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

Cover Page

Cite item

Full Text

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.

About the authors

Vyacheslav V. Novikov

Volgograd State Technical University

Email: nvv_60@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0917-781X
SPIN-code: 5698-1330

Professor, Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Automatic Units Department

Russian Federation, 28 Lenin avenue, 400005 Volgograd

Alexey V. Pozdeev

Volgograd State Technical University

Author for correspondence.
Email: pozdeev.vstu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3144-3619
SPIN-code: 5559-5294

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Automatic Units Department

Russian Federation, 28 Lenin avenue, 400005 Volgograd

Dmitry A. Chumakov

Volgograd State Technical University

Email: chda1991@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3958-128X
SPIN-code: 4856-4448

Cand. Sci. (Engineering), Engineer of the Automatic Units Department

Russian Federation, 28 Lenin avenue, 400005 Volgograd

Nikolay M. Kolesov

Volgograd State Technical University

Email: kolesov.nikolay2017@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-2377-5863
SPIN-code: 3653-6177

Postgraduate of the Automatic Units Department

Russian Federation, Volgograd

Nikolay V. Timoshin

Volgograd State Technical University

Email: titan_34rus@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-6890-2854
SPIN-code: 2327-9267

Postgraduate of the Automatic Units Department

Russian Federation, 28 Lenin avenue, 400005 Volgograd

Timofey A. Kagochkin

Volgograd State Technical University

Email: tkagochkin@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-8944-1175
SPIN-code: 2758-8598

Student of the Automatic Units Department

Russian Federation, 28 Lenin avenue, 400005 Volgograd

Valeriya E. Skribunova

Volgograd State Technical University

Email: sswwaattxx@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-2338-6941
SPIN-code: 8056-3510

Student of the Automatic Units Department

Russian Federation, 28 Lenin avenue, 400005 Volgograd

References

  1. Patent RUS № 2108240 / 10.04.1998. Ryabov IM. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: UUZFGT
  2. Patent RUS № 2133675 / 27.09.1999. Byul. № 21. Enaev AA., Mazur VV, Yatsenko NN. Koleso s vnutrennim podressorivaniem. (In Russ.) EDN: XTYFJB
  3. Patent RUS № 2144862 / 27.01.2000. Byul. № 3. Ryabov IM. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: XPSKUO
  4. Patent RUS № 2178742 / 27.01.2002. Byul. № 3. Ryabov IM. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: EEKHYT
  5. Gavrikov AN. Razrabotka i obosnovanie parametrov “gibkih koles”, ispolzuemykh na selskokhozyaystvennoy tekhnike [dissertation] Moscow; 2004. (In Russ.) EDN: NMPLXF
  6. Mazur VV. Povyshenie plavnosti khoda avtotransportnykh sredstv vnutrennim podressorivaniem koles [dissertation] Bratsk; 2004. (In Russ.) EDN: JSVYZZ
  7. Batmanov VN. Povyshenie effektivnosti raboty traktorov klassa 1,4 pri ispolzovanii nepolnokruglykh dvizhiteley [dissertation] Cheboksary; 2005. (In Russ.) EDN: NNUIHD
  8. 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.)
  9. 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.)
  10. 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
  11. Patent RUS № 2279354 / 10.07.2006. Byul. № 19. Polivaev OI, Pankov AV, Zolotykh ED, Kuznetsov AN. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: DAXXEL
  12. 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.)
  13. Grushnikov VA, Kalinkovsky VS. Safe tires. Avtomobilnaya promyshlennost. 2010;3:18–21. (In Russ.)
  14. Yarovoy VG, Sharapov AP. Tire as an elastic damping link of an agricultural tractor. Vestnik agrarnoy nauki Dona. 2010;3:25–30. (In Russ.)
  15. 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.)
  16. Patent RUS № 2657815 / 15.06.2018. Byul. № 17. Manfanovsky SB, Enaev AA. Koleso s vnutrennim podressorivaniem i dempfiruyushchimi elementami. (In Russ.) EDN: LGXATM
  17. 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
  18. 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
  19. 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.)
  20. Patent RUS № 2711771 / 22.01.2020. Byul. № 3. Novikov VV, Pozdeev AV, Zhdamirova EV. Koleso transportnogo sredstva. (In Russ.) EDN: YCYHBR
  21. 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
  22. 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
  23. Pozdeev AV. The device and principle of operation of a single-support hydropulsator vibro-stand: textbook. Volgograd: VolgGTU; 2020. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. The pneumatic wheel with external spring-hydraulic mini-suspension and a single support roller according to the Patent RU 2770032: 1 — a wheel hub; 2 — a rim; 3 — a pneumatic tire; 4 — a beam; 5, 6 — eye ends; 7 — an axle of a sprung arm; 8 — the sprung guide arm; 9 — the support roller; 10 — a hydraulic damper; 11 — a spring; 12 — an axle of the hydraulic damper; 13 — a bumpstop; 14 — a band; 15 — a side clamps; 16, 17 — internal circular fillets; 18 — rubber belts.

Download (256KB)
3. Fig. 2. An analytical model of the inclined spring-hydraulic mini-suspension: x — tire deformation; y — spring deformation; c, e — constants; l, d — current coordinates of the point N; α — inclination angle of the spring axis to the horizontal; Рпр — spring force along the axis y; P(x) — spring force along the axis x.

Download (60KB)
4. Fig. 3. Stiffness curves of the pneumatic wheel with the spring-hydraulic mini-suspension at the inclination angle α = 55°: 1 — elastic force of the tire of the proposed wheel; 2 — vertical force of the mini-suspension at the sprung support roller; 3 — total elastic force of the proposed wheel; 4 — elastic force of a pneumatic tire of a normal wheel; Рст and hст — force and deformation of the wheel tire under static load; Рст.пш and Рст.мп — elastic force of the tire of the proposed wheel and vertical force of the mini-suspension at the sprung roller under static load.

Download (144KB)
5. Fig. 4. An analytical model of the pneumatic wheel with the mini-suspension: М — the sprung mass (mass of a wheel and a tractor frame’s part); G — load at the wheel axis; P and R — spring force and damping force normalized to the vertical axis; Pш — tire elastic force; Rш — tire non-elastic resistance force; спр and r — spring stiffness and damper resistance coefficient; сш — tire stiffness; rш — tire resistance coefficient; q — uneven road profile; z — vertical displacement of the wheel axis.

Download (79KB)
6. Fig. 5. Calculated stiffness curves of the pneumatic wheel with the spring-hydraulic mini-suspension at the inclination angle α = 55° and the static load of 6 kN: 1 — tire; 2 — mini-suspension; 3 — total stiffness curve of the whole wheel; Pст — static wheel load; hст — static tire deformation.

Download (60KB)
7. Fig. 6. Calculated response curves of vertical oscillations of axis of a normal pneumatic wheel at load on a tire of 0.6 tons: 1 — displacement; 2 — velocity; 3 — acceleration; a0 — acceleration amplitude.

Download (89KB)
8. Fig. 7. Calculated response curves of vertical oscillations of axis of the pneumatic wheel with the spring-hydraulic mini-suspension at load on a tire of 0.6 tons: 1 — displacement; 2 — velocity; 3— acceleration; a0 — acceleration amplitude.

Download (68KB)
9. Fig. 8. Installation of the pneumatic wheel with the spring-hydraulic mini-suspension on the dynamic hydropulsating bench: 1 — the pneumatic wheel of the MTZ-82 tractor’s rear axle; 2 — the spring-damper mini-suspension with the support roller; 3 — a movable table with weights.

Download (203KB)
10. Fig. 9. Stiffness curves and pressure change in the pneumatic wheel’s tire depending on tire deformation δ at the static load of 6 kN and various excessive pressure р: 1…4 — stiffness curves; 1’…4’ — dependence curves of excessive tire pressure on tire deformation; 1, 1’ — p = 0.4 bar; 2, 2’ — p = 0.8 bar; 3, 3’ — p = 1.2 bar; 4, 4’ — p = 1.6 bar.

Download (121KB)
11. Fig. 10. Dependence curves of deflection of the 400-965/15.5-38 tire on excessive pressure: 1 — without the mini-suspension; 2 — with the mini-suspension.

Download (58KB)
12. Fig. 11. Experimental oscillograph charts of free-decaying oscillations of the normal pneumatic wheel of the MTZ-82 tractor’s rear axle at the rebound to 50 mm: 1 — р = 0.4 bar; 2 — р = 0.8 bar; 3 — р = 1.2 bar; 4 — р = 1.6 bar.

Download (84KB)
13. Fig. 12. Experimental oscillograph charts of free-decaying oscillations of the wheel of the MTZ-82 tractor’s rear axle with the spring-hydraulic mini-suspension at the rebound to 50 mm: 1 — p = 0.4 bar; 2 — p = 0.8 bar; 3 — p = 1.2 bar; 4 — p = 1.6 bar.

Download (70KB)
14. Fig. 13. Experimental response curves of vertical oscillation ranges of the axis of the normal pneumatic wheel of the MTZ-82 tractor’s rear axle at the vertical load of 6 kN and various excessive pressure in the 400-965/15.5-38 tire: 1 — p = 0.4 bar; 2 — p = 0.8 bar; 3 — p = 1.6 bar.

Download (74KB)
15. Fig. 14. Experimental response curves of vertical oscillation ranges of the axis of the pneumatic wheel of the MTZ-82 tractor’s rear axle with the spring-hydraulic mini-suspension at the vertical load of 6 kN and various excessive pressure in the 400-965/15.5-38 tire: 1 — p = 0.4 bar; 2 — p = 0.8 bar; 3 — p = 1.6 bar.

Download (71KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».