Проектирование полноприводных колесных машин. Том 1

им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

Оглавление

УДК 629.113(075.8)
ББК 39.33-04
П79

Рецензенты: кафедра «Специальные автомобили и бортовые
информационно-управляющие системы» Московского государственного
университета приборостроения и информатики;
д-р техн. наук, проф. А.В. Денисов
Авторы: Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Г.И. Гладов, Л.Ф. Жеглов,
В.Н. Зузов, Г.О. Котиев, А.А. Полунгян, А.Б. Фоминых

Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов:
В 3 т. Т. 1 / Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Г.И. Гладов и др.; Под ред. А.А. Полунгяна. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 496 с.: ил.

ISBN 978-5-7038-3041-3 (Т. 1)
ISBN 978-5-7038-3040-6

Учебник состоит из трех томов, в которых последовательно описаны общие вопросы проектирования колесных машин, а также методы расчета их агрегатов и систем,
основанные на математическом и физическом моделировании, причем не только для
детерминированных, но и для случайных условий нагружения. Особое внимание уделено полноприводным колесным машинам, получившим широкое распространение в связи с удовлетворительными показателями их устойчивости и проходимости.
В первом томе изложены основы и принципы проектирования полноприводных
колесных машин, рассмотрены их надежность и обитаемость, а также требования к проектированию плавающих колесных машин и автопоездов.
Содержание учебника соответствует программам и курсам лекций, которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов вузов и технических университетов машиностроительного профиля, обучающихся по специальностям «Автомобиле- и тракторостроение», «Многоцелевые гусеничные и колесные машины». Может быть полезен аспирантам, преподавателям и работникам промышленных предприятий.

П79

УДК 629.113(075.8)
ББК 39.33-04

ISBN 978-5-7038-3041-3 (Т. 1)
 Афанасьев Б.А., Белоусов Б.Н., Гладов Г.И., 2008
ISBN 978-5-7038-3040-6
 Оформление. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008

Оглавление

Предисловие..................................................................................................................
Введение ........................................................................................................................
1. Основы процесса проектирования колесных машин .....................................
1.1. Процесс проектирования ..................................................................................
1.1.1. Основные понятия...................................................................................
1.1.2. Стадии жизненного цикла колесной машины ......................................
1.2. Условия эксплуатации.......................................................................................
1.2.1. Климатические условия..........................................................................
1.2.2. Дорожные условия ..................................................................................
1.3. Требования, предъявляемые к колесным машинам .......................................
1.4. Классификация колесных машин ....................................................................
1.5. Компоновка колесных машин ..........................................................................
1.5.1. Общие положения ...................................................................................
1.5.2. Выбор и обоснование схемы общей компоновки ................................
1.5.3. Определение основных параметров компоновки колесных машин...
1.6. Эксплуатационные характеристики колесных машин ..................................
1.7. Экологические требования к колесным машинам .........................................
1.8. Силовые установки колесных машин .............................................................
Контрольные вопросы .............................................................................................
2. Принципы проектирования полноприводных колесных машин .................
2.1. Системный подход к проектированию колесных машин ..............................
2.1.1. Общие сведения ......................................................................................
2.1.2. Определение границ системы и ее элементов ......................................
2.1.3. Комплексная оценка сложных систем ...................................................
2.2. Модульное проектирование колесных машин................................................
2.3. Нагрузочные режимы........................................................................................
2.3.1. Эксплуатационные нагрузочные режимы.............................................
2.3.2. Классификация нагрузочных режимов .................................................
2.3.3. Схематизация нагрузочных режимов ....................................................
2.3.4. Определение параметров нагрузочных режимов .................................
2.4. Моделирование эксплуатационных режимов колесных машин ...................
2.4.1. Общие положения ...................................................................................
2.4.2. Физическое моделирование ...................................................................
2.4.3. Математическое моделирование............................................................
2.4.4. Имитационное моделирование ..............................................................
2.4.5. Модульное моделирование .....................................................................

6
7
9
9
9
12
16
16
18
29
31
36
36
39
43
54
61
67
76
77
77
77
80
82
88
94
94
101
106
110
112
112
113
114
119
122

Оглавление

2.5. Расчет динамических нагрузок колесных машин ..........................................
2.5.1. Определение параметров и источников возмущения динамической
системы колесных машин.................................................................................
2.5.2. Выбор способа моделирования..............................................................
2.6. Детерминированные и вероятностные методы расчета элементов колесных машин .........................................................................................................
2.6.1. Детерминированные расчеты .................................................................
2.6.2. Вероятностные расчеты ..........................................................................
2.7. Автоматизированное проектирование колесных машин...............................
2.7.1. Общие сведения о САПР ........................................................................
2.7.2. Структура САПР......................................................................................
2.7.3. Методы и алгоритмы анализа проектных решений .............................
2.7.4. Процедуры параметрической оптимизации .........................................
2.8. Надежность ........................................................................................................
2.8.1. Основные термины и определения ........................................................
2.8.2. Показатели надежности ..........................................................................
2.8.3. Структурный и функциональный анализы надежности......................
2.8.4. Методика проектного расчета надежности технического объекта.....
2.8.5. Прогнозирование надежности ...............................................................
Контрольные вопросы .............................................................................................
3. Виброакустика колесных машин ........................................................................
3.1. Физические основы виброакустики ................................................................
3.1.1. Волны в упругих средах .........................................................................
3.1.2. Распространение волн в упругих средах ..............................................
3.1.3. Распространение волн в жидкостях и газах..........................................
3.1.4. Параметры и показатели звукового поля и источников звука.............
3.1.5. Способы оценки акустического поля и источников звука ..................
3.1.6. Элементарные источники звука .............................................................
3.1.7. Звуковое поле в открытом и замкнутом пространстве ........................
3.1.8. Звукоизоляция и звукопоглощение ........................................................
3.1.9. Виброизоляция и вибропоглощение......................................................
3.1.10. Воздействие звука на человека ............................................................
3.2. Источники звуковой вибрации и шума колесной машины ...........................
3.2.1. Источники звуковой вибрации ...............................................................
3.2.2. Источники шума ......................................................................................
3.3. Расчет ожидаемой шумности колесной машины ...........................................
3.3.1. Расчет внутреннего шума .......................................................................
3.3.2. Расчет внешнего шума ............................................................................
3.4. Системы снижения шума и звуковой вибрации .............................................
3.4.1. Звукоизолирующие кабины и конструкции ..........................................
3.4.2. Глушители шума......................................................................................
3.4.3. Виброизолирующие конструкции .........................................................
3.4.4. Активные методы виброакустической защиты ....................................
3.5. Экспериментальные методы виброакустики..................................................
3.5.1. Методы определения виброакустических показателей .......................
3.5.2. Методы измерения акустических показателей.....................................
3.5.3. Методы идентификации источников шума...........................................
Контрольные вопросы .............................................................................................

124

124
127

136
136
145
153
153
155
156
162
168
168
170
179
182
187
190
191
191
191
191
194
198
201
203
205
210
218
220
224
224
234
243
243
253
254
254
262
275
288
295
295
305
310
314

4. Обитаемость колесных машин ............................................................................
4.1. Общие понятия и требования по обитаемости колесных машин.................
4.2. Расчет системы вентиляции обитаемых объектов колесных машин ...........
4.3. Расчет системы отопления обитаемых объектов колесных машин .............
4.4. Системы кондиционирования и их оценка .....................................................
4.5. Проектирование эргономических характеристик обитаемого объекта колесных машин....................................................................................................
4.6. Методы измерения и оценки обзорности колесных машин..........................
Контрольные вопросы .............................................................................................
5. Плавающие колесные машины ...........................................................................
5.1. Типы плавающих машин и предъявляемые к ним требования ....................
5.2. Водоходные качества плавающих колесных машин......................................
5.2.1. Дифферент ...............................................................................................
5.2.2. Остойчивость ...........................................................................................
5.2.3. Подвижность............................................................................................
5.3. Кузова плавающих колесных машин ..............................................................
5.4. Водоходные движители ....................................................................................
5.5. Плавающие колесные машины на подводных крыльях ................................
Контрольные вопросы .............................................................................................
6. Автопоезда................................................................................................................
6.1. Активные и пассивные прицепные звенья колесных машин .......................
6.2. Виды приводов активных звеньев колесных машин и их расчетные зависимости...............................................................................................................
6.2.1. Активизация колес прицепных звеньев автопоезда.............................
6.2.2. Механический привод.............................................................................
6.2.3. Гидрообъемный привод ..........................................................................
6.2.4. Привод электромотор-колес системы активизации прицепных
звеньев СТС .......................................................................................................
6.3. Системы управления поворотом......................................................................
6.3.1. Назначение, требования, классификация..............................................
6.3.2. Принципиальные схемы и конструктивное исполнение СТС ............
6.3.3. Проектирование СУП прицепных звеньев автопоездов .....................
Контрольные вопросы .............................................................................................
7. Дополнительное оборудование колесных машин.............................................
7.1. Назначение и виды дополнительного оборудования .....................................
7.2. Коробки отбора мощности ...............................................................................
7.3. Лебедки ..............................................................................................................
7.4. Система регулирования давления воздуха в шинах ......................................
Контрольные вопросы .............................................................................................
8. Колесные машины поисковых конструкций ....................................................
8.1. Колесно-гусеничные машины и машины с переменным числом колес ......
8.2. Машины с разгрузкой колес с помощью воздушной подушки ....................
8.3. Колесно-шагающие машины ...........................................................................
8.4. Машины на пневмокатках и пневмогусеницах ..............................................
8.5. Другие типы машин ..........................................................................................
Контрольные вопросы .............................................................................................
Список рекомендуемой литературы .......................................................................
Предметный указатель ..............................................................................................

Оглавление

315
315
316
326
337

341
349
354
355
355
358
358
360
365
367
371
378
383
384
384

388
388
390
393

407
417
417
422
429
438
439
439
439
443
450
454
455
455
459
466
480
490
491
492
493

1. Основы процесса проектирования колесных машин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный этап развития автомобилестроения характеризуется активным внедрением автоматизированных систем управления, поиском замены
топлив органического происхождения на альтернативные, что, в свою очередь, требует для отрасли кадры, обладающие фундаментальными и специальными знаниями. Работая над трехтомным учебником, авторы старались
скомпоновать материал таким образом, чтобы его изложение соответствовало изучаемым студентами курсам дисциплин.
В учебнике особое внимание уделяется колесным машинам с полным приводом. С одной стороны это машины высокой и повышенной проходимости,
которые могут выполнять работу в условиях бездорожья, что актуально при
освоении природных ресурсов, строительстве или выполнении задач армейскими частями, с другой — это обычные транспортные средства, где полный
привод позволяет обеспечить эффективное использование сцепных свойств колесного движителя с опорной поверхностью и повышает активную безопасность при движении машины на влажных, обледенелых, заснеженных дорогах
и грунтах с низкой несущей способностью. Полноприводные колесные машины незаменимы при возникновении чрезвычайных ситуаций, а для армейских
нужд являются основным средством передвижения войск, доставки необходимых грузов и выполнения других необходимых действий.
Современная колесная машина представляет собой сложную конструкцию, спроектированную на основе оптимизации конструктивных решений
для достижения наилучших динамических, экономических и экологических
качеств, а также характеризующуюся высокой надежностью, большой долговечностью и приспособленностью к эксплуатации в любых климатических условиях.
Материал между авторами первого тома распределен следующим образом: предисловие, введение, § 1.3, 1.4, 1.6, 2.5 — А.А. Полунгян; § 1.1, 2.1
и 2.7 — В.Н. Зузов; § 1.2, 2.3, 2.6, 2.8 и гл. 3 — Л.Ф. Жеглов; § 1.5 — Б.Н. Белоусов; § 1.7 — Б.Н. Белоусов и Л.Ф. Жеглов; § 1.8, главы 5 и 8 — Б.А. Афанасьев; § 2.1 — В.Н. Зузов и Г.О. Котиев; § 2.2 — А.Б. Фоминых; § 2.4 —
Б.А. Афанасьев и Г.О. Котиев; главы 4, 6 и 7 — Г.И. Гладов.
Авторы выражают искреннюю признательность профессорам А.В. Денисову и Е.А. Галевскому, внимательно прочитавшим рукопись учебника и
сделавшим полезные замечания.
Авторы надеются, что настоящий учебник восполнит недостаток учебной литературы, необходимой для подготовки квалифицированных специалистов в области транспортной техники, и с благодарностью примут критические замечания и пожелания по изложенным в нем материалам.

ВВЕДЕНИЕ

Мировое автомобилестроение имеет 120-летнюю историю. Автомобиль
возник из практической потребности общества и в настоящее время играет
незаменимую роль в жизни человечества. Благодаря своей универсальности
и высокой проходимости он стал поистине востребован. В нашей стране более 50 % всех грузоперевозок осуществляют автомобильным транспортом, а
в армии 90 % всего вооружения и военной техники размещено на колесных
машинах (КМ). В настоящее время КМ — самое массовое транспортное средство, а численность мирового автомобильного парка значительно превысила
500 млн единиц.
Исторически можно отметить несколько этапов развития автомобилестроения.
1. Создание первых образцов КМ в конце XIX в. и возникновение автомобильной промышленности в начале XX в.
2. Бурное развитие автомобильной промышленности, внедрение конвейерных технологий массового производства и резкое увеличение качества выпускаемых КМ в середине ХХ в.
3. Внедрение в конструкции современных КМ автоматизированных систем управления силовым агрегатом, системами подрессоривания рулевым
и тормозным управлением в настоящее время.
Начало отечественному автомобилестроению и науке об автомобиле положил академик Е.А. Чудаков. Перед создателями КМ встали следующие
задачи:
решение теоретических вопросов, определение влияния конструктивных
решений на их эксплуатационные свойства;
выработка на основе теоретических исследований оптимальных конструктивных и технологичных решений агрегатов и систем КМ;
совершенствование качественных показателей КМ, причем не только динамических и экономических, но и связанных с вопросами экологии, пассивной и активной безопасности.
Вместе с Е.А. Чудаковым над решением этих проблем работали его ученики и последователи: Я.С. Агейкин, П.В. Аксенов, А.С. Антонов, Д.А. Антонов, Н.Ф. Бочаров, В.А. Грачев, Б.В. Гольд, Г.В. Зимелев, К.С. Колесников,
А.А. Липгарт, А.С. Литвинов, Я.М. Певзнер, Ю.В. Пирковский, В.Ф. Платонов, Р.В. Ротенберг, Г.А. Смирнов, Б.С. Фалькевич, Н.Н. Яценко и многие
другие.
Развитие конструктивных и теоретических решений при создании транспортной техники позволило реализовать их в особой группе КМ, имеющих

1. Основы процесса проектирования колесных машин

полный привод. Разнообразие целевых функций полноприводных КМ, отрабатывающих на одних машинах улучшение проходимости, а на других —
повышение активной безопасности, предполагает создание унифицированных семейств КМ на основе базовой модели. При создании специальных полноприводных машин с колесными формулами 8×8, 12×12, 16×16 и т. д., предназначенных для перевозки длинномерных грузов и грузов большой
массы, такая унификация проблематична, но тем не менее отдельные агрегаты неполноприводных КМ использовать целесообразно.
Эффективность использования полноприводных КМ зависит от совершенства конструктивных решений и эксплуатационных свойств. При разработке новых полноприводных КМ к их конструкции и эксплуатационным
свойствам выдвигают требования, обеспечивающие максимальную рентабельность этих машин в любых условиях эксплуатации: ограничение по массе и
габаритным размерам; унификация присоединительных размеров под установку комплектующего оборудования, а также показателей эксплуатационной технологичности, надежности, ремонтопригодности и др.
Полноприводные КМ целевого назначения — это очень широкий класс
машин, предназначенный для использования в качестве транспортных средств,
базы под монтаж функционального оборудования, специальной техники и др.
Он охватывает диапазон грузоподъемности от 0,3 до 60 т.
Номенклатура отечественных полноприводных КМ формируется на основе следующих типов базовых КМ: автомобили грузоподъемностью до 0,4 т;
гpyзoпaccaжиpcкиe машины грузопoдъeмнocтью 0,3...1 т; грузовые машины
грузоподъемностью 2...10 т; грузовые машины и специальные шасси грузоподъемностью свыше 10 т.

1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
КОЛЕСНЫХ МАШИН

1.1. ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1.1. Основные понятия

В общем виде проектирование — это процесс направленного действия
проектировщиков, необходимый для выработки технических решений, достаточных для реализации создаваемого объекта (КМ), удовлетворяющего
заданным требованиям. При этом направленные действия заключаются
в преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание
на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного
и конструкторского характера.
Процесс проектирования объекта осуществляют в соответствии с определенной логической схемой, которая содержит последовательность выполнения отдельных его этапов, состоящих из проектных процедур и операций.
Этап проектирования представляет собой часть процесса проектирования, включающую в себя относящиеся к одному или нескольким иерархическим уровням и аспектам требуемые описания объекта. Описание определяет структуру входных и выходных данных. Необходимые соотношения между техническими требованиями и выходными параметрами образуют условия
работоспособности.
Проектирование как развивающийся во времени процесс состоит из стадий, этапов, проектных процедур и операций. Наиболее крупные этапы —
внешнее и внутреннее проектирование. Конечной целью внешнего проектирования является техническое задание (ТЗ) на разработку КМ. Для количественного обоснования критериев эффективности и технических требований к
КМ проводят моделирование и исследование альтернативных вариантов
структурного и принципиального построения КМ с учетом характеристик и
условий внешней среды. Внешнее проектирование принято называть этапом
научно-исследовательских работ. Во многих случаях этот этап частично содержит работы, выполняемые на стадии технического предложения.
Внутреннее проектирование необходимо для конкретизации основных
конструктивных параметров, определяющих облик КМ. Оно содержит этап
опытно-конструкторских работ (ОКР) и завершается разработкой рабочего
проекта КМ. Этап ОКР объединяет стадии технического предложения
(частично), эскизного и технического проектов, на которых реализуются

1.1. Процесс проектирования

1. Основы процесса проектирования колесных машин

вопросы детальной конструкторской проработки проекта. Внутреннее проектирование выполняет конструкторская организация — исполнитель данного проекта.
Под проектным решением подразумевается промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или описания проектирования. Проектная процедура представляет собой формализованную совокупность действий, основанную на методах математического и физического
моделирования, теории принятия решений. Результатом выполнения проектной процедуры является проектное решение.
Проектная процедура состоит из элементарных проектных операций, осуществляемых в определенном порядке, и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования. При проектной операции производится действие или совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для проектных процедур.
Алгоритм проектирования отражает совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования. Примерами операций являются отдельные вычислительные работы (извлечение корня, решение уравнения), способы интерпретации результатов (построение графика, таблицы), виды подготовки данных и др. Примерами проектных процедур служат процедуры
моделирования, оптимизации и прогнозирования.
Каждая такая процедура характеризуется параметрами, являющимися
в общем случае исходными данными, ограничениями, математической моделью, проектным решением и критериями оценки проектного решения.
Проектные процедуры зависят от языка проектирования, который служит средством лингвистического или графического представления решения.
Определение последовательности операций, выбираемых проектировщиком для решения поставленной или сформулированной технической задачи,
представляет собой стратегию проектирования, которая может быть линейной, циклической, разветвленной и адаптивной (рис. 1.1).
Технология проектирования — это опробованная последовательность
действий или операций, позволяющая технически выполнить проектирование заданного объекта. Отличие стратегии от технологии проектирования
заключается в том, что технология является опробованной стратегией, лишенной элемента поиска и неопределенности на ключевых этапах процесса проектирования. Различают два вида процесса проектирования: в соответствии с заданной технологией и при отсутствии (полном или частичном) методики и алгоритмов проектирования. Первый вид связан с
созданием нового и оригинального объекта.
Методология проектирования — это совокупность теоретических положений о структуре, логической организации, методах и средствах проектирования. Одна из ее важнейших задач — сокращение числа итераций в
процессе проектирования. Методология проектирования должна отвечать
ряду требований. Прежде всего она должна отличаться общностью и пригодностью для решения широкого круга инженерных задач, достаточной