Конструирование гусеничных движителей

Общие сведения

Гусеничный движитель, как и другие типы движителей (ко­лесный, гребной и воздушный винты и др.) служит для преобразо­вания получаемого от двигателя усилия в процессе взаимодей­ствия с внешней средой в тяговое усилие, движущее машину. Только реактивный принцип движения не требует специального движителя, функции двигателя и движителя объединены в этом случае в одном агрегате. Несамоходные гусеничные машины (при­цепы) имеют не гусеничный движитель, а гусеничный ход – пас­сивный механизм, не создающий тягового усилия.

Основные требования. К гусеничному движителю предъ­являются следующие основные требования:

1) обеспечение высокой проходимости по мягким и топким грунтам (болото, снег, песок), преодоление подъемов до 30-35°и различного рода естественных и искусственных препятствий (рвы, пороги, эскарпы и контрэскарпы, неглубокие водоемы и т. д.);

2) высокий к. п. д.;

3) достаточная долговечность;

4) малый вес и габариты при достаточной прочности, долго­вечности и надежности (в современных гусеничных машинах вес движителя достигает 15-20% от общего веса машины);

5) простота и технологичность конструкции, удобство обслу­живания и ремонта в полевых условиях, минимум регулировок и эксплуатационного обслуживания.

Рассмотрим подробнее эти требования. Выполнение первого из них зависит прежде всего от величины среднего удельного давления на грунт , где G – вес машины; L – длина опорной поверхности движителя; b – ширина гусеницы. Боль­шинство сельскохозяйственных и транспортных машин имеют q_ср ≈0,04-0,06 МПа. Для гусеничных машин среднего и тяже­лого классов (30-50т) q_ср≤ 0,08-0,082. При больших значе­ниях q_ср наступает резкое снижение несущей способности грунта и проходимости машины. Гусеничные машины особо высокой проходимости (снегоходы и болотоходы) должны иметь q_ср ≤0,015-0,020 МПа. Для сравнения можно привести некоторые данные по величине средних удельных давлений q_ср:пешеход – 0,05-0,06 МПа; лыжник – 0,01 МПа; аэросани ~0,004–0,006 МПа. Эпюра оптимального распределения усредненных удельных давлений на грунт должна иметь вид прямоугольника (рис. 116, а).

Проходимость машины зависит также от распределения истин­ных давлений на грунт по длине гусеницы, от степени его неравно­мерности, особенно при перемещении по болотам с плотным дерно­вым покровом, но слабым основанием. Чем больше диаметр опор­ных катков и больше их число, тем равномернее распределяются давления по длине опорной поверхности гусеницы. На мягком грунте вследствие его большей деформации под опорными катками часть нагрузки воспринимается гусеницей между катками. Рас­пределение давлений при этом более равномерное (рис. 116, б), чем на твердом грунте (рис. 116, в).

Наилучшим решением в этом плане является схема ходовой части с шахматным расположением опорных катков большого диаметра (рис. 117, г). Однакоэто решение имеет существенные недостатки: значительное возрастание веса ходовой части (в том числе и подвески, так как возрастает число рессор) и неудобство обслуживания и ремонта в полевых условиях.

Рис. 116. Удельное давление на грунт

Проходимость машины на слабых грунтах зависит также от соотношения сил сопротивления движению и сцепления гусениц с грунтом, которое определяется осадкой машины в грунт (глу­биной колеи). Последняя, в свою очередь, при равных удельных давлениях зависит от соотношения ширины гусеницы и длины опорной поверхности.

При более широких гусеницах уменьшается осадка в грунт (при одинаковых q_ср)из-за уменьшающегося по сравнению с узкой гусеницей вытеснения грунта из нее в стороны, и проходи­мость по слабым грунтам улучшается. Однако значительное уширение гусеницы трудно реализовать, во-первых, из-за ограничения габаритной ширины машин по условиям железнодорожных пере­возок (не более 3,25 м); во-вторых, при увеличении ширины трака вес его при условии обеспечения равнопрочности растет примерно пропорционально квадрату отношения ширин. Увеличение веса повышает динамические усилия в гусеницах (особенно для быстро­ходных машин), снижает к. п. д., повышает динамические нагрузки и износ. Поэтому для работы некоторых типов гусеничных машин в особо тяжелых условиях рекомендуется применение временных уширителей гусениц.

Рис. 117. Типовые схемы гусеничных движителей

Узкая, но более длинная гусеница при равных q_ср обеспечи­вает меньшие сопротивления движению в обычных условиях, имеет меньшую склонность к буксованию.

Проходимость по мостам, льду и по болотам с плотным дерно­вым покровом, но слабым основанием зависит при прочих равных условиях от общего веса машины, от периметра опорной по­верхности.

К.п.д. движителя зависит от типа и конструкции шарниров гусеничных цепей, от расположения ведущих колес, от конструк­ции зацепления гусеницы с ведущим колесом, от веса гусеницы, т. е. от величины динамического ее натяжения, определяющего потери на трение в шарнирах.

Более высокий к. п. д. и более высокую проходимость имеют гусеницы с резинометаллическим шарниром, еще выше – с иголь­чатыми подшипниками в шарнире. Но у первых и тем более у вто­рых вес получается больше и конструкция сложнее.

Потери на трение в шарнирах меньше при расположении ве­дущего колеса в кормовой части машины (рис. 117, а, б) по сравнению с носовым его расположением, так как при этом коли­чество шарниров гусеницы, нагруженных тяговым усилием, и точек их перегиба уменьшается. Не нагружена в этом случае верхняя передняя ветвь гусеницы, как это имеет место в схемах на рис. 117, в, г.

Долговечность движителя определяется в основном износостойкостью шарниров гусеничных цепей и зацепления их с ведущим колесом. Гусеницы с открытым металлическим шарниром имеют самую низкую износостойкость. Срок службы ее не превышает в большинстве случаев 2000-3000 км. Гусеницы с резинометаллическим шарниром могут обеспечить срок службы до 5000-8000 км, гусеницы с игольчатыми подшипниками – несколько десятков тысяч км.

Сравнительная оценка гусеничного и колесного движителя. Гусеничный движитель обладает безусловными преимуществами перед колесным при движении по мягким и топким грунтам: меньше осадка (так как меньше удельные давления), меньше вследствие этого сопротивление движению, лучше сцепные ка­чества (из-за более развитой опорной поверхности), меньше бук­сование.

Специальные колесные машины высокой проходимости, полу­чившие развитие в последние годы (с колесами большого диаметра, с шинами низкого давления, с пневмокатками и т. д.) дают умень­шение осадки и сопротивления движению, но буксование их все равно значительно выше, чем у гусеничных машин.

Гусеничный движитель имеет бесспорные преимущества в пре­одолении препятствий, что также повышает его проходимость по сравнению с колесным. Многоосные многоприводные колесные машины в этом отношении также уступают гусеничным. Кроме того, следует учитывать, что привод колес этих машин значительно сложнее. Только количество межколесных и межосевых диффе­ренциалов у них достигает шести-семи вместо одного у гусенич­ной машины.

Гусеничный движитель обеспечивает значительно лучшую маневренность машины (наименьший радиус поворота равен или даже нулю у машин с двухпоточными передачами).

Для машин среднего и тяжелого классов из-за ограничения на­грузки на ось колес с пневмошинами приходится применять ко­леса большого диаметра (до 3 м) и ширины (до 2 м), что резко увеличивает габариты и вес движителя и машины в целом. Габа­риты движителя пятидесятитонной гусеничной машины и пяти­тонной колесной примерно одинаковы.

Существенными недостатками гусеничного движителя по сравнению с колесным являются сравнительно низкий к. п. д. и значительно меньшая долговечность. При движении по хорошим дорогам и твердым грунтам колесный движитель имеет преиму­щество – меньшее сопротивление движению.

Классификация. Гусеничные движители, применяемые в совре­менных машинах, могут быть:

1) с приподнятыми или несущими направляющими колесами;

2) с передним или задним расположением ведущих колес;

3) с поддерживающими катками или без них;

4) с различным типом шарнира гусеницы: с резино-металлическими шарнирами, с открытым шарниром, с игольчатыми подшипниками.

Компоновка ходовой системы. При компоновке ходовой си­стемы гусеничной машины сначала составляется компоновочная схема (рис. 118), выбираются ее основные элементы и параметры, а затем ведется конструктивная проработка и расчет узлов, вхо­дящих в эту схему. К гусеничному движителю относятся следу­ющие основные узлы ходовой системы: гусеничные цепи, ведущие колеса, опорные катки, поддерживающие катки (или ролики), направляющие колеса с механизмом натяжения гусениц.

Рис. 118. Компоновочная схема гусеничного движи­теля

Основные компоновочные схемы, нашедшие применение в бы­строходных гусеничных машинах, приведены на рис. 117.

Схемы на рис. 117, а и б имеют заднее расположение ве­дущих колес. О преимуществах такого решения говорилось выше. Однако вопрос о расположении ведущих колес решается обычно не при разработке ходовой системы, а при общей компоновке машины и зависит главным образом от места расположения транс­миссии. В схемах на рис. 117, в и г ведущие колеса располо­жены в носовой части корпуса. В схеме на рис. 117, в направ­ляющее колесо опущено на грунт, в этом случае оно должно быть обязательно подрессорено. Очевидно, что эта схема может быть реализована при переднем расположении ведущих колес. Преиму­щество ее заключается в увеличении площади опорной поверх­ности гусениц при том же весе ходовой части, что дает, как уже известно, снижение удельных давлений, улучшение проходимости машины, но при этом снижается способность машины к преодо­лению препятствий на заднем ходу.

Схема на рис. 117, г имеет большое количество опорных катков большого диаметра, расположенных в шахматном порядке. О преимуществах и недостатках этой схемы говорилось выше.

При наличии опорных катков большого диаметра и отсутствии поддерживающих катков (рис. 117, б и г) движитель имеет мень­шую высоту, улучшаются условия работы резиновых шин. Однако при движении с большими скоростями верхняя ветвь гусеницы начинает совершать значительные вертикальные колебания, бьет по опорным каткам, создает в движителе большие динамические нагрузки и увеличивает потери. Для быстроходных машин наи­более приемлемой, как правило, является схема, показанная на рис. 117, а (как с задним, так и с передним расположением ведущего колеса).

При выборе размеров опорных катков (D_оп), направляющих и ведущих колес r_нк и r_вк следует иметь в виду, что чем больше их диаметр, тем меньше углы поворота в шарнирах гусеницы, т. е. тем меньше потери энергии в них и выше долговечность гусеницы.

Клиренс машины Н_к (рис. 118) для обеспечения хорошей проходимости выбирается в пределах 400-500 мм. Углы между наклонными ветвями гусениц и дорогой, а также высота распо­ложения оси направляющего (или переднего ведущего) колеса h_нк выбираются из условия лучшего обеспечения преодоления пре­пятствий в пределах компоновки корпуса. Обычно h_нк =0,75-1 м; углы наклона ветвей гусеницы: передней α≈40-45°, задней β≈20-25°. Длина опорной поверхности L и ширина трака b устанавливаются в соответствии с требованием обеспече­ния заданной величины q_ср.