САМОХОДНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ПО СНЕГУ Российский патент 1997 года по МПК B62M27/02 B62B13/12 

Изобретение относится к области транспорта, в частности к самоходным устройствам с гусеничными движителями, перемещающимся по снежному покрову, снегоходам, мотосаням, мотонартам, снежным мотоциклам и т.д.

Освоение северных территорий как бывшего СССР /ныне РФ/, так и зарубежных стран, включая Канаду, США, Швецию, Норвегию и др. имеет богатую историю разработки и использования самоходных механизированных транспортных средств для движения по снегу. Общим для всех конструкций является гусеничный движитель /с одной или двумя гусеницами/, впереди или позади которого располагаются одна или две поворотные лыжины /фиг. 13 а,б,в,г,д,е,ж/.

На схемах компоновки транспортных устройств косо заштрихованные участки
опорные поверхности лыжин, а также скользящих щитов. Прямоугольники с горизонтальной штриховкой переменной ширины гусеничные движители.

Известны разработки:
а) по схеме 31а /мототобоган/ общий щит /днище/ со скользящей по снегу поверхностью, в вырезе которого сзади размещен гусеничный движитель, а в двух передних окнах днища размещены поворотные устройства узкие лыжины /подрезы/. По этой схеме сконструированы мотонарты МС-ГПМ-18. Из зарубежных моделей известны: Motor, Toboggan, Eliason, Polaris;
б) по схеме 13б с одной гусеницей и двумя передними лыжинами на общем шасси еще в 30-е годы создан снегоход Карелина. Несколько позднее разработаны мотонарты НАМИ-095. Из зарубежных моделей Mustang, Ocnello Snofordon, а также отечественный, популярный в настоящее время снегоход "Буран";
в) по схеме 13в одна поворотная лыжина спереди и двухколейный гусеничный движитель сзади Ocnello Tricman, а также большое количество отечественных любительских разработок. Недостаток такой компоновки - недостаточная устойчивость конструкции при столкновении с препятствиями или резких поворотах /опрокидывание/;
г) по схеме 13г двухколейный гусеничный движитель спереди на отдельном шасси спереди и поворотный прицеп с водителем и грузом сзади. Известна лишь одна модель "Hus Ski";
д) по схеме 13д двухколейный гусеничный движитель /или двухгусеничный движитель со сближенными между собой гусеницами/, размещенный сзади, и две поворотные лыжины спереди наиболее перспективная и распространения в настоящее время компоновка снегохода, обеспечивающая максимальную поперечную остойчивость и оптимальную маневренность. Еще в 1929 г. в СССР были созданы автосани инж. А.С. Пузина. Позже разработаны мотонарты МС-ГПИ-15А. Из зарубежных: Nordstar /ФРГ/, несколько моделей фирмы "Бомбардье" /Канада/ и др.

е) по схеме 13е щит-днище с ограниченной протяженностью опорной поверхности /до гусеничного движителя/ с окнами в щите для узких поворотных лыжин /подрезов/, без опор вдоль гусеничного движителя модель МС-ГПИ-18 Ш. Испытания показали недостаточную поперечную устойчивость. Снятие боковин щита вдоль движителя увеличило проходимость, однако увеличило и опасность опрокидывания;
ж) по схеме 13ж две передние поворотные лыжины со щитом-днищем ограниченных размеров, боковые части которого названы лыжинами, повышающими поперечную устойчивость любительская разработка зимнего вездехода "Снежинка";
з) известна конструкция легких мотосанок, своего рода снежного велосипеда по пат. N 3757880, кл. 180-5Р, США, представленного в виде гусеничного движителя, размещенного между двумя полозьями и шарнирно с ними соединенного, на пяточных участках которых размещены поворотные устройства в виде погружных вертрулей, укрепленных на клапанах-педалях и заглубляющихся в снежный покров, что вызывает асимметричное торможение с разворотом всего устройства в сторону тормозящего руля. Сами полозья поворотного эффекта не проявляют;
и) количество любительских разработок снегоходов различных модификаций, указанных, в частности, в журнале "Моделист-конструктор", весьма значительно /по схемам от 13а до 13ж/ и разнообразно. Однако среди них не выявлено ни одной модели с боковыми поворотными устройствами.

Во всех компоновочных схемах снегоходов, мотонарт и др. главным фактором осуществления поворота является создание разности скоростей движения гусениц, включая и затормаживание одной из гусениц /при двухколесном гусеничном движителе/. При одноколейном гусеничном движителе /одногусеничный движитель/ поворот осуществляется только за счет поворота лыжин, что менее эффективно. Слабым местом всех конструкций является механическая прочность консольных носовых и пяточных частей лыжин.

В качестве прототипа принимается снегоход с двумя гусеницами-движителями и двумя передними поворотными лыжинами производства фирмы "Бомбардье" /Канада/.

Достоинства прототипа:
наличие двух гусениц шириной 510 мм каждая создает низкое удельное давление на снежный покров /особенно свежевыпавший снег/, обеспечивая тем самым высокую проходимость агрегата и довольно высокую маневренность;
наличие двух синхронно действующих поворотных лыжин обеспечивает в сочетании с двумя гусеницами хорошую остойчивость агрегата и удовлетворительную характеристику его движения на виражах, а расположение мест водителя и пассажира рядом создает лучшую комфортность по сравнению с одногусеничным вариантом снегохода, в котором размещение мест водителя и пассажира друг за другом.

Недостатки прототипа:
a) для достаточной поперечной остойчивости, улучшения маневренности и проходимости применены две гусеницы с общей шириной опоры 1020 мм, не считая просвета между ними для размещения там узлов привода. Это усложняет и удорожает конструкцию;
б) принципиальная ненадежность действия узла поворота /в виде двух лыжин/ при маневрировании по слежалому снегу, особенно по насту и фирну, когда сцепление лыжин с таким видом снега имеет минимальную величину;
в) применение двух лыжин вместо одной осложняет конструкцию и удорожает ее;
г) ненадежность поворотных лыжин от механических повреждений и разрушения в типичных местах при столкновениях и ударах о встречные препятствия /выступы льда, пни, камни, стволы деревьев и т.п./ по следующим причинам:
открытость и уязвимость незакрепленного /консольного/ носка лыжины при отсутствии деталей, способных принять на себя часть экстремальных нагрузок /фиг.8а/;
крепление лыжин только в одной /средней/ точке, где возникают значительные сложные динамические нагрузки в шарнире соединения с баллером /осью поворота/ /фиг.8/;
значительные выражения в узле подшипников баллера /осью поворота/ /фиг.8в помечено крестом/;
д) слабость упора плоских, жестких поворотных лыжин в снежный покров, что ограничивает скорость движения на виражах, гибкость маневрирования и увеличивает опасность неконтролируемого движения снегохода юзом /фиг.9/;
е) недостаточная компактность снегохода вследствие расположения лыжин и гусениц последовательно друг за другом.

Решаемые задачи повышение надежности и гибкости маневрирования снегохода с минимальным снижением скорости движения на виражах и исключение неуправляемого движения юзом; улучшение условий работы поворотных элементов /лыжин/ и связанное с этим повышение их эксплуатационного ресурса путем изменения принципа крепления и защиты их от разрушающих нагрузок при столкновении с препятствиями на пути движения /камнями, льдинами, сучьями, пнями и т.п./; оптимизация габаритных размеров снегохода путем более компактной его компоновки и упрощения конструкции отдельных узлов, что также значительно повысит его маневренность и снизит себестоимость.

Сущность изобретения /пути решения поставленной задачи/
1. Изменение принципа действия элементов узла поворота, чем обеспечивается надежность и гибкость маневрирования, а именно:
можно изменять направление движения не поворотом жестких лыжин в горизонтальной плоскости и продольным изгибом упругих лыжин с одновременным разворотом их подошвы в поперечном сечении относительно поверхности движения /фиг. 3/, в результате чего проекция ребра лыжины на поверхность /плоскость/ движения снегохода представит собой дугу в приближении принимаемой за отрезок дуги окружности с некоторым радиусом R /фиг.3,6 и 11/, экстраполяция которой представляет собой кривую циркуляцию на вираже. Теоретически эта кривая отрезок дуги эллипса.

2. Изменение принципа взаимодействия рабочих элементов узла поворота с поверхностью, по которой перемещается снегоход /снегом/, а именно:
наклон подошвы лыжины в поперечном сечении /фиг.4/ обеспечивает лучшие условия врезания ее ребра в снег /с разрушением поверхностной ледяной корки настового покрова/;
упор лыжины в снег на вираже всей поверхностью подошвы под углом к поверхности движения снегохода, обеспечивает оптимальное направление контакта со снежной массой /особенно при фирновом снеге, фиг.5/.

3. Сохранение механической целостности снегохода в целом, а также поворотных элементов /лыжин/ в аварийных ситуациях столкновениях с крупными препятствиями: бревнами, валунами, торосами, стволами деревьев, путем использования передней неподвижной траверсы в качестве бампера при ее главном конструктивном назначении служить несущим элементом крепления к ней блоков сторон гусениц.

4. Сохранность поворотных лыжин за счет их шарнирного крепления не в одной, а в трех точках, в т.ч. в двух наиболее типичных /по вероятности поломки/ местах в носке и пятке, при столкновениях с мелкими ординарными препятствиями на пути движения снегохода: камнями, мелкими торосами, сучьями, пеньками, кустарником и т.п. чем существенно увеличивается их долговечность /эксплуатационный ресурс/.

5. Более благоприятные конструктивно-эксплуатационные предпосылки для возможности эффективного реверсивного движения снегохода /задняя скорость/.

Отличительные от прототипа признаки
1. Применение блоков из нескольких лыжин, выполненных в виде упругих полос, имеющих прямолинейную скользящую поверхность и загнутые носок и пятку.

2. Шарнирное крепление лыжин к подвижным траверсам поворотного блока в трех точках: в носке, пятке и в средней части лыжины, причем шарнир в средней точке расположен на нижнем уровне, а в носке и пятке на верхнем уровне лыжины /на концах загибов/.

3. Создание прогиба лыжины за счет разнонаправленного поперечного перемещения подвижных траверс поворотных блоков, что вызывает прогиб лыжин в продольном направлении и наклонение скользящей поверхности лыжины в поперечном направлении относительно плоскости движения снегохода, отчего проекция ребра прогнутой лыжины на поверхность /плоскость/ перемещения снегохода представит собой кривую, по которой и будет происходить циркуляция на вираже /фиг.3/.

4. Размещение блоков поворота по бокам с внешних сторон гусениц, что позволяет оптимизировать габарит снегохода, не ухудшая его поперечной остойчивости.

5. Использование неподвижной траверсы в качестве бампера.

На фиг. 1 показан общий вид снегохода в новой компоновке и конструкции; на фиг. 2 общий вид одного из блоков поворотного устройства при нейтральном положении лыжины /движение по прямой/; на фиг.3 общий вид блока поворотного устройства в положении лыжин при повороте вправо /прогиб лыжин/; на фиг.4 - схема работы лыжины при повороте снегохода в условиях движения по насту; показано проламывание ледяной корки; на фиг.5a схема работы лыжины при повороте снегохода в условиях движения по фирну; на фиг.5б схема реактивных сил, обеспечивающих устойчивость снегохода на вираже /в частности на фирне/; на фиг. 6 схема действия реактивных сил на изогнутую лыжину, обеспечивающих устойчивость снегохода на вираже и отсутствие паразитных реактивных сил, мешающих развороту снегохода; на фиг.7 схема паразитных сил, мешающих повороту лыжины в традиционной схеме поворотного узла снегохода /прототипа/; показана равнодействующая реактивной силы, снижающей скорость снегохода при циркуляции; на фиг.8 схема уязвимости поворотной лыжины прототипа при столкновении с препятствиями в точки экстремальных нагрузок /типичных мест/ /указаны крестами/; на фиг.9 схема работы плоской поворотной лыжины прототипа при циркуляции и реактивные силы подпора, препятствующие движению лыжины юзом; на фиг. 10 схема работы предлагаемого снегохода на вираже со схематическим изображением проекции кромки изогнутых лыжин /жирная линия/; на фиг.11 схема возможной компоновки предлагаемого снегохода с одной гусеницей вместо двух, упрощающая конструкцию без ущерба маневренности и проходимости агрегата; на фиг. 12 сравнительные схемы габаритной длины снегоходов: а) прототипа; b) предлагаемого снегохода по заявке; на фиг.13 возможные конструктивные схемы снегоходов.

На чертежах показаны: шасси /конструктивные элементы/ 1; гусеницы 2 двухгусеничного движителя; траверса 3 передняя неподвижная /бампер/; блок 4 поворота; рама 5 блока поворота; шарнир 6 блока поворота; поперечная балка 7 рамы блока; продольная балка 8 носка лыжин; траверса 10 портальная подвижная средняя; траверса 11 подвижная пятки лыжин; лыжина 12; шарнир 13 носка и пятки лыжины; шарнир 14 средней точки лыжины; механизм 15 перемещения траверс /на чертежах не показан/; направляющие 16 траверс подвижных; портальные стойки 17 средней траверсы; совмещенная осевая линия 18 месторасположения центра радиуса кривизны лыжины и центра разворота гусеничного движителя; лыжина 19 прототипа; шарнир 20 поворотной лыжины прототипа; стойка 21 поворотная /баллер/ поворотной лыжина прототипа; подшипник 22 баллера поворотной лыжины; стенка 23 боковая поворотной лыжины прототипа; ребро-кант 24 лыжины прототипа; одногусеничный движитель 25 второго варианта предлагаемого снегохода.

Вышеперечисленные детали и узлы находятся в нижеследующем взаиморасположении и взаимосвязи: шасси 1, элементы 1 которого показаны на фиг.1, шарнирно крепится гусеничный движитель с гусеницами 2. Впереди /по ходу движения/ к шасси жестко закреплена траверса 3, к которой шарнирно /шарнир 6 показан на фиг.1/ крепятся блоки поворота 4 /фиг.12/. Блоки поворота размещены с внешних боковых сторон гусениц 2. Блок 4 выполнен в виде рамы 5 /на чертежах не выделена/, состоящей из поперечных балок 7 и продольных балок 8 /фиг.1, 2 и 3/. К раме 5 крепятся направляющие 16, по которым перемещаются траверсы: носка 9, средняя /портальная/ 10 и пятки 11. К этим траверсам крепятся лыжины 12 посредством шарниров 13 /носок и пятка/ и 14 к портальным стойкам 17, к которым лыжины 12 крепятся к своей середине. Траверсы 9, 10 и 11 связаны с общим механизмом 15 их перемещения, который на чертежах не показан в силу непринципиальности его конструктивного решения, системой тросов Боуде, гидравликой или иным способом.

Работа устройства
При движении снегохода по прямой подошвы поворотных лыжин 12 /фиг.2/ параллельны поверхности перемещения, радиус кривизны R осевой линии лыжин равен при этом бесконечности, и, следовательно, лыжины 12 не оказывают никакого влияния на траекторию движения снегохода.

Для выполнения поворота включается механизм 15, который перемещает траверсы: носка 9, портальную траверсу 10 и траверсу пятки 11 в необходимом направлении на необходимую величину. Как показано на фиг.3, при правом повороте траверса носка 9 смещается вправо на величину +Δb′, траверса пятки 11 также смещается вправо, но на иную величину, равную +Δb″′, а средняя портальная траверса 10 смещается влево на величину -Δb″. В результате по этим точкам возникает упругий прогиб лыжины 12 и проекция дуги прогиба на поверхность перемещения снегохода радиусом R_цирк, который при экстраполяции полученной кривой и определяет траекторию циркуляции снегохода. Одновременно с продольным прогибом лыжина 12 развернется в поперечной плоскости на некоторый угол, причем наклон будет пропорционален крутизне виража, создавая оптимальный угол контакта подошвы лыжины со снегом. В условиях настового покрова это способствует проламыванию ледяной корки /фиг.4/, чем исключается движение снегохода юзом и снижение степени его управляемости. В условиях фирнового снежного покрова, когда сцепление слоев снега снижается до минимума, наклон подошвы лыжины обеспечивает оптимальный контакт лыжины со снегом /фиг.5/. Разложение реактивных сил с результативной равнодействующей показано на фиг.5b, а на фиг.5а показано распределение нагрузки под подошвой лыжины на снег с учетом направления приложения равнодействующей силы . На фиг.3 показана линия 18, на которой размещаются центры радиусов дуги циркуляции изогнутых лыжин (R_цирк min) и центр разворота гусениц 2 в ходе маневрирования снегохода, как показано на схеме /фиг.10/.

Конструкция и компоновка снегохода могут быть без ущерба маневренности и проходимости упрощены за счет применения одногусеничного движителя /фиг.11/. Утверждение о возможности уменьшения габарита снегохода не в ущерб его продольной и поперечной остойчивости иллюстрируется на фиг.12, поз.а - габаритная длина L прототипа и поз.б габаритная длина предлагаемой конструкции L', которая существенно меньше.

Сравнивая предлагаемую кинематику поворота, следует отметить отсутствие дополнительного бокового сопротивления повороту /кроме усилия на изгиб лыжин/ и, следовательно, минимальное сопротивление опорной среды движению снегохода при циркуляции /фиг.6/, т.е. минимальное снижение скорости на виражах в отличие от традиционной поворотной лыжины /фиг.7/, где прямолинейность оси лыжины (R=∞) затрудняет ее вписывание в кривую траекторию циркуляции, создавая дополнительное сопротивление и, как следствие, большее сопротивлению движению на виражах. Кроме этого, традиционная открытая лыжина /фиг. 8/ не защищена от поломок. Плоская поворотная лыжина 19 /фиг.9/ обеспечивает значительно меньшую величину сцепления со снегом, несмотря на боковую стенку /бурт/ 23 и ребро-кант 24, поскольку упор обеспечивается лишь за счет усилий сдвига (τ) снежного покрова.

Все вышесказанное отчетливо показывает преимущества /по моему мнению/, которыми обладают предлагаемый принцип и конструкция поворотного устройства по сравнению с аналогами и прототипом.

Изобретение относится к области транспорта, в частности к самоходным устройствам для движения по снежному покрову: снежным мотоциклам, мотонартам и т.д. Снегоход состоит из шасси, гусеничного движителя и двух блоков поворотных устройств, размещенных с внешних сторон гусениц. Поворотными элементами каждого блока поворота являются группы лыжин из гибкого упругого материала, выполненных в виде полосы с прямолинейной скользящей поверхностью и загнутыми концевыми участками. Лыжины шарнирно соединяются с подвижными траверсами каждого блока. При включении механизма поворота лыжины прогибаются и разворачиваются в поперечном сечении, создавая некоторый угол между плоскостью подошвы и поверхностью, по которой движется снегоход. Использование: опираясь на прогнутые лыжины, снегоход обретает способность двигаться по кривой траектории, т.е. циркулировать. Такая форма контакта лыжин поворотного устройства со снегом исключает неконтролируемое движение снегохода юзом, повышает его маневренность на виражах и позволяет повысить скорость при циркуляции. Кроме того, предлагаемая компоновка уменьшает габарит снегохода в сравнении с прототипом (снегоход фирмы "Бомбардье", Канада), позволяет упростить и, следовательно, удешевить конструкцию без ущерба для конструктивно-экономических и эксплуатационных показателей. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Самоходное транспортное устройство для передвижения по снегу, содержащее шасси с траверсой, гусеничный движитель с двигателем, блоки поворотных устройств и приводной механизм этих устройств, отличающееся тем, что блоки поворотных устройств выполнены в виде рам с подвижными траверсами, к которым шарнирно прикреплены группы лыжин, представляющих собой упругие полосы с прямой скользящей поверхностью и загнутыми участками носка и пятки, причем средние траверсы содержат портальные стойки, а блоки поворотных устройств соединены шарнирно с консолями траверсы шасси, способной выполнять функции бампера, и расположены по бокам гусеничного движителя. 2. Самоходное транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что шарнирное крепление лыжин к траверсам осуществлено не менее, чем в трех точках, причем на вершинах носка и пятки такое крепление выполнено на верхнем уровне, а шарниры средней части лыжин, закрепленные на оконечностях портальных стоек траверс, размещены на нижнем уровне, вблизи плоскости скольжения лыжин, создавая возможность принудительного изгиба лыжин и изменения их положения в пространстве относительно поверхности, по которой движется транспортное устройство, под воздействием перемещающихся траверс.