VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В практике для составления легковесных автопоездов широко используются различные по конструкции тягово-сцепные устройства. Так, например, в источнике [1] показаны такие устройства, которые состоят из шара заканчивающимся тяговым стержнем изогнутой формы, взаимосвязанным с полусферической головкой, закреплённой на дышле прицепа (рис.1). Для исключения возможного расцепа звеньев автопоезда, на дышле прицепа смонтирован замок выполненный в виде подпружиненного рычага и снабжённого фиксатором. Существенным недостатком такого тягово-сцепного устройства легковесного автопоезда, является невысокая надёжность его в условиях эксплуатации за счёт возможного перемещения рычага замка под действием сил трения между шаром и полусферической головкой, а также забывчивости водителя в части установки фиксатора в момент сцепа звеньев автопоезда и. т. д.

Известно также тягово-сцепное устройство легковесного автопоезда [2] предназначенное для формирования автопоезда или автобусов. Такое устройство по конструкции в целом аналогично выше описанному и поэтому их недостатки подобны.

Учитывая важность такой проблемы, в ЕГУ им. И.А.Бунина на кафедре прикладной механики и инженерной графики проводится бюджетная НИР на тему «Динамика, прочность и надежность транспортных, сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин, а также промышленного стандартного и нестандартного оборудования применительно к Чернозёмному региону РФ», и одним из ее разделов, по линии НИРС и СКБ университета, является разработка технических средств, направленных на повышение безопасности движения автопоездов состоящих из легковых автомобилей и легковесных прицепов к ним. Анализ многочисленных отечественных и зарубежных патентов, а также литературных источников позволил разработать более надёжное и простое техническое решение признанное изобретением (RU2493974).

Так на чертежах рис.2 показан общий вид тягово-сцепного устройства вид сбоку, на рис.3 полусферическая головка дышла с разрезом в продольной его плоскости и на рис.4 вид на шаровую головку сверху.

Рис.2

Рис.3 Рис.4

Тягово-сцепное устройство легковесного автопоезда состоит из шара 1 жёстко соединённого со стержнем 2 и в них выполнен сквозной паз 3. В шаре 1 установлены подпружиненные пружинами сжатия 4 шариковые фиксаторы 5. Шар 1 охватывает полусферическая головка 6, снабжённая упором трапецеидальной формы 7 с отверстием 8 и заострённым концом 9. В полусферической головке 6 выполнено отверстие 10, в котором подвижно установлена ось 11 жёстко закрепленная на упоре трапецеидальной формы 7 и на рукоятке 12 её управления. Полусферическая головка 6 жёстко присоединена к дышлу 13 прицепа, а стержень 2 к автомобилю образующего с прицепом легковесный автопоезд.

Работает тягово-сцепное устройство легковесного автопоезда следующим образом. В сцепленном состоянии тягово-сцепное устройство легкового автопоезда находится в таком состоянии, как это показано на рис.2. При этом, понятно, что упор трапецеидальной формы 7 своим отверстием 8 находится между шариковыми фиксаторами 5 в сквозном пазу 3 надёжно соединяя шар 1 с полусферической головкой 6. При маневрировании автопоезда и угловых перемещениях его звеньев друг относительно друга в горизонтальной плоскости движения, упор трапецеидальной формы 7 поворачивается совместно с шаром 1, осью 11 и рукояткой 12 относительно полусферической головки 6, что и создаёт условия гибкости автопоезда в горизонтальной плоскости достижения одновременно исключая расцеп его звеньев. В случае колебаний галопирования, т.е. перемещения звеньев автопоезда в вертикальной плоскости движения, упор трапецеидальной формы 7 также имеет свободное перемещение совместно с полусферической головкой 6 вдоль сквозного паза 3 выполненного в шаре 1 и стержне 2. При колебаниях боковой качки, когда прицеп получает некоторый угловой поворот в поперечной плоскости относительно продольной оси симметрии легковесного поезда, за счёт того, что шар 1 вместе со стержнем 2 выполнен из упругого материала происходит некоторое закручивание стержня 2, например, по стрелкам А, что и позволяет получить податливость сцепа в этом направлении. В тех же случаях когда прицеп должен находится в пунктах его отстоя, расцеп звеньев легковесного автопоезда производят следующим образом. Вручную, воздействуя на рукоятку 12 по стрелке В, с усилием превышающим жёсткость пружин сжатия 4, выводят упор трапецеидальной формы 7 из сквозного паза 3, что позволяет дышлу 13 прицепа получить угловой поворот по стрелке С и затем автомобиль, совместно с шаром 1 и стержнем 2, перемещают в направление стрелки Е. Далее описанные процессы могут повторятся неоднократно.

Анализ предложенного технического решения и его работы показывает, что ответственными его конструкционными элементами являются подпружиненные пружинами сжатия 4 шариковые фиксаторы 5 (рис.3) и поэтому приведём пример их расчёта применительно, например, к легковесному автопоезду, состоящему из легкового автомобиля ВАЗ-2107 и грузового одноосного прицепа модели ММЗ––81021, имеющих соответственно полные массы 1430 кг и 300 кг. Максимально допускаемая скорость движения автопоезда V_А=80 км/ч (22,2 м/с). На расчётной схеме рис.5 показан шар 1, который образует со стержнем 4 единое целое жёстко закреплённое на автомобиле. В шаре 1 подвижно относительно оси у установлены тела качения 3 радиусом r подпружиненные винтовыми пружинами сжатия с линейной жёсткостью С₁. Между телами качения 3 расположен упор трапецеидальной формы 2, который жёстко связан с охватывающий шар 1 полусферической головкой 6. В процессе поступательного движения автопоезда к шару 1, а, следовательно, и к упору трапецеидальной формы 2 полусферической головке 6 приложено тяговое усилие Р_т , а при режимах торможения тормозное усилие Р_тор причём векторы таких усилий разлагаются на горизонтальные составляющие усилия Р_г и их равнодействующие R₁, R₂, R₃ и R₄.

Произведём расчет параметров пружин фиксаторов и для этого предварительно определим величину расчетной нагрузки Р_КР(max), возникающей в сцепке, которую можно вычислить, считая, что движение автопоезда происходит в тяжёлом режиме по неровной дороге со среднестатистической высотой неровности 2q₀=12 см и при длине волны L=2,5 м по зависимости [2]:

,

где, −предел коэффициента динамичности;

К − дополнительный коэффициент динамичности, учитывающий влияние зазоров в сцепном устройстве.

Рис.5

Согласно ряда исследований, посвящённых силовому нагружению сцепок автопоездов, как в нашей стране, так и за рубежом считается, что усилие Р_КР(max), обычно меньше усилия Р_т при трогании с места в среднем на 34%, а при торможении на 47% от Р_т. Следовательно, усилие в сцепе в данном случае можно принять равным Р_т=2500 Н, а при торможении Р_тор=1175 Н. Видно, что наибольшим значением силы, приложенной к сцепному устройству автопоезда, является значение ее в момент трогания с места и равное Р_Т= 2500 Н. Так как в этом случае нагрузка приложена в продольной плоскости симметрии автопоезда, то под её действием возможна остаточная деформация отверстия упора трапецеидальной формы 2 и половин шара 1телами качения 3 (см. рис.5). Согласно опыту отечественной и зарубежной практики [2] для легковых автомобилей, а также стандарта (DIN 74058) диаметр шара шаровой сцепки составляет 50,0 мм. Учитывая это, также конструктивно, назначим наружные диаметры тел качения 3 (рис.5) равными 8,0 мм.

Для расчета на прочность упора трапецеидальной формы 2 (рис.5) на прочность в сечении контактирующим с телами качения 3 фиксатора где приложена вертикальная составляющая сила Р_в, стремящаяся нарушить её фиксацию в нём возникнут напряжения растяжения s_Р. Экспериментальные исследования, проведенные в области нагруженности тягово-сцепных устройств легковых автомобилей показывают, что вертикальные составляющие динамических нагрузок на соединительных пальцах в среднем, с вероятностью менее 0,1, не превышают 20% от продольных составляющих усилий, проявляющихся в момент трогания автопоезда с места, и, следовательно, в нашем случае величину Р_в можно принять равной 500 Н. Также конструктивно, принимая геометрические размеры соединительного упора трапецеидальной формы 2 имеющего среднее сечение прямоугольной формы размером а = 20,0 мм и в = 7,0 мм где расположено тело качения 3 фиксатора d = 8 мм, вычислим напряжения растяжения в этом сечении по зависимости:

В качестве материала для упора трапецеидальной формы выбираем Сталь 45 с [s_р] = 200 МПа. В результате видно, что условие прочности выполнено.

Так как вертикальная составляющая Р_в, приложенная к упору трапецеидальной формы, может достигать значения в 500 Н, то от ее действия на шарике возникнет нормальная N и радиальная F составляющие (рис.5). Обе эти силы стремятся преодолеть усилие сжатой пружины жесткостью С₁ и такую силу можно определить по зависимости:

.

При этом понятно, что чтобы произошла деформация пружины, должно быть выполнено условие F≥ N или P_в ≥ N∙tgα, где α угол охвата отверстием упора трапецеидальной формы 2 тела качения 3 фиксатора выбранный конструктивно и равный 38⁰. Используя справочные данные, выбраны следующие геометрические характеристики пружины при нагрузочной ее способности 645 Н: D_нар= 15,0 мм, диаметр проволоки 3,5мм, длина пружины 18,0 мм, жесткость С_ПР = 45 Н/мм, материал Сталь 60С2 с τ=570 Н/мм².

Следует также отметить, что отказ в сцепке может произойти в том случае, когда пружины 5 (рис.5) полностью сжаты и под действием максимальной нагрузки Р_в возможен срез тел качения по их поперечному сечению. Диаметр сечения в этой плоскости выбран 5,2 мм, и тогда касательные напряжения в этом сечении определятся:

Видно, что допускаемые напряжения [τ_ср] для стали ШХ15, их которой изготавливают тела качения для подшипников качения, в 14,8 раза выше, чем расчетная величина. Следовательно, и в этом случае условие прочности будет выполнено, и саморасцеп автомобиля и прицепа полностью исключен.

Анализируя вышеизложенное видно, что в практике при составлении легковесных автопоездов прицепы могут быть, как различные по конструкции, так и иметь различные весовые и грузоподъёмные характеристики, и исходя из этого с целью расширения эксплуатационных возможностей предложенного устройства, в каждом конкретном случае на прицепах должно устанавливаться своё тягово-сцепное устройство, спроектированное в зависимости от весовых характеристик прицепов и их назначения. В то же время для подбора рациональной конструкции их необходим широкий спектр проведения испытаний натурных образцов в эксплуатационных условиях, и только после этого можно окончательно обосновать оптимальные геометрические

Для экономической оценки предложенного технического решения использована методика финансово-инвестиционного анализа и аудита при внедрении новой техники [3]. В качестве базового образца принят автопоезд, состоящий из легкового автомобиля ВАЗ-2107 и грузового одноосного прицепа модели ММЗ––81021. Статистика аварийных ситуаций, связанных с саморсцепом легковых автомобилей с прицепами, показывает, что их количество в общем объёме аварий происходящих в Российской Федерации в год составляет около 6,5% [2]. При этом средняя стоимость восстановительного ремонта одного полуприцепа в результате таких отказов составляет 10,3 тыс.руб, а наработка на такой отказ достигает значения в 64,0 тыс.км. По данным предприятий сервиса Липецкой области годовой пробег полуприцепов находящихся у физических и юридических лиц занимающихся транспортными перевозками на базе созданных ими малых предприятий равен в среднем 48,7 тыс.км при нормативном сроке его службы 7 лет. Исходя из вышеизложенного, а также, используя данные табл., определим годовой экономический эффект получаемый на предприятии сервиса от внедрения предложенного технического решения, позволяющего повысить долговечность одного полуприцепа за счёт исключения аварийных ситуаций связанных с саморасцепом такого вида автопоездов.

Таблица

№ № пп	Показатели	Обозначения	Единица измерения	Базовый автопоезд	Модернизированный автопоезд
1	Количество прицепов поступающих в ремонт	А	шт.	1	1
2	Пробег автопоезда до аварийного ремонта	Д	тыс.км.	64,0	340,9
3	Себестоимость ремонта прицепа	С	руб.	42300	34000
4	Капитальные вложения на ремонтную единицу	У	руб.	65000	78000
5	Нормативный коэффициент эффективности	Ен	-	0,15	0,15

Для этого используем следующие показатели.

1. Коэффициент сравнительной экономической эффективности, определяемый по зависимости:

2. Коэффициент приведения затрат к пробегу сравниваемых автопоездов

1. Приведённые затраты по автопоездам:

а) по базовому-

б) по модернизированному-

4. Приведенные затраты с учетом коэффициента приведения к одинаковому объему производства сцепных устройств:

На основании вышеизложенного произведём расчёт прибыли, которую получит предприятие от выпуска одного модернизированного сцепного устройства по зависимости:

.

Для автоматизации расчётов разработана программа для ЭВМ с использованием языка Delphi, которая апробирована при проведении комплексных расчётов данного исследования.

Результаты исследования рекомендуются как отечественным, так и зарубежным НИИ, конструкторским и производственным структурам автомобильной промышленности для дальнейшего изучения и доработки предложенного устройства с целью возможного внедрения его в практику.

Библиография:

1. Мелик–Саркисьян А.С., Винокуров В.Ю. Прицепы для легковых автомобилей. — М.: Транспорт, 1979. — 79 с.

2. Высоцкий М.С. и др. Автомобильные и тракторные прицепы. — М.: Машгиз, 1962. — 161 с.

3. Гиляровская Л.Т., Ендовицкий Д.А. Финансово-инвестиционный анализ и аудит коммерческих организаций. – Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 1997. – 336 с.

Код для цитирования: Скопировать