О технических характеристиках шарикового винтового дифференциала для мелкогабаритных транспортных средств

В настоящее время существует необходимость производства малогабаритной сельскохозяйственной, коммунальной и инвалидной техники на основе схемы с полной кинематической развязкой одной или двух колесных пар. Полная развязка колесной пары позволяет улучшить маневренность на поворотах и ухабах и проходимость транспортного средства. Техника

Рисунок 1. Примерный вид дифференциала автоматического Красикова в разрезе используется в фермерских хозяйствах, при уборке улиц населенных пунктов и для передвижения инвалидов с нарушениями опорно – двигательного аппарата.

Наиболее привлекательным устройством для развязки движения колесной пары является шариковый винтовой дифференциал, прототипом которого может служить дифференциал автоматический Красикова (ДАК), из-за его ожидаемой

Рисунок 2. Схема трайка с дифференциалом

1 – трайк,

2 – цепная передача

3 – дифференциал компактности и малого веса. Примерный вид дифференциала представлен на рисунке 1.

На рисунке 2 представлена схема трайка с установкой дифференциала.

Цель данной работы – выработка первичных технических требований к дифференциалу для малых транспортных средств и разработка схемы научно – исследовательских и опытно – конструкторских работ (НИОКР) для получения комплекта конструкторской документации на дифференциал.

Для создания опытного образца шарикового винтового дифференциала необходимо выполнить ряд работ, представленных на схеме 1.

Схема 1

Этапы научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы по созданию дифференциала шарикового винтового

1	Осознание общественной потребности в разрабатываемом изделии
2	Техническое задание на проектирование (первичное описание)
3	Анализ существующих технических решений
4	Разработка функциональной схемы
5	Разработка структурной схемы
6	Метрический синтез механизма (синтез кинематической схемы)
7	Статический силовой расчет
8	Эскизный проект
9	Кинетостатический силовой расчет
10	Силовой расчет с учетом трения
11	Расчет и конструирование деталей и кинематических пар (прочностные расчеты, уравновешивание, балансировка, виброзащита)
12.	Технический проект
13	Рабочий проект (разработка рабочих чертежей деталей, технологии изготовления и сборки)
14	Изготовление опытных образцов

Содержание пунктов схемы 1:

• 1.    Общественная потребность в разработке дифференциала заключается в необходимости проектирования мелкогабаритной техники для подачи кормов, уборки навоза, перевозки мелких грузов и человека в сельском хозяйстве в условиях полного бездорожья; в необходимости разработки полноприводной мелкогабаритной снего- и грязеуборочной, подметальной машины для маневрирования в условиях узких тротуаров в населенных пунктах; для транспортирования инвалидов по грунтовым дорогам с мягким покрытием и в условиях частичного бездорожья; для создания трех – и четырех колесных велосипедов для инвалидов – спортсменов и лиц с ограниченными возможностями.

• 2.    За основу, как прототип технического решения для крупной внедорожной техники, принимается дифференциал Красикова (ДАК). Первичное функциональное и структурное описание конструкции дифференциала указано в [2], шариковая винтовая передача описана в [4].

• 3.    Существующее изделие изготовляется и применяется для автомобилей УАЗ. Накоплена статистика надежности ДАК.

• 7.    Статический силовой расчет.

Пункты 4-6 схемы 1 можно не выполнять, так как конструктивное решение сохраняется. Изменения касаются размеров изделия (миниатюризации) и конструкции крышек для возврата шариков к винтам дифференциала.

Основное содержание первого этапа НИОКР – формулировка технических требований к дифференциалу шариковому винтовому для мелкогабаритных транспортных средств.

При создании дифференциала необходимо учитывать, что масса движущегося транспортного средства может меняться от 100 до 500 кг в зависимости от вида привода. Привод может осуществляться мускульной силой человека или простейшим маломощным двухтактным бензиновым двигателем.

Рассмотрим случай привода от мускульной силы человека. В данном случае дифференциал можно поставить на 3 или 4 колесный велосипед или веломобиль, который может приводиться в движение ногами или руками человека.

Рассмотрим пример движения инвалида с нарушениями опорно-двигательного аппарата на олимпийском трехколесном велосипеде – трайке, масса инвалида – до 100 кг, масса спортивного снаряда – титанового трайка до 15 кг, максимальная скорость движения спортсмена – до 12 км/ч по дорогам с твердым покрытием. При этом длина колесной базы трайка (расстояние между колесами передним и задним) – до 1.8 м, расстояние между задними колесами – 1 м, диаметры колес – (24-29) дюйма.

В общем случае движения силой, движущей трайк, является касательная реакция дороги на ведущее колесо трайка P_T . Схема распределения сил на ведущем колесе велосипеда представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема нагрузки ведущего переднего колеса трайка

ω _к – Угловая скорость колеса; T=M _K – ведущий момент колеса; P _FK – сила сопротивления качению; Y _K – нормальная реакция почвы;

F _K – реакция рамы трайка;

G – вес части трайка;

• V – скорость трайка

При движении по горизонтальной поверхности развиваемая на ведущих колесах трайка окружная сила (называемая также силой тяги) может быть определена по формуле [1]

_ ^М к ^и тТ]т f 1 151 u^ T , I K 2       ^

PT _             I           +     " KK 2 I rK     I rK      rK      )

Где:

M_K – крутящий момент создаваемый спортсменом-36 Н*м;

η_T – механический коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии, в среднем 0,8;

r_K – радиус качения колеса – 0.3 м;

• I₁ – момент инерции маховика (педальной группы), 1кг*м²;

• I_K2 – суммарный момент инерции ведущих колес (если спереди 2 колеса) – 0.12 кг*м²;

• ε₁ – угловое ускорение маховика – 2 рад*сек²;

• ε_K2 – угловое ускорение ведущего колеса – 2 рад*сек².

Движущая сила равна P_T=(361-480)Н .

Примем силу равной 400 Н.

С учетом передачи движения на ведомую пару колес посредством цепной передачи с регулируемым натягом и максимальным передаточным числом u=4 получим крутящий момент, передаваемый на заднюю пару колес, равным T 2 = M K uη цеп η подш = 136,39 Н*м. [2]

Где:

η_цеп – коэффициент полезного действия цепной передачи, η цеп = 0,97 ;

η_подш – коэффициент полезного действия двух пар подшипников задних колес, η_подш = 0,99 [2].

При этом угловая скорость ведомых колес не должна превышать 11,11 рад/с при средней скорости колес 12 км/ч.

Таким образом, динамические характеристики будущего дифференциала – крутящий момент на валу Т₂ = 136,39 Н*м и угловая скорость вала 11,11 м/с. Габаритные размеры дифференциала устанавливаются по размерам заднего моста трайка и должны быть: диаметр – не более 65 мм, длина – около 65 мм.

Особые требования к конструкции – винты дифференциала должны быть собраны с задними полуосями, на которых устанавливаются колеса, при помощи разъемного шлицевого соединения.

Полученные технические характеристики были использованы при определении размеров основных рабочих тел дифференциала – шариков и винтов, в статье [1]. Оказалось, что существующие типоразмеры шариков подшипников качения и их материал пригодны для проектирования дифференциала [4].

Результаты.

• 1.    Полученные по расчетам в статье [1] предварительные размеры рабочих тел можно принять за основу для выпуска конструкторской документации.

• 2.    Определена техническая характеристика шарикового винтового дифференциала для мелкогабаритной техники с приводом от мускульной силы человека.

Выводы.

• 1.    Конструктивная схема дифференциала шарикового винтового Красикова является приемлемой для создания дифференциала для мелкогабаритной техники с приводом от мускульной силы человека.

• 2.    Возможно создать аналог дифференциала для техники с приводом от маломощного двигателя, с небольшим изменением размеров.