ВЕЗДЕХОДНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО

Техническое решение относится к вездеходным транспортным средствам, прежде всего к их конструктивным параметрам и в частности к массово-геометрическим соотношениям, определяющим опорную проходимость. Такие транспортные средства предназначены для перемещения людей и грузов по грунтам с малой несущей способностью, а также болотам и водным преградам в сложных природно-климатических условиях. Их рационально использовать в сельском хозяйстве, при разведке, разработке, добыче нефти и газа.
Широко известны вездеходные транспортные средства, содержащие кузов и шасси, оснащенные колесами с шинами сверхнизкого давления. Так, вездеходное транспортное средство «ПЕТРОВИЧ» ООО «ЭКОТРАНС» (см. сайт компании http://www.petrovichauto.ru) выпускается на основе двух базовых моделей - четырехколесной и шестиколесной в нескольких вариантах. Они имеют несущую раму с кабиной и грузовой платформой, а также колеса с бескамерными шинами сверхнизкого давления размерностью 1300×600×533. При сухой массе 1950 и 2600 кг, грузоподъемность составляет 800 и 1000 кг соответственно, а пассажировместимоть - от 3 до 12 человек в зависимости от типа кузова и комплектации. По заявлению производителя вездеход создавался как сверхпроходимое средство для перевозки грузов по любой поверхности. Для этого его каркас выполнен из гнутых на швейцарском оборудовании закрытых стальных профилей, а нагрузка на кузов из панелей «в виде сэндвича» рассчитана на специализированных компьютерных программах, а для привлечения внимания внешний вид создан профессиональными дизайнерами. Однако конструкция этого вездехода не обеспечивает плавучесть за счет объема колес, а требует применения поплавков (понтонов) и вставок в защиту днища, изготовленных из пенопласта обшитого алюминиевым листом, что усложняет конструкцию и повышает затраты на изготовление.
Снегоболотоходы «Кержак» на шинах сверхнизкого давления размерностью 1300×700 ООО «ТрансМаш» (см. сайт http://www.transmashnn.ru) предназначены для перевозки грузов и людей в условиях бездорожья, снежной целины и болот. Их выпускают с колесными формулами 4×4, 6×6 и 8×8. Большая снаряженная масса (см., например, характеристики ТГС-30071, с колесной формулой 4×4) составляющая 2900 кг обусловлена его конструкцией, а именно: кабина и коробка передач заимствована у ГАЗели, силовая установка ЗМЗ-406, 405, 514 или ГАЗ-560, раздаточная коробка ГАЗ-66, а ведущие мосты - от трактора МТЗ-82. Поэтому заявленная способность вплавь преодолевать небольшие водные преграды не реализуема без применения дополнительных навесных водоизмещающих элементов в переднем бампере и боковых подножках, что усложняет конструкцию. То, что грузоподъемность снегоболотохода составляет 1200 кг и рисунок протектора его шин имеет развитые грунтозацепы, не способствует сохранности почвенно-растительного покрова, даже при наличии централизованной системой подкачки шин, а это недопустимо при эксплуатации в условиях крайнего севера. К тому же его эксплуатация на дорогах с твердым покрытием из-за переутяжеленного шасси весьма проблематична. И все это из-за неоптимальных массово-геометрических параметров.
Вездеход Z-83 компании АВТОРОС (см. http://www.z-project.ru, а также журнал Коммерсантъ Автопилот Off-Road, Апрель-Июнь 2009) предназначен для эксплуатации на грунтах со слабой несущей способностью, преодоления болотистых местностей и водных преград. Он выполнен с колесной формулой 8×8 и оснащен шинами сверхнизкого давления AVTOROS X-TRIM 49×23,5-21LT (1230×600). Выпущены его образцы с пластиковым и алюминиевым кузовами, все его колеса управляемы и позволяют двигаться в трех режимах, в том числе и «крабом», но его снаряженная масса, составляющая 4100 кг не позволяет эффективно перемещаться по болотистой местности, даже при качении каждого последующего колеса по собственной колее. Для повышения плавучести несущая система вездехода герметизирована. В тоже время для эффективного передвижения по снежной поверхности необходимо, чтобы нагрузка на колесо была не более 250-300 кг, в данном случае нагрузка на его колеса превышена вдвое. К тому же, весьма жесткие шины с агрессивным рисунком протектора срывают верхний почвенный слой, что приводит к закапыванию. Кардинально улучшить проходимость могли бы снижение удельного давления на грунт, применение шин с более тонким и гибким каркасом, а также централизованная система регулирования давления в шинах, которая отсутствует.
Для всех этих транспортных средств характерна недостаточная проходимость по грунтам с малой несущей способностью, а также неудовлетворительное преодоление водных преград из-за неоптимальных массово-геометрических параметров. При этом их штатные пневматические шины по размерам, форме и эластичности не отвечают условиям эксплуатации. К тому же, из-за чрезмерного внедрения колес в грунт ухудшается маневренность, велики нагрузки в системе управления, перегружена их трансмиссия. И даже при том, что в них использованы новейшие технологии и научно-технические разработки, они не могут в полной мере обеспечить решение транспортных проблем в регионах с отсутствующей дорожной сетью.
Колесное транспортное средство по RU 13199 имеет полноприводное двухосное шасси на колесах с пневматическими шинами. Отношение наружного диаметра его шин к базе транспортного средства, составляющее 0,4-0,6, повышает геометрическую проходимость, но эффективная работа на грунтах с малой несущей способностью обеспечена лишь при ограниченных значениях его массовых параметров. А соотношение ширины профиля шины к возможной колее транспортного средства в диапазоне 0,25-0,35 снижает маневренность транспортного средства и ограничивает возможности его компоновки.
Содержащее негерметичный корпус и раму с установленными на ней через подвеску колесами с пневматическими шинами транспортное средство по RU 2042560 имеет внутренний объем V каждой шины определяемый по формуле:
При таких соотношениях обеспечена плавучесть без внесения дополнительных изменений в конструкцию, однако расположение осей колес ниже обреза нижней части корпуса на величину Н=(0,2…0,5)D приводит к неоправданному повышению центра тяжести, а это ухудшает устойчивость и управляемость при движении по дорогам с твердым покрытием. К тому же, при движении по грунтам с несущей способностью менее 0,05 МПа возникают проблемы сохранности поверхностного почвенно-растительного слоя, из-за значительной деформации грунта и образования колеи, что приводит к увеличению расхода топлива.
Незатейливо решен вопрос повышения проходимости и поперечной устойчивости в шестиколесном транспортном средстве с осевой схемой 1-2 по RU 2042561. Оно содержит корпус с выполненными в нем колесными нишами и раму с установленными на ней управляемыми приводными колесами с пневматическими шинами. При этом размеры его корпуса, колес и шин выполнены в следующих соотношениях: A:C:1:L:B:D:S 2,5:5,0:0,75:3,5:1,9:1,3:0,6. Эти соотношения при отсутствии параметра расположения центра тяжести не позволят оптимально выполнить компоновку транспортного средства и могут привести к существенному снижению его устойчивости и остойчивости.
Не удается добиться повышения проходимости увеличением диаметра шин и в колесном транспортном средстве по RU 2042562. Данное транспортное средство содержит корпус и раму с установленными на ней через элементы подвески управляемые приводные колеса с пневматическими шинами, при этом элементы подвески и механизма передачи вращающего момента на колеса закреплены на кронштейнах, выступающих ниже обреза нижней части рамы на величину, равную 0,25-0,3 наружного диаметра шины. При такой компоновке возможно установить шины большего диаметра, но увеличение их диаметра приводит к перегруженности трансмиссии, а это снижает ее надежность и ухудшает управляемость транспортного средства из-за увеличения боковых уводов шин.
В колесном транспортном средстве по RU 2084366, содержащем негерметичный несущий кузов, с установленными на нем через подвеску колесами с пневматическими шинами, внутренний объем каждой шины составляет:
,
ш
3
а оси колес расположены ниже обреза нижней части корпуса на величину H=(0,25…0,5)D, при этом отношение массы каждой шины к ее внутреннему объему воздуха составляет M/V=5,0…70, кг/м, а коэффициент водоизмещения шины К=1,1…6,0. При таких соотношениях оптимизирована масса шины и объем воздуха во внутренней ее полости, однако нет улучшения проходимости и плавучести транспортного средства, велика масса колеса и мала адаптируемость шины к поверхности перемещения.
Транспортное средство по RU 2143980 имеет колеса с пневматическими шинами, общее водоизмещение которых обеспечивает плавучесть транспортного средства, полная масса которого связана с габаритными размерами шин соотношением:
,
3
оно способно эффективно работать на грунтах с несущей способностью менее 0,02 МПа без существенного механического воздействия на слабонесущие грунты. Однако, значение верхней границы данного диапазона ограничивает грузоподъемность транспортного средства, а отношение массы каждой шины к ее внутреннему объему в пределах 35-80 кг/м не в полной мере охватывает диапазон массово-геометрических параметров устанавливаемых на данное транспортное средство движителей.
В колесном транспортном средстве по RU 2147529, имеющим привод на все колеса, силовой агрегат размещен внутри базы в зоне центра тяжести снаряженного транспортного средства, при этом статические радиальные нагрузки на колеса с шинами первой оси меньше нагрузок на колеса с шинами второй оси на 3-25% при неполной загрузке транспортного средства в пределах его штатной грузоподъемности. Такая компоновка транспортного средства и его параметры позволяют повысить проходимость и снизить расход топлива при работе на деформируемых грунтах с загрузкой до 50% штатной грузоподъемности. Увеличение загрузки до штатной грузоподъемности снижает проходимость, при этом даже суммарное водоизмещение колес, составляющее не менее 1,2 полной массы транспортного средства и наличие более двух осей не могут исправить данную проблему.
Среди большинства приведенных технических решений, определяющих массово-геометрические параметры, нет оптимального решения для вездеходного транспортного средства, передвигающегося по поверхностям с многообразно различающейся несущей способностью, включая водные участки.
т.с
Известно колесное транспортное средство по RU 2122504 (US 6375199, СА 2300916 и международная заявка WO 9908923). Оно содержит кузов и шасси оснащенное колесами, с шинами сверхнизкого давления, общее водоизмещение которых обеспечивает его плавучесть. При этом габаритные размеры D и В шин связаны с полной массой М транспортного средства соотношением:
т.с.
-5
[М/(DВn)]·10=0,004-0,007 МПа;
3
Отношение массы шины к ее внутреннему объему находящееся в диапазоне 45-80 кг/м обеспечивает плавучесть транспортного средства, однако оно чрезмерно погружено в воду, что приводит к снижению скорости перемещения на плаву. Кроме того при такой размерности шин (колес) усложнена компоновка и снижена проходимость, что не отвечает условиям передвижения по поверхностям с различной несущей способностью.
Задача - расширение функциональных возможностей вездеходного транспортного средства при улучшении тягово-скоростных его свойств, в условиях передвижения по поверхностям с различной несущей способностью.
Достижение технического результата, а именно расширение функциональных возможностей вездеходного транспортного средства при улучшении тягово-скоростных его свойств, в условиях передвижения по поверхностям с различной несущей способностью обеспечено рациональным выбором его массово-геометрических параметров.
Для этого в вездеходном транспортном средстве, содержащем кузов и шасси оснащенное колесами, на ободах которых установлены шины сверхнизкого давления, суммарный объем шин замкнутых ободом, связан со снаряженной массой вездеходного транспортного средства соотношением:
(ΣVш·ρ)/Мсн.=0,7÷3,5,
3
где ΣVш - суммарный объем шин вездеходного транспортного средства, м;
Мсн - снаряженная масса вездеходного транспортного средства, кг.
Примеч. Согласно п.3.17а (см., ГОСТ Р 51709-2001 Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки) масса транспортного средства в снаряженном состоянии (снаряженная масса): масса порожнего транспортного средства с кузовом и сцепным устройством в случае тягача или масса шасси с кабиной, если завод-изготовитель не устанавливает кузов и (или) сцепное устройство, включая массы охлаждающей жидкости, масла, 90% топлива, 100% других жидкостей (за исключением использованной воды), инструментов, запасного колеса, массу водителя (75 кг) и - для городских и междугородных автобусов - массу члена экипажа (75 кг), если в транспортном средстве предусмотрено для него сиденье.
3
ρ - плотность воды, кг/м.
При значениях отношения (ΣVш·ρ)/Мсн. в диапазоне от 0,7 до 3,5 расширены функциональные возможности вездеходного транспортного средства при улучшении тягово-скоростных его свойств, в условиях передвижения по поверхностям с различной несущей способностью, из-за уменьшения давления на грунт. К тому же повышена проходимость и плавучесть. Приведенный диапазон определяет способность вездеходного транспортного средства держаться на плаву. Значение равное 1 относится к случаю нейтральной плавучести, т.е. вездеходное транспортное средство не тонет только за счет водоизмещения колес. Другая граница равная 0,7 относится к случаю, когда снаряженная масса вездеходного транспортного средства превышает пороговое значение необходимое для обеспечения плавучести. При этом транспортное средство с колесами меньшего диаметра обладает лучшей управляемостью и динамикой на дорогах общего пользования, ненамного теряя в проходимости. Либо при сохранении геометрических параметров движителей оно может быть выполнено более надежным при некотором увеличении снаряженной массы. Если граница диапазона равна 3,5, обеспечено минимальное давление на грунт и максимальный запас плавучести при преодолении водных преград. Данные значения достигаются применением легких сплавов в производстве шасси транспортного средства (картера редукторов, детали рамы и т.п.), а также широким использованием композиционных материалов (легких сэндвич панелей) при изготовлении кузова.
3
Тому же способствует то, что отношение массы колеса Мк к объему шины Vш замкнутой ободом составляет 45-150 кг/м, причем Мк=Мш+Моб, где Мш - масса шины, Моб - масса обода.
3
3
При значении вышеуказанного отношения равного 45 кг/м повышается скорость движения транспортного средства на слабонесущих грунтах, а также на плаву из-за снижения уровня ватерлинии, вследствие снижения массы всего транспортного средства. Другая граница 150 кг/м обусловлена увеличением елейности шины и соответственно массы колеса в целом, с целью повышения грузоподъемности транспортного средства на твердых опорных поверхностях.
Изображено на:
фиг.1 - вездеходное транспортное средство;
фиг.2 - колесо;
фиг.3 - колесо в разрезе;
фиг.4 - габаритный чертеж вездеходного транспортного средства;
фиг.5 - вездеходное транспортное средство (движение по снегу глубиной около 1 м);
фиг.6 - вездеходное транспортное средство на плаву;
Вездеходное транспортное средство содержит кузов 1 (фиг.1) и шасси 2, оснащенное колесами 3. На ободах 4 (фиг.2) колес 3 установлены шины 5 сверхнизкого давления.
сн
Суммарный объем ΣVш шин 5 замкнутых ободом 4 (фиг.3), связан со снаряженной массой М вездеходного транспортного средства соотношением:
3
(ΣVш·ρ)/Мсн.=0,7÷3,5, где ρ - плотность воды, кг/м.
При значениях отношения (ΣVш·ρ)/Мсн. от 0,7 до 3,5 расширены функциональные возможности вездеходного транспортного средства и улучшены его тягово-скоростные свойства, в условиях передвижения по поверхностям с различной несущей способностью, т.к. эти массово-геометрические соотношения из-за уменьшения давления на грунт обеспечивают его проходимость и плавучесть. При значении равном 1 обеспечена нейтральная плавучесть, водоизмещением колес 3. При значении равном 0,7 снаряженная масса транспортного средства превышает пороговое значение необходимое для обеспечения плавучести и это вездеходное транспортное средство в случае выполнения колес 3 меньшего диаметра обладает лучшей управляемостью и динамическими характеристиками на дорогах общего пользования, ненамного теряя в проходимости. Тем самым при сохранении геометрических параметров движителя оно может быть надежнее при некотором увеличении снаряженной массы Мсн. При значениях близких или равных 3,5 обеспечено минимальное давление на грунт и максимальный запас плавучести (фиг.6) в водной среде. Указанные значения требуют применения легких сплавов в производстве шасси 2, а также композиционных материалов при изготовлении кузова 1.
3
Отношение массы (Мк) колеса 3 к объему (Vш) шины 5 замкнутой ободом 4 (фиг.3) составляет 45-150 кг/м. Объем (Vш) шины 5 замкнутой ободом 4 определяют либо экспериментально (измерением объема вытесненной колесом 3 воды), либо инструментами измерения в компьютерных программах автоматизированного проектирования.
В ходе испытаний установлено, что вездеходное транспортное средство, имеющее приведенные выше массово-геометрических соотношения, может двигаться по слабонесущим грунтам (рыхлому снегу глубиной 1-1,5 м или заболоченной местности) не погружаясь глубже, чем на высоту профиля шины 5, т.е. на величину 300-400 мм (фиг.5). Диапазон рабочего давления в шине 5 варьируется от 8 до 70 кПа. Для движения по слабонесущим грунтам оптимальным является давление 10…25 кПа, а на твердых поверхностях его необходимо увеличить до 45…60 кПа.
Вездеходное транспортное средство функционирует следующим образом.
сн
Кузов 1 и шасси 2 оснащенное колесами 3, выполненное с отношением (ΣVш·ρ)/Мсн равном 0.7, на дорогах с твердым покрытием обладает лучшей управляемостью и динамическими характеристиками. Либо оно может быть выполнено более надежным при некотором увеличении снаряженной массы М. При движении вездеходного транспортного средства по грунтам со сниженной несущей способностью увеличивается внедрение шин 5 в грунт. Значение вышеуказанного отношения равное 3,5 обеспечивает минимальную деформацию грунта и максимальный запас плавучести при преодолении водных преград.
Нахождение значений отношения (ΣVш·ρ)/Мсн. в диапазоне от 0,7 до 3,5 позволило расширить функциональные возможности вездеходного транспортного средства при улучшении тягово-скоростных его свойств, в условиях передвижения по поверхностям с различной несущей способностью, т.к. вышеуказанные массово-геометрические соотношения уменьшают давление на грунт, тем самым повышая проходимость и плавучесть. Приведенный диапазон определяет способность вездеходного транспортного средства держаться на плаву. Значение равное 1 относится к случаю нейтральной плавучести, т.е. вездеходное транспортное средство не тонет только за счет водоизмещения колес.
3
3
Оснащение вездеходного транспортного средства колесом (колесами) 3 отношение массы которого к объему шины 5 Vш замкнутой ободом 4 равно 45 кг/м повышает скорость движения транспортного средства на слабонесущих грунтах, а также на плаву из-за снижения уровня ватерлинии, вследствие снижения массы всего вездеходного транспортного средства. Увеличение елейности шины повышает грузоподъемность вездеходного транспортного средства на твердых опорных поверхностях, что соответствует значению 150 кг/м.