1

П Е Т Р О З А В О Д С К И Й

Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т

ЛЕСОИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Тяговые машины»

ЛЕСНЫЕ МАШИНЫ

(Конспект лекций. Часть 2)

Данный конспект лекций не претендует на полноту излагаемого материала, поэтому для полного изучения отдельных вопросов необходимо использовать рекомендуемую литературу (подробно каждый вопрос рассматривается в процесе аудиторных занятий).

В конспекте изложены назначение и место лесных (мобильных) машин в лесозаготовитель ном производстве, общая и тяговая динамика колесных и гусеничных машин (тяговый баланс автомобилей и тракторов, тягово – скоростные характеристики и мощностной баланс, проходимость, устойчивость и общая динамика лесных машин.). Рассмотрены типы трансмиссий, их устройство и принцип действия (достоинства и недостатки), требования, предъявляемые к ним; рассмотрены элементы схем механических и гидравлических трансмиссий (сцепления, коробки передач, раздаточные коробки, карданные и главные передачи, дифференциал и его кинематика и статика, механизмы поворота гусеничных машин, основы теории поворота гусеничных (трелевочных) машин, определение основных параметров поворота и тормозных систем, элементы рулевого управления, установка управляемых колес и др., схемы гидромуфты и гидротрансформатора, их характеристики).

В заключение приведены краткие сведения о ходовых системах колесных машин, подвесках колесных и гусеничных машин.

Конспект может быть использован при изучении следующих дисциплин :

«Теория и конструкция колесных и гусеничных машин»,

«Трансмиссии мобильных машин»,

«Трансмиссии и механизмы управления лесных машин»,

«Лесотранспортные машины»,

«Лесозаготовительные машины»

и может быть полезен студентам и аспирантам, занимающимся тяговыми расчетами колесных и гусеничных машин при курсовом и дипломном проектировании, исследованием тягово – сцепных качеств, основ теории поворота и др. лесных и машин общего назначения.

Конспект разработан профессором кафедры «Тяговые машины»

М. И. Куликовым

ВВЕДЕНИЕ

Ведущее место в механизации лесопромышленных работ все большее и большее место занимают лесные машины. Лесные машины – машины применяемые в лесной промышленности для транспортировки леса, которая включает подвозку (трелевку) и вывозку леса (колесные и гусеничные тракторы, лесовозные автомобили и др.). Базой для большинства лесных машин служат автомобили и тракторы общего назначения (ЗИЛ, МАЗ,Урал, КамАЗ, КРАЗ, Т-130, МТЗ-82, и др.). К лесным машинам предъявляется ряд требований, основными из которых являются:

1.Соответствие конструкции машины условиям эксплуатации и обеспечение высокопроизводительной работы.

2.Высокие тягово-динамические качества, высокая проходимость, хорошее сцепление движителя с грунтом, высокая маневренность, хорошая приспособляемость для эксплуатации в различных климатических условиях и др.

3.Перспективность конструкции, дающая возможность длительное время модернизировать первоначальную базовую модель.

4.Высокая надежность и износостойкость деталей, узлов и агрегатов, их унификация.

5.Высокая экономичность – минимальные затраты на ГСМ, запчасти, техобслуживание и проч.

Кроме того, к лесовозным автомобилям предъявляются дополнительные требования: увеличение рейсовой нагрузки, повышение скорости движения и улучшение проходимости.

Выполнение этих требований обычно достигается увеличением мощности двигателя, приходящейся на тонну массы автопоезда и увеличением его общей грузоподъемности. Из года в год возрастают мощности автомобильных двигателей и грузоподъемность автопоездов(ЗИЛ-131-110 кВт-12.0 т; МАЗ-509-132 кВт-17.0 т; КРАЗ-255 – 176 кВт-23.0 т; КРАЗ-260-220 кВт-29,0 т).

Совершенствование трансмиссии и ходовых систем играют ведущую роль в увеличении средней скорости движения автомобиля и повышения его проходимости. Трелевка леса производится специальными тракторами – трелевочными, транспортирующими древесину в полупогруженном положении. В последние годы ведется интенсивная разработка новых конструкций специальных машин.

Впервые трелевочные тракторы были созданы в СССР – 1946 г.В основном на лесосечных работах применяются гусеничные машины, имеющие лучшую проходимость, чем колесные (большинство лесозаготовок производится в районах с малой несущей способностью грунтов). Однако, достоинства колесного движителя – высокие скорости движения, плавность хода и др. заставили конструкторов пойти по пути разработки новых колесных машин с повышенной проходимостью (ТЛК-4, ТЛК-6, ШЛК и др.).

Повышение производительности и тягово-сцепных качеств гусеничных тракторов достигается увеличением грузоподъемности и мощности двигателей.

ПЕРЕДАЧА КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ ВЕДУЩИМ

КОЛЕСАМ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ. КПД ТРАНСМИССИИ

На современных автомобилях и тракторах, как зарубежных, так и отечественных, применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в развитии которых установилась тенденция к увеличению их быстроходности. Это приводит к их компактности и малому весу. Однако, с другой стороны это приводит к тому, что крутящий момент на валу этих двигателей значительно меньше момента, который должен быть подведен к ведущим колесам машины, несмотря на сравнительно большую мощность этих двигателей. Следовательно, для получения на ведущих колесах необходимого для движения крутящего момента нужно в систему – "двигатель – ведущие колеса", ввести дополни тельное устройство, обеспечивающее не только передачу момента двигателя, но и его увеличение. Роль этого устройства на современных автомобилях и тракторах выполняет трансмиссия. В трансмиссию входит целый ряд механизмов: сцепление, коробка передач, карданная, главная, конечная (бор товая) передачи, механизмы поворота, и дополнительные редукторы (раздаточные коробки), устанавливающие постоянное передаточное число. Момент от двигателя передается коробке передач посредством муфт сцепления. На современных машинах основное распространение получили фрикционные муфты сцепления. Отношение момента трения муфты М_м к номинальному моменту двигателя Ме называется коэффициентом запаса муфты сцепления β:

β=М_м / М_е (1)

Величина этого коэффициента изменяется в широком диапазоне (1.5 - 3.8) для грузовых автомобилей и тракторов и выбирается из условий величины работы трения при буксовании в период разгона тракторного агрегата, а также предохранения от поломок деталей двигателя и трансмиссии при возможных перегрузках.

При выборе коэффициента β учитывают также возможное изменение коэффициента трения дисков муфты, уменьшение силы давления пружин из-за износа поверхностей трения и др. От муфты сцепления крутящий момент через коробку передач и другие элементы трансмиссии передается ведущим колесам. При отсутствии буксования между ведущими и ведомыми дисками муфты сцепления (δ_сцеп=0) передаточное число трансмиссии в общем виде определится: i_тр=ω_е/ω_к = n_е/n_к , (2)

где ω_е и n_е – соответственно угловая скорость и частота вращения коленчатого вала двигателя;

ω_к и n_к - соответственно угловая скорость и частота вращения ведущих колес.

Равенство (2) можно представить в виде:

i_тр=i_к∙i_рк∙i_гл∙ii_кп = i_к∙i_рк∙i_о , (2΄)

где i_к – передаточное число коробки передач;

i_рк – передаточное число раздаточной коробки;

i_гл – передаточное число главной (центральной) передачи;

i - передаточное число механизма поворота;

i_кп – передаточное число конечной (бортовой) передачи;

i_о–постоянное передаточное число осуществленное в главной, механизме поворота, и конечной передачах, а также в других редукторах трансмиссии.

Крутящий момент на ведущих колесах машины определяется:

М_к=М_е∙i_тр∙η_тр , (3)

η_тр – КПД трансмиссии, который определяется из соотношения:

η_тр=N_к/N_e=(N_e - N_тр)/N_e=1-(N_тр / N_e) , (4)

где N_к – мощность, подводимая к ведущим колесам;

N_тр – мощность, теряемая в трансмиссии.

КПД трансмиссии η_тр учитывает механические потери, которые имеют место в подшипниках, зубчатых сопряжениях коробки передач, центральной и конечной передачах и потери при взбалтывании масла. КПД трансмиссии обычно определяется экспериментально. Он зависит от типа конструкции трансмиссии, качества изготовления и ее сборки, от степени загрузки, вязкости масла и т.д. КПД современных автомобильных и тракторных трансмиссий при номинальном режиме работы находится в пределах 0.8..0.93 и зависит от числа пар шестерен включенных последовательно η_кп=0.97..0.98; η_ц.п.=0.975..0.990.

В соответствии с этим величина η_тр приближенно может подсчитываться:

η_тр= η_ц.п.∙η_кп (4΄)

Без учета потерь при холостом ходе:

η_хол=1-М_хол / М_е , (5)

где М_хол – приведенный к первичному валу трансмиссии момент сопротивления, возникаю щий при холостом прокручивании трансмиссии.

m ц, m к - число пар соответственно цилиндрических и конических шестерен.

Радиусы качения колеса

Автомобиль (трактор) движется в результате действия на него различных сил, которые делятся на движущие силы и силы сопротивления движению. Основной движущей силой является тяговая сила, приложенная к ведущим колесам. Тяговая сила возникает в результате работы двигателя и вызвана взаимодействием ведущих колес с дорогой. Тяговую силу P_к определяют как отношение крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес при равномерном движении автомобиля. Следовательно, для определения тяговой силы необходимо знать величину радиуса ведущего колеса. Поскольку на колеса автомобиля устанавливаются эластичные пневматические шины, то величина радиуса колеса во время движения изменяется. В связи с этим различают следующие радиусы колес:

1.Номинальный – радиус колеса в свободном состоянии: r_н=d/2+H, (6)

где d – диаметр обода (посадочный диаметр шины), м;

H – полная высота профиля шины, м.

2.Статический r_с – расстояние от поверхности дороги до оси нагруженного неподвижного колеса.

r_с=(d/2+H)∙λ , (7)

где λ–коэффициент радиальной деформации шины.

3.Динамический r_д–расстояние от поверхности дороги до оси катящегося нагру женного колеса. Этот радиус увеличивается с уменьшением воспринимаемой нагрузки колесом G_к и увеличением внутреннего давления воздуха в шине p_ш.

При увеличении скорости автомобиля под действием центробежных сил шина растягивается в радиальном направлении, вследствие чего радиус r_д увеличивается. При качении колеса изменяется и деформация поверхности качения в сравнении с неподвижным колесом. Поэтому плечо приложения равнодействующих касательных реакций дороги r_д отличается от r_с. Однако, как показали эксперименты, для практических тяговых расчетов можно принимать r_с ~ r_д.

4. Кинематический радиус (качения) колеса r_к – радиус такого условного недеформирующегося кольца, которое имеет с данным эластичным колесом одинаковую угловую и линейную скорости.

У колеса, катящегося под действием крутящего момента, элементы протектора, входящие в контакт с дорогой, сжаты, и колесо при равных частотах вращения проходит меньший путь, чем во время свободного качения; у колеса же, нагруженного тормозным моментом элементы протектора, входящие в контакт с дорогой, растянуты. Поэтому тормозное колесо проходит при равных числах оборотов несколько больший путь, чем свободно катящееся колесо. Таким образом, под действием крутящего момента радиус r_к – уменьшается, а под действием тормозного момента – увеличивается. Для определения величины r_к методом “меловых отпечатков” на дороге мелом или краской наносят поперечную линию, на которую накатывается колесо автомобиля, а затем оставляет на дороге отпечатки.

Замерив расстояние l между крайними отпечатками, определяют радиус качения по формуле: r_к = l / 2π∙n , (8)

где n – частота вращения колеса, соответствующая расстоянию l .

В случае полного буксования колеса расстояние l = 0 и радиус r_к = 0. Во время скольжения не вращающихся колес (“ЮЗ”) частота вращения n=0 и r_к .