Движитель гусеничной машины
Изобретение относится к области транспортного машиностроения, преимущественно к движителям гусеничных машин. Движитель гусеничной машины содержит опорную раму, широкопрофильное гусеничное полотно с траками, механизм поворота и группу опорных катков, включающую поворотную и неповоротную секции. Траки выполнены симметрично сужающимися от центральной части к концам и связаны между собой непрерывным упругим элементом, укрепленным в центральной части траков с возможностью вертикального и горизонтального изгиба в любом своем сечении. Гребни или цевки траков выполнены в центральной части гусеничного полотна вдоль его продольной оси. Механизм поворота включает в себя стабилизатор гусеничного полотна, направляющее колесо, поворотную секцию опорных катков и вертикальный шарнир. Неподвижная опора вертикального шарнира закреплена на опорной раме, а подвижная связана с поворотной секцией опорных катков. Вертикальная ось вертикального шарнира отстоит от вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальную ось опорного катка поворотной секции, на расстояние, равное 0,3-0,8 расстояния между горизонтальными осями соседних траков гусеничного полотна. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Движитель гусеничной машины предназначен для оборудования различных транспортных средств, начиная от снегоходов и вездеходов для пересеченной местности и кончая мотоциклами «на гусеничном ходу», транспортом для других планет, роботами для разминирования.
Такой движитель сможет работать в самых неприспособленных для обычного транспорта регионах, в поисковых партиях, на нефтяных промыслах, сельскохозяйственных угодьях, принося минимальный экологический ущерб той поверхности, по которой он движется.
Известные в настоящее время движители гусеничного транспорта, как правило, содержат два гусеничных полотна. Эти полотна являются частным случаем цепной передачи и, по определению, могут двигаться лишь вперед или назад, так как гусеница не способна изгибаться в направлении, перпендикулярном ее движению. Эта особенность цепной передачи описана, например, в книге Д.В.Чернилевский. Основы проектирования машин. Москва, УМиИЦ. «Учебная литература», 1998 г., стр.122: «Поскольку цепь в поперечном сечении не обладает гибкостью, валы цепной передачи должны быть параллельны, а звездочки установлены в одной плоскости». Поэтому гусеничные вездеходы выполняются обычно с двумя гусеницами. Для выполнения поворота такой машины, одной гусенице приходится тормозить, а другой - двигаться вокруг нее. Это требует большой мощности двигателя и наносит большой урон почве или дорожному покрытию.
Известен, например, движитель вездехода конструкции русского инженера А.А.Пороховщикова, разработанный и изготовленный в 1915 году (журнал «Техника и вооружение» 2001 г., №9, с.15). Вездеход содержит опорную раму, широкопрофильное гусеничное полотно, включающее в себя шарнирно связанные между собой траки с гребнями или цевками, смонтированные с зазорами друг относительно друга, и охватывающее ведущее и направляющее колеса, группу опорных катков, а также механизм поворота, выполненный в виде двух отдельных боковых колес. Поворот такого движителя осуществляется путем разворота указанных двух колес с усилием и большими нагрузками. При испытаниях вездехода дополнительно приходилось упирать деревянные шесты в землю.
Известен также движитель снегохода (патент США №2925873, кл. В62М 27/02 (нац.кл. 180-5), опубл. в 1960 г.), содержащий опорную раму, широкопрофильное гусеничное полотно, включающее в себя шарнирно связанные между собой траки с гребнями или цевками, смонтированные с зазорами друг относительно друга, и охватывающее ведущее и направляющее колеса, группу опорных катков, а также механизм поворота, выполненный в виде двух отдельных лыж. Поворот такого движителя осуществляется путем разворота указанных двух лыж с усилием и большими нагрузками. При этом сама гусеница за счет вращения вокруг вертикальной оси «взрыхляет» снег и землю.
Известен также движитель «снежного велосипеда» (патент США №3221830, кл. В62М 27/02 (нац.кл. 180-5), опубл. в 1965 г.), содержащий опорную раму, широкопрофильное гусеничное полотно, включающее в себя шарнирно связанные между собой траки с гребнями или цевками, смонтированные с зазорами друг относительно друга, и охватывающее ведущее и направляющее колеса, группу опорных катков, а также механизм поворота, выполненный в виде ног «велосипедиста» по обеим сторонам гусеничного полотна. Поворот такого движителя осуществляется путем разворота велосипедного руля, жестко связанного с гусеницей, относительно двух лыж на ногах мускульным усилием велосипедиста.
Известен также движитель «снежного скутера» (патент США №3252533, кл. В62М 27/02 (нац.кл. 180-5), опубл. в 1966 г.), содержащий опорную раму, широкопрофильное гусеничное полотно, включающее в себя шарнирно связанные между собой траки с гребнями или цевками, смонтированные с зазорами друг относительно друга, и охватывающее ведущее и направляющее колеса, группу опорных катков, а также механизм поворота, выполненный в виде одной независимой лыжи. Поворот такого движителя осуществляется путем разворота указанной лыжи с усилием и большими нагрузками. При этом как лыжа, так и сама гусеница рыхлит снег и землю, поворачиваясь вокруг вертикальной оси.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному движителю является движитель снегохода по патенту США №3404745, кл. В62М 27/02 (нац.кл. 180-5), опубл. в 1968 г., содержащий опорную раму, широкопрофильное гусеничное полотно, включающее в себя шарнирно связанные между собой траки с гребнями или цевками, смонтированные с зазорами друг относительно друга, и охватывающее ведущее и направляющее колеса, группу опорных катков, а также механизм поворота, выполненный в виде небольшой отдельной лыжи.
Поворот такого движителя осуществляется путем разворота указанной лыжи с усилием и большими нагрузками. При этом как лыжа, так и сама гусеница за счет перекоса смещает и переворачивает снег и землю.
В предложенном движителе осуществляется плавное изменение профиля гусеничного полотна, принимающего форму той окружности, по которой производится поворот транспортного средства.
Для этого траки выполнены симметрично сужающимися от центральной части к концам связаны между собой непрерывным упругим элементом, укрепленным в центральной части траков с возможностью вертикального и горизонтального изгиба в любом своем сечении, расположенном в зазоре между траками, гребни или цевки выполнены в центральной части гусеничного полотна вдоль его продольной оси, а механизм поворота включает в себя стабилизатор гусеничного полотна и вертикальный шарнир, неподвижная опора которого закреплена на опорной раме, а подвижная - связана с поворотной секцией опорных катков, причем вертикальная ось шарнира отстоит от вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальную ось опорного катка поворотной секции, на расстояние, равное 0.3-0.8 расстояния между горизонтальными осями соседних траков гусеничного полотна.
Разберем более подробно методику формирования существенных признаков данного изобретения.
Что необходимо для поворота гусеничного полотна (его части, находящейся на земле) в горизонтальной плоскости?
1. Создать пространственные зазоры между траками, т.е. не соединять их напрямую горизонтальными шарнирами, как в известных транспортных средствах с двумя гусеницами. При этом в зависимости от угла поворота, траки могут сужаться или не сужаться к концам (это влияет только на минимальный радиус поворота вездехода).
2. Соединить траки между собой непрерывным нерастяжимым упругим элементом, например стальным тросом, проходящим вдоль гусеничного полотна, точно в его центре. Это даст возможность при повороте располагать продольную ось полотна на окружности, по которой и происходит поворот транспортного средства. Упругий элемент должен быть нерастяжим, чтобы по осевой линии полотна сохранить при повороте заданное расстояние между траками.
3. «Пальцы» опорных катков и «цевки» траков для зацепления опорных катков с гусеничным полотном нужно расположить как можно ближе к центру каждого трака (идеально - над упругим элементом). Это обеспечит совпадение расстояния между пальцами на окружности катка с расстоянием между цевками полотна, несмотря на расположение полотна по окружности поворота.
4. Правильно распределить поворотную и неповоротную части по площади гусеничного полотна. Иначе вездеход либо вообще поворачивать не будет, либо - потребует большой мощности двигателя и создаст значительное разрушение поверхности, по которой он движется (как и в известных гусеничных транспортных средствах).
К сожалению, желаемое полное отсутствие эрозии почвы при повороте гусеничного транспортного средства - это утопия. Можно говорить - только об ее уменьшении, для чего и предназначен предложенный движитель. Но очень важно найти соотношение той части гусеничного полотна, которая при повороте продолжает идти по прямой, и той, которая прокладывает новый путь гусенице, укладывая ее траки по выбранному радиусу. Если вертикальная ось поворотного узла гусеничного движителя расположена впереди вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальную ось поворотного катка, опирающегося на землю, то в векторе скорости транспортного средства за счет отталкивания от земли, не появляется боковой составляющей. Соответственно, гусеничное полотно продолжает двигаться вперед, несмотря на поворот переднего опорного катка и части траков гусеницы в сторону с помощью поворотного устройства. При дальнейшем действии поворотного механизма траки полотна соскакивают с управляющего колеса.
Если же вертикальная ось поворотного узла расположена позади указанной плоскости, причем значительно, то некоторая часть гусеничного полотна оказывается усилием поворотного узла вовлеченной во взаимодействие с землей и даст боковую составляющую. Поворот любого вида наземного транспорта невозможен без взаимодействия с землей (при приложении пары сил происходит смещение поворотного элемента и, за счет изменения положения плоскости упора в землю, возникает боковая составляющая вектора скорости транспортного средства).
Таким образом, особенность данного концептуального вида гусеничного транспорта («моногусеницы») состоит не в том, что здесь, наконец, устранено взаимодействие с землей, как думают авторы указанного в Приложении 1 патента России, и многие другие изобретатели, а в изменении формы этого взаимодействия. Поэтому передняя (поворотная) часть гусеничного полотна в предложенном движителе играет роль той маленькой лыжи в прототипе (патент США №3404745). Она создает боковой упор в землю и, тем самым, боковую составляющую вектора скорости.
Для прямого доказательства этого положения, без которого создание движителя такого типа невозможно ни на уровне патентоспособных существенных признаков, ни, тем более, на уровне работоспособного устройства, авторами данной заявки были построены 2 действующие модели вездехода с таким движителем. Испытания первой из них состоялись в августе 2005 г. Эта модель имела поворотный механизм, в котором вертикальная ось поворота могла смещаться вперед и назад вдоль оси движителя. Испытания показали, на каком именно расстоянии вертикальная ось шарнира должна отстоять от вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальную ось опорного катка поворотной секции, чтобы возникала устойчивая боковая составляющая вектора скорости движителя. При меньшем расстоянии модель продолжала двигаться прямо, несмотря на работу механизма поворота. Вторая модель (испытания прошли в июле 2006 г.) уже не имеет никаких проблем с поворотом. Это подтверждается видеосъемкой, проводившейся во время испытаний обеих моделей.
На Фиг.1 показан внешний вид (сбоку) предложенного движителя. На фиг.2 изображено гусеничное полотно (вид сверху) в процессе поворота вездехода с предложенным движителем.
Движитель состоит из опорной рамы 1, широкопрофильного гусеничного полотна 2 с траками 3. На Фиг 2 показан цевочный вариант гусеничного полотна, причем роль цевок играют впадины 4 в соседних траках, обращенные навстречу друг другу, вместе с зазорами 5 между траками. Полотно охватывает ведущее 6 и направляющее 7 колеса, а также группу опорных катков 8 и механизм поворота 9.
Траки 3 гусеничного полотна могут быть выполнены симметрично сужающимися от центральной части к концам (а могут и не быть - это влияет только на минимальный радиус поворота движителя, и связаны между собой непрерывным упругим элементом 10, укрепленным в центральной части каждого из траков. Элемент 10 имеет возможность вертикального и горизонтального изгиба в любом своем сечении, расположенном в зазоре между траками. Гребни или цевки (на фиг.1 и 2 изображены именно цевки) выполнены в центральной части гусеничного полотна вдоль его продольной оси. Группа опорных катков 8 содержит неповоротную 11 и поворотную 12 секции, а механизм поворота 9 включает в себя стабилизатор гусеничного полотна 13. Этот стабилизатор, предназначенный для предотвращения соскакивания гусеничного полотна (ГП) с направляющего колеса 7, расположен снаружи, вне ГП, вблизи направляющего колеса, и установлен с возможностью его зацепления с наружными поверхностями траков ГП. Возможным вариантом реализации стабилизатора 13 является выполнение его в виде одного из опорных катков (8 или 12, что хорошо видно на фиг.1).
Механизм поворота 9 включает также в себя направляющее колесо 7, поворотную секцию 12 опорных катков и вертикальный шарнир 14. Неподвижная опора 15 шарнира закреплена на опорной раме 1, а подвижная - связана с поворотной секцией 12 опорных катков, причем вертикальная ось 16 шарнира отстоит от вертикальной плоскости 17, проходящей через горизонтальную ось 18 опорного катка поворотной секции, на расстояние D, равное 0.3-0.8 расстояния L между горизонтальными осями соседних траков гусеничного полотна. Это горизонтальное расстояние L изображено на фиг.1 в вертикальной плоскости - для удобства сравнения с расстоянием D.
Предложенный движитель работает следующим образом.
В исходном положении опорная рама 1 с помощью групп опорных катков 8 и 12 покоится на траках 3 нижней части широкопрофильного гусеничного полотна 2. В момент начала движения начинает работать ведущий двигатель (он может быть разным: двигатель внутреннего сгорания, дизель, электродвигатель и т.п.), от него получает вращение ведущее колесо 6. Зубья колеса 6 (видны на фиг.1), находящиеся в зацеплении с цевками гусеничного полотна 2, начинают перемещать траки 3. При этом расстояние между траками остается неизменным благодаря упругому элементу 10 (например, гибкому стальному канату), соединяющему траки. Движитель перемещается вперед или назад, в зависимости от направления вращения ведущего колеса 6.
При необходимости поворота транспортного средства направо или налево включают механизм поворота 9, и направляющее колесо 7, одновременно с поворотной секцией 12 опорных катков и стабилизатором гусеничного полотна 13, начинает движение по дуге окружности с центром - на оси 16. Упругий элемент, участки которого расположены в пазах 19 зубьев опорных катков 12 и направляющего колеса 7, перемещается в пространстве, перенося за собой траки 3 гусеничного полотна 2. Указанные пазы 19 опорного катка хорошо видны на фиг.2 (вид катка сверху). При этом траки гусеничного полотна занимают новое положение (см. фиг.2) на поверхности, по которой осуществляется движение. Стабилизатор 13 ограничивает нестабильность горизонтального положения траков 3 при сходе с направляющего колеса 7 или входе на него.
На фиг.3 показано фото указанной выше второй действующей модели вездехода с предложенным движителем.
1. Движитель гусеничной машины, содержащий опорную раму, широкопрофильное гусеничное полотно, включающее в себя шарнирно связанные между собой траки с гребнями или цевками, смонтированные с зазорами друг относительно друга, и охватывающее ведущее и направляющее колеса, а также содержащий механизм поворота и группу опорных катков, включающую поворотную и неповоротную секции, отличающийся тем, что траки выполнены симметрично сужающимися от центральной части к концам, связаны между собой непрерывным упругим элементом, укрепленным в центральной части траков с возможностью вертикального и горизонтального изгиба в любом своем сечении, расположенном в зазоре между траками, гребни или цевки выполнены в центральной части гусеничного полотна вдоль его продольной оси, механизм поворота включает в себя стабилизатор гусеничного полотна, направляющее колесо, поворотную секцию опорных катков и вертикальный шарнир, неподвижная опора которого закреплена на опорной раме, а подвижная связана с поворотной секцией опорных катков, причем вертикальная ось вертикального шарнира отстоит от вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальную ось опорного катка поворотной секции, на расстояние, равное 0,3-0,8 расстояния между горизонтальными осями соседних траков гусеничного полотна.
2. Движитель гусеничной машины по п.1, отличающийся тем, что стабилизатор гусеничного полотна выполнен в виде опорного катка, расположенного вне гусеничного полотна вблизи направляющего колеса и установленного с возможностью зацепления с наружными частями траков гусеничного полотна.
