АМФИБИЙНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
AMPHIBIOUS VEHICLE

Изобретение относится к транспортным средствам типа амфибий, использующим для передвижения по воде тот же движитель, что и при движении по суше, например, колеса или гусеницы.
В настоящем описании некоторые термины будут использованы в следующих значениях:
- колеса - любые вращающиеся элементы гусеничных или колесных движителей: обычные колеса автомобильного типа, специальные, используемые в гусеничном движителе, в том числе цилиндрические (барабаны, катки) или зубчатые (звездочки). В настоящем описании не имеет значения, является ли колесо гусеничного движителя ведущим или направляющим (ленивцем);
- корпус и кузов транспортного средства - в уровне техники термин «корпус» чаще употребляется в отношении гусеничных транспортных средств. В настоящем описании эти термины считаются эквивалентными;
- коэффициент полезного действия (далее - КПД) движителя - величина, измеряемая выраженным в процентах отношением мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления среды движению к мощности, подводимой к движителю;
- универсальный движитель - слово «универсальный» означает использование движителя, как на плаву, так и на суше. Сам движитель может быть колесным или гусеничным. Роторно-винтовые движители в данное понятие не включены;
- эффективность амфибийного транспортного средства оценивается отношением произведения массы перевезенного в положении на плаву полезного груза на пройденное расстояние к расходу топлива.
Выражения «передний», «задний», «носовой», «хвостовой» «перед», «позади» (ход, элемент транспортного средства) трактуются в общепринятом понимании, то есть, полагая передними части, расположенные впереди при движении вперед.
Известны колесные или гусеничные плавающие транспортные средства-амфибии, включающие в качестве движителя в положении на плаву водомет (RU №№135969, 2628265), гребной винт (RU №№64140, 136986, 139500, 152368, 171950, US 2018208008) или специальное колесо с лопатками (RU №2165362). Общим их недостатком является техническая сложность, вызванная необходимостью в устройствах для передачи энергии от двигателя к водному движителю: раздаточной коробки, гребного вала.
От указанного недостатка свободны транспортные средства с универсальным движителем, способным перемещать их как на суше, так и на плаву. Таким движителем являются обычные колеса или гусеницы. Универсальные движители широко используются в амфибийных транспортных средствах, не требующих высокой скорости движения на плаву.
Известно колесные или колесно-гусеничные амфибийные транспортные средства с универсальным движителем в виде колес с пневматическими шинами большого объема, создающие значительную часть подъемной силы, и дополнительные поплавки (RU 10373, CN 201400059). Приводные колеса и гусеницы известных транспортных средств служат движителем при плавании, играя роль гребных колес. Поплавки необходимы для того, чтобы гребные колеса верхней частью выступали над водой, иначе они не будут, вращаясь в воде, создавать тягу, достаточную для хотя бы минимальной скорости. Недостаток известных транспортных средств состоит в малой скорости при передвижении на плаву, обусловленной низким КПД движителя, избыточных массе, габаритах и технической сложности из-за наличия поплавков.
Известно также плавающее колесно-гусеничное транспортное средство (снегоболотоход) с водоизмещающим корпусом, универсальным колесным движителем и жесткими брызговиками, установленными позади задних колес так, что их верхний край закреплен над колесами, а нижний почти достигает уровня осей колес. На колеса могут быть надеты резиновые гусеницы, также выполняющие функцию движителя при преодолении водных препятствий. Кормовая часть корпуса позади задних колес выполнена с наклоном сверху вниз вперед, причем нижний край этой части находится приблизительно на уровне осей задних колес позади них (RU 118585 фиг. 4, 5 и 6).
Недостатки известного транспортного средства состоит в низкой скорости его движения в положении на плаву из-за низкого КПД движителя. Причина этих недостатков та же, что и у предыдущих аналогов. На практике не удается добиться, чтобы выступание колеса или верхней ветви гусеницы над уровнем воды, превышало высоту волн, в том числе создаваемых и самим транспортным средством. А потому противоположно направленные горизонтальные составляющие усилий со стороны воды, действующие на верхнюю и нижнюю часть колес или ветви гусениц, почти компенсируют друг друга. Кроме того, жесткие брызговики усложняют и утяжеляют транспортное средство, а также, загребая воду, тормозят движение. При малой скорости плавания расход топлива оказывается очень большим, поскольку основная часть энергии затрачивается на бесполезное перемешивание воды. Следует отметить, что амфибийные транспортные средства не нуждаются в брызговиках, поскольку при движении по бездорожью нет необходимости заботиться о позади идущих транспортных средствах ввиду возможности поддержания достаточной дистанции.
Известно амфибийное транспортное средство с универсальным гусеничным движителем, включающее водоизмещающий корпус, гусеничный движитель, содержащий ведущие и направляющие колеса, и гидродинамические щитки перед передним (ведущим) колесом движителя. Щитки устанавливаются на транспортное средство перед его подготовкой к преодолению водной преграды (Легкий многоцелевой гусеничный транспортер-тягач МТ-ЛБ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Воениздат, 1985, с. 144). Щитки предназначены для уменьшения отрицательной тяги, порождаемой струей воды, увлекаемой вперед верхней ветвью гусеницы и, тем самым повышения КПД движителя в положении на плаву. Однако польза от щитков невелика, поскольку отражаемый щитками поток направляется обратно на корпус транспортного средства и гусеницу. Поэтому недостатками известного транспортного средства является невысокая скорость движения из-за низкого КПД движителя в положении на плаву и необходимость установки щитков каждый раз перед преодолением водной преграды. Постоянно закрепить щитки на транспортном средстве нельзя, так как они могут быть повреждены при движении по мелколесью или столкновениях с препятствиями.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является амфибийное транспортное средство с универсальным гусеничным движителем, включающее водоизмещающий корпус, гусеничный движитель, содержащий ведущие и направляющие колеса, и гидродинамические щитки в виде плоских прямоугольных пластин, установленные на оси перед передними ведущими колесами движителя с возможностью поворота относительно потока, образованного верхней ветвью гусеничного обвода (RU №2375210). Щитки предназначены не столько для повышения КПД движителя, сколько для облегчения управления поворотами в положении на плаву, необходимого для предотвращения рысканья по курсу.
Недостатки известного транспортного средства те же, что и у предыдущего. Кроме того, наличие устройства дистанционного раздельного независимого привода для поворота щитков увеличивает время подготовки к плаванию, поскольку требует не только механической установки щитков, но и соединения линий гидропривода.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение скорости в положении на плаву амфибийного транспортного средства с универсальным как колесным, так и гусеничным движителем.
Технический результат от использования предложенного изобретения состоит в повышении скорости транспортного средства в положении на плаву за счет повышения КПД движителя и уменьшения рысканья по курсу.
Технический результат достигается тем, что в известном амфибийном транспортном средстве, включающем корпус, гидродинамические щитки и универсальный движитель, содержащий колеса, гидродинамические щитки выполнены как, по меньшей мере, задняя часть корпуса и расположены выше колес движителя с наклоном вниз и вперед, причем угол между щитками и вертикалью составляет (30…60)°, расстояние между горизонтальными проекциями нижней кромки щитков и осей колес лежит в пределах (-1,5…+0,5)R, где R - радиус колес, а положительным считается расстояние, когда проекция низа щитков находится перед проекцией осей колес.
Кроме того, гидродинамические щитки составляют участки задней части корпуса транспортного средства.
Кроме того, угол между продольной осью транспортного средства и каждым из гидродинамических щитков над задними колесами составляет (60…80)°.
Кроме того, транспортное средство дополнительно содержит гидродинамические щитки, расположенные выше передних колес универсального движителя.
Кроме того, углы между вертикалью и гидродинамическими щитками у передних и задних колес, разные.
Благодаря тому, что гидродинамические щитки расположены над, по меньшей мере, задними колесами с наклоном вниз и вперед, повышается в среднем на 15% скорость транспортного средства в положении на плаву, поскольку потоки воды, увлекаемой кверху быстро вращающимися колесами и бегущей снизу вверх вперед гусеницей, ударяясь о наклонные пластины и отражаясь от них, передают им и через них всему транспортному средству импульс, направленный вперед. При этом отражающиеся потоки воды свободно уходят назад и не тормозят поступательное движение транспортного средства.
Благодаря выполнению гидродинамических щитков как части корпуса, упрощается и удешевляется конструкция транспортного средства, снижается его масса.
Благодаря тому, что угол между гидродинамическими щитками и вертикалью составляет (30…60)°, а расстояние между горизонтальными проекциями низа щитков и осей колес, над которыми они расположены, лежит в пределах (-1,5…+0,5) радиуса колес, установке щитков над колесами с наклоном вниз и вперед, повышается КПД движителя на плаву, чем обеспечивается повышение эффективности транспортного средства.
Благодаря тому, что гидродинамические щитки составляют участки задней части корпуса транспортного средства, появляется возможность увеличения емкости корпуса, за счет того, что его часть, расположенная между задними колесами, может быть выдвинута далеко назад. Кроме того, это позволяет, развернув щитки под углом (60…80)° к продольной оси транспортного средства, повысить среднюю скорость транспортного средства на плаву за счет уменьшения рыскания по курсу при том же расходе топлива, то есть, в конечном счете, увеличить эффективность транспортного средства в целом.
Благодаря установке дополнительных гидродинамических щитков выше передних приводных колес универсального колесного движителя, скорость транспортного средства в положении на плаву увеличивается еще на (5…10)%.
Благодаря выполнению углов между вертикалью и гидродинамическими щитками, расположенными у передних и задних колес разными, повышается скорость движения транспортного средства в положении на плаву в широком диапазоне изменения величины нагрузки, то есть степени погружения колес в воду, поскольку при данной скорости вращения колес и данной нагрузке не та, так другая пара щитков будет обеспечивать прирост скорости, близкий к максимальному.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен пример выполнения амфибийного транспортного средства с универсальным движителем, состоящим из двух пар ведущих колес, в котором колесные ниши включают гидродинамические щитки, составляющие часть его корпуса и выполненные в виде наклонных пластин, установленных под углом 60° к вертикали над задними и под углом 30° над передними колесами, с нижними краями, выдающимися вперед над осями задних колес и назад над осями передних колес, на 0,5 радиуса колес.
На фиг. 2 изображен вид сзади на транспортное средство, изображенное на фиг. 1.
На фиг. 3 изображено амфибийное транспортное средство с универсальным гусеничным движителем, в котором гидродинамические щитки составляют одно целое с задним бортом его корпуса.
На фиг. 4 изображен вид сзади на транспортное средство, изображенное на фиг. 3.
На фиг. 5 изображено амфибийное транспортное средство с универсальным гусеничным движителем, в котором гидродинамические щитки составляют участки задней части борта его корпуса, образующие угол β с осью транспортного средства.
На фиг. 6 изображен вид сверху на вариант исполнения транспортного средства, изображенного на фиг. 5.
На фиг. 7 дан вид сзади на транспортное средство, изображенное на фиг. 5 и 6.
На фиг. 8 изображен еще один вариант исполнения амфибийного транспортного средства с универсальным гусеничным движителем, в котором гидродинамические щитки образованы нижней частью заднего борта его корпуса.
На фиг. 9 изображен вид сзади на транспортное средство, изображенное на фиг. 8.
Предложенное транспортное средство включает корпус 1, который может быть водоизмещающим, а также кабину 2, силовую установку 3 и грузовой отсек 4, а также универсальный, равно пригодный для перемещения по суше и на плаву движитель, который может быть колесным (фиг. 1…2) или гусеничным (фиг. 3…9). Как тот, так и другой движители содержат колеса. Колесный движитель амфибийного транспортного средства содержит их, по меньшей мере, две пары: передних 5 и задних 6. В амфибийных, то есть вездеходных, колесных транспортных средствах обе пары колес всегда ведущие. Гусеничные движители также содержат колеса: переднее 7 и заднее 8, одно из которых является ведущим, а другое - направляющим (ленивцем). Между колесами 7 и 8 натянута гусеница 9. Поскольку струи воды, ударяющиеся в гидродинамические щитки, срываются с гусеницы, для данного изобретения несущественно, какое из колес 7 и 8 является ведущим, а какое направляющим, выполнены ли они зубчатыми или в виде катка. Также несущественно выполнение и расположение опорных 10 и поддерживающих катков 11 (фиг. 3, 5 и 8).
По меньшей мере, над задними колесами 6 или 8 движителя расположены гидродинамические щитки 12, составляющие часть корпуса 1. При описании настоящего изобретения гидродинамическими щитками здесь и выше называются и обозначаются позицией 12 участки корпуса 1 транспортного средства, расположенные непосредственно в зоне воздействия струй воды, выбрасываемых колесами, пусть бы они и составляли часть корпуса, имеющую другое название, например, задний борт 13 или его часть (фиг. 2, 4, 7, 9). Совмещение гидродинамических щитков 12 с корпусом 1 транспортного средства (фиг. 3 и 4), иными словами возложение на части корпуса 1 функций гидродинамических щитков, упрощает конструкцию транспортного средства и удешевляет его.
Щитки должны быть наклонены вниз и вперед так, чтобы угол а между плоскостью щитков и вертикалью лежал в пределах (30…60)°, что обеспечивает прирост скорости на плаву при тех же оборотах двигателя и том же расходе топлива около 15% по сравнению с исполнением, в котором колеса закрыты брызговиками. Это соответствует почти полуторакратному увеличению КПД движителя. При угле α находящемся вне указанных пределов, как показали эксперименты на макетах с подвижными щитками, повышение скорости оказывается незначительным.
Углы α над передними 5 и задними 6 колесами могут быть разными, как показано на фиг. 1. Такое исполнение позволяет отказаться от плавного регулирования угла α, как это сделано в прототипе, и упростить тем самым конструкцию транспортного средства. В зависимости от загрузки и числа оборотов колес наибольший прирост тяги будут обеспечивать щитки с большим или меньшим углом α. Целесообразно при этом для передних и задних колес назначать крайние противоположные значения заявленного диапазона углов а, как это показано на фиг. 1.
Расстояние между горизонтальными проекциями низа щитков и осей колес должно лежать в пределах (-1,5…+0,5)R, где R - радиус колес, а положительным считается расстояние, когда проекция низа щитков находится перед проекцией осей колес. Эксперименты с подвижными щитками показали, что в этом диапазоне удается повысить скорость на плаву не менее чем на 15%, тогда как при выходе за его пределы прирост скорости становится незначительным. Зазор между нижними кромками щитков и колесами/гусеницами устанавливается как можно меньшим, но чтобы он не забивался грязью при движении по суше.
Для удержания плывущего транспортного средства на курсе водитель подтормаживает колеса с той или иной стороны, что снижая скорость, увеличивает расход топлива и может вызвать нежелательный крен. Рыскание по курсу, требующее непрерывной корректировки торможением колес, приводит к увеличению времени переправы и снижает среднюю скорость транспортного средства. Однако, как установлено экспериментально, существенно снизить рысканье можно более простым приемом, устанавливая гидродинамические щитки развернутыми кнаружи и назад под углом β=(60…80)° к продольной оси 14 транспортного средства (фиг. 5 и 6). Расходящиеся струи воды, отраженной щитками хорошо удерживают, стабилизируют транспортное средство на курсе и корректировать курс приходится намного реже. Это также уменьшает время переправы и расход топлива. При β<60° не удается добиться прироста скорости даже в 10%, а при β>80° становится незаметным улучшение стабильности удержания заданного курса на воде.
Гидродинамические щитки могут быть не только плоскими, но и вогнутыми, и выпуклыми, не только прямоугольными, но и расширяющимися кверху. Вогнутые щитки дают большее приращение тяги, а выпуклые улучшают стабильность сохранения заданного курса на плаву.
Работает предложенное транспортное средство следующим образом.
В положении на плаву водитель выбирает передачу и устанавливает обороты колес движителя, соответствующие оптимальному расходу топлива. Обычно это соответствует скорости передвижения по суше (30…50) км/ч, или (8…14) м/с. Примерно с такой же скоростью увлекаемая вверх восходящей частью колес или гусениц вода образует фонтан высотой до нескольких метров. При этом колеса движителя могут быть погружены в воду почти целиком: выбрасываемые ими струи пробивают тонкий слой воды над верхней частью колеса и, отражаясь от гидродинамических щитков 12 в виде потока 15, сообщают через них транспортному средству импульс, направленный вперед. Это повышает КПД движителя и скорость транспортного средства в положении на плаву. Повышение в сравнении с известными амфибиями тем заметнее, чем большая часть колес движителя погружена в воду.