Исследование режимов качения колеса из композиционных материалов на основе стеклопластика

Карташов А.Б., асп. / Котиев Г.О., д.т.н., проф. / Смирнов А.А., к.т.н., доц. / МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 629.015


Рисунок 1. Макет крупногабаритного колесного движителя из стеклопластика в сравнении с колесом автомобиля «Нива»

Одно из направлений решения задач перевозок тяжеловесных крупногабаритных и неделимых грузов на местности, где нецелесообразно строить дороги, — это создание специальных транспортных средств с крупногабаритными колесами.

В прошлом веке применялись специальные колесные машины с крупногабаритными шинами низкого давления типа сверхбаллон (рис. 2) [2]. В основном такими конструкциями занимались в США и Канаде до середины прошлого века. Шины-сверхбаллоны имели тонкослойный каркас с неглубоким эластичным протектором. Наружный диаметр мог достигать 3 м и более, внутреннее давление составляло от 0,02 МПа до 0,17 МПа. Большинство такого рода машин не имело подвески, отсутствие которой компенсировалось низким внутренним давлением воздуха в шинах и невысокими скоростями движения. Как правило, на таких машинах применялись бортовой способ поворота или складывающаяся рама и электрический привод колес. Увеличение наружного диаметра колесного движителя вело к значительному возрастанию веса и момента инерции колеса, а также к сложности и трудоемкости монтажа и демонтажа такого колеса [2].




Рисунок 2. Колесные машины с крупногабаритными шинами низкого давления типа сверхбаллон: а — многозвенный автопоезд с тягачом Snow Train типа 4х4; б — самоходная платформа для перевозки судов; в — амфибия Marsh Buggy на шинах-сверхбаллонах.

Другое направление — создание металлоупругих колес большого диаметра. Металлоупругие колеса разрабатывались главным образом для применения на планетоходах, к ним предъявлялся целый ряд жестких требований — они должны были обеспечивать хорошее сцепление с грунтом, быть легкими и гасить колебания шасси. Классические колеса «Лунохода» были образованы тремя титановыми ободами, соединенными между собой титановыми грунтозацепами и стальной сеткой. Применение стального обода в крупногабаритных колесах повлечет за собой неминуемое увеличение массы и момента инерции, а обеспечение демпфирующих свойств такого колеса будет непростой задачей.

Иначе обстоит дело с созданием крупногабаритных эластичных колес из композиционных материалов, а именно из стеклопластика. Такие колесные движители (рис. 1) при той же грузоподъемности, что и шины-сверхбаллоны обладают значительно меньшей массой и малым сопротивлением качению. Демпфирующие свойства обеспечиваются за счет внутреннего трения в стеклопластиковом ободе. Изготовление больших колес возможно по методу «намотки» и не вызывает технологических трудностей.

Несмотря на кажущуюся простоту, колесо является сложным устройством, работа которого в зависимости от поставленной цели и степени точности может описываться с помощью различных моделей.

Как известно, в общем случае прямолинейного движения колеса на него действуют различные силы и моменты (рис. 3).: Rx и Rz — соответственно, продольная и вертикальная реакция в пятне контакта колеса с опорным основанием; Px и Pz — соответственно, продольная и вертикальная сила, приложенная к оси колеса; Mк — крутящий момент, подводимый к колесу; Mf — момент сопротивления качению, возникающий вследствие внутренних потерь в материале колеса. В зависимости от характера и направления этих сил и моментов различают следующие режимы равномерного движения колеса по твердому основанию [3].


Рисунок 3. Режимы равномерного движения колеса: а — ведомое колесо; б — ведущее колесо; в — свободное колесо; г — нейтральное колесо; д — тормозящее колесо.

1. Ведомое колесо (рис. 3, а) — колесо приводится во вращение продольной силой Px, приложенной к оси колеса и совпадающей по направлению со скоростью Vx его продольного перемещения. Крутящий момент колеса Mк при этом равен нулю.

2. Ведущее колесо (рис. 3, б) — колесо приводится во вращение крутящим моментом Mк, вектор которого совпадает с вектором угловой скорости wк, и нагружено продольной силой Px.

3. Свободное колесо (рис. 3, в) — колесо приводится во вращение крутящим моментом Mк, а продольная сила Px равна нулю.

4. Нейтральное колесо (рис. 3, г) — колесо приводится во вращение одновременно крутящим моментом Mк и толкающей силой Px.

5. Тормозящее колесо (рис. 3, д) — колесо приводится во вращение толкающей силой Px и нагружено крутящим моментом Mк, вектор которого противоположен вектору угловой скорости wк.

Эластичное колесо, как объект исследования, обладает многообразными свойствами, проявляющимися в достаточно сложных физических явлениях, сопровождающих процесс качения. Исследованию явлений, возникающих при качении пневматической шины, посвящено большое количество работ, качение же колеса из композиционных материалов на основе стеклопластика остается недостаточно исследованным.

Таким образом, цель проводимых исследований заключается в изучении процессов, происходящих при движении колеса из композиционных материалов на основе стеклопластика.

Упругое стеклопластиковое колесо (УСК) может представлять собой обод, выполненный из стеклопластика, соединенный с помощью упругих спиц-рессор со стальной ступицей рис. 1. В качестве основных характеристик материала обода колеса приняты следующие величины: модуль упругости первого рода при изгибе E = 40000 МПа; модуль сдвига G = 56000 МПа; плотность материала p = 1900 кг/м3 [1]. Энергетические потери в материале колеса зада- ются через логарифмический декремент затухания б. Для случая, когда внутреннее трение пропорционально перемещению, б = 0,42 (на основе испытаний, проведенных на кафедре «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана).

Процесс движения упругого колеса по твердой опорной поверхности моделируется с применением метода конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе LS-Dyna, предназначенном для решения трехмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, а также связанных задач. Более подробно с методом конечных элементов и ПК LS-Dyna можно ознакомиться в имеющейся литературе, далее приводится лишь краткое описание конечных элементов, используемых при решении поставленной задачи.


Рисунок 4. Типы используемых конечных элементов: а — оболочечный 4-х узловой элемент; б — 2-х узловой комбинированный стержневой элемент.

Для моделирования обода и опорной поверхности используется оболочечный элемент Белычко-Цая (Belytschko-Tsay) (рис. 4, а). Упругие спицы-рессоры моделируются двухузловым комбинированным стержневым элементом (рис. 4, б) [4]. Общий вид конечно-элементной модели представлен на рис. 5.


Рисунок 5. Конечно-элементная модель УСК .

В статье представлены результаты моделирования трех случаев качения пластикового колеса: «ведомое колесо», «ведущее колесо» и «свободное колесо», как представляющие наибольший интерес.


Чтобы избежать ударных нагрузок и рывков силы прикладываются постепенно, как показано на рис. 6. В первую секунду прикладывается вертикальная нагрузка к оси колесного движителя. Затем, за вторую секунду, прикладываются продольная сила и крутящий момент в зависимости от режима качения.


Рисунок 6. Графики приложения нагрузок: а — вертикальная сила; б — продольная сила; в — крутящий момент.

Полученные в результате моделирования графики изменения во времени продольных реакций в пятне контакта Rx для трех режимов движения колеса представлены на рис. 7.


Рисунок 7. Графики изменения продольной реакции Rx в пятне контакта: а — ведомый режим; б — свободный режим; в — ведущий режим.

Полученные результаты не противоречат современным представлениям о качение упругого колеса. Как и следовало ожидать, в ведомом и ведущем режимах продольная реакция Rx направлена в противоположные стороны, а в свободном режиме близка к нулю. Разброс значений продольной реакции Rx во всех режимах объясняется крутильными колебаниями, наличие которых есть следствие отсутствия демпфирующего звена между ободом и ступицей колеса.

Общий вид пятна контакта обода УСК и опорной поверхности для различных режимов показан на рис. 8.




Рисунок 8. Общий вид пятна контакт в различных режимах качения УСК : а — ведомый режим; б — свободный режим; в — ведущий режим.

Стоит отметить наличие продольного смещения и несимметричность пятна контакта относительно оси УСК. В результате точка приложения суммарной вертикальной реакция Rz будет расположена перед осью вращения УСК. Это смещение a принято разделять на смещение, возникающее за счет приложения продольной силы к оси колеса, и смещение, возникающее из-за внутренних потерь в материале колеса.

Таким образом, проведенное исследование процесса качения УСК с помощью метода конечных элементов открывает новые возможности для изучения явлений, возникающих при взаимодействии УСК с опорным основанием, и делает возможной оптимизацию конструкций подобных движителей на стадии их проектирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Афанасьев Б.А., Даштиев И.З. Проектирование элементов подсистем автомобиля из композиционных материалов: Учеб. Пособие / Б.А. Афанасьева. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 136 с.

2. Кочнев Е.Д. Энциклопедия военных автомобилей 1769-2006 гг. Издание 1-е. — М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2006. — 640 с.

3. Чудаков Е.А. Теория автомобиля. — Ленинград: 1-я типография Машгиза, 1950. — 343с.

4. LS-DYNA Theoretical Manual. Edited by John O. Hallquist. Livermore Software Technology Corp, 1998, — 498 c.

Исследование режимов качения колеса из композиционных материалов на основе стеклопластика

Котиев Г.О., д.т.н., Смирнов А.А., к.т.н., Карташов А.Б., аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана

В статье обоснована актуальность создания крупногабаритных колес на основе стеклопластика и необходимость изучения их свойств с целью оптимизации конструкции на стадии проектирования. П редставлены результаты теоретических исследований качения колеса в различных режимах на основе метода конечных элементов.

RESEARCH OF VARIOUS MODES OF THE COMPOSITE FIBREGLASS WHEEL ROLLING MOTION

Kotiev G.O., PhD., Smirnov A.A., Dr., Kartashov A.B., MSc., Moscow State Technical University n.a. N.E. Baumana (MSTU)

The article proves the urgency of creation of large-sized fibreglass wheels and necessity of studying of their properties for the purpose of design optimisation on a blueprint stage. Various modes of rolling motion of the wheel were investigated by finite element method (FEM). The results of researches are represented.