекоменда­ций, необходимо, чтобы ось соединительного шарнира устанав­ливалась под углом g в продольной плоскости машины. В этом случае во время поворота секций из-за изменения высоты рас­положения центра машины появляется стабилизирующий момент

, (85)
где G₁ и G₂ – вес передней и задней секций. Обычно и делают меньше 0,25. Угол γ до 15°.

Если центры масс каждой секции вынесены за базу машины, то для получения указанного стабилизирующего момента надо, чтобы угол α был больше 90°.

Конструкция балки передней оси и способ ее изготовления определяются эксплуатационными требованиями, предъявля­емыми к машине.

Для тракторов общего назначения, а также пропашных, наи­большее распространение получили оси с расставленными ко­лесами (рис. 113, а). Эти оси обеспечивают наилучшую устойчи­вость и проходимость трактора по междурядьям. Дорожный просвет 400-550 мм легко обеспечивается удлинением стойки шкворня поворотной цапфы. Однако для обработки высокосте­бельных сельскохозяйственных культур необходимо увеличить дорожный просвет до 600-760 мм, а для особо высокостебельных– 800-1000 мм и более.

На многих сельскохозяйственных тракторах для увеличения дорожного просвета, а также для удобства компоновки сельскохозяйствен­ных машин применяют оси со сближенными передними колесами (рис. 113, б), или устанавливают одно направляющее колесо. Такие тракторы имеют малую поперечную устойчивость. У тракторов со сближенными направляющими колесами или с одним направляющим колесом вертикальный вал устанавли­вают в кронштейне, воспринимающем нагрузки от колес.

Распространение получили составные телескопические балки передней оси с цанговым креплением выдвижных труб 2 и 3 (см. рис. 113, а). Наружная разрезная труба затягивается хомутом 1. В зависимости от конструкции балки передней оси бывают литыми или штампованными (круг­лыми, двутавровыми, трубчатыми и др.). Это позволяет регулировать колею трактора, что весьма важно для пропашных тракторов.

Подвеска передней оси выполняет несколько функций: через нее передается вес передней части машины на балку, она обеспечивает передачу толкающих усилий от рамы к передним колесам, воспринимает толчки и удары от передних колес, улуч­шает приспосабливаемость колес к неровностям пути.

У большинства универсальных тракторов переднюю ось соединяют с остовом в одной точке при помощи шарнира 4 (см. рис. 113, а). Для раз­грузки последнего от толкающих усилий устанавливают специ­альные вилки 5. Если передняя ось сделана укороченной (см. рис. 81, б) или имеется только одно переднее колесо, то все уси­лия воспринимаются подшипниками вертикального вала 6.

Повышение скоростей движения тяговых машин привело к возраста­нию динамических нагрузок на оси, поэтому для увеличения срока службы машин стали использовать упругие элементы в системе подвески передних, а иногда и задних осей.

На рис. 113, в представлена передняя ось, у которой упругие элементы в виде цилиндрических пружин 9 вмонтированы в стой­ках шкворней поворотных кулаков 8 и цапфы 7.

Рис. 113. Передняя ось с направляющими колесами:
расставленными; б – сближенными; в – подрессоренными

В конструкции переднего моста, изображенного на рис. 114, а, использованы тарельчатые пружины 7, установленные на шквор­нях 8 поворотных кулаков 9. Характерной чертой этой конструк­ции является возможность изменения колеи при помощи выдвиж­ных труб 1, которые фиксируются в заданном положении стопо­рами 2. Шкворень 8 и конечная передача 5 вписаны в габариты диска 6 направляющего колеса.

Крутящий момент к колесу подводится через два последова­тельно установленных карданных шарнира 3 и 4 неравных угловых скоростей.

На рис. 114, б изображен передний мост самоходной машины, у которой для подрессоривания колес установлены цилиндрические пру­жины 11. В конструкции оригинально решен вопрос подвода крутящего момента к направляющим колесам без соединитель­ных муфт при помощи двух пар конических шестерен – 10 и 12.

Рис. 114. Передний мост с направляющими колесами, подрессоренными:
а – тарельчатыми пружинами; б – цилиндрическими пружинами; в – листовой рессорой

Для подрессоривания переднего моста, конструкция которого изображена на рис. 114, в, применена поперечная листовая рес­сора 14, которая шарниром 15 в средней части соединена с рамой машины. Концы рессоры проушинами 13 прикреплены к крон­штейнам 18 переднего моста. Для предотвращения скручивания рессоры толкающими усилиями служит вилка 16. Крутящий момент к колесам подводится через соединительную муфту 17 равных угловых скоростей.

При конструировании самоходных строительных и дорожных машин с четырьмя ведущими коле­сами необходимо иметь в виду, что трансмиссия, ведущие колеса и грунт составляют замкнутый силовой контур, вследствие чего может возникнуть циркулирующая мощность из-за разных дина­мических радиусов ведущих колес. Изменение динамических радиусов колес объясняется неодинаковым давлением в балло­нах шин, перераспределением нагрузки на колеса в процессе работы и другими причинами.

Для уменьшения отрицательного влияния циркулирующей мощности и повышения динамических качеств машин устанав­ливают специальные механизмы, например межосевой диффе­ренциал 1 (рис. 115, а), который дает возможность ведущим коле­сам передней и задней оси вращаться с разными угловыми ско­ростями, исключая дополнительную загрузку трансмиссии.

Вариант использования раздаточной коробки с принудитель­ным отключением переднего моста показан на рис. 115, б. Привод осуществляется от раздаточной коробки, в которой имеются подвижные шестерни 2, служащие для включения и выключения переднего моста. Дополнительная передача усложняет транс­миссию и снижает ее КПД, а отсутствие автоматического вклю­чения переднего моста затрудняет управление машиной в сложных дорожных условиях. Кроме того, при включенном переднем мосте и наличии циркулирующей мощности не снимается дополнительная нагрузка на детали трансмиссии. Отмеченные недостатки ограничивают применение раздаточной ко­робки.

На схеме, изображенной на рис. 115, в, в приводе к переднему мосту установ­лена муфта свободного хода 3, которая по сравнению с диф­ференциалом отличается про­стой конструкцией и мень­шей массой. Эта муфта авто­матически включает и вык­лючает передний мост. При обычной работе, когда окру­жные скорости колес равны, передний мост отключен. В тяжелых условиях работы, когда окружная скорость передних колес становится меньше окружной скорости задних (задние пробуксовывают), муфта свободного хода заклинивается и автоматически включает привод к передним колесам.

Преимуществом подобных конструкций является автомати­ческое включение моста только в тяжелых условиях работы, что повышает экономичность работы машины.

Рис. 115. Схема привода к пе­реднему ведущему мосту:
а – с межосевым дифферен­циалом; б – с раздаточной коробкой; в – с муфтой сво­бодного хода

Поворотные цапфы, на которых устанавливают направля­ющие колеса, обеспечивают их поворот и воспринимают нагрузку от веса, приходящуюся на переднюю ось машины и передава­емую через упорные подшипники и далее через цапфу на колеса.

Силы и моменты, действующие на переднюю ось и направ­ляющие колеса, воспринимаются шкворнями и подшипниками,установленными в стойке поворотного кулака.

Поворотные кулаки штампуют из стали 40, 40Х и 45Х. Цапфы поворотного кулака рассчитывают на изгиб по опасному сечению у основания.

Шкворни поворотных кулаков изготовляют из легированных сталей 18ХГТ, 20Х, 40Х и 20ХН с последующей термической обработкой и рассчитывают на изгиб и срез. Втулки шкворней проверяют на смятие.

В большинстве случаев задние колеса, оснащенные шинами низкого давления и большого размера, соединяют с рамой без дополнительных упругих элементов. У универсальных тракторов с неодинако­выми колесами в подвеску передних колес небольшого размера с повышенным внутренним давлением включают различного вида упругие элементы.

В практике отечественного и зарубежного машиностроения наибольшее распространение получили металлические рессоры. На экспериментальных и специальных машинах применяют также пневматические, гидравлические и комбинированные упру­гие элементы.