Гусеничный движитель

Гусеничный движитель служит для преобразования вращающего момента, подводимого к ведущим колесам через трансмиссию от силовой установки, в тяговое усилие, движущее ТС.

Движитель гусеничных машин состоит из:

• гусеничных цепей 4 или лент
• ведущих 3 и направляющих 1 колес
• опорных 5 и поддерживающих 2 катков

Вес ТС передается через подвеску на опорные катки и гусеницы, а через них — на опорную поверхность.

Под действием вращающего момента М ведущие колеса перематывают гусеничные цепи, которые расстилаются по дороге и являются как бы рельсовым путем, по которому на опорных катках перемещается несущая система машины. По мере перекатывания опорных катков задние звенья (траки) гусеничной цепи переходят на верхнюю ветвь гусеницы, а затем снова вступают в контакт с поверхностью грунта под передней частью машины.

Рис. Схемы гусеничных движителей с кормовым (а, б) и носовым (в, г) расположением ведущего колеса:
1 — направляющее колесо; 2 — поддерживающие катки; 3 —- ведущее колесо; 4 — гусеничная цепь; 5 — опорные катки; v — скорость машины; М — вращающий момент

По конструкции гусеничные движители современных машин могут быть с несущими или приподнятыми направляющими колесами, передним или задним расположением ведущих колес, с поддерживающими катками или без них и различными типами шарниров гусениц (открытые металлические, резинометаллические шарниры, шарниры в виде игольчатых подшипников).

На рисунках а и б ведущие колеса расположены в кормовой части машины. В этих схемах потери на трение в шарнирах меньше, чем при носовом расположении ведущих колес, так как число шарниров гусеницы, нагруженных тяговым усилием, и точек перегиба уменьшается.

В схеме на рисунке в направляющее колесо является несущим, т. е. оно опущено на опорную поверхность и одновременно выполняет роль опорного катка. В этом случае направляющее колесо обязательно подрессорено.

В схемах, приведенных на рисунке б, г, отсутствуют поддерживающие катки, опорные катки большого диаметра, и сам движитель имеет меньшую высоту. Однако при движении с большими скоростями верхняя ветвь гусеницы начинает совершать значительные вертикальные колебания, сопровождаемые ударами по опорным каткам. Схема на рисунке г содержит большое число опорных катков, расположенных в шахматном порядке, что улучшает проходимость машины.

Гусеницы транспортных машин могут быть выполнены в виде замкнутых резинокордных или резинометаллических лент. Однако эти ленты вследствие недолговечности и малой несущей способности используются на самых легких машинах, например на снегоходах. Наиболее широкое распространение получили металлические многозвенные гусеничные цепи, состоящие из звеньев (траков), шарнирно соединенных друг с другом.

Траки представляют собой литые или штампованные звенья из износостойкой стали, имеющие на наружной поверхности грунтозацепы, на внутренней поверхности — направляющие гребни, а также отверстия (цевки), в которые входят зубья ведущих колес, и ушки, в которые входят соединительные пальцы, шарнирно соединяющие траки между собой.

Рис. Элементы металлической многозвенной гусеницы с открытым металлическим шарниром:
1 — цевка; 2 — ушки; 3 — направляющий гребень; 4, 5 — траки; 6 — соединительный палец

Направляющие гребни препятствуют спаданию гусениц с катков. Если опорные катки одинарные, то гребни выполняются двойными и располагаются по обе стороны катков, а если катки сдвоенные, то применяются одинарные гребни, которые проходят между катками.

В гусеницах с открытыми металлическими шарнирами соединительный палец 6 в виде длинного стального стержня круглого сечения вставляется в ушки сближенных друг с другом траков и закрепляется шплинтом, стопорным кольцом или расклепыванием. Гусеницы с такими шарнирами подвержены ускоренному износу, так как в шарниры легко попадает грязь и особенно песок, обладающий абразивными свойствами. В результате износа увеличивается длина гусеницы и уменьшается прочность пальцев. Изменение длины гусеницы требует частой регулировки ее натяжения, а с уменьшением прочности пальцев происходит их поломка, ведущая к разрыву гусениц.

Применение резинометаллических шарниров, в которых устранено трение, значительно увеличивает надежность и срок службы гусениц. В таких шарнирах палец впрессован в резиновую втулку, которая, в свою очередь, запрессована в ушки трака. При изгибе гусеничной цепи происходит лишь закручивание резиновых втулок. Трение скольжения между поверхностями отсутствует, поэтому нет износа траков и пальцев. Однако здесь имеются потери при изгибе гусеницы вследствие гистерезисных явлений в резине. Для их уменьшения производится предварительное закручивание втулок в сторону, обратную их закручиванию при работе.

Рис. Соединение траков резинометаллическим шарниром:
1 — резиновая втулка; 2 — палец; 3 — ушко трака

Шарниры на игольчатых подшипниках содержат запас смазки и закрыты сальниками. В настоящее время такие шарниры широкого распространения не получили.

Ведущие колеса гусеничного движителя, предназначенные для перематывания гусеничной цепи, представляют собой стальные венцы, прикрепленные к ступицам бортовых передач.

По типу зацепления ведущих колес с гусеничной цепью различают ведущие колеса с цевочным и гребневым зацеплениями.

При цевочном зацеплении (рис. а) зубья венцов входят в отверстия (цевки) траков гусениц и при вращении ведущих колес перематывают гусеницу.

При гребневом зацеплении (рис. б) на наружной поверхности ведущего колеса имеются углубления, по форме и размерам соответствующие гребню гусеницы, или специальные ролики, укрепленные между гладкими ободьями колеса, которые, взаимодействуя с гребнями траков, перематывают гусеницу.

Рис. Цевочное (а) и гребневое (б) зацепление ведущего колеса с гусеницей

Конструкция элементов зацепления ведущих колес с гусеницей должна обеспечивать безударную передачу усилий, свободный вход и выход элементов гусеницы из зацепления, хорошее самоочищение от грязи, снега и попадающих в зацепление крупных предметов.

Направляющие колеса располагаются на противоположном от ведущих колес конце машины и служат для направления движения гусеницы и (совместно с механизмом натяжения) для регулирования натяжения гусеницы. В зависимости от конструкции гусениц, ведущих колес и опорных катков направляющие колеса могут быть двойными или одинарными.

Натяжение гусениц необходимо для предотвращения их спадания, уменьшения потерь при перематывании гусениц и облегчения их монтажа и демонтажа.

Среди натяжных механизмов с механическим приводом различают:

• винтовые — с поступательным перемещением оси направляющего колеса (рис. а)
• кривошипные — с перемещением оси направляющего колеса по дуге окружности. Поворот кривошипа может осуществляться с помощью червячной пары (рис. б) или винтовой стяжки (рис. в)

Рис. Винтовой (а) и кривошипные (б, в) механизмы натяжения гусениц:
1 — направляющее колесо; 2 — корпус машины; 3 — винтовой механизм; 4 — фиксирующие гребенки; 5, 6 — червячные пары; 7 — кривошип; 8 — винтовая
стяжка

В механизме натяжения, представленном на рисунке а, при вращении винта корпус механизма с прикрепленным к нему направляющим колесом перемещается вдоль корпуса машины и изменяет натяжение гусеницы. В схеме на рисунке б направляющее колесо устанавливается в соответствующее заданному натяжению гусеницы положение при помощи червячной пары 5. Фиксация этого положения обеспечивается с помощью гребенок на кривошипе и корпусе машины. Ввод и вывод гребенки кривошипа из зацепления с корпусом осуществляются в одном механизме с помощью червячной пары 6 и винтового механизма. В схеме на рисунке в установка направляющего колеса в необходимое положение достигается за счет изменения длины винтовой стяжки. В некоторых подобных конструкциях вместо винтовой стяжки установлен гидравлический цилиндр.

Опорные катки передают вес машины на гусеничные цепи и по ним происходит перемещение несущей части машины. Число опорных катков — пять—семь по борту.

Рис. Типы опорных катков:
а — с внутренней амортизацией; б — цельнометаллические; в — эластичные

Опорные катки современных гусеничных машин можно разделить на три типа: с наружной резиновой шиной, с внутренней амортизацией (рис. а) и жесткие цельнометаллические (рис. б). Каток каждого из трех типов может быть одинарным, двойным (см. рис. я, б) и при очень больших нагрузках на катки — тройным.

В некоторых гусеничных движителях опорные катки выполнены с пневматическими шинами или шинами с эластичным наполнителем (рис. в).

В зависимости от диаметра опорные катки бывают малого (500…600 мм) и большого (700…800 мм;и более) диаметров. Гусеничные движители с опорными катками малого диаметра включают в себя поддерживающие катки.

Жесткие опорные катки используются на тихоходных гусеничных машинах. Катки с наружной резиновой шиной снижают динамические нагрузки на гусеницу и каток, а также уменьшают шум при движении машины. Однако в резине из-за большого внутреннего трения при ее деформации выделяется большое количество теплоты, что приводит к расслаиванию шины или отслаиванию ее от обода катка. При слишком больших нагрузках на каток и скоростях движения применяются катки с внутренней амортизацией. Резина в этих катках работает главным образом на сдвиг, и работающая поверхность значительно больше, чем в наружных шинах.

Рис. Поддерживающий каток:
1 — ступица; 2 — подшипники; 3 — крышка; 4 — втулка; 5 — стопорный палец; 6 — пробка; 7 — грибок; 8 — болт; 9 — прокладка; 10, 14 — гайки; 11 — крышка лабиринта; 12 — кольцо;13, 18 — шайбы; 15 — шплинт; 16 — кронштейн; 17 — ось; 19 — манжеты; 20 — шина

Поддерживающие катки служат для поддержания верхней свободной ветви гусеничной цепи. Условия работы таких катков значительно легче, чем опорных, так как они нагружены лишь частью веса гусениц. На рисунке представлена конструкция поддерживающего катка вместе с кронштейном крепления его к корпусу машины.

Для очистки беговых дорожек гусениц от снега служат снегоочистители, устанавливаемые в гусеничном движителе.

Во время движения по снежной целине при некоторых метеорологических условиях происходит намерзание снега на беговых дорожках гусениц, что вызывает их чрезмерный натяг — происходит так называемый распор гусениц, в результате чего резко снижаются динамические характеристики машины. Распор может вызвать спадание гусеницы, разрушение резиновой ошиповки опорных катков.

Скалывание льда с беговой дорожки верхней ветви гусеницы осуществляется при движении машины специальной звездочкой, поджатой с помощью пружины к беговой дорожке. Для улучшения скалывания льда зубья звездочки выполняют переменную ширину. При отсутствии льда на гусенице звездочки переводятся в нерабочее положение.

Самоочистка направляющего колеса от грязи и снега производится специальным приспособлением в виде изогнутой лопатки, установленной между венцами колеса и закрепленной на корпусе машины.

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.