Проектирование строительных и дорожных машин

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

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.

Вбольшинстве случаев задние колеса, оснащенные шинами низкого давления и большого размера, соединяют с рамой без дополнительных упругих элементов. В универсальных тракторах с неодинаковыми колесами в подвеску передних колес небольшого размера

сповышенным внутренним давлением включают различного вида упругие элементы.

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

19.Конструирование гусеничных движителей

19.1. Общие сведения

Гусеничный движитель, как и другие типы движителей (колесный, гребной и воздушный винты и др.) служит для преобразования получаемого от двигателя усилия в процессе взаимодействия с внешней средой в тяговое усилие, движущее машину. Только реактивный

367

машин по условиям железнодорожных перевозок (не более 3,25 м); во-вторых, при увеличении ширины трака вес его при условии обеспечения равнопрочности растет примерно пропорционально квадрату отношения ширин. Увеличение веса повышает динамические усилия в гусеницах (особенно для быстроходных машин), снижает КПД, повышает динамические нагрузки и износ. Поэтому для работы некоторых типов гусеничных машин в особо тяжелых условиях рекомендуется применение временных уширителей гусениц.

Рис. 19.2. Типовые схемы гусеничных движителей

Узкая, но более длинная гусеница при равных qср обеспечивает меньшие сопротивления движению в обычных условиях, имеет меньшую склонность к буксованию.

Проходимость по мостам, льду и по болотам с плотным дерновым покровом, но слабым основанием зависит при прочих равных условиях от общего веса машины, от периметра опорной поверхности.

Коэффициент полезного действия движителя зависит от типа и конструкции шарниров гусеничных цепей, от расположения ведущих колес, от конструкции зацепления гусеницы с ведущим колесом, от веса гусеницы, т. е. от величины динамического ее натяжения, определяющего потери на трение в шарнирах.

Более высокий КПД и более высокую проходимость имеют гусеницы с резинометаллическим шарниром, еще выше – с игольчатыми подшипниками в шарнире. Но у первых и тем более у вторых вес получается больше и конструкция сложнее.

Потери на трение в шарнирах меньше при расположении ведущего колеса в кормовой части машины (рис. 19.2, а, б) по сравнению с носовым его расположением, т. к. при этом количество шар-

370

ниров гусеницы, нагруженных тяговым усилием, и точек их перегиба уменьшается. Не нагружена в этом случае верхняя передняя ветвь гусеницы, как это имеет место в схемах на рис. 19.2, в, г.

Долговечность движителя определяется в основном износостойкостью шарниров гусеничных цепей и зацепления их с ведущим колесом. Гусеницы с открытым металлическим шарниром имеют самую низкую износостойкость. Срок службы ее не превышает в большинстве случаев 2000–3000 км. Гусеницы с резинометаллическим шарниром могут обеспечить срок службы до 5000–8000 км, гусеницы с игольчатыми подшипниками – несколько десятков тысяч км.

Сравнительная оценка гусеничного и колесного движителя.

Гусеничный движитель обладает безусловными преимуществами перед колесным при движении по мягким и топким грунтам: меньше осадка (т. к. меньше удельные давления), меньше вследствие этого сопротивление движению, лучше сцепные качества (из-за более развитой опорной поверхности), меньше буксование.

Специальные колесные машины высокой проходимости, получившие развитие в последние годы (с колесами большого диаметра, с шинами низкого давления, с пневмокатками и т. д.) дают уменьшение осадки и сопротивления движению, но буксование их все равно значительно выше, чем у гусеничных машин.

Гусеничный движитель имеет бесспорные преимущества в преодолении препятствий, что также повышает его проходимость по сравнению с колесным. Многоосные многоприводные колесные машины в этом отношении также уступают гусеничным. Кроме того, следует учитывать, что привод колес этих машин значительно сложнее. Только количество межколесных и межосевых дифференциалов у них достигает шести-семи вместо одного у гусеничной машины.

Гусеничный движитель обеспечивает значительно лучшую маневренность машины (наименьший радиус поворота равен B2 или

даже нулю у машин с двухпоточными передачами).

Для машин среднего и тяжелого классов из-за ограничения нагрузки на ось колес с пневмошинами приходится применять колеса большого диаметра (до 3 м) и ширины (до 2 м), что резко увеличивает габариты и вес движителя и машины в целом. Габариты движителя пятидесятитонной гусеничной машины и пятитонной колесной примерно одинаковы.

371

Существенными недостатками гусеничного движителя по сравнению с колесным являются сравнительно низкий КПД и значительно меньшая долговечность. При движении по хорошим дорогам и твердым грунтам колесный движитель имеет преимущество – меньшее сопротивление движению.

Классификация. Гусеничные движители, применяемые в современных машинах, могут быть:

1)с приподнятыми или несущими направляющими колесами;

2)с передним или задним расположением ведущих колес;

3)с поддерживающими катками или без них;

4)с различным типом шарнира гусеницы: с резино-металлически- ми шарнирами, с открытым шарниром, с игольчатыми подшипниками.

Компоновка ходовой системы. При компоновке ходовой системы гусеничной машины сначала составляется компоновочная схема (рис. 19.3), выбираются ее основные элементы и параметры, а затем ведется конструктивная проработка и расчет узлов, входящих в эту схему. К гусеничному движителю относятся следующие основные узлы ходовой системы: гусеничные цепи, ведущие колеса, опорные катки, поддерживающие катки (или ролики), направляющие колеса

смеханизмом натяжения гусениц.

Рис. 19.3. Компоновочная схема гусеничного движителя

Основные компоновочные схемы, нашедшие применение в быстроходных гусеничных машинах, приведены на рис. 19.2.

Схемы на рис. 19.2, а и б имеют заднее расположение ведущих колес. О преимуществах такого решения говорилось выше. Однако вопрос о расположении ведущих колес решается обычно не при разработке ходовой системы, а при общей компоновке машины и зависит главным образом от места расположения трансмиссии. В схемах на рис. 19.2, в и г ведущие колеса расположены в носовой части корпуса. В схеме на рис. 19.2, в направляющее колесо опущено на

372

грунт, в этом случае оно должно быть обязательно подрессорено. Очевидно, что эта схема может быть реализована при переднем расположении ведущих колес. Преимущество ее заключается в увеличении площади опорной поверхности гусениц при том же весе ходовой части, что дает, как уже известно, снижение удельных давлений, улучшение проходимости машины, но при этом снижается способность машины к преодолению препятствий на заднем ходу.

Схема на рис. 19.2, г имеет большое количество опорных катков большого диаметра, расположенных в шахматном порядке. О преимуществах и недостатках этой схемы говорилось выше.

При наличии опорных катков большого диаметра и отсутствии поддерживающих катков (рис. 19.2, б и г) движитель имеет меньшую высоту, улучшаются условия работы резиновых шин. Однако при движении с большими скоростями верхняя ветвь гусеницы начинает совершать значительные вертикальные колебания, бьет по опорным каткам, создает в движителе большие динамические нагрузки и увеличивает потери. Для быстроходных машин наиболее приемлемой, как правило, является схема, показанная на рис. 19.2, а (как с задним, так и с передним расположением ведущего колеса).

При выборе размеров опорных катков (Dоп), направляющих и ведущих колес rнк и rвк следует иметь в виду, что чем больше их диаметр, тем меньше углы поворота в шарнирах гусеницы, т. е. тем меньше потери энергии в них и выше долговечность гусеницы.

Клиренс машины Нк (см. рис. 19.3) для обеспечения хорошей проходимости выбирается в пределах 400–500 мм. Углы между наклонными ветвями гусениц и дорогой, а также высота расположения оси направляющего (или переднего ведущего) колеса hнк выбираются из условия лучшего обеспечения преодоления препятствий

впределах компоновки корпуса. Обычно hнк = 0,75–1 м; углы наклона ветвей гусеницы: передней α ≈ 40–45°, задней β ≈ 20–25°. Длина опорной поверхности L и ширина трака b устанавливаются

всоответствии с требованием обеспечения заданной величины qср.

19.2. Гусеничные цепи с шарниром сухого трения

Такие гусеницы получили наибольшее распространение (рис. 19.4). Их достоинства: простота конструкции, сравнительно малый вес, вы-

373

сокая надежность. При этом имеют место существенные недостатки: низкая износостойкость и малый срок службы, т. е. низкое значение КПД, особенно на высоких (св. 50 км/ч) скоростях движения.

Рис. 19.4. Элементы гусеницы с открытым металлическим шарниром: 1, 2 – траки; 3 – соединительный палец

Могут быть применены и полузакрытые шарниры с лабиринтом для ограничения попадания в него абразива. Однако пока значительного эффекта эти мероприятия не дали, в то время как конструкция усложнилась и вес несколько повысился.

Для литых траков применяется сталь Г-13Л (с калибровкой проушин), для штампованных – 35ХГ2, 27СГТ, ЗЗХГС и т. д., для пальцев – 38СХ, 40ХСА, 32ХСА, 37ХСА, 27СГ, 60Г. Твердость проушин НRС 18-45, пальцев (при глубине цементации 0,8–1,2 мм) –

НRС 35-55.

19.3.Гусеничные цепи

срезинометаллическим упругим шарниром

Вкольцевых резинометаллических шарнирах (РМШ), получивших распространение в гусеницах транспортных гусеничных машин, трение скольжения пальца в проушинах трака заменяется внутренним трением в резиновой втулке, возникающим вследствие деформации концентрического сдвига в пальце при относительном повороте траков. Втулки привулканизируются к пальцам и затем запрессовываются в проушины с высокой степенью обжатия (до 30–40 %), исключающей проворачивание их в проушине. Эти втулки подвергаются

374

также значительному радиальному сжатию при запрессовке и одностороннему сжатию от усилий, передаваемых гусеницей.

Разрушение шарнира происходит в результате усталости резины под действием знакопеременных напряжений. В связи с тем, что в резине при деформации из-за значительного внутреннего трения имеют место заметно выраженные гистерезисные явления (усилие разгрузки меньше усилия нагрузки), одним из факторов, снижающих срок службы РМШ, является их перегрев в процессе интенсивного движения.

Поскольку на работоспособность РМШ оказывают значительное влияние величины деформаций и напряжений как от сдвига в резиновой втулке, так и от сжатия ее, при конструировании гусеницы с РМШ стремятся к уменьшению и тех, и других напряжений.

Деформация сдвига в шарнире и величина касательных напряжений в нем пропорциональны углу γ поворота одного трака относительно другого. Величина эта зависит от диаметров колес и катков, образующих гусеничный обвод, и от шага гусеницы. Чем меньше шаг гусеницы, тем меньше угол γ. Однако с уменьшением шага увеличивается число траков в гусенице и число шарниров, что приводит к неизбежному увеличению веса. Вторым препятствием к уменьшению шага гусеницы является уменьшение прочности трака из-за уменьшения перемычек между проушинами.

19.4 Ведущие колеса

Ведущие колеса, преобразующие крутящий момент, передаваемый от двигателя через трансмиссию, в силу тяги на гусеницах, являются одним из важных узлов ходовой части, качество конструкции которого не только определяет работоспособность самих элементов зацепления, но и оказывает непосредственное динамическое воздействие на работу всех механизмов – от вала двигателя до опорных поверхностей гусениц. Сложность обеспечения нормальной работы зацепления гусеницы с ведущим колесом вызывается самим характером работы движителя в широком диапазоне постоянно меняющихся по величине и направлению динамических усилий при движении в разнообразных условиях местности (движение вперед, назад, поворот, разгон, торможение, преодоление препятствий, колебания корпуса).

375

Основные требования. К ведущим колесам предъявляются следующие требования.

1.Надежное зацепление с гусеницей как в ведущем, так и в тормозном режиме независимо от износа гусеницы. Требование это обеспечивается правильным выбором геометрии зацепления. Оно выполняется легче и полнее при гусеницах, шаг которых в процессе эксплуатации не изменяется или изменяется мало.

2.Высокая износостойкость зубьев ведущих колес. Обеспечивается также геометрией зацепления и подбором износостойких материалов для зубчатых венцов и технологическими мероприятиями по повышению их поверхностной твердости.

3.Самоочистка от грязи и снега. Обеспечивается специальными конструктивными мероприятиями (окна в корпусе колеса, специальные кронштейны – снегоочистители).

Ведущие колеса обычно выполняются разъемными: из ступицы

изубчатых венцов. Венцов обычно ставится два, исключение составляют иногда машины легкой весовой категории. Наличие двух венцов, во-первых, изменяет нагрузку в зацеплении, уменьшая его износ; во-вторых, повышает устойчивость гусеницы в продольном направлении. Съемные зубчатые венцы можно заменять по мере износа. Кроме того, можно изготавливать ступицы и венцы из разных материалов, подбирать для венцов специальные износостойкие стали. Для венцов используются стали ЛГ-13Л, У12Г и др. Рабочие поверхности зубьев подвергаются термообработке на твердость, которая должна составлять приблизительно НRС 50–60. Для повышения твердости зубьев применяется также наплавка их поверхности материалами особо высокой твердости.

Ведущие колеса устанавливаются или на кронштейне бортовой передачи, или непосредственно на валу бортовой передачи (применяется на легких машинах). В первом случае радиальные усилия от гусеницы воспринимаются через подшипники кронштейном и не передаются на вал бортовой передачи. Во втором случае, очевидно, вал и подшипники бортовой передачи нагружаются усилиями от гусеницы, однако при этом проще конструкция и монтаж и демонтаж ведущего колеса.

Конструкция элементов зацепления ведущих колес с гусеницей должна обеспечивать:

а) безударную передачу усилия; б) свободный вход и выход элементов гусеницы из зацепления;

376