Повышение устойчивости трицикла при движении по горному склону за счет стабилизации остова

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформули- рована цель и определены задачи исследований, приводятся сведения о науч- ной новизне и практической значимости работы, апробации полученных ре- зультатов и положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации проведен анализ работ, посвященных ре- шению вопросов управляемости и поперечной устойчивости колесных ма- шин, в том числе трициклов, среди которых исследования авторов:
А.С. Литвинова, Г.И. Мамити, М.С. Льянова, А.Е. Гагкуева, С.М. Огородно- ва, С.Х. Плиева, В.Б. Тедеева, Н.М. Филькина, Е.В. Балакиной, К.Е. Кониева, Г.О. Котиева, В.А. Умняшкина, С.В. Бахмутова и др. Проанализированы тру-
ды научных школ НАМИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАМИ, МАДИ, ВолгГТУ, ИжГТУ им. М.Т. Колашникова, НГТУ им. Р.Е. Алексеева по дан- ному направлению.
Отмечено, что повышения курсовой устойчивости и устойчивости про- тив опрокидывания трицикла на склонах можно достичь применением кон- струкций с регулируемым положением остова.
Вторая глава посвящена математическому моделированию курсовой устойчивости и устойчивости против опрокидывания трицикла при движе- нии в поперечном направлении горных склонов.
Для решения задачи по повышению устойчивости трицикла на склоне необходимо выявить теоретическую зависимость влияния факторов, обуслав- ливающих отклонение объекта от заданного курса движения и тем или иным образом воздействовать на них.
Моделирование движения трицикла на склоне возможно, на основе про- странственной или плоской расчетных схем. Трицикл, как и автомобиль пред- ставляет собой механическую систему с разнообразным характером связей от- дельных элементов и сложными законами их отдельных перемещений. При ре- шении различных задач можно пренебрегать теми или иными относительными перемещениями элементов системы. При определении понятий “управляе- мость” и “устойчивость” можно считать трицикл не системой, а твердым телом.
Анализ показывает, что для исследования прямолинейного установивше- гося движения объекта целесообразно и достаточно рассмотреть плоскую рас- четную схему. На рисунке 2 представлена расчетная схема сил и реакций, дей- ствующих на трицикл, при установившемся движении в поперечном направле- нии склона крутизной .
Рисунок 2 – Схема сил, действующих на трицикл при движении в поперечном направлении склона (вдоль горизонталей склона)
Расположение силы тяжести G определяется координатами B/2 и h, здесь В – колея трицикла; h – расстояние от центра масс по нормали до плоскости склона. При этом исключен поворот управляемого переднего колеса, то есть трицикл движется с зафиксированным рулевым управлением. В таком случае отклонение объекта от заданной горизонтали склона возможно от действия трех определяющих факторов: отклоняющего момента, бокового увода пневматиче- ских шин и сползания (поперечного скольжение движителей при недостаточ- ном их сцеплении с опорной поверхностью).
При движении трицикла в поперечном направлении склона, вдоль го- ризонталей, на его движители действует касательная сила тяги P, сила сопро- тивления качению F, нормальные реакции Z, боковая реакция Y возникающая от составляющей силы тяжести, боковая сила G sinα.
Ввиду перераспределения веса трицикла при наклоне его остова для каждого из трех колес, названные силы и реакции имеют отличные друг от друга значения.
Трицикл с зафиксированным рулевым управлением на склоне движется по криволинейной траектории из-за действия факторов, создающих отклоня- ющий момент М.
Трицикл двигаясь поперек склона, отклоняется от заданного направле- ния движения (горизонтали склона) на угол γ. Для того, чтобы установить за- висимость γ, от конструктивных и эксплуатационных параметров трицикла, было составлено уравнения моментов относительно точки 0:
M Yl Yl [(P F )(P F )]B/20. (1) 0 зз nn зв зв зн зн
Углы бокового увода могут быть определены при помощи схемы дви- жения шасси на склоне (рис. 3).
Рисунок 3 – Схема движения трицикла в поперечном направлении склона с учётом бокового увода колёс
Принимая углы малые по величине, приближенно получим:
tgз з; (2)
tgn n. (3)
На основе ряда принятых допущений была получена формула курсо- вого угла, которая в общем виде определяет его зависимость от основных си- ловых, конструктивных и эксплуатационных параметров:
 (2VtGsinfh)/(KL ), (4)
здесь Ѵ – скорость движения трицикла;
t – время, через которое определяется курсовой угол; f – коэффициент сопротивления качению;
h – высота центра масс трицикла;
K– коэффициент сопротивления уводу;
L – продольная база трицикла.
Если учитывать смещение центра масс от продольной оси трицикла в
сторону возвышенности склона d  (h  h0 ) sin v , т.е., наклон остова в сторону возвышенности склона на угол ν, курсовой угол определяется как:
 2VtGsinf(n-d)/(KL), (5) 2
здесь ν- наклон остова трицикла; d  (h  h0 ) sin v – перемещение центра
масс от продольной оси трицикла в сторону возвышенности склона; nasin -плечоприложениянормальнойкопорнойповерхностисостав- ляющей силы тяжести;  – угол между осью симметрии трицикла и осью
опрокидывания.
Следовательно, курсовой угол, или угол межу фактическим и заданным
направлением движения на склоне, находится в прямой зависимости от ско- рости движения, времени, составляющей веса, сопротивления качению колёс, расположения центра тяжести объекта и в обратной зависимости от жестко- сти шин и квадрата его продольной базы.
Рисунок 4 – Схема сил и реакций, действующие на трицикл при движении в поперечном направление склона.
Здесь Z1 X1 – реакции, действующие на заднее нижнее колесо; Z2, X2 – реакции, действующие на заднее верхнее колесо; Zп, Xп – реакции, действу- ющие на переднее колесо; а, b, h- координаты центра масс; G – сила тяжести трицикла; G sin , G cos – составляющие силы тяжести трицикла; ν – наклон остова трицикла; d – смещение центра масс от продольной оси три- цикла в сторону возвышенности склона.
Для предотвращения опрокидывания трицикла при пребывании или пря- молинейном движении по косогору должно, выполнятся условие:
G sin  h  G cos  а sin  , (6) 10

здесь G sin , G cos – составляющая веса трицикла нормальная к опорной поверхности; G-вес трицикла; n  a  sin  – плечо приложения нор- мальной к опорной поверхности, составляющей силы тяжести, в случае если остов находится в естественном положении; α – угол косогора; β – угол между осью симметрии трицикла и осью опрокидывания; а – расстояния от перед- ней оси трицикла до центра масс.
Таким образом, если брать за основу характеристики исследуемого объекта, условия предотвращения опрокидывания трицикла при пребывании или прямолинейном движении по косогору будет соблюдаться на склонах крутизной до 0.506 рад., (29°).
Если учитывать смещение центра масс в сторону возвышенности скло- на, то условие (6) примет вид:
G(hh0)sinvcos Gncos, (7)
здесь h0 – высота расположения оси наклона остова.
Если остов трицикла наклонен в сторону возвышенности склонна, про- межуточные параметры примут определённые значения:
h (rarbcosv)/L; (8) 021
d (hh0)sinv; (9) rsinv/ (Β/2)2L2; (10)
n  (d  atg   )  cos (   )  b  sin  / cos  , (11)
здесь d – перемещения центра масс от продольной оси в сторону воз- вышенности склона; ξ – угол соответствующий перемещению центра пятна контакта шины; n – плечо приложения силы тяжести трицикла, в случае ес- ли остов наклонен в сторону возвышенности склона.
Необходимо отметить, что трицикл без стабилизации остова может прибывать и двигается прямолинейно на склонах крутизной до 0.506 рад (29°) без опрокидывания, а при смещении центра масс от продольной оси трицкла в сторону возвышенности склона, т.е. наклона остова в сторону воз- вышенности склона, трицикл может прибывать и двигается в поперечном направлении склона без бокового опрокидывания на склонах крутизной до 0.786 рад (45°) т.е., устойчивость против опрокидывания возрастает.
Минимальное плечо приложения силы тяжести трицикла относительно оси опрокидывания n  a  sin  , получим в случае, когда остов не наклонен в сторону возвышенности склона. Наклон остова трицикла в сторону возвы- шенности оправдан, так как центр масс расположен выше оси наклона осто- ва. Только в этом случае при наклоне остова трицикла на угол ν, центр тяже- сти трицикла переместится в сторону возвышенности склона на определен- ное расстояние d  (h  h0 ) sin v , что будет содействовать большей устойчи- вости трицикла против опрокидывания, а также способствует уменьшению отклоняющего момента.
Третья глава посвящена моделированию движения трицикла на склоне с использованием программы «Универсальный механизм».
Для определения курсовой устойчивости трицикла на склоне, модель приводится в движения и двигается на протяжении 50 метров вдоль заданной горизонтали имитируемого склона, с каждым метром ее движения без стабили- зации остова, происходит отклонение модели от заданного курса движения. При сохранении вертикальности оси остова трицикла, отклонения от заданного курса движения уменьшаются.
аб
Рисунок 5 – Отклонения трицикла от горизонтали склона крутизной 0.209
рад (12°):
а- без стабилизации остова; б- с учетом стабилизации остова
-точка начала движения трицикла -горизонталь склона
-отклонение трицикла от горизонтали склона
а
б
Рисунок 6 – График отклонения трицикла от горизонтали склона крутизной 0.209 рад (12°):
а – положение остова естественное; б – остов трицикла вертикален.
Таким образом, можно заметить четкую тенденцию – отклонения три- цикла от заданной горизонтали склона уменьшаются при сохранении верти- кальности оси его остова. То есть результаты вычислительного эксперимента подтвердили теоретические предположения.
Для определения критического угла косогора по опрокидыванию и возможности влияния стабилизацией остова на повышение устойчивости против бокового опрокидывания при движении трицикла по склону, прово- дилось имитационное моделирование движения трицикла в поперечном направлении склона. В ходе проведения моделирования определялся момент отрыва колеса от опорной поверхности, критический угол косогора при ко- тором происходит опрокидывание трицикла, а также возможность влияния стабилизацией остова на устойчивость против опрокидывания.
На рисунках 7-9 изображены: физическая модель трицикла, графики отклонения модели от горизонтали склона и начало опрокидывания трицик- ла.
Рисунок 7 – Неустойчивое движение трицикла без стабилизации остова на склоне 0.437 рад (25°) с моментами отрыва колеса от опорной поверхности – отрыв верхнего по склону колеса задней оси от опорной поверхности
– возвращение верхнего по склону колеса задней оси на опорную по- верхность.
На рисунке 7 модель трицикла приводится в движения и двигается по имитируемому склону крутизной 0.437 рад. В начале моделирования появля- ется нестабильное движение трицикла с отрывами верхнего по склону колеса задней оси и возращением обратно на опорную поверхность. После чего, как видно из рисунка 7, через 7 – 8 метров, движение нормализуется и трицикл движется с существенным отклонением от заданной горизонтали склона, вниз по склону.
13

Рисунок 8 – Боковое опрокидывание трицикла без стабилизации остова на склоне крутизной 0.472 рад (27°)
– начало опрокидывания трицикла.
На рисунке 8 показано моделирование движения трицикла на склоне крутизной 0.472 рад (27°), после начала движения трицикл находится в со- стоянии неустойчивого равновесия, которое привело к отрыву верхнего по склону колеса задней оси от опорной поверхности и через 1метр пути насту- пило опрокидывание транспортного средства.
Рисунок 9 – Движение трицикла со стабилизацией остова на склоне 0.786 рад (45°) без опрокидывания.
В процессе исследования, имитационное моделирование показало эф- фективность стабилизации остова трицикла на склоне, с целью повышения устойчивости против бокового опрокидывания, так при сохранении верти- кальности оси остова трицикла на склоне, объект может прибывать и двига- ется на склонах до 0.786 рад (45°) без бокового опрокидывания (рис.9).
В четвертой главе приведены результаты натурных испытаний три- цикла с наклоняющимся остовом при движении вдоль заданных горизонта- лей склона.
Объектом исследований являлся трицикл классической компоновки с изменяющейся геометрией (возможность наклона остова) на базе трицикла китайского производства XY250ZH. На нем смонтирован механизм накло- няющий кузов трицикла относительно ведущего моста влево и вправо. Это позволяет повысить курсовую устойчивость трицикла и устойчивость против опрокидывания на склонах.
14

Для испытаний были подготовлены два склона 0.104 рад, (6°) и 0.209 рад., (12°) где были размечены горизонтали склона с использованием ниве- лира.
Испытания проводились для пяти значений угла наклона остова, для склона 0.209 рад (12°): естественный наклон остова 0.209 рад; 0.104 рад; 0 рад; -0.08 рад; – 0.174 рад. Для склона 0.104 рад (6°): естественное положения остова 0.104 рад; 0.052 рад; 0 рад; – 0.08 рад; – 0.174 рад. Для каждого из уг- лов наклона кузова проводилось по 7 заездов. Всего на каждом склоне полу- чилось по 35 заездов.
Трицикл с жестко фиксированным положением рулевого управления ставился в нулевую точку, приводился в движение и двигался на протяжении 50 метров, вдоль заданной горизонтали склона, с каждым метром его движе- ния происходили отклонения от горизонтали склона (рис. 10). После этого трицикл останавливался, выставлялись новые значения параметров и прово- дился новый заезд. При выравнивании остова трицикла отклонения от гори- зонтали уменьшались.
Рисунок 10 – Заезд трицикла на склоне
Через каждые пять метров движения трицикла по склону производился замер отклонения от заданной горизонтали склона, значения записывались в журнал для испытаний. Также для фиксации и записи данных испытаний ис- пользовалась цифровая измерительная система Zet-lab 230 подключенная к ноутбуку (рис.11). На трицикл были установлены датчик положения и датчик ускорения. Первый фиксировал наклон кузова, а второй ускорение трицикла. Сигналы с датчиков через цифровой преобразователь поступали в ноутбук.
Рисунок 11 – Система Zet-lab 230, датчики положения и ускорения, установ- ленные на трицикл
Экспериментально установлена эффективность наклона остова трици- кла в сторону возвышенности склона, с целью повышения курсовой устойчи- вости при движении вдоль горизонталей склона.
В пятой главе приведены и сопоставлены результаты исследований движения трицикла на склоне, в том числе с наклонённым остовом.
а
б
Рисунок 12 – Отклонения трицикла от заданной горизонтали склона, крутиз- ной 0.209 рад (12°):
а – положение остова естественное; б – положение оси остова вертикальное.
– отклонение трицикла (математическое моделирование)
– отклонение трицикла (имитационное моделирование) – отклонение трицикла (натурные испытания)
Как видно из рисунка 12 (а) отклонения трицикла от горизонтали скло- на с естественным положением остова на склоне 0.209 рад, по данным ими- тационного моделирования в конце пути составляют 7.5 м. Отклонения три- цикла по результатам математического расчета в конце пути составляют 4.3 м. Отклонения трицикла по экспериментальным данным составляют в конце пути 11,4 м. Как видно из рисунка 12 (б) отклонения трицикла от горизонта- ли склона крутизной 0.209 рад, с вертикальным положением оси остова по данным математического моделирования в конце пути составляют 1.6 м. От- клонения трицикла по результатам имитационного моделирования в конце
16

пути составляют 2 м. Отклонения трицикла по экспериментальным данным составляют в конце пути 3.3 м.
Глубина колеи на податливом основании от нижнего по склону колеса трицикла может, увеличивается и оказать влияние на величину курсового уг- ла, способствуя нарушению курсовой устойчивости.
Рисунок 13 – Отклонение трицикла с наклоняющимся остовом от горизонта- ли склона крутизной 0.209 рад (12°) с деформируемым основанием
– движения трицикла без стабилизации остова – движение трицикла со стабилизацией остова
На рисунке 13 графики наглядно показывают эффективность сохране- ния вертикальности оси остова трицикла при движении по склону с дефор- мируемым основанием, с целью повышения курсовой устойчивости. Так из графиков видно, что отклонения от заданного курса при движении по подат- ливому основанию склона уменьшаются при выравнивании остова. Результа- ты выполненных исследований позволили определить эффективность накло- на остова трицикла в сторону возвышенности склона с целью достижения максимальной курсовой устойчивости, за счет стабилизирующего момента, вызванного смещением центра масс в сторону возвышенности склона, в том числе и на деформируемом основании.
аб
Рисунок 14 – Данные математического и имитационного моделирования по
определению критического угла косогора по опрокидыванию трицикла: а – без стабилизации остова; б – со стабилизацией остова
Ряд 1- Критический угол косогора по боковому опрокидыванию трицикла по данным имитационного моделирования.
Ряд 2 – Критический угол косогора по боковому опрокидыванию трицикла по данным математического моделирования.
На рисунке 14 (а) приведен график анализа математического и имита- ционного моделирования, который показал, что трицикл без стабилизации остова имеет возможность прибывать и двигается прямолинейно по косогору без поперечного опрокидывания на склонах до 0.472 рад (27°) по данным имитационного моделирования и на склонах до 0.506 рад (29°) по данным математического моделирования.
На рисунке 14 (б) приведен график анализа математического и имита- ционного моделирования, который показал, что трицикл со стабилизации остова имеет возможность прибывать и двигается в поперечном направлении склона без бокового опрокидывания на склонах до 0.786 рад (45°) т.е. устой- чивость против опрокидывания возрастает.
С увеличением угла косогора, возрастает значение перераспределения нагрузок между движителями трицикла. При этом глубина колеи на податли- вом основании от нижнего по склону колеса может, увеличивается, и оказать влияние на величину угла поперечной устойчивости, способствуя наруше- нию устойчивости.
В качестве примера, если рассматривать движения трицикла на дефор- мируемом основании склона (супесь – слежавшаяся пахота), нормальная нагрузка на нижнее по склону колесо задней оси трицикла 4.9 кН, будет со- ответствовать движению трицикла по склону крутизной 25° без стабилизации остова, увеличит глубину колеи до 14.3 мм. При стабилизации остова расчет- ная глубина колеи уменьшается до 11.5 мм. (рис. 15).
Рисунок 15 – Зависимость расчетной глубины колеи на деформируемом ос- новании склона для шины трицикла полной массы от нагрузки на колесо.
– величина глубины колеи для шины трицикла, соответствующая дви- жению трицикла на склоне без стабилизации остова
– величина глубины колеи для шины трицикла,
соответствующая движению трицикла на склоне со стабилизацией остова
Уменьшения глубины колеи и увеличение величины угла поперечной устойчивости можно достичь стабилизацией остова трицикла, что ведёт к смещению центра масс в сторону возвышенности склона и увеличению вос- станавливающего момента. Для рассматриваемой модели трицикла, значения полученных результатов углубления колеи не значительны и не окажут су- щественного влияния на дополнительный угол наклона трицикла в попереч- ной плоскости.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Решена научно – техническая задача, связанная с выбором основных параметров трицикла, направленных на повышение курсовой устойчивости и устойчивости по опрокидыванию на поперечном склоне.
2. Обоснованы требования и разработан способ стабилизации остова, направленный на повышения курсовой устойчивости и устойчивости по опрокидыванию при движении трицикла в поперечном направлении склона. 3. Проведены теоретические исследования устойчивости трицикла при движении по склонам. Обоснована расчетная схема и получены аналитиче- ские выражения для определения курсового угла трицикла при движении вдоль заданных горизонталей склона.
4. Разработана математическая модель курсового угла, при движении трицикла на склоне, отличающаяся учетом наклоняющегося остова. Опреде- лен курсовой угол при движении КМ вдоль горизонталей склона на основе принятой математической модели, позволяющий получить значение курсовой устойчивости на стадии проектирования транспортного средства, в том числе и в зависимости от конструктивных параметров. Установлено, что курсовой угол, или угол межу фактическим и заданным направлением движения на склоне, находится в прямой зависимости от скорости движения, времени, бо- ковой составляющей веса трицикла, сопротивления качению колёс, располо- жения центра тяжести объекта и в обратной зависимости от жесткости шин и квадрата его продольной базы.
5. Проведенные натурные испытания и имитационное моделирование подтвердили, что сохранение вертикального положения оси остова трицикла при движении в поперечном направлении склона в среднем повышает его курсовую устойчивость на 85% и устойчивость по опрокидыванию на 60%. Исследования показали, что повышение курсовой устойчивости и устойчиво- сти трицикла по опрокидыванию при движении по склонам в поперечном направлении можно достичь смещением центра масс от продольной оси три- цикла в сторону возвышенности склона, т.е. наклоном остова в сторону воз- вышенности склона, относительно заднего моста в перпендикулярные отно- сительны направления движения плоскости. Установлено, что расхождение результатов теоретических исследований и эксперимента не превышает 10 %, что является допустимым.