Computational and experimental studies of vibration-protective properties of a pneumatic wheel of the MTZ-82 BELARUS tractor with external spring-hydraulic mini-suspension

Abstract

BACKGROUND: Currently used in various sectors of the national economy, numerous wheeled suspensionless vehicles on pneumatic tires have a low level of vibration protection of the frame and limited cross-country ability. Therefore, the development and study of the design characteristics of a pneumatic wheel with increased elastic-damping properties and cross-country ability is a relevant technical problem.

AIM: Development of the design and study the vibration-protective properties of a pneumatic wheel with an external spring-hydraulic mini-suspension to improve the ride smoothness and cross-country ability of large-sized suspensionless vehicles.

METHODS: A description of the design of a wheel with mini-suspension and a support roller is presented. The wheel modeling was carried out in the PascalABC software, which takes into account the nonlinearity of the total force of the pneumatic tire and the spring-hydraulic mini-suspension, which is installed parallel to the tire at an angle to the vertical axis of the wheel. The test method consisted of comparison of free and forced vibrations of the rear pneumatic wheel of the MTZ-82 BELARUS tractor with a 400-965/15.5-38 tire, which operated without and with mini-suspension at a vertical load of 0.6 tons and various excessive pressure in the tire.

RESULTS: The results of computational and experimental studies show that if the tire is radially compressed by 75 mm, the excess pressure inside the pneumatic wheel almost does not change, and if the pressure in the tire decreases from 1.6 to 0.4 bar, the resonant vibration frequency of the standard wheel axle decreases by 25%, while the dynamic coefficient remains unacceptably high (more than 5), leading to the tire breakaway from the supporting surface. Installing a mini-suspension parallel to the wheel in the form of a spring-hydraulic shock-absorbing strut leads to an increase in the resonant frequency by 1 Hz, however, the resonant peaks are reduced by almost 3 times to a dynamic coefficient of 2.5...2, which significantly increases the ride smoothness of suspensionless vehicles and reduces the likelihood of wheel breakaway from the supporting surface.

CONCLUSION: It was found with the studies that the proposed wheel with a mini-suspension as a spring-hydraulic strut and a support roller has a relatively simple design, ensures high vibration-protective properties with small amplitudes of kinematic disturbance and can be used to improve the ride smoothness and cross-country ability of wheeled suspensionless vehicles.

Keywords

pneumatic wheel / external mini-suspension / cross-country ability / mathematical model / bench tests / ride smoothness / static tire deflection

References

[1] Patent RUS № 2108240 / 10.04.1998. Ryabov IM. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: UUZFGT

[2] Патент РФ № 2108240 / 10.04.1998. Рябов И.М. Колесо транспортного средства. EDN: UUZFGT

[3] Patent RUS № 2133675 / 27.09.1999. Byul. № 21. Enaev AA., Mazur VV, Yatsenko NN. Koleso s vnutrennim podressorivaniem. (In Russ.) EDN: XTYFJB

[4] Патент РФ № 2133675 / 27.07.99, Бюл. № 21. Енаев А.А., Мазур В.В., Яценко Н.Н. Колесо с внутренним подрессориванием. EDN: XTYFJB

[5] Patent RUS № 2144862 / 27.01.2000. Byul. № 3. Ryabov IM. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: XPSKUO

[6] Патент РФ № 2144862 / 27.01.2000, Бюл. № 3. Рябов И.М. Колесо транспортного средства. EDN: XPSKUO

[7] Patent RUS № 2178742 / 27.01.2002. Byul. № 3. Ryabov IM. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: EEKHYT

[8] Патент РФ № 2178742 / 27.01.2002, Бюл. № 3. Рябов И.М. Колесо транспортного средства. EDN: EEKHYT

[9] Gavrikov AN. Razrabotka i obosnovanie parametrov “gibkih koles”, ispolzuemykh na selskokhozyaystvennoy tekhnike [dissertation] Moscow; 2004. (In Russ.) EDN: NMPLXF

[10] Гавриков А.Н. Разработка и обоснование параметров «гибких колес», используемых на сельскохозяйственной технике: дисс. ... канд. техн. наук. М., 2004. EDN: NMPLXF

[11] Mazur VV. Povyshenie plavnosti khoda avtotransportnykh sredstv vnutrennim podressorivaniem koles [dissertation] Bratsk; 2004. (In Russ.) EDN: JSVYZZ

[12] Мазур В.В. Повышение плавности хода автотранспортных средств внутренним подрессориванием колёс : дис. ... канд. техн. наук. Братск, 2004. EDN: JSVYZZ

[13] Batmanov VN. Povyshenie effektivnosti raboty traktorov klassa 1,4 pri ispolzovanii nepolnokruglykh dvizhiteley [dissertation] Cheboksary; 2005. (In Russ.) EDN: NNUIHD

[14] Батманов В.Н. Повышение эффективности работы тракторов класса 1,4 при использовании неполнокруглых движителей : дисс. ... канд. техн. наук. Чебоксары, 2005. EDN: NNUIHD

[15] Kuznetsov NG, Zhutov AG, Kareva NV. Horizontal rigidity of the tractor’s drive wheels and its traction performance. Tractors and Agricultural Machinery. 2005; 11: 15–16. (In Russ.)

[16] Кузнецов Н.Г., Жутов А.Г., Карева Н.В. Горизонтальная жесткость ведущих колес трактора и его тяговые показатели // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2005. № 11. С. 15–16.

[17] Ryabov IM, Chernyshov KV, Sokolov AYu. Mathematical model of a wheel with a pneumatic damping system for non-suspension machines. In: Izv. VolgGTU. Seriya «Nazemnye transportnye sistemy»: mezhvuz. sb. nauch. st. Volgograd: VolgGTU; 2007;2(8):51–53. (In Russ.)

[18] Рябов И.М., Чернышов К. В., Соколов А. Ю. Математическая модель колеса с пневматической демпфирующей системой для бесподвесочных машин // Изв. ВолгГТУ. Серия «Наземные транспортные системы»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. Волгоград, 2007. Вып. 2, № 8. С. 51–53.

[19] Zlobin VI. Povyshenie effektivnosti ispolzovaniya kolesnogo traktora klassa 1,4 za schet postanovki sdvoennykh koles v selskokhozyaystvennom proizvodstve Amurskoy oblasti [dissertation] Moscow; 2006. EDN: NOLQMD

[20] Злобин В.И. Повышение эффективности использования колесного трактора класса 1,4 за счет постановки сдвоенных колес в сельскохозяйственном производстве Амурской области : дисс. ... канд. техн. наук. М., 2006. EDN: NOLQMD

[21] Patent RUS № 2279354 / 10.07.2006. Byul. № 19. Polivaev OI, Pankov AV, Zolotykh ED, Kuznetsov AN. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: DAXXEL

[22] Патент РФ № 2279354 / 10.07.2006, Бюл. № 19. Поливаев О.И., Панков А.В., Золотых Е.Д., Кузнецов А.Н. Колесо транспортного средства. EDN: DAXXEL

[23] Shilo IN, Chigarev YuV, Romanyuk NN, Volsky AL. Decreasing soil compaction by controlling the damping properties of pneumatic wheel propellers. Vestnik Belorussko-Rossiyskogo universiteta. 2008;1(18):57–62. (In Russ.)

[24] Шило И.Н., Чигарев Ю.В., Романюк Н.Н., Вольский А.Л. Снижение уплотнения почвы управлением демпфирующими свойствами пневмоколесных движителей // Вестник Белорусско-Российского университета. 2008. № 1(18). C. 57–62.

[25] Grushnikov VA, Kalinkovsky VS. Safe tires. Avtomobilnaya promyshlennost. 2010;3:18–21. (In Russ.)

[26] Грушников В.А., Калинковский В.С. Безопасные шины // Автомобильная промышленность. 2010. № 3. С. 18–21.

[27] Yarovoy VG, Sharapov AP. Tire as an elastic damping link of an agricultural tractor. Vestnik agrarnoy nauki Dona. 2010;3:25–30. (In Russ.)

[28] Яровой В.Г., Шарапов А.П. Шина как упругодемпфирующее звено сельскохозяйственного трактора // Вестник аграрной науки Дона. 2010. № 3. С. 25–30.

[29] Rykov SP, Snitsarev AV, Teterin SN. Design, calculation and test results of a wheel mover for low-speed transport. Sistemy. Metody. Tekhnologii. 2013;3(19):84–89. (In Russ.)

[30] Рыков С.П., Сницарев А.В., Тетерин С.Н. Конструкция, расчет и результаты испытаний колесного движителя для тихоходного транспорта // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 3(19). С. 84–89.

[31] Patent RUS № 2657815 / 15.06.2018. Byul. № 17. Manfanovsky SB, Enaev AA. Koleso s vnutrennim podressorivaniem i dempfiruyushchimi elementami. (In Russ.) EDN: LGXATM

[32] Патент РФ № 2657815 / 15.06.2018, Бюл. № 17. Манфановский С.Б., Енаев А.А. Колесо с внутренним подрессориванием и демпфирующими элементами. EDN: LGXATM

[33] Aldhufairi H, Essa K, Olatunbosun O. Multi-chamber tire concept for low rolling-resistance. SAE International Journal of Passenger Cars — Mechanical Systems. 2019;12(2):111–126. doi: 10.4271/06-12-02-0009

[34] Aldhufairi H., Essa K., Olatunbosun O. Multi-chamber tire concept for low rolling-resistance // SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems. 2019. Vol. 12, N. 2. Р. 111–126. doi: 10.4271/06-12-02-0009

[35] Aldhufairi HS, Olatunbosun OA, Essa K. Multi-chamber tyre designing for fuel economy. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 2020;234(2–3):522–535. doi: 10.1177/0954407019857026

[36] Aldhufairi H., Olatunbosun O., Essa K. Multi-chamber tyre designing for fuel economy // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering. 2019. doi: 10.1177/0954407019857026

[37] Novikov VV, Pozdeev AV, Chernyshov KV, et al. The main directions of development of wheel structures with pneumatic tires. Energo- i resursosberezhenie: promyshlennost i transport. 2021;4(37):38–44. (In Russ.)

[38] Новиков В.В., Поздеев А.В., Чернышов К.В., и др. Основные направления развития конструкций колес с пневматическими шинами // Энерго- и ресурсосбережение: промышленность и транспорт. 2021. № 4 (37). С. 38–44.

[39] Patent RUS № 2711771 / 22.01.2020. Byul. № 3. Novikov VV, Pozdeev AV, Zhdamirova EV. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: YCYHBR

[40] Патент РФ № 2711771 / 22.01.2020, Бюл. № 3. Новиков В.В., Поздеев А.В., Ждамирова Е.В. Колесо транспортного средства. EDN: YCYHBR

[41] Patent RUS № 2770032 / 14.04.2022. Byul. № 11. Novikov VV, Kagochkin TA, Skribunova VE, Chernyshov KV, Pozdeev AV. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: TANFWR

[42] Патент РФ № 2770032 / 14.04.2022, Бюл. № 11. Новиков В.В., Кагочкин Т.А., Скрибунова В.Е., Чернышов К.В., Поздеев А.В. Колесо транспортного средства. EDN: TANFWR

[43] Patent RUS № 2768422 / 24.03.2022. Byul. № 9. Novikov VV, Kagochkin TA, Skribunova VE, Chernyshov KV, Pozdeev AV. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: MVXPKF

[44] Патент РФ № 2768422 / 24.03.2022, Бюл. № 9. Новиков В.В., Кагочкин Т.А., Скрибунова В.Е., Чернышов К.В., Поздеев А.В. Колесо транспортного средства. EDN: MVXPKF

[45] Pozdeev AV. The device and principle of operation of a single-support hydropulsator vibro-stand: textbook. Volgograd: VolgGTU; 2020. (In Russ.)

[46] Поздеев А.В. Устройство и принцип работы одноопорного гидропульсаторного вибростенда. Волгоград: ВолгГТУ, 2020.

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector