Известны несколько способов крепления гусеничных тележек к основной раме трактора (см. «Промышленные тракторы», Ю.В. Гинзбург и др., Машиностроение, 1986г.):
На промышленных тракторах применяется полужесткий способ крепления гусеничных тележек, в котором правая и левая рамы тележек качаются вокруг оси ведущих колес или специальной оси, закрепленной на раме трактора.
В передней части рамы трактора шарнирно закреплена многолистовая рессора или поперечная качающаяся балансирная балка, которая опирается на гусеничные тележки.
Трехточечная система крепления гусеничных тележек наиболее прогрессивная и обладает двумя достоинствами:
- повышенным коэффициентом сцепления за счет копирования поверхности, т.е. постоянным контактом обеих гусениц с грунтом;
- улучшает эргономику рабочего места оператора, т.к. при переезде одной гусеницы через препятствие ось трактора поднимается в два раза меньше за счет поперечной балансирной рессоры или балки.
Начиная с 50-х годов прошлого столетия, большинство промышленных тракторов в мире выпускались с такой подвеской гусеничных тележек.
Имея неоспоримые преимущества, трехточечная подвеска в конструкции прокачки гусеничной тележки вокруг оси ведущего колеса обладает существенными недостатками:
1. В гусеничном тракторе с приводом ведущей звездочки от главной передачи заднего моста поворот осуществляется за счет отключения одного борта (размыкание бортового фрикциона) или его дополнительным торможением. Тогда весь момент от двигателя передается через одну гусеничную тележку. При юзе гусеницы возникают большие боковые усилия на обеих тележках, и поворот трактора (агрегата) осуществляется с нагружением осей крепления тележки (в данном случае – осей бортового редуктора).
Коэффициент сопротивления повороту теоретически и практически не определяется, т.к. он зависит от многих непостоянных факторов. Но даже при движении по прямой все сопротивление движению воспринимается полуосью крепления тележки (в данном случае – полуосью бортового редуктора).
Следует учесть, что даже при движении по прямой оператор постоянно осуществляет довороты (отключения – торможения одной из тележек), т.к. гусеницы тележек проходят разный путь из-за неровности поверхности, имеют разное натяжение, длину и т.д. Таким образом, имеется постоянное боковое усилие, которое воспринимается полуосью.
По соотношению длины тележки и плеча крепления тележки (примерно 3:1) становится понятным, что ось прокачки тележки (в данном случае – ось звездочки – ось бортового редуктора) постоянно загружена изгибающим моментом:
- от сопротивления движению (т.е. чем больше тяга трактора, тем больше изгибающий момент на полуоси);
- дополнительно от боковых усилий при довороте, развороте.
По данным испытаний отклонение тележки в передней части трактора за счет боковых усилий наблюдается до 20 мм и изгиб оси крепления тележки (в данном случае – ось звездочки – ось бортового редуктора) до 6 мм.
Сложней возникают явления при перемещении трактора – гусеничных тележек в колее. Тогда могут возникнуть и возникают боковые усилия огромных значений, вплоть до бесконечности, даже при малых тяговых усилиях. На рисунке 2 видно, что при угле колеи «α», стремящемся к «0», «Тбоковое» стремится к бесконечности при малых сопротивлениях «Ттяга».
Подобная схема является главной причиной постоянной модернизации бортового редуктора, в том числе появления плавающей шестерни в нем. Но, как видно из вышеизложенного, постоянного положительного эффекта работы такой подвески, полуоси, а, следовательно, и бортового редуктора достичь невозможноПо данным испытаний отклонение тележки в передней части трактора за счёт боковых усилий наблюдается до 20 мм и изгиб оси крепления тележки (в данном случае – ось звёздочки – ось бортового редуктора) до 6 мм.
Сложней возникают явления при перемещении трактора – гусеничных тележек в колее. Тогда могут возникнуть и возникают боковые усилия огромных значений, вплоть до бесконечности, даже при малых тяговых усилиях. На рисунке 2 видно, что при угле колеи «α», стремящемся к «0», «Тбоковое» стремится к бесконечности при малых сопротивлениях «Ттяга».
Подобная схема является главной причиной постоянной модернизации бортового редуктора, в том числе появления плавающей шестерни в нём. Но как видно из вышеизложенного, постоянного положительного эффекта работы такой подвески, полуоси, а, следовательно, и бортового редуктора достичь невозможно.
2. Вторым недостатком является то, что при такой конструкции крепления гусеничных тележек (рисунок 1, 2) боковые усилия на гусеничной тележке передаются на вторую тележку только через упряжные шарниры, т.е. через ось звездочки – полуось бортового редуктора.
3. Третьим недостатком такого крепления гусеничных тележек в бульдозерном агрегате (а это 90 % всех выпускаемых тракторов) является то, что в напорном усилии на режущей кромке отвала не участвует масса тележек, т.е. напорное усилие уменьшено почти на 30 %.
Более прогрессивным решением подвески гусеничных тележек является конструкция со смещенной осью прокачки тележки вперед относительно оси ведущего колеса.
Передние части гусеничных тележек связывают между собой балансирной балкой, шарнирно закрепленной на гусеничных тележках и в центре на оси кронштейнов крепления к основной раме (см. рисунок 3). На такую схему подвески гусеничных тележек за последние годы перешло почти все мировое тракторостроение, в том числе ЧЗПТ.
В этой конструкции ликвидированы перечисленные выше недостатки:
- ось звездочки – ось бортового редуктора не загружается изгибающим моментом от тяги, от боковых усилий, действующих на гусеничную тележку;
- обе тележки связаны между собой и с основной рамой в передней части балансирной балкой, т.е. ликвидирована возможность сведения и разведения тележек от боковых усилий при маневре, повороте, езде по колее на всей длине тележки;
- в напорном усилии на бульдозерном отвале участвует масса тележек.
Но данная кинематическая схема обладает и существенным недостатком. При симметричной прокачке тележки должны сближаться на «2х» (идеальный вариант), а балансирная балка должна смещаться вдоль оси тележки на величину «у» (см. рисунок 4).
В реальной конструкции (применительно к трактору Б100) ось прокачки необходимо сдвигать относительно оси звездочки приблизительно на 550 мм с расположением поперечной балансирной балки от оси прокачки на расстоянии примерно 1450 мм. При прокачке тележки гусениц (оси натяжного колеса) на ± 200 мм каждая тележка приближается в районе крепления поперечной балки на 14 мм.
Разные тракторостроительные фирмы по-разному стараются решить проблемы несовершенства такой схемы: устанавливают мягкие элементы (резиновые втулки) в осях крепления балансирной балки к гусеничной тележке и к основной раме, устанавливают аналогичные податливые элементы в подшипники оси прокачки гусеничной тележки.
Введение упругих элементов в шарниры не может решить кинематического несовершенства такой схемы. Они только сглаживают динамику, оставляя конечные величины нагрузок без изменения.
Наиболее прогрессивным решением в данной схеме является введение элементов, позволяющих сближаться гусеничным тележкам при прокачке без создания дополнительных внутренних напряжений.
Одним из наиболее удачных решений является А.С. № 1137008, (см. рисунок 5).
Эта схема уже позволяет ликвидировать кинематическое несоответствие, т.к. тележки имеют возможность схождения при прокачке.
Недостатком данной схемы является: вертикальные нагрузки воспринимаются консольно закрепленной осью прокачки крепления тележки с плечом примерно в 3 раза меньше длины гусеничной тележки.
Поэтому оси прокачки имеют значительные диаметры. На тракторе Т-11 диаметр оси прокачки тележки 210 мм.
Компенсация схождения тележки производится за счет наличия ползуна на этой же оси прокачки тележки. Если учесть, что частота вертикальных перемещений тележки зависит от неровностей поверхности, на которой работает трактор, и составляет до 50 колебаний в минуту, и с такой же частотой ползун совершает возвратно-поступательное движение с ходом от 0 до 5 мм, то становится ясно, что наступает быстрый износ ползуна, увеличение зазора, увеличение динамики. Различные фирмы по-разному занимаются технологическим усовершенствованием данного узла, направленным на повышение его надежности.
Кардинальным решением данного вопроса могла бы быть замена возвратно-поступательного движения ползуна вращательным – ось-втулка.
В данной записке кратко описана важность вопроса, преимущества и недостатки существующих конструкций. На основании глубокого изучения данного вопроса нами предлагается кинематически чистая конструкция крепления гусеничных тележек к основной раме трактора.
5. Тяговое усилие передается шаровой опорой А. Вертикальная прокачка гусеничной тележки осуществляется вокруг мнимой оси «О-А». Сближение (горизонтальная прокачка) гусеничных тележек осуществляется вокруг мнимой оси «О1-А».
Вертикальное усилие воспринимается шаровыми опорами «А», «В». Опрокидывающая нагрузка воспринимается распоркой «Д».
Предлагаемая кинематическая схема и конструкция подвески гусеничной тележки к основной раме отвечает всем требованиям, предъявляемым к промышленным тракторам с поперечной прокачкой тележек.
1. Ось звездочки – ось бортового редуктора разгружены от тяги и боковых усилий, действующих на тележки.
2. Рамы гусеничных тележек и основная рама кинематически связаны (без мягких элементов) в задней и передней части трактора.
3. Обе гусеничные тележки одновременно воспринимают боковые усилия, действующие на тележки.
4. Кинематическая схема позволяет сохранить существующую величину прокачки гусеничных тележек.
5. Кинематическая схема чистая, т.е. при перемещении тележек не возникает внутренних напряжений в конструкции.
6. Передняя балансирная балка трактора исключает возможность сбега и разбега гусеничных тележек при маневре, повороте и работе в колее.
7. Элементы подвески в задней части трактора работают по принципу «ось-втулка», шаровые опоры и пальцы имеют минимальные плечи и поэтому их диаметры минимизированы.