ШАССИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ПО ПОВЕРХНОСТЯМ РАЗЛИЧНЫХ СРЕД

Техническое решение относится к транспортным средствам приспособленным для передвижения по поверхностям различных сред, как по суше, так по болотам и воде, в частности к их шасси, и прежде всего к расположению или монтажу их трансмиссий, характеризующихся расположением или типом передач. Такие шасси позволяют транспортным средствам перемещать людей и грузы через водные преграды в сложных природно-климатических условиях, а также эффективно работать на грунтах с малой несущей способностью. Они востребованы в народном хозяйстве, при разведке и добыче полезных ископаемых.
Широко известны шасси амфибий (см. статью ЗиЛ-135 СПЕЦИАЛЬНОЕ КОЛЕСНОЕ ШАССИ http:/русская-сила.рф/guide/army/tr/zil135.shtml, статью БОЛЬШОЙ АВТОМОБИЛЬ ВОДОПЛАВАЮЩИЙ журнал «АВТОТРАК» http://www.autotruck-press.ru/archive/number72/article617, а также с. 8, 9 Котович С.В. Движители специальных транспортных средств: Учебное пособие: Ч.1 / МАДИ (ГТУ). - М., 2008. - 161 с), обеспечивающие размещение, соединение и совместное функционирование элементов трансмиссии, подвески и кузова. Однако, для амфибий на шинах сверхнизкого давления, не всегда возможно упростить изготовление, крепление и соединение узлов и агрегатов шасси.
Существуют шасси амфибий с различным типом движителей, плавучесть которых обеспечена за счет водоизмещения герметичного корпуса (кузова). Так амфибии по US 2341165 и 3903831 способны преодолевать водные участки, но при этом оказывают значительное давление на грунт. Колеса большего диаметра и обтекаемая форма корпуса амфибии по US 3199486 определяют ее поведение в водной среде. Армейская открытая амфибия (см. US 3266591) и амфибия по GB 1576346 со вспомогательной осью для облегчения выхода из воды на берег имеют приемлемую геометрическую проходимость, но из-за узких колес высокого давления не могут передвигаться по грунтам с малой несущей способностью. Остойчивость в полноприводной амфибии по WO 2060707 улучшена за счет центрального расположения двигателя, который через цепную передачу приводит водомет. Амфибия по US 7128175 с сегментным движителем предназначена для движения по различным поверхностям и воде, однако она не предназначена для дорог общего пользования, к тому же ее движитель сложен и малонадежен. Движитель типа «АЭРОЛ» в амфибии по US 2916006 с пневмокатками, закрепленными на своеобразной гусенице может адаптироваться к условиям движения, но, как и в предыдущем случае возможности передвижения по твердым поверхностям ограничены. Существуют также амфибии с шнэковым движителем (см. US 4476948), но они совсем не приспособлены для передвижения по дорогам общего пользования.
Колесный движитель многоосных шасси амфибий, в основном жестко подвешен к герметичному корпусу (см. US 3204713, 3444837, 7211983, GB 1162624 и EP 2152530). Такие конструкции просты в изготовлении и обладают малым весом, но бортовой способ поворота приводит к срыву поверхностного слоя грунта при маневрировании, что увеличивает сопротивление движению и вредит экологии. Большей грузоподъемностью и адаптируемостью к рельефу обладают сочлененные шасси амфибии по US 3353618, 3653455 и DE 3878714. Немного улучшены эксплуатационные качества шасси амфибии по SU 1752584. Она содержит корпус, силовую установку с коробкой передач и валом отбора мощности, кинематически связанную с гребным винтом. При этом, для повышения амфибийных качеств, гребной винт установлен в нише корпуса.
Подобные технические решения ограничивают сферу применения вышеприведенных амфибий определенным типом поверхностей и/или водной средой.
Более широкими возможностями обладают амфибии, оснащенные колесами с шинами низкого и сверхнизкого давления.
Шасси вездехода по RU 17485 содержит раму с подвешенными на ней ведущими мостами, отличающееся тем, что ведущие мосты имеют центральный редуктор с передаточным числом в пределах 4,5-5,2 и колесные редукторы с передаточным числом в пределах 1,8-2,0, при этом отношение передаточных чисел центрального редуктора и колесного редуктора находится в пределах 2,3-2,7. Ведущие мосты содержат комбинацию конического центрального редуктора со спиральными зубьями семейства автомобилей УАЗ 31512 или автомобиля УАЗ 3160 и колесных редукторов с внутренним зацеплением зубьев автомобиля УАЗ-3151. Все это упрощает изготовление, но при оснащении их шинами сверхнизкого давления необходимо существенно изменить конструкцию серийной рамы и подвески.
Так шасси вездехода-амфибии по RU 64140, содержит силовой агрегат с коробкой передач, карданными передачами и раздаточными коробками, расположены последовательно, при этом раздаточная коробка имеет один принудительно отключаемый выходной фланец, соединенный с редуктором, приводящим во вращение гребной винт. Они размещены в корпусе, склепанном из листов легких металлов и разделенном на объемы, для размещения агрегатов, экипажа, опирающемся через упругую подвеску на колеса с шинами низкого давления. А самоходное шасси колесного плавающего транспортного средства по RU 10373 и 2140363, снабжено дополнительными поплавками, выполненными в виде подножек, расположенных под кабиной, бамперов заполненных пористым полимерным материалом и объемных колесных колпаков.
Шасси транспортного средства высокой проходимости по RU 82184, содержит раму с установленными на ней силовым агрегатом, раздаточной коробкой, кабиной и грузовой платформой. Передний и задний ведущие мосты закреплены на раме через подвеску, при этом на них установлены колесные редукторы с цилиндрическими шестернями внешнего зацепления, и колеса с шинами, имеющими систему регулирования давления. И хотя в данном шасси решена проблема обеспечения необходимого крутящего момента установкой колесных редукторов с цилиндрическими шестернями внешнего зацепления, его собственная масса велика, что влечет за собой установку на раме перед передними, за задними колесами и с боков понтонов для преодоления водных преград, а это повышает трудоемкость изготовления.
Шасси вездеходного транспортного средства «ПЕТРОВИЧ» ООО «ЭКОТРАНС» (см. сайт компании http://www.petrovichauto.ru) имеет несущую раму и колеса с бескамерными шинами сверхнизкого давления размерностью 1300×600×533. Его массово-геометрические параметры не обеспечивают плавучесть за счет объема колес, а требуют применения поплавков (понтонов), изготовленных из пенопласта обшитого алюминиевым листом, что усложняет конструкцию шасси и повышает затраты на изготовление.
Значительная снаряженная масса (2900 кг) снегоболотохода «Кержак» (см. RU 53999 и 100998) на шинах сверхнизкого давления размерностью 1300×700 ООО «ТрансМаш» (см. сайт http://wwwtransmashnn.ru) обусловлена конструкцией его шасси, а именно: 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. Хотя он предназначен для перевозки грузов и людей в условиях бездорожья, снежной целины и болот, заявленная способность вплавь преодолевать водные преграды не реализуема без применения дополнительных навесных водоизмещающих элементов в переднем бампере и боковых подножках, что усложняет конструкцию. В итоге эксплуатация на дорогах с твердым покрытием затруднительна из-за неоптимальных массово-геометрических параметров его шасси.
Шасси Вездехода Z-83 компании АВТОРОС (см. http://www.z-project.ru, а также журнал Коммерсантъ Автопилот Off-Road, Апрель-Июнь 2009) выполнено с колесной формулой 8×8 и оснащено шинами сверхнизкого давления AVTOROS X-TRIM 49×23,5-21LT (1230×600). Выпущены его образцы со всеми управляемыми колесами которые позволяют двигаться в трех режимах, в том числе и «крабом». Несущая система вездехода герметизирована для повышения плавучести, т.к. снаряженная масса шасси составляет 4100 кг.
Шасси транспортного средства-амфибии «ВИКИНГ» компании ООО НПО «АТОН ИМПУЛЬС» по RU 70851, содержит силовой агрегат с валом отбора мощности, коробку отбора мощности, ведущие мосты с колесами и элементами подвески и дополнительный водный движитель, связанный с валом отбора мощности. Независимая пневматическая подвеска колес с регулировкой клиренса обеспечивает приемлемые ходовые качества, однако она малонадежна, а планетарные колесные редукторы снабженные системой автоматической подкачки колес, редукторы мостов с механизмами блокировки колес, коробка передач с насадкой, в которой установлена шестая передача, валы отбора мощности для компрессора и водного движителя, а также механизм жесткой межосевой блокировки излишне усложняют трансмиссию. Для повышения плавучести на сегментированной герметичной раме-лодке жестко закреплен каркас, на котором, в свою очередь, смонтирован трансформируемый пластиковый кузов, что снижает удобство обслуживания. При этом, снабжение шасси амфибии системой продувки лодки и охлаждения основных агрегатов, приводит к увеличению массы конструкции в целом. Таким образом, стремление к повышению универсальности, путем оснащения шасси амфибии сложными техническими решениями отдельных ее узлов и агрегатов, несомненно, повышает некоторые эксплуатационные качества, но в итоге приводит к неоправданному усложнению конструкции в целом.
Все эти шасси оснащены дополнительными водоизмещающими элементами, либо герметизированными корпусами, что компенсирует их неоптимальные массово-геометрические параметры. При этом движитель по размерам, форме и эластичности не всегда отвечает условиям эксплуатации.
Известны также технические решения, характеризующие как геометрические, так и массово-геометрические параметры шасси амфибий.
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.
Негерметичный корпус и рама шасси транспортного средства по RU 2042560 с установленными на ней через подвеску колесами с пневматическими шинами, внутренний объем V которых определяется по формуле:
обеспечивает плавучесть без внесения дополнительных изменений в конструкцию, однако расположение осей колес ниже обреза нижней части корпуса на величину H=(0,2…0,5)D приводит к неоправданному повышению центра тяжести, а это ухудшает устойчивость и управляемость при движении по дорогам с твердым покрытием.
Осевая схема шасси 1-2 шестиколесного транспортного средства по RU 2042561, содержащего корпус с колесными нишами и раму с установленными на ней управляемыми приводными колесами с пневматическими шинами выполнена в следующих соотношениях: A:C:1:L:B:D:S 2,5:5,0:0,75:3,5:1,9:1,3:0,6. Отсутствие в этих соотношениях параметра расположения центра тяжести не позволяет оптимально выполнить компоновку шасси транспортного средства и приводит к существенному снижению его устойчивости и остойчивости.
Шасси колесного транспортного средства по RU 2084366, оснащено негерметичным несущим кузовом, 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 K=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.
т.с
Шасси колесного транспортного средства по RU 2122504 (US 6375199, CA 2300916 и международная заявка WO 9908923) оснащено шинами сверхнизкого давления, общее водоизмещение которых обеспечивает его плавучесть. При этом габаритные размеры D и B шин связаны с полной массой M транспортного средства соотношением:
т.с.
-5
[М/(DBn)]·10=0,004-0,007 МПа;
Но при такой размерности шин (колес) усложнена компоновка и снижена проходимость, что не отвечает условиям передвижения по поверхностям с различной несущей способностью. То же относится и к объекту по RU 2143980. Его полная масса связана с габаритными размерами шин соотношением:
,
Это позволяет эффективно работать на грунтах с несущей способностью менее 0,02 МПа, без существенного механического воздействия на слабонесущие грунты. Однако, грузоподъемность шасси данного транспортного средства ограничена, что снижает его эффективность.
Шасси колесного транспортного средства по RU 2147529, имеет привод на все колеса, при этом силовой агрегат размещен в зоне центра тяжести снаряженного транспортного средства, а 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 шасси повышает проходимость и снижает расход топлива при работе на деформируемых грунтах с загрузкой до 50% штатной грузоподъемности. Однако, 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 данный недостаток.
Рама шасси воспринимает нагрузки передаваемые системой подрессоривания от дорожной поверхности, и служит для крепления основных агрегатов трансмиссии, а также являются базой для установки кабин, кузовов и дополнительного оборудования.
В некоторых случаях раму шасси и ее элементы выполняют трубчатыми (см. например, SU 1134456, RU 61239 и US 7192081, а также WO 2005066010 и 2006057765). В свою очередь, закрытием профиля в RU 2048349, US 6712392 и 7216924, WO 2004028885 и 2006040732, можно осуществить увеличение жесткости их несущих систем. Рама колесных транспортных средств по RU 52805 и 53981, имеющих связанные между собой поперечинами лонжероны, герметично закрыта коробообразным кожухом с пластинчатыми торцевыми стенками. Это повышает по отношению к RU 2163209 ее изгибную жесткость местным усилением в зонах поперечин. Сравнительно большие размеры колес вездеходов приводят к заметному сокращению, прежде всего поперечных размеров рам шасси, что снижает их жесткость на кручение. Впрочем, как и у транспортных средств с хребтовой рамой (см. например, US 2305305 и UK 1179141). Рамы балочного типа по RU 2133686 имеют большую жесткость, как и рамы с замкнутым контуром (см. например, US 3499661), однако их вес и материалоемкость велики.
Таким образом, чем жестче и прочнее рама вездехода, тем выше его эксплуатационные свойства, при этом вышеуказанные технические решения не всегда позволяют упростить изготовление, крепление и соединение узлов и агрегатов шасси амфибии.
Известны различные технические решения для систем подрессоривания (подвесок) шасси.
Зависимые подвески по RU 2192969, 2214926 и 2259926 слишком громоздки. Рессорная подвеска по DE 10323732 проста, но недостаточно надежна для вездехода. Функциональна, но сложна рессорная подвеска заднего моста по EP 1564035 с широким продольным рычагом, одновременно защищающим корпус главной передачи. Один продольный рычаг применен и в зависимой подвеске по US 6976553, однако здесь в качестве упругих элементов использованы пружины. Однолистовая рессора зависимой подвески по US 7213825 обладает малой грузоподъемностью. В подвеске заднего ведущего моста (см. EP 1607249) в качестве упругих элементов использованы пневмобаллоны, что малонадежно в условиях бездорожья, а в JP 2003335119 они установлены вместе с рессорами. Мощные продольные рычаги зависимой подвески по US 7270341 повышают ее надежность, однако при этом возрастает неподрессоренная масса, что плохо сказывается на управляемости вездехода. Известен жесткий мост для вездехода по RU 2080267. Он изогнут в виде перевернутой буквы V, что обеспечивает увеличенный, по сравнению с обычным мостом, дорожный просвет. Это несколько повышает проходимость вездехода на обычных шинах, но для вездехода на шинах сверхнизкого давления, где дорожный просвет обеспечен за счет диаметра шин, такое усложнение конструкции не оправдано.
Таким образом, при создании простой и надежной конструкции шасси наиболее целесообразно выполнить его подвеску зависимой, с рессорами в качестве упругих элементов.
Трансмиссия шасси во многом определяет его эксплуатационные характеристики, поэтому от выбора ее типа, размещения и выполнения отдельных ее агрегатов зависит проходимость и надежность шасси. Широко известны различные технические решения, обеспечивающие полный привод многоосным шасси амфибий и вездеходов.
Так трансмиссия шасси транспортного средства по RU 9418, содержит коробку передач, редуктор, раздаточную коробку, карданные передачи и ведущие мосты привода колес. Редуктор, расположен в кинематической цепи между коробкой передач и раздаточной коробкой, выполнен с зубчатыми колесами внутреннего зацепления, а в приводе переднего и среднего моста использованы вискомуфты. Хотя такая трансмиссия обеспечивает автоматическое подключение передних мостов, однако, надежность ее в условиях бездорожья невелика. В тоже время в US 2158320, 2395108 и 2804158 для этого использована раздаточная коробка с тремя выходными валами. В US 2267562 применен проходной средний мост, а в US 3083782 раздаточная коробка выполнена в одном корпусе со средним проходным мостом, от которого приводится задний, подобное решение использовано и в US 4050534. В некоторых случаях возможна унификация трансмиссии колесной формулы 6×6 с трансмиссией 4×4 (см. US 3773130), аналогичное решение применено и в US 5950750, где колесная формула 6×6 реализована на базе трансмиссии 4×4. А в US 8079602 предусмотрена возможность модульного присоединения третьего ведущего моста вместе с подрамником. Различные кинематические схемы полного привода для трехосного шасси вездехода представлены в US 7464779, однако, все они сложно реализуемы.
Несмотря на многочисленные приведенные технические решения, совокупности их признаков при использовании не позволяют создать универсальное шасси амфибии выполненное в заданных габаритах с минимальной массой, при малых затратах на производство.
Известно шасси плавающего внедорожного колесного транспортного средства по RU 52777. Оно содержит раму с лонжеронами, связанными поперечинами, на которой смонтированы основная раздаточная коробка, выходные валы которой карданными передачами связаны с дифференциалами переднего и заднего ведущих мостов, подвеску колес, а также рулевой привод колес переднего и заднего ведущих мостов. Такое выполнение рулевого управления способствует повышению маневренности, однако приводит к усложнению конструкции и увеличению ее массы. При этом колесные валы проходят через отверстия в вертикальных стенках лонжеронов и конечными передачами связаны с колесами. Подвеска выполнена независимой с поперечной рессорой, которая одним концом закреплена на лонжероне, а другим на картере конечной передачи, а это увеличивает нагруженность последнего, что требует его усиления и приводит к увеличению неподрессоренных масс. Шасси выполнено с третьим ведущим мостом, расположенным между передним и задним ведущими мостами, и дополнительной раздаточной коробкой, выходные валы которой связаны карданными передачами с дифференциалами третьего и заднего ведущих мостов, а входной вал - с выходным валом основной раздаточной коробки привода переднего ведущего моста. Основная раздаточная коробка расположена между передним и третьим ведущими мостами, а дополнительная раздаточная коробка размещена между третьим и задним ведущим мостами. Карданные валы при этом проложены вдоль одного из лонжеронов.
Все это усложняет конструкцию и компоновку шасси т.к. размещение агрегатов и приводных валов под поперечинами в объеме рамы ухудшает доступ к ним, что в свою очередь, усложняет сборку шасси и последующее его техобслуживание. К тому же неоптимальные массово-геометрические параметры, не позволяют повысить эксплуатационные свойства при движении по слабым грунтам, а так же проходимость за счет использования шин сверхнизкого давления.
Задача - создать шасси транспортного средства для передвижения по поверхностям различных сред, при малых затратах на его производство.
Достижение технического результата, а именно повышение проходимости шасси транспортного средства по поверхностям различных сред, обеспечено рациональным выбором его массово-геометрических параметров.
Для этого в шасси амфибии, содержащем раму с продольными и поперечными элементами, а также систему подрессоривания колес с шинами сверхнизкого давления, приводимыми через трансмиссию от силовой установки, масса шасси связана с суммарным внутренним объемом колес соотношением:
3
(M·g)/ΣVк=2500-8000, Н/м,
2
3
Где M - масса шасси, кг; g - ускорение свободного падения, м/с; Vк - внутренний объем колеса, м; при этом основные элементы его трансмиссии расположены по существу вне продольных и поперечных элементов рамы;
ш
Улучшению профильной проходимости и остойчивости шасси способствует то, что отношение наружного диаметра колеса (D) к базе шасси (L) составляет 0.15-0.6, а отношение ширины профиля шины (B) к колее (B) составляет 0,2-0,5.
Такие массово-геометрические параметры обеспечивают в заданных габаритах минимальную массу шасси, что повышает его проходимость и универсальность.
Универсальность также повышает оснащение шасси дополнительным водным движителем.
Установка в качестве дополнительного водного движителя водомета или гребного винта (винтов), приводимых трансмиссией, улучшает амфибийные качества шасси.
Этому же способствует установка в качестве дополнительного водного движителя подвесного лодочного мотора.
Все это позволяет выполнить шасси транспортного средства для передвижения по поверхностям различных сред с малыми затратами на его производство.
Изображено на:
Фиг. 1- шасси вид сбоку;
Фиг. 2- шасси вид сверху;
Фиг. 3- шасси виды задней части;
Фиг. 4- шасси вид сбоку (с лодочным мотором);
Шасси транспортного средства для передвижения по поверхностям различных сред, содержит раму 1 (Фиг. 1) с продольными 2 (Фиг. 2) и поперечными 3 элементами, а также систему 4 подрессоривания колес 5 с шинами 6 сверхнизкого давления, приводимыми через трансмиссию 7 от силовой установки 8. Масса шасси связана с суммарным внутренним объемом 9 колес соотношением:
3
(M·g)/ΣVк=2500-8000, Н/м
2
3
где M - масса шасси, кг; g - ускорение свободного падения, м/с; Vк - внутренний объем колеса, м; при этом основные элементы его трансмиссии расположены по существу вне продольных и поперечных элементов рамы;
ш
Отношение наружного диаметра колеса (D) к базе шасси (L) составляет 0.15-0.6, а отношение ширины профиля шины (B) к колее (K) составляет 0,2-0,5;
Шасси оснащено дополнительным водным движителем 10, в качестве которого установлен водомет 11 (Фиг. 3) или гребной винт (винты) 12 приводимые трансмиссией;
В качестве альтернативного водного движителя может быть установлен подвесной лодочный мотор 13 (Фиг. 4).
Шасси транспортного средства для передвижения по поверхностям различных сред функционирует следующим образом.
Силовая установка 8 через трансмиссию 7 обеспечивает привод колес 5 с шинами 6 сверхнизкого давления. При этом масса шасси связана с суммарным внутренним объемом 9 колес соотношением:
3
(M·g)/ΣVк=2500-8000, Н/м
2
3
ш
где M - масса шасси, кг; g - ускорение свободного падения, м/с; Vк - внутренний объем колеса, м; при этом основные элементы его трансмиссии расположены по существу вне продольных и поперечных элементов рамы. Воздействие от неровностей дорожной поверхности при движении воспринимает система 4 подрессоривания, закрепленная на раме 1 с продольными 2 и поперечными 3 элементами, что обеспечивает плавность хода, а отношение наружного диаметра колеса (D) к базе шасси (L) составляет 0.15-0.6, а отношение ширины профиля шины (B) к колее (K) составляет 0,2-0,5 позволяет преодолевать неровности местности. Для перемещения по воде используется дополнительный водный движитель 10 (водомет 11 или гребной винт (винты) 12 приводимые трансмиссией), а подвесной лодочный мотор 13 расширяет водоходные возможности шасси амфибии.