СТРОИМ СНЕГОХОД

Создание снегохода своими силами — увлекательнейшее занятие! В интернете самодельщики делятся своими наработками в этой области, одни копируют уже сделанные снегоходы, другие идут своим путем и пытаются создать собственные конструкции. Рисуют компоновочную схему, выбирают гусеницу, силовой агрегат и приступают к работе с металлом. Однако первый же выезд зачастую приносит не радость, а разочарование: снегоход едет плохо, не набирает желаемую скорость, тонет в глубоком снегу. Чаще всего это происходит из-за того, что машина получается чрезмерно тяжелой, гусеницы и лыжи оказывают слишком большое давление на снег, зарываются в него из-за неправильной развесовки. Возможны также просчеты с выбором двигателя или передаточного отношения трансмиссии. Всех этих ошибок поможет избежать предварительный поверочный расчет параметров снегохода перед началом его изготовления. Такой расчет мы и предлагаем вниманию читателей.

Вначале определимся с основными параметрами снегохода, оказывающими непосредственное влияние на его ходовые и эксплуатационные качества. К ним относятся: снаряженный вес (Рс) — вес заправленного снегохода без водителя и груза; полный вес (Рп) — снаряженный вес плюс вес водителя и груза (Рв);

Сцепной вес (Рсц) — вес, воспринимаемый опорной (активной) поверхностью гусеницы; пассивный вес (Рпас) — вес, воспринимаемый опорными поверхностями лыж (пассивной поверхностью); площадь пассивной поверхности (Sпас) — суммарная площадь опорных поверхностей лыж; площадь активной поверхности (Sа) — площадь опорной поверхности гусеницы; развесовка (λ) -распределение полного веса между активной и пассивной поверхностями, или отношение сцепного веса к полному. Также нам важны мощность двигателя (N); обороты двигателя, соответствующие максимальной мощности (n); передаточное отношение трансмиссии (U); максимальная скорость снегохода (V); вес гусеничного блока, включающего в себя вес гусеницы, двигателя, элементов ходовой части и трансмиссии (Рг).

Согласно теории движения снегоходных транспортных средств, их проходимость (способность передвигаться в заданных условиях) зависит, прежде всего, от давления на активной (гусеница) и пассивной (лыжи) поверхностях, а также от их соотношения. Разумеется, двигатель должен обладать достаточной мощностью. Общаясь на тематических форумах в интернете, мы запросили у тех, кто построил свои снегоходы, данные по весу, развесовке, площадям гусениц и лыж. К сожалению, приходится констатировать, что редкие самодельщики четко знают характеристики своей техники — чаще все делается по наитию. Но мы, оперируя теми данными, что удалось получить, рассчитывали тягу на гусенице, средние давления. Затем провели, так сказать, виртуальный тест-драйв: внимательно изучили видео заездов различных машин по снежной целине. Конечно, заочно трудно было оценить состояние снега, но какие-то выводы об оптимальных параметрах снегоходов, наделяющих их приемлемой проходимостью, сделать удалось. Добавим, что в феврале 2019 года в селе Сива Пермского края состоялся уже настоящий тест-драйв — одновременный заезд шести единиц снегоходной техники по глубокому и рыхлому снегу. Он лишь подтвердил наши предварительные расчеты.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Итак, мы определили, что высокая проходимость снегохода обеспечивается при выполнении следующих условий:

Активное давление (Ga = Рсц / Sa) должно быть не более 250-260 кгс/м2. Пассивное давление (Gпac = Рпас / Sпac) должно быть не более 150-160 кгс/м2. Развесовка λ = 0,6-0,7, т.е. 30-40% полного веса должно приходиться на лыжи, а 60-70% — на гусеницу(ы). Эти цифры были приняты за опорные (реперные) в нашем расчете. При увеличении давления проходимость снижается из-за увеличения глубины колеи и роста «бульдозерного» эффекта.

В предлагаемой методике расчета снегоходы условно разделены на классы по снаряженному весу: легкий -Рс ≤ 100 кг; средний — Рс ≤ 150 кг; тяжелый — Рс ≤ 200 кг. Вес водителя и груза Рв условно принят равным 100 кг.

ВЫБОР ГУСЕНИЦЫ

В настоящее время редкий самодельщик решит делать гусеницы самостоятельно. Дело это непростое, а результат вряд ли получится удовлетворительным, притом, что ЗАО «Композит» из города Курска предлагает широкий ассортимент гусениц. Надо лишь выбрать подходящую для задуманной машины, исходя из условия, что ее фактическая активная площадь (Sф) не меньше, чем расчетная (Sa). Кстати, строить снегоход одно- или двухгусеничным зависит исключительно от предпочтений его создателя — в обоих случаях результат может получиться достойным.

Максимально допустимое по условиям проходимости активное давление Ga определено выше.

Сцепной вес считаем по формуле Рсц = λ х Рп = λ х (Рв + Рс).

Для снегохода легкого класса:

Рсц = 0,7 х (100 + 100)= 140 кг;

Sа = 140/250 = 0,56 м².

Для снегохода среднего класса:

Рсц = 0,7 х (100 + 150)= 175 кг;

Sа = 175/250 = 0,70 м².

Для снегохода тяжелого класса:

Рсц = 0,7 х (100 + 200) = 210 кг;

Sа = 210/250 = 0,84 м².

Взяв из каталога ЗАО «Композит» параметры существующих гусениц — полную длину и ширину, можно рассчитать фактическую активную площадь: Sф = Lмакс х В, где Lмакс — максимальная опорная длина, приблизительно равная межосевому расстоянию между гусеничными звездочками, мм; В — ширина гусеницы, мм.

Поскольку гусеницы мы используем готовые, то и не имеет смысла самому изготавливать звездочки их привода -подойдут от популярного снегохода «Буран», они также применяются на большинстве мотособак. Звездочки имеют 9 зубьев и рассчитаны под гусеницу с шагом зацепления 50,5 мм. Исходя из этого:

Lмакс = (Lп — 9 х 50,5) / 2, где Lп -полная длина гусеницы по каталогу, мм.

В таблице приведены характеристики гусениц шириной 380 и 500 мм, с шагом 50,5 мм и зацеплением через окна, и рассчитанная фактическая активная площадь Sф.

Основные параметры гусениц, выпускаемых ЗАО «Композит»

Сопоставив расчетные и фактические активные площади, можно сделать вывод, что для снегохода легкого класса оптимальными будут гусеницы моделей «Буран МД Полюс», «Полярник 72», «Буксировщик»; для снегохода среднего класса — «Полярник 80», «Буксировщик Long»; для снегохода тяжелого класса -«Буксировщик Super Long», «Буксировщик WT5900».

РАСЧЕТ ВЕСОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Полный вес равен сумме сцепного и пассивного веса: Рп = Рсц + Рпас. Сцепной вес был вычислен в предыдущем разделе.

Пассивный вес можно рассчитать по формуле Рпас = Рсц / λ — Рсц.

Рассчитанные данные снегохода в зависимости от его класса по снаряженному весу

Соответственно для снегохода легкого класса:

Рпас = 140/0,7- 140 = 60; среднего — Рпас = 175 / 0,7 — 175 = 75; тяжелого — Рпас = 210 / 0,7 — 210 = 90.

Очевидно, что полный вес для машины каждого класса составит соответственно 200, 250 и 300 кг

Площадь пассивной поверхности, или площадь опорных поверхностей лыж: Sпас = Рпас / Gпас.

При принятых нами значениях Gпас эта площадь составит: легкий класс — Sпас = 60 / 150 = 0,40 м²; средний класс — Sпас = 75 /150 = 0,50 м²; тяжелый класс — Sпас = 90/ 150 = 0,60 м².

Анализируя конструкции самодельных снегоходов, можно заключить, что вес лыжного модуля составляет обычно около 25-30 кг, причем эта величина не зависит от класса снегохода. Следовательно, доля веса водителя на лыжный модуль равна δ1 = Рпас — 30.

Тогда для легкого класса δ1 = 60 -30 = 30 кг, среднего — δ1 = 75 — 30 = 45 кг, тяжелого — δ1 = 90 — 30 = 60 кг.

На гусеничном блоке доля веса водителя δ2 = 100 — δ1 составит для машин трех разных классов соответственно 70, 55 и 40 кг.

Значит, вес гусеничного блока, равный Рг = Рсц — δ2, составит для машин трех разных классов 70, 120 и 170 кг.

Приведенные расчеты позволили получить весовые и опорные параметры снегоходов различного снаряженного веса (класса), при которых обеспечивается высокая проходимость в рыхлом снегу. Для удобства расчетные данные сведены в таблицу.

РАСЧЕТ МИНИМАЛЬНОЙ ПОТРЕБНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Минимальная потребная мощность двигателя (N) зависит от условий движения, полного веса и заданной максимальной скорости движения. Для движения по накатанной дороге расчет ведется по формуле

N = (0,3 х Рп х V) / (75 х 3,6),

где V — максимальная скорость (км/ч), 0,3 — коэффициент сцепления; 75 и 3,6 -нормирующие множители.

Поскольку расчет дает минимальное значение мощности, то при выборе реального двигателя следует ориентироваться на показатель, на 10-20% превышающий расчетный. Линейка стационарных двигателей, доступных самодельщикам, приводится в соответствующих каталогах. При выборе мотора необходимо также учитывать его вес. Например, в настоящее время предлагаются двигатели мощностью от 6,5 до 8,5 л.с. с небольшой разницей в весе в 15-17 кг. А двигатель мощностью 9 л.с. уже на 10 кг тяжелее.

Для примера примем требуемую максимальную скорость равной 40 км/час. Тогда для легкого класса N = (0,3 х 200 х 40) / (75 х 3,6) = 8,9 л.с; среднего — N = (0,3 х 250 х 40) / (75 х 3,6) = 11,1 л.с.; тяжелого — N = (0,3 х 300 х 40) / (75 х 3,6)= 13,3 л.с.

Из каталога подойдут соответственно двигатели мощностью 11, 13 и 15 л.с.

РАСЧЕТ ОБЩЕГО МИНИМАЛЬНОГО ПЕРЕДАТОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ ТРАНСМИССИИ

Общее минимальное передаточное отношение трансмиссии (Umin) определяется оборотами двигателя в режиме максимальной мощности и заданной максимальной скоростью:

Umin = (n х 9 х 0,0505 х 60) / (1000 х V),

где n — обороты, соответствующие максимальной мощности двигателя; V -максимальная скорость (км/ч); 9 — число зубьев гусеничной звездочки; 0,0505 -шаг гусеницы в метрах; 60 и 1000 — нормирующие множители.

Обороты двигателя в режиме максимальной мощности указаны в техническом паспорте на двигатель. Для стандартных четырехтактных стационарных двигателей n = 3600/об/мин. Несложно догадаться, что значение Umin не зависит от класса снегохода.

При заданной максимальной скорости в 40 км/ч Umin = (3600 х 9 х 0,0505 х 60)/(1000 x40) = 2,45.

РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ ЦЕПНОЙ ПЕРЕДАЧИ

Исходя из того, что общее передаточное отношение трансмиссии представляет собой произведение передаточных отношений ее ступеней, легко определить, что Uц = Umin / Uтр, где Uтр — в свою очередь, минимальное передаточное отношение всех ступеней трансмиссии, исключая цепную. Если взять в качестве примера классическую схему снегохода, при которой крутящий момент от двигателя передается к приводной звездочке цепи через вариатор «Сафари» и реверс-редуктор, то приняв, что минимальное передаточное отношение вариатора Uвар = 1, а реверс-редуктор лишь меняет направление вращения гусеницы, не изменяя передаточное отношение, то есть Uрр = 1, получаем: Uц = 2,45 / (1 х 1) = 2,45.

Данному передаточному отношению соответствует пара звездочек: ведущая -13 зубьев, ведомая — 32 зуба, то есть Uц = 32/13 = 2,46.

ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

Рассмотрим разработку реальной конструкции снегохода. Вначале следует определиться с техническими требованиями — задать условия движения (наст, плотный снег или рыхлый снег), грузоподъемность, максимальную скорость. Также надо выбрать конструктивную схему: монолыжа или двухлыжник, одна или две гусеницы и ориентировочный ее (их) размер, тип подвески, расположение двигателя, тип трансмиссии.

Приведем пример расчета снегохода, который нами был построен. Мы его назвали «Тритон». Изначально решили, что нам требуется машина, способная двигаться по рыхлому снегу. Грузоподъемность задали в 70 кг, то есть это практически техника для перемещения одного седока без груза. Максимальная скорость по укатанной дороге — до 30 км/ч. Конструктивная схема следующая: монолыжа (рыбацкая волокуша), две гусеницы, двигатель над ними, жесткая катково-склизовая подвеска, двухступенчатая трансмиссия — вариатор типа «Форвард» плюс цепная передача на гусеницу. Класс по снаряженному весу — легкий. Причем, поскольку водитель смещен к лыже, то λ принимаем равным 0,6.

Приступаем к выбору гусениц:

Рсц = 0,6 х (70 + 100)= 102 кг;

Sа = 102 / (250…260) = (0,39…0,41) м².

Согласно каталогу, нам подойдут гусеницы «Муравей», с общей активной площадью Sа = 0,4 м2. Ширина каждой гусеницы составляет 220 мм, шаг -50,5 мм, количество шагов — 44, длина -2222 мм.

Для выбранных гусениц весовые характеристики снегохода будут следующими:

Рсц = 250 х 0,40 = 100 кг;

Рпас = 100 / 0,6 — 100 = 66,7 кг;

Рп = 100,0 + 66,7 = 166,7 кг;

Рс= 166,7-70 = 96,7 кг.

Площадь лыжи составит: Sпас = 66,7 / 150 = 0,45 м².

Долю веса водителя на лыжный модуль примем δ1 = Рпас — 25, или δ1 = 66,7 — 25 = 41,7 кг (около 42 кг)..

На гусеничном блоке доля веса водителя, соответственно: δ1 = 70 — 42 = 28 кг, откуда вес гусеничного блока -Рг= Рсц-28 = 100-28 = 72 кг.

Расчетные и фактические данные снегохода «Тритон» сведены в таблицу.

Расчет минимальной потребной мощности двигателя выглядит следующим образом: N = (0,3 х 167 х 30) / (75 х 3,6) = 5,6 л.с.

В настоящее время на «Тритон» установлен двигатель мощностью 8 л.с.

Минимальное передаточное отношение трансмиссии составит: Umin = (3600 х 9 х 0,0505 х 60) / (1000 х 30) = 3,27.

Тогда передаточное отношение цепной передачи: Uц = Umin / Uвф, или Uц = 3,27 / 1 = 3,27 (где Uвф — минимальное передаточное отношение вариатора «Форвард», равное единице).

Весовые параметры снегохода «Тритон»

Нами было изготовлено три экземпляра снегохода «Тритон». Многие сомневались, что малыши пойдут по глубокому снегу, однако прошлой зимой они были испытаны в горах Урала (район Кыштыма) и показали хорошую тягу и проходимость. При подъеме на гору Туранташ проходимость «Тритона» была выше, чем у промышленного снегохода «Динго-150». Наша машина покорила вершину, а «Динго» закопался. «Тритон» легко управлялся и был очень устойчив благодаря низкому расположению центра тяжести.

Таким образом, натурные испытания подтвердили работоспособность приведенной методики. Построив снегоход без существенных отклонений от расчетных параметров, можно гарантировать его высокие эксплуатационные характеристики. Поэтому мы не остановились на достигнутом и рассчитали еще один снегоход. Его мы собираемся построить уже к этой зиме.

Расчет машины, условно названной нами «Охотник», выглядит следующим образом.

Технические требования: движение в рыхлом снегу, грузоподъемность до 100 кг, максимальная скорость по укатанной дороге до 30 км/час. Конструктивная схема: две лыжи, одна гусеница, двигатель над гусеницей, жесткая склизовая подвеска, трехступенчатая трансмиссия, состоящая из вариатора типа «Сафари», реверс-редуктора и цепная передача на гусеницу.

Класс по снаряженному весу — средний, а коэффициент Л принимаем равным 0,7.

По каталогу выбрали гусеницу «Буксировщик Long». Ее длина составляет 3333 мм, ширина — 500 мм, максимальная опорная площадь — 0,72 м². Передняя звездочка гусеницы приподнята, поэтому в дальнейших расчетах опорная площадь уменьшена до 0,65 м². Далее считаем: Рсц = 250 х 0,65 =162,5 кг;

Рпас = 162,5 / 0,7 — 162,5 = 69,6 кг;

Рп = 162,5 + 69,6 = 232,1 кг;

Рс = 232,1 — 100 = 132,1 кг;

Sпac = 69,6 / 150 = 0,46 м².

У «Охотника» две лыжи, следовательно, площадь одной составит 0,46 / 2 = 0,23 м². Ее ориентировочный размер -1200 х 190 мм.

Доля веса водителя на лыжный модуль, вес которого мы приняли в 30 кг, составит: δ1 = Рпас — 30 = 69,6 — 30 = 39,6 кг (около 40 кг). На гусеничном блоке доля веса водителя — 52 = 100-40 = 60 кг. Вес гусеничного блока — Рг = Рсц -60 = 162,5-60 = 102,5 кг.

Расчет минимальной потребной мощности двигателя: N = (0,3 х 232 х 30) / (75 х 3,6) = 7,7 л.с. Выбираем двигатель мощностью 8,5 л.с. и считаем далее.

Umin = (3600 х 9 х 0,0505 х 60) / (1000 х 30) = 3,27. Uц = Umin / (Uвс х Uрр), где: Uвс — минимальное передаточное отношение вариатора «Сафари», Uрр — передаточное отношение реверс-редуктора.

Подставляя значения Uвс = 1 и Uрр = 1, получаем: Uц = 3,27 / (1 х 1) = 3,27.

Передаточному отношению, равному 3,27, соответствует пара звездочек, где ведущая имеет 11 зубьев, а ведомая -36 зубьев, следовательно: Uц = 36/11 = 3,27.

Расчеты по снегоходу «Охотник» прогнозируют его высокую проходимость. Уже готова ходовая часть, осталось сделать лыжный модуль., так что скоро надеемся провести испытания, дабы подтвердить теорию практикой.

Валерий Кунаев (г. Снежинск, Челябинская обл.), Игорь Бавин (г. Челябинск)