Приветствую Вас, Гость
Главная » Статьи » Мои статьи

Статья 8. Схемы колесных вездеходов без колесных или бортовых редукторов.

Несмотря на многочисленные практические свидетельства разумности и целесообразности изготовления вездеходов с применением колесных или бортовых редукторов интерес к реализациям без таковых остается очень устойчивым.

В этом есть свой резон. Всегда кажется, что использование изготовленных в заводских условиях мостов от серийных автомобилей может помочь создать относительно дешево и быстро транспортное средство, способное к передвижению по тяжелому бездорожью. Берем мост исходя из разумных представлений о его несущей способности, прикрепляем к нему колесо диаметром побольше, и вездеход практически готов.

Казалось бы, по признаку применимости заводских мостов в качестве конечного узла, приводящего в движение колесо, такие реализации можно было бы отнести к начальному уровню вездеходостроения. Но не тут-то было. Такие реализации оказываются зачастую намного более сложными и неоднозначными по сравнению с решениями, когда создатель вездехода не связан предельными характеристиками автомобильных мостов и строит колесный узел исходя из предельных нагрузок на колесо (например, ДИФ-4).

Если при создании компоновочной схемы вездехода руководствоваться набором достаточно простых правил, изложенных по ссылке:

http://off-roader.ru

то в случае применения заводского автомобильного моста для непосредственного вращения колеса дополнительно приходится учитывать целый ряд очень существенных ограничений.

Одно из них обозначено по ссылке:

http://off-roader.ru/publ/vaz_2101/1-1-0-1

Суть проблемы в том, что обычный недорогой легковой автомобиль на пределе прочностных характеристик трансмиссии может развить тягу, которая составляет приблизительно лишь треть от полной массы автомобиля. Мы же отличным вездеходом считаем тот вездеход, который способен развить тягу, численно равную его полной массе. Под полной массой понимается масса снаряженного транспортного средства суммарно с массой груза и людей на борту вездехода.  Вездеход, который может развить тягу, численно равную только половине своей полной массы, считается достаточно посредственным. Эти цифры справедливы для легких вездеходов. Для тяжелых вездеходов требования не такие жесткие.

Совершенно очевидно, что увеличение диаметра колеса, устанавливаемого непосредственно на мост, приводит лишь к пропорциональному уменьшению тяги вездехода, которой нам и без этого не хватает.

В этой ситуации выход только один – уменьшать полную массу вездехода по сравнению с массой автомобиля - донора. Здесь, к счастью, уменьшение полной массы вездехода самым благоприятным образом сказывается на плавучести вездехода.

Очень многие в этой ситуации идут по пути увеличения нагрузки на трансмиссию вездехода, чтобы хоть как-нибудь увеличить столь недостающую тягу вездехода.

Хорошо это или плохо?

Довольно часто приходится читать, что увеличение нагрузки на трансмиссию не приводит к фатальным последствиям. Наверно, к фатальным поломкам при увеличении нагрузки в пределах избыточных 100 процентов это и не приводит. Но к стремительному уменьшению ресурса перегруженных узлов это приводит точно.

Если донорские детали автомобилей применялись бы при строительстве вездехода в пределах нормативных нагрузок, то и срок службы их был бы сопоставимым с ресурсом в составе автомобиля. Например, если считать, что автомобиль большую часть своей жизни движется на 3-5 передачах коробки переключения передач, а вездеход при той же трансмиссии на 1-2 скоростях, то их межремонтный пробег разнился бы всего в 2-3 раза. Более того, довольно несложно показать, что основные детали трансмиссии вездехода движутся с меньшими угловыми скоростями, чем у автомобиля, а, значит, это должно приводить к существенному увеличению пробега.

Но этого нет. Пробеги вездеходов в 10 – 15 тысяч километров до замены основных узлов считаются очень большими. Нам это объясняют тяжелыми условиями эксплуатации. Однако на проверку почти всегда выявляются сверхнормативные перегрузки основных узлов и деталей. Именно это, а не бездорожье, служит основной причиной преждевременных поломок.

В своих расчетах я всегда опираюсь на штатные условия эксплуатации узлов и агрегатов в составе автомобиля. По максимальному крутящему моменту двигателя я высчитываю максимальные крутящие моменты, которые попадают на ответственные узлы автомобиля. Эти моменты я считаю максимально допустимыми при долговременной эксплуатации автомобильных агрегатов в составе вездехода. Ваше право – прислушиваться и следовать советам практиков с тем или иным уровнем авторитета по поводу использования деталей с перегрузкой по сравнению с расчетной. Я всегда советую не следовать таким советам без крайней необходимости. Деталь, скорее всего, выдержит кратные перегрузки, но всегда остается открытым вопрос, как долго она сможет сопротивляться избыточным нагрузкам.

Итак, увеличение диаметра колеса при непосредственной установке на автомобильный мост приводит к неизбежной потере максимальной тяги. Это неприятное явление можно парировать  только уменьшением массы вездехода, если нет возможности или желания устанавливать колесные редукторы.

Столь же неприятным моментом при увеличении диаметра колеса является пропорциональное уменьшение эффективности тормозной системы, что может оказаться принципиальным камнем преткновения для бортового поворота колесного вездехода. Эта проблема также в определенной мере решается путем уменьшения массы вездехода. Но этот путь очень непростой. Борьба с избыточной массой при создании бортповоротного вездехода может быть куда более затратной, чем установка бортовых или колесных редукторов.

Третьим неприятным моментом является то обстоятельство, что при увеличении диаметра колеса пропорционально увеличивается минимальная скорость. Соблюдение минимальной скорости на уровне эмпирического значения в 1 км/час – это очень важный фактор преодоления тяжелого бездорожья в виде болот. При уже заданной основе трансмиссии бороться за минимальную скорость можно только одним путем – увеличивать общее передаточное число трансмиссии. То есть, чем больше диаметр колеса, тем медленней мотор должен его крутить при 1000 об/мин.

Если мы увеличиваем общее передаточное число трансмиссии, то мы должны применять двигатель с относительно небольшим крутящим моментом, поскольку после него мы должны ставить дополнительный редуктор, который, естественно, понижает обороты двигателя, но и повышает во столько же раз крутящий момент. У одного типа двигателей (бензиновых, например) крутящий момент обычно напрямую связан с мощностью.

Отсюда парадоксальное явление: чем больше диаметр колеса, тем менее мощный мотор мы должны использовать, чтобы при решении задачи обеспечения минимальной скорости не повредить трансмиссию избыточным крутящим моментом. Собственно, это явление мы и видим у тракторов, когда маломощные и не очень-то тяговитые двигатели обеспечивают движение трактора, да еще и с навесными инструментами (плуги, сеялки, окучиватели и т.п.).  Максимальная скорость при уменьшении мощности двигателя будет неизбежно падать.

Выбор трансмиссий автомобилей - доноров для создания легкого вездехода у нас невелик, если говорить о советском автопроме.

Это семейство Нива ВАЗ-2121, семейство УАЗ-469, в отдельную строку можно выделить УАЗ-Патриот благодаря модернизированным широким мостам и семейство ГАЗ-Соболь. В последнем случае мосты уже довольно тяжелые, но сами мосты очень интересны благодаря своей ширине и сравнительно большой крепости.

Мосты семейства ГАЗ-66 при создании легкого вездехода с колесами диаметром до 1300 мм в силу большого веса рассматривать, наверно, не стоит. Но отдельные узлы автомобиля очень интересны в тех или иных решениях.

Оценим тяговый потенциал трансмиссии автомобиля Нива.

По ссылке:

http://off-roader.ru/load/ehlementy_transmissii/1-1-0-3

можно скачать расчетные данные крутящих моментов узлов различных автомобилей.

Согласно расчетам двигатель автомобиля Нива может создать на колесах суммарный крутящий момент 4118 Нм.

Возьмем для примера колесо диаметром 1000 мм. Рассчитаем максимальную тягу легкого колесного вездехода на таких колесах.

4118 Нм / 9,8 (переводим Нм в кгс) / 0,5 (радиус колеса) = 840 кгс.

Полная масса транспортного средства, которое можно считать вездеходом, составит 1680 кг. Вот, собственно, это и есть предел для мостов (и всей трансмиссии) Нива ВАЗ-2121 при создании вездеходов. Это легкие вездеходы с колесами диметром в районе метра с полной массой порядка 1500 кг. Естественно, все колеса на основе шин ГАЗ-66 или Бел-79 идеально подходят для этого. Число колес может быть 4, 6, 8 и более. Естественно, что при таких колесах 4-колесный вездеход будет являться этаким «паркетником» мира снегоболотоходов.

Самым интересной для создания легких снегоболотоходов, что вполне ожидаемо, является трансмиссия автомобиля УАЗ-469. Исходный двигатель этого автомобиля может создать максимальный крутящий момент на колесах 7054 Нм.

Сразу выберем колесо диаметром 1300 мм. Считаем максимально возможную тягу вездехода:    

7054 Нм / 9,8 / 0,65 м (радиус колеса) =  1108 кгс.

При такой тяге возможно создание вездехода с полной массой порядка 2000 кг.

При полной массе 1500 кг уже можно побороться за бортовой поворот, если, конечно, переделать тормозную систему по причинам, указанным выше.

УАЗ-Хантер  при таких колесах может создать максимальную тягу:

8245 Нм / 9,8 / 0,65 м = 1294 кгс.

Стихия мостов (и всей трансмиссии) УАЗ при установке колеса большого диаметра непосредственно на мост – это шины диаметром  до 1300 мм.

Колеса диаметром 1600 мм непосредственно на мосты УАЗ-469 лучше не устанавливать. И с тягой возникают проблемы, и прочность мостов не та, что требуется.

Диаметр 1600 мм – это область конкуренции мостов УАЗ-Патриот, ГАЗ-Соболь и ГАЗ-66.  

Но этот момент мы рассмотрим лучше в дальнейшем отдельно.

Пока остановимся на проблеме создания минимальной скорости вездехода. Желаемой минимальной скоростью является 1 км/час. У автомобиля УАЗ-469 минимальная скорость существенно больше.

Схемотехнически УАЗ-469 можно представить в следующем виде:

Рис 1. (Для увеличения нужно "кликнуть" картинку)

Синим цветом показаны рассчитанные значения крутящих моментов тех или иных узлов автомобиля.

ДВС – это двигатель внутреннего сгорания. Он согласно заводским данным развивает максимальный крутящий момент 172 Нм (Ньютон, умноженный на метр).

КПП – коробка переключения передач.

РК – раздаточная коробка.

ГП – главная передача моста автомобиля.

ПЧ – передаточное число.

Tin – максимальный  крутящий момент на входе узла.

Tout – максимальный крутящий момент на выходе узла.

Рассчитаем максимально возможную тягу автомобиля Та.

Та = 172 Нм (крутящий момент двигателя) х 4,121 (ПЧ первой передачи КПП) х 1,94 (ПЧ пониженной передачи РК) х 5,13 (ПЧ ГП моста) / 9,8 (переводим Ньютоны в килограммы) / 0,384 м (радиус колеса в метрах) = 1875 кгс (килограмм-сила). Очень неплохой результат с учетом того, что согласно заводским данным полная масса автомобиля может быть 2280 кг.

Посмотрим, что произойдет с тягой при увеличении диаметра колеса.

Та = 1875 кгс х 768 мм (диаметр родного колеса) / 1300 мм (диаметр нового колеса) = 1108 кгс. Тяги не хватает катастрофически (в 2,06 раза) для того, чтобы считать такую переделку очень хорошим вездеходом. Но значение вполне достаточное, чтобы считать вездеход с такой тягой вполне неплохим.

Считаем  минимальную скорость УАЗ-469 на родных колесах.

Vmin = 1000 об/мин (обороты двигателя) / 4,121 (ПЧ КПП) / 1,94 (ПЧ РК) / 5,13 (ПЧ ГП) х 2,413 м (длина окружности колеса) = 58,8 м/мин = 3,53 км/час. Уже очень много для полноценного вездехода.

На больших колесах минимальная скорость УАЗ-469 составит 3,53 км/час / 768 мм (диаметр родного колеса) х 1300 мм (диаметр нового колеса) = 5,98 км/час.

Таким образом, автомобиль УАЗ-469 на колесах диаметром 1300 мм – это не снегоболотоход, а одно большое и тяжелое недоразумение, которому недостает тяги в два раза и минимальная скорость которого завышена в шесть раз.

Что делать, если все-таки хочется сделать более или менее полноценный снегоболотоход? В первую очередь тотально избавляться от любой массы, которой можно пожертвовать.

Далее надо решать вопрос с минимальной скоростью, и тут есть  два пути развития событий. Максимально возможная  тяга в 1108 кгс при колесах диаметром 1300 мм – вполне неплохо для совсем легкого вездехода. Поэтому для тех, кто решит оставить родную раздаточную коробку, есть смысл оставить и коробку переключения передач. Все эти узлы трансмиссии неплохо соответствуют друг другу по нагрузочным способностям. Родной двигатель удаляем. Теперь нам надо создать условия, когда на входе КПП крутящий момент двигателя не превысит 172 Нм, а минимальные обороты при этом будут в шесть раз меньше, чем 1000 об/мин. То есть, к КПП УАЗ-469 необходимо подключить еще устройство понижения оборотов с маломощным двигателем.

Можно использовать двигатель с воздушным охлаждением и вариатором. Можно вместо вариатора поставить цепной или ременный редуктор. По сравнению с родным двигателем  получим заметную экономию массы вездехода.

Довольно интересным вариантом может оказаться установка двигателя от Оки самого минимального объема с собственной коробкой переключения передач. Первой и второй скоростью КПП Оки можно будет пользоваться только лишь в режиме замедления хода (такой режим присутствует на тракторах), а третьей и четвертой скоростью можно уже пользоваться как нормальными «тяговыми» передачами. Такой вариант делает создаваемый вездеход уже полноценным снегоболотоходом. Не самое удачное решение с точки зрения экономии веса, но очень интересное решение с точки зрения большого числа переключения передач – 4 скорости КПП Ока + 4 скорости КПП УАЗ-469 + 2 скорости РК УАЗ-69. В сумме 32 скорости.

Получается такая схема вездехода:

Рис 2.

Считаем минимальную скорость  вездехода.

Vmin = 1000 об/мин / 3,7 (ПЧ КПП Ока) / 4,1 (ПЧ ГП Ока) / 4,121 (ПЧ КПП УАЗ) / 1,94 (ПЧ РК) / 5,13 (ПЧ ГП УАЗ) х 4,084 м (длина окружности колеса) = 6,56 м/мин = 0,394 км/час. Наверно, это будет один из самых медленно перемещающихся вездеходов.

Вес двигателя УАЗ-469 УМЗ-414 165 кг, вес двигателя ВАЗ 11113 с КПП – менее 100 кг. Получаем  дополнительную экономию веса.

Естественно, что больших максимальных скоростей от такого вездехода ожидать не приходится, поскольку довольно мала мощность двигателя.

Вместо узлов от автомобиля Ока можно использовать двигатель с коробкой переключения передач от мотоциклов Урал или Днепр. Минимальная скорость вездехода при такой реализации будет немного больше нормы (1,66 км/час), но зато нет никакого риска повредить трансмиссию УАЗ-469. На входе КПП УАЗ максимальный крутящий момент может быть 172 Нм, а двигатели Урал иди Днепр развивают максиму 48 Нм. С учетом первой передачи КПП Урал или Днепр максимальный крутящий момент на выходе КПП мотоцикла будет равен 48 Нм х 3,6 = 172,8 Нм. Практически идеальное совпадение по крутящим моментам.

Вес Двигателя тяжелого мотоцикла вместе с КПП не превышает 65 кг. Довольно удобно организовать карданное соединение КПП мотоцикла с КПП УАЗ. Естественно, придется продумать принудительное охлаждение двигателя.

Данная схема предназначена для решения цели максимального использования трансмиссии автомобиля-донора, а также для избегания переделок раздаточной коробки УАЗ-469.

Если же нас не пугает переделка раздаточной коробки УАЗ-469 до автономного варианта, то имеет смысл подумать о реализации следующей схемы вездехода:

Рис 3.

Выход КПП Ока и вход РК УАЗ-469 довольно неплохо согласованы по крутящему моменту.

Считаем минимальную скорость  вездехода.

Vmin = 1000 об/мин / 3,7 (ПЧ КПП Ока) / 4,1 (ПЧ ГП Ока) / 1,94 (ПЧ РК) / 5,13 (ПЧ ГП УАЗ) х 4,084 м (длина окружности колеса) = 27,1 м/мин = 1,63 км/час.  Можно поискать раздаточную коробку ГАЗ-69, которая была уже сделана для соединения с КПП посредством карданного вала. Минимальная скорость при этом будет максимально близка к значению 1 км/час.

Для уменьшения минимальной скорости можно предложить установить дополнительно раздаточную коробку ВАЗ-2121. Получится следующая схема вездехода:

Рис 4.

Первую передачу КПП Ока следует использовать только в режиме замедления хода из-за риска перегрузки трансмиссии. Зато получается очень хорошее значение минимальной скорости:

Vmin = 1000 об/мин / 3,7 (ПЧ КПП Ока) / 4,1 (ПЧ ГП Ока) / 2,135 (ПЧ РК Нива) / 1,94 (ПЧ РК УАЗ) / 5,13 (ПЧ ГП УАЗ) х 4,084 м (длина окружности колеса) = 12,67 м/мин = 0,76  км/час. Отличный результат.

Не все любят двигатели от Оки, не у всех есть силовой агрегат тяжелого мотоцикла. В этом случае можно порекомендовать рассмотреть вариант частичного совмещения трансмиссий Нивы и УАЗа. От Нивы используется двигатель, КПП и РК, от УАЗа РК и мосты.

Схема такого вездехода:

Рис 5.

Считаем минимальную скорость.

Vmin = 1000 об/мин / 3,67 (ПЧ КПП Нива) / 2,135 (ПЧ РК Нива) / 1,94 (ПЧ РК УАЗ) / 5,13 (ПЧ ГП УАЗ) х 4,084 м (длина окружности колеса) = 52,37 м/мин = 3,1 км/час.

Минимальная скорость несколько великовата, кроме того возникают компоновочные проблемы из-за большого количества поставленных последовательно узлов.

Крутящие моменты между РК Нива и РК УАЗ-469 легко согласуются путем применения менее мощного двигателя ВАЗ-2106. Можно, наоборот, оставить двигатель 1,8 литра и установить РК и мосты УАЗ-Хантер.

Получаем большое количество скоростей и значительный потенциал развития схемы: в случае установки колесных редукторов от трактора Т-40 схему и сам вездеход можно элементарно переделать на колеса диаметром 1700 мм.

С гораздо более интересным диапазоном скоростей подобная схема реализована в вездеходе Марс-6. Создатель вездехода Евгений Мазуркевич, пока проживает в Витебске, электронная почта: eugehii@rambler.ru

http://tehnoforum.com/index.php?topic=3788.0

Есть  еще вариант, в котором полуоси КПП семейства ВАЗ-2108 непосредственно соединяются с мостами УАЗ.

Пожалуй, наиболее удачным решением такого варианта является вездеход «Лесник» Андрея Вологды:

http://lesnikvologda.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=1&Itemid=2

Снаряженная масса вездехода составляет 1150 кг. Мосты УАЗ-469, задний мост крепится к  раме собственного производства посредством рессор, передний жестко прикреплен к раме.

Следует отдельно отметить, что дифференциал КПП ВАЗ-21083 у вездехода «Лесник» заблокирован, а главная пара КПП ВАЗ-21083 заменена на пару с передаточным числом 4,9.

В результате получается следующая схема вездехода «Лесник»:

Рис 6.

Считаем тягу вездехода для колес 1300 мм.

Тв = 106,4 Нм (двигателя) х 3,636 (ПЧ КПП ВАЗ-21083) х 4,9 (ПЧ ГП ВАЗ-21083) х 5,13 (ПЧ ГП УАЗ) / 9,8 / 0,65 м (диаметр колеса) = 1527 кгс. Отличный показатель для вездехода с полной массой 1450 – 1650 кг.

Считаем минимальную скорость

Vmin = 1000 об/мин / 3,636 (ПЧ КПП ВАЗ-21083) / 4,9 (ПЧ ГП ВАЗ-21083) / 5,13 (ПЧ ГП УАЗ) х 4,084 м (длина окружности колеса) = 44,68 м/мин = 2,68 км/час. Этот параметр несколько велик. Но создателю вездехода пришлось искать определенный компромисс между минимальной и максимальной скоростью вездехода, поскольку число переключения передач всего 5. Этого слишком мало для обеспечения всего требуемого диапазона скоростей. В результате у вездехода «Лесник» возможны проблемы на совсем тяжелом бездорожье.

Из очень явных плюсов вездехода «Лесник» следует отметить довольно небольшую массу (1150 кг) несмотря на использование довольно тяжелых мостов УАЗа. Также отметим среднемоторную компоновку вездехода, которая самым благоприятным образом отражается на развесовке транспортного средства.

В нашем варианте, скорее всего, придется довольствоваться более бюджетным вариантом КПП ВАЗ-2108 с передаточным числом главной передачи 4,3. Это несколько уменьшит максимальную тягу вездехода и увеличит минимальную скорость. Но зато будет ощутимо дешевле.

Вот, собственно, основные варианты компоновок, которые позволяют на базе мостов УАЗ-469 сделать вполне приличный вездеход с достойными ходовыми качествами без применения колесных редукторов.

В целом, надеюсь, мне удалось донести мысль, что создание вездехода с установкой колес большого диаметра сразу на автомобильные мосты заводского изготовления – задача совсем непростая. Однако при правильном изготовлении такого вездехода мы имеем полное право рассчитывать на надежную и долгую работу снегоболотохода.

Категория: Мои статьи | Добавил: val_001 (10.11.2016)
Просмотров: 2389 | Рейтинг: 4.5/4
Всего комментариев: 0
avatar