ВЕРХОМ НА ВЕНТИЛЯТОРЕ

Машины и аппараты на воздушной подушке (МВП и АВП) с каждым годом все больше привлекают внимание конструкторов всего мира. И это неудивительно. Использование заложенного в них принципа, особенно для вездеходных транспортных машин, позволяет получить невиданные для бездорожья проходимость и скорость движения. Они могут беспрепятственно и одинаково легко двигаться по шоссейным и проселочным дорогам, топкой трясине, по водной поверхности и вспаханному полю.

В последнее время АВП становятся популярными и у конструкторов-любителей. Ведь вездеход на воздушной подушке по своему устройству значительно проще разнообразных колесных, гусеничных, шнековых и прочих машин. В нем отсутствуют сложные трансмиссии от двигателя к движителю или такие элементы этих движителей, как, например, колеса, гусеницы.

Одноместная МВП разработана и испытана в Ленинградском Дворце пионеров имени А. А. Жданова; в ее создании активно участвовали ребята, занимающиеся в машиностроительной лаборатории Дворца. Первая модель машины участвовала в одном из парадов пионеров на Дворцовой площади в Ленинграде (см. фото). Конструкция представлена на Всесоюзную заочную выставку «Твори, выдумывай, пробуй» (см. № 3, 1975 г.), и мы помещаем ее сегодня на наш выставочный стенд «ТВП-75».

ВЫБОР СХЕМЫ АВП

На небольших АВП получили распространение в основном две наиболее простые для выполнения схемы образования воздушной подушки: купольная — рисунок 1 (а и б) и сопловая (в и г).

Высота подъема Н, определяющая в значительной степени основные параметры машины — ее проходимость по неровностям дороги и допустимую поступательную скорость, — зависит от веса машины и избыточного давления воздуха, нагнетаемого вентилятором под машину. В купольной схеме эта высота (до жесткой части корпуса) может быть увеличена установкой эластичной «юбки» (см. рис. 1б).

В сопловой схеме роль такой «юбки» выполняет сам воздух, выходящий из круговой щели: часть его «скапливается» под днищем, давя на него, за счет чего подъем аппарата по сравнению с обычной купольной схемой увеличивается в 1,3—1,5 раза. Сопловая схема с одним (см. рис. 1) или двумя контурами (г) обладает и значительно большей устойчивостью по сравнению с купольной схемой. Вот почему для обеспечения хороших ходовых качеств задуманной машины на воздушной подушке членами машиностроительной лаборатории нашего Дворца пионеров была принята простая в конструктивном отношении одноконтурная схема с одним вентилятором (рис. 2).

РАСЧЕТ АППАРАТА

Вентилятор АВП должен непрерывно подавать воздух под его днище, тогда за счет избыточного давления машина приподнимается и между ее днищем и опорной поверхностью образуется щель. Воздух начинает истекать через нее со скоростью

где Δ Р — избыточное давление в подушке в кг/м²,

— плотность воздуха у земли, равная 0,125 кг·см²/м

(формула дает погрешность до 5% при V ≤ 100 м/с).

При равенстве объема поступающего от вентилятора воздуха и выходящего из-под днища аппарат повиснет на высоте Н = KQ/ПV(м) (для купольной схемы).

Здесь Q — секундный расход воздуха в м³/с, П — периметр днища в м, V — скорость истечения воздуха в м/с, К — коэффициент, равный 1,25—1,6 (учитывает увеличение высоты подъема вездехода за счет сужения струи истекающего из щели потока воздуха). Размеры машины определяются, исходя из необходимой площади днища S при ориентировочно заданном весе машины:

S = G/P (м²).

где G — ходовой вес вездехода в кг, Р — давление воздуха в подушке в кг/м2. Последнее будет всегда меньше давления, развиваемого вентилятором.

ВЫБОР ДВИГАТЕЛЕЙ

Согласно избранной схеме машины на ней устанавливаются два двигателя внутреннего сгорания: на привод вентилятора и для маршевой установки. Двигатели использовались воздушного охлаждения.

Для привода вентилятора одноместного АВП достаточна мощность двигателя 8—14 л. с. Это могут быть одноцилиндровые мотоциклетные моторы с рабочим объемом 175—350 см³. Двигатель устанавливается в воздушном потоке, отбрасываемом вентилятором.

Рис. 1. Схема образования воздушной подушки:

а, б — купольная; в, г — сопловая.

Рис. 2. Общая схема компоновки машины:

1 — руль поворота, 2 — воздушный винт, 3 — маршевый двигатель, 4 — корпус машины, 5 — кресло водителя, 6 — ролики кресла, 7 — рукоятка управления, 8 — спрямляющий аппарат вентилятора, 9 — вентилятор, 10 — двигатель вентилятора, 11 — сопло, 12 — днище машины.

Рис. 3. Блок вентилятора:

1 — магнето, 2 — выхлопная труба, 3 — двигатель, 4 — баидаж с губчатой резиной, 5 — рама вентилятора, 6 — резиновые подушки, 7 — рама кузова АВП.

Рис. 4. Вентилятор в сборе:

1 — муфта резиновая, 2 — тубус-проставка, 3 — установочный вкладыш, 4 — корпус подшипников вала винта, 5 — обтекатель, 6 — шкив пускового шнура, 7 — ступица, 8 — лопасть, 9 — ограждение винта, 10 — опора. 11 — спрямляющий аппарат.

Рис. 5. Маршевый двигатель в сборе:

1 — руль поворота, 2 — винт, 3 — двигатель, 4 — рама, 5 — ограждение винта, 6 — резиновые подушки, 7 — втулка, 8 — ось руля.

Рис. 6. Ступица винта:

1 — обтекатель, 2 — шкив пускового шнура, 3 — ступица, 4 — лопасть винта, 5 — корпус подшипников вала винта, 6 — муфта.

Рис. 7. Система управления:

1 — штурвал, 2 — трос газа, 3 — колонка штурвала, 4 — привод кресла, 5 — трос руля поворота, 6 — руль.

Рис. 8. Несущий каркас корпуса.

Рис. 9. Каркас днища.

Ребра охлаждения цилиндра обтачиваются до круглой формы. Размер оребрения головки цилиндра подгоняется по размеру ребер цилиндра. Головка устанавливается ребрами вдоль потока воздуха.

С двигателя удаляется коробка скоростей. Для зажигания устанавливается стандартное магнето.

Мотор для маршевой установки, служащий для привода воздушного винта, может выбираться в более широком диапазоне мощностей.

От него будет зависеть поступательная скорость машины и преодолеваемые ею уклоны. Переделки двигателя преследуют те же цели и аналогичны приведенным выше.

ВЕНТИЛЯТОР

Вентилятор, установленный на нашем вездеходе, был рассчитан и проверен в машиностроительной лаборатории Дворца пионеров. Его параметры следующие: тип — осевой, одноступенчатый, диаметр ротора — 600 мм, шаг — 300 мм, число лопастей ротора — 10. Создаваемое вентилятором давление воздуха — 100 кг/м².

Рабочие обороты ротора вентилятора — 4000—6000 об/мин, расход воздуха — 4—6 м³/с. Потребляемая мощность — 8—14 л, с.

Вся вентиляторная установка выполнена в виде отдельного агрегата (рис. 3), круглое основание его изготовлено из стальной тонкостенной трубы с приваренными к ней тремя ушками. Этими ушками через резиновые подушки агрегат крепится к кольцу на каркасе (рис. 8) вездехода.

Лопасти вентилятора установлены в защитном ободе, имеющем внутренний диаметр 602 мм. Продольная ось обода расположена под углом 30° к горизонтальной плоскости. В ободе размещается спрямляющий аппарат, уменьшающий завихрения потока воздуха за вентилятором и значительно снижающий потери давления воздуха. Спрямляющий аппарат вмонтирован в обод и имеет 15 лопаток, расположенных под углом 15° в сторону вращения ротора вентилятора.

Лопасти спрямляющего аппарата одновременно являются опорными стойками, центрирующими двигатель и ротор вентилятора. На них крепятся: два фланцевых корпуса, корпус вала ротора вентилятора, посаженный на двух радиально-упорных шариковых подшипниках, а также корпус картера двигателя. Сам двигатель, кроме того, закрепляется на раме, состоящей из опорных трубчатых стоек с приваренными к ним кронштейнами (рис. 3, вид А).

Хвостовик вала двигателя соединен с валом ротора вентилятора через эластичную муфту. Она имеет резиновые вкладыши, что обеспечивает плавность работы ротора, уничтожает вредные вибрационные нагрузки и компенсирует неточности сборки соединения. На конусном хвостовике вала ротора вентилятора муфта закрепляется на шпонке, предохраняющей о‘т проворачивания.

Ступица на конусе крепится специальной гайкой. К ступице болтами прикреплен шкив запуска двигателя, имеющий проточенную канавку для укладки в ней пускового шнура.

Лопасти ротора вентилятора выполнены профилированными, с углами атаки: у ступицы — 30°, на концах — 9°. Лопасти крепятся на ступице установочными вкладышами (см. рис. 4).

Для использования динамического напора встречного потока воздуха заборное сопло вентилятора направлено (с небольшим наклоном) вперед.

МАРШЕВАЯ УСТАНОВКА

Как и блок вентилятора, маршевая моторная установка (рис. 5) представляет собой самостоятельный агрегат, закрепляемый на раме вездехода с помощью приваренных шпилек, на которые устанавливается на резиновых втулках основание агрегата.

Двигатель крепится на трубчатых стойках, имеющих приваренные кронштейны с отверстиями под болты крепления картера.

В плоскости воздушного винта установлено трубчатое кольцо-ограждение. В его верхней части находится кронштейн для крепления оси воздушного руля поворота; другой конец оси упирается в основание агрегата. Внизу на оси руля крепится качалка управления.

Передача от двигателя на винт — прямая, через эластичную муфту (рис. 6). Вал воздушного винта установлен на двух радиально-упорных шариковых подшипниках.

Воздушный винт своей ступицей крепится ка конусный хвостовик вала винта на шпонке и затягивается специальным болтом с опорной шайбой. Со ступицей винта соединен корпус шкива с канавкой для пускового шнура и обтекателем.

Воздушный винт маршевой установки — двухлопастный, деревянный, Ø 700 мм. Винт имеет шаг 600 мм.

Потребляемая мощность — до 8 л. с. при 4000—4200 об/мин. При этом обеспечивается тяговое усилие в 25—27 кг.

Системы управления вездеходом показаны на схеме (рис. 7). Поступательное движение машины обеспечивается ее наклоном вперед за счет перемещения центра тяжести. Для этого кресло водителя устанавливается на роликах и имеет привод от ручки управления, фиксирующей его в нужном положении.

На рукоятку управления вынесены и рычаги управления двигателями — вентилятора и маршевой установки.

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОСТРОЙКИ

Чем легче вездеход, тем выше он будет подниматься при той же мощности двигателя вентилятора, значит, тем лучше будет его проходимость. В то же время чем прочнее будет его конструкция, тем больше будет срок службы и надежность. С учетом этого для постройки наиболее подходящий материал — алюминиевые сплавы. Из-за сильной вибрации конструкции при работе двигателей (вследствие малой жесткости) самым надежным способом соединения деталей будет сварка. Но для алюминиевых сплавов, особенно высокопрочных, ее выполнение сопряжено с большими трудностями. Из этих соображений при постройке вездехода были использованы следующие материалы. Рама вездехода (см. рис. 8), каркас днища (рис. 9), крепления двигателей — тонкостенные трубы из стали 30ХГСА. Днище — пенопласт, оклеенный перкалью на клею ПВА. Корпус — пропитанная клеем ПВА перкаль на проволочном каркасе. Вентилятор и спрямляющий аппарат — алюминиевый сплав Д16Т, воздушный винт — блочный, деревянный.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ

Точность выполнения деталей рамы и корпуса сравнительно невысокая. Наиболее трудоемкой частью является вентилятор. При его изготовлении следует обращать внимание на плотную посадку лопастей в ступице. Все детали, находящиеся в воздушном потоке, полируются.

Сборка деталей должна производиться с особой тщательностью. Для уменьшения вибраций от двигателей их рамы устанавливаются на мягких резиновых амортизаторах — втулках.

РЕЗУЛЬТАТЫ ХОДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ

У первого варианта нашего вездехода на подушке вентилятор приводился мотоциклетным двигателем с рабочим объемом цилиндра 175 см³. Для воздушного винта, имевшего Ø 600 мм, использовали двигатель от мопеда с рабочим объемом цилиндра 50 см3. Поэтому винт развивал тяговое усилие всего 10 кг. При этих данных были получены следующие параметры машины: скорость — до 30 км/ч, вес конструкции — 45 кг, полезная нагрузка — до 100 кг, высота подъема (Н) при весе водителя 70 кг — 4 см на месте и 7— 8 см на ходу.

Давление воздуха в подушке составляло 28 кг/м² (при площади опоры 4,3 м²).

В дальнейшем вездеход был переделан. На привод вентилятора был поставлен двигатель с рабочим объемом цилиндра 350 см³, а для маршевой установки — двигатель с рабочим объемом цилиндра 175 см³.

Благодаря этому параметры вездехода резко изменились: скорость возросла до 60—70 км/ч, высота подъема увеличилась до 6 см на месте и 11 — 12 см на ходу, давление воздуха в подушке стало 46 кг/м². Вес вездехода, правда, теперь составлял 90 кг при запасе топлива 10 л.

В настоящее время проводится очередная модернизация конструкции вездехода. Для понижения центра тяжести двигатель вентилятора будет опущен на днище. Передачу на вентилятор предполагается выполнить клиновидными ремнями с увеличением оборотов ротора до 6000 об/мин. Это позволит более полно использовать мощность двигателя. Будет облегчен корпус, установлен кольцевой предохранительный бампер и произведен ряд других мелких доработок.

Б. АЛЕКСАНДРОВ, Ю. ШУМИХИН, Ленинград