Снегоход на кончике пера

[sibir]

Методика поверочного расчета основных параметров самодельных снегоходов

Методика опубликована в журнале «Моделист-Конструктор» №12,2020год. Авторы методики : Кулаев Валерий (Sibir) и Игорь Бавин (Игореха74).
В данной теме изложена методика ,переработанная специально для нашего форума.



Часть 1. Расчет на этапе проектирования.

Введение.

Строительство самодельных снегоходов - это увлекательнейшее занятие. Кто-то копирует уже сделанные снегоходы, но многие создают свою конструкцию. Выбирают гусеницу (по совету друзей или по отзывам на форумах), рисуют компоновочную схему и…приступают к работе с металлом. Первый выезд и, зачастую, первые огорчения. Снегоход не едет, не набирает желаемую скорость, тонет в снегу.
Чаще всего ошибки связаны с чрезмерным весом снегохода, слишком большим давлением гусеницы на снег, неверным распределением веса на гусеницу и лыжи (развесовка), выбором двигателя и передаточным отношением трансмиссии.
Всех этих ошибок поможет избежать предварительный поверочный расчет параметров снегохода перед началом его изготовления. В данной методике рассмотрено движение по рыхлому снегу.

2. Основные положения методики.

2.1. Параметры (характеристики ) снегоходов.
К основным параметрам снегохода относятся:
1.сцепной вес - вес, воспринимаемый опорной поверхностью гусеницы (активной поверхностью);
2.пассивный вес – вес, воспринимаемый опорными поверхностями лыж (пассивной поверхностью);
3.площадь пассивной поверхности (площадь лыж);
4.площадь активной поверхности (площадь опорной поверхности гусеницы);
5. снаряженный вес – вес снегохода без водителя;
6. полный вес – вес снегохода с водителем;
7. развесовка – распределение полного веса между активной и пассивной поверхностями;
8. мощность двигателя;
9. передаточное отношение трансмиссии.

2.2. Условные обозначения:
1.Рв - вес водителя (кг)
2.Рсц - сцепной вес (кг)
3.Рпас - пассивный вес (кг);
4. Рс – снаряженный вес (кг);
5. Рп - полный вес (кг);
6. N – мощность двигателя ( л.с.);
7. Sа - опорная (активная) площадь гусеницы (м²);
8. Sпас - опорная (пассивная ) площадь лыж (м²);
9. Gа- активное давление (кгс/м²);
10. Gп –пассивное давление (кгс/м²);
11. λ – развесовка ( отношение сцепного веса к полному весу );
12. V-максимальная скорость (км/час);
13. U –передаточное отношение трансмиссии;
14. n -обороты двигателя (об/мин).
15. Рг - вес гусеничного блока (включает вес гусеницы, двигателя, элементов ходовой и трансмиссии).

2.3.Исходные данные для расчетов.
Анализ материалов форумов, а также изучение технической литературы по теории движения снегоходных машин, позволили выявить ряд закономерностей, которые мы заложили в основу методики расчета.
Высокая проходимость обеспечивается при выполнении следующих условий:

Gа = не более (250 – 260) кгс/м²

Gп = не более (150 – 160) кгс/м²

λ = не менее (0,6-0,7) т.е. (30-40)% полного веса на лыжах, (60-70)% -на гусенице.

Эти цифры являются опорными (реперными) при расчетах.
При увеличении давления проходимость снижается из-за увеличения глубины колеи и роста «бульдозерного» эффекта.



2.4. В данной методике снегоходы условно разделены на классы по снаряженному весу:

- легкий - Рс до 100 кг;

- средний - Рс до 150 кг;

- тяжелый - Рс до 200 кг.

Вес водителя условно принят равным 100 кг.

 

[sibir]

3.Расчеты.

3.1.Выбор гусеницы.
В настоящее время мало кто делает самодельные гусеницы, поскольку выпускается большой ассортимент резиновых гусениц.
Здесь представлен каталог гусениц, выпускаемых ЗАО «Композит»,г.Курск
https://composit-tracks.ru/catalogue/
Для выбора гусеницы надо определить фактическую активную площадь (Sф) гусениц и расчетную площадь (Sа).
Условие выбора гусеницы: Sа ≤ Sф
В каталоге приведена полная длина гусеницы, а для расчета Sф нужна длина только опорного участка гусеницы. Максимальная опорная длина (Lмакс) соответствует межосевому расстоянию между гусеничными звездочками
Lмакс = (Lп - 9* 50,5)/2 ,
где : Lп-полная длина гусеницы по каталогу(мм), 9- число зубьев гусеничной звездочки снегохода Буран,50,5- шаг гусеницы(мм).
Фактическая активная площадь равна произведению опорной длины на фактическую ширину гусеницы (В). Ширина гусениц приведена в каталоге.
Sф = Lмакс * B
Расчетная активная площадь определяется по формуле:
Sа = Рсц/ Gа
Активное давление задано в п.2.3. Сцепной вес считаем по формуле:
Рсц = λ * Рп = λ * (Рв + Рс)

Легкий класс:
Рсц = 0,7 * ( 100 + 100 ) = 140 кг;
Sа = 140 / 250 = 0,56 м².

Средний класс:
Рсц = 0,7 * ( 100 + 150 ) = 175 кг;
Sа = 175 / 250 = 0,70 м².

Тяжелый класс:
Рсц = 0,7 * ( 100 + 200 ) = 210 кг;
Sа = 210 / 250 = 0,84 м².

В таблице 1 приведены характеристики гусениц шириной 380 и 500 мм, с шагом 50,5 мм и зацеплением через окна (по каталогу и согласно расчету).
Таблица 1

Модель гусеницы	Ширина-В, мм	Полная длина- Lп, мм	Опорная длина- Lмакс, мм	Фактическая опорная площадь, Sф, м²
Буран	380	2878	1211	0,46
Буран МД Полюс	380	3686	1615	0,61
Полярник 64	380	3232	1388	0,53
Полярник 72	380	3636	1590	0,60
Полярник 80	380	4040	1792	0,68
Буксировщик	500	2828	1186	0,59
Буксировщик Long	500	3333	1439	0,72
Буксировщик Super Long	500	3636	1590	0,80
Буксировщик WT5900	500	3939	1742	0,87

Сопоставив расчетные и фактические активные площади, можно сделать вывод:
- легкому классу соответствуют гусеницы «Буран МД Полюс», «Полярник 72», «Буксировщик»;
- среднему классу – гусеницы «Полярник 80», «Буксировщик Long»;
-тяжелому классу- гусеницы «Буксировщик Super Long», «Буксировщик WT5900».
Оптимальными по размерам, весу, удобству компоновки двигателя и трансмиссии являются гусеницы: «Буксировщик», «Буксировщик Long», «Буксировщик Super Long».
Именно эти гусеницы широко применяются на самодельных снегоходах и мотобуксировщиках.

 

[sibir]

3.2.Расчет весовых характеристик.
Цель этого расчета – определить полный вес снегохода, пассивный вес, вес гусеничного блока (включая двигатель и трансмиссию), размер лыж.

3.2.1. Расчет полного веса.
Полный вес равен сумме снаряженного веса и веса водителя:
Рп = Рс + Рв
Согласно исходным данным, полный вес равен:
Легкий класс: Рп = 100 + 100 = 200 кг.
Средний класс: Рп = 150 + 100 = 250 кг
Тяжелый класс: Рп = 200 + 100 = 300 кг

3.2.2.. Пассивный вес можно рассчитать по формуле:
Рпас = Рп – Рсц
Результаты расчета пассивного веса.
Легкий класс: Рпас = 200 - 140 = 60 кг
Средний класс: Рпас = 250 - 175 = 75 кг
Тяжелый класс: Рпас = 300 - 210 = 90 кг

3.2.3. Расчет пассивной площади (площади лыж):
Sп = Рпас / Gп
Легкий класс: Sп = 60/ 150 = 0,40 м²
Средний класс: Sп = 75/ 150 = 0,50м²
Тяжелый класс: Sп = 90/ 150 = 0,60м

3.2.4. Распределение веса водителя и расчет веса гусеничного блока.
Вес лыжного модуля составляет обычно около(25-30) кг (по материалам форумов).
Следовательно, доля веса водителя на лыжный модуль равна
δ1 = (Рпас -30) кг и составит:
Легкий класс: δ1 = 60 - 30 = 30 кг
Средний класс: δ1 = 75 - 30 = 45 кг
Тяжелый класс: δ1 = 90 - 30 = 60 кг
На гусеничном блоке доля веса водителя составит
δ2 = 100- δ1.
Легкий класс: δ2 = 100 - 30 = 70 кг
Средний класс: δ1 = 100 - 45 = 55 кг
Тяжелый класс: δ1 = 100 - 60 = 40 кг
Соответственно, вес гусеничного блока равен:
Рг = Рсц - δ2:
Легкий класс: 140 -70 = 70 кг;
Средний класс: 175- 55 =120 кг;
Тяжелый класс: 210- 40= 170 кг.

 

[sibir]

4. Оценка минимальной потребной мощности двигателя.

Минимальная потребная мощность двигателя зависит от условий движения, полного веса и заданной максимальной скорости движения. Для движения по накатанной дороге расчет ведется по формуле:
N = (0,3 * Рп *V)/ (75*3,6) л.с.,
где: N- мощность (л.с.), V –максимальная скорость (км/час), 0,3-коэффициент сцепления; 75 и 3,6 –нормирующие множители.
Поскольку расчет дает минимальный уровень мощности, то при выборе двигателя реальную мощность следует увеличить на (10-20)%.
Линейка стационарных двигателей приводится в каталогах: (6,5..7,0..8,0..8,5..9,0..11..,13..15..17..18..22 ) л.с. Необходимо также учитывать вес двигателя.
Например, в настоящее время выпускаются двигатели мощностью (6,5…8,5) л.с. с небольшой разницей в весе (15-17) кг, а двигатель 9 л.с.весит уже на 10 кг больше.

Для примера примем требуемую максимальную скорость - 40 км/час.
Результаты расчетов:
Легкий класс: N = (0,3*200*40)/(75*3,6) = 8,9 л.с
Средний класс: N = (0,3*250*40)/(75*3,6) = 11,1 л.с.
Тяжелый класс: N = (0,3*300*40)/(75*3,6) = 13,3 л.с.
Из представленной линейки выбираем двигатели.
Легкий класс: N = 11 л.с
Средний класс: N = 13л.с.
Тяжелый класс: N = 15 л.с.

5. Расчет общего минимального передаточного отношения трансмиссии.

Общее минимальное передаточное отношение трансмиссии (Umin ) не зависит от веса снегохода.
Umin определяется оборотами двигателя в режиме максимальной мощности и заданной максимальной скоростью:
Umin = (n *9*0,0505*60 ) / ( 1000 * V ),
где : n –обороты, соответствующие максимальной мощности двигателя, V –максимальная скорость (км/час ), 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.
При заданной скорости (40 км/час): Umin =(3600*9*0,0505*60) / (1000*40) = 2,45

6. Расчет передаточного отношения цепной передачи.

Формула для расчета:
Uц = Umin / Uтр
где : Uтр-минимальное передаточное всех ступеней трансмиссии ,исключая цепную.
Для примера примем трехступенчатую трансмиссию: вариатор типа «Сафари» + реверс-редуктор + цепная передача на гусеницу.
Минимальное передаточное отношение вариатора «Сафари» примем,Uвс = 1
Передаточное отношение реверс-редуктора, Uрр = 1
Uц = Umin /( Uв * Uрр)
Uц = 2,45 /(1 * 1 ) = 2,45
Передаточному отношению, близкому к 2,45, соответствует пара звездочек:
ведущая- 13 зубьев, ведомая- 32 зубьев.
Uц = 32/13 = 2,46

В результате расчетов получены параметры абстрактных снегоходов различного снаряженного веса (100,150,200 кг), при которых обеспечивается высокая проходимость в рыхлом снегу.

Для удобства расчетные данные сведены в таблицу 2. Расчеты мощности двигателя и передаточных отношений даны для примера и не включены в таблицу.
Таблица 2

Класс снегохода	Сцепной вес-Рсц,кг	Пассивный вес-Рпас,кг	Полный вес-Рп,кг	Снаряженный вес-Рс,кг	Вес гусеничного блока-Рг,кг	Площадь лыж- Sп, м²
Легкий	140	60	200	100	70	0,40
Средний	175	75	250	150	120	0,50
Тяжелый	210	90	300	200	170	0,60

 

[sibir]

6. Примеры расчетов реальных конструкций

Рассмотрим разработку реальной конструкции. Она включает несколько этапов:
1. определение технических требований (ТТ): -условия движения (наст, плотный снег, рыхлый снег), грузоподъемность, максимальная скорость;
2.выбор конструктивной схемы:-монолыжа или двухлыжник, одна или две гусеницы, ориентировочный размер гусеницы (гусениц) , подвеска, расположение двигателя, тип трансмиссии, оценку веса снегохода;
3. черчение в масштабе компоновочной схемы снегохода;
4. расчет параметров по настоящей методике, согласно конструктивной и компоновочной схемам;
5. сопоставление результатов расчета с данными, изложенными в методике;
6. корректирование схем и чертежей (при необходимости).
Ниже показаны примеры расчета реального снегохода ТРИТОН и проектируемого снегохода ОХОТНИК.
Снегоход «ТРИТОН».
Технические требования:
-движение в рыхлом снегу, грузоподъемность до 70 кг, максимальная скорость по укатанной дороге до 30 км/час.
Конструктивная схема:
- монолыжа (рыбацкая волокуша), две гусеницы, двигатель над гусеницей, жесткая катково-склизовая подвеска, двухступенчатая трансмиссия - вариатор типа «Форвард» + цепная передача на гусеницу.
Класс по снаряженному весу - легкий.
Компоновочная схема представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Компоновочная схема снегохода «ТРИТОН»

Выбор гусениц.
Поскольку водитель смещен к лыже, принято λ = 0,6 :
Рсц = 0,6 * ( 70 + 100 ) = 102 кг;
Sа = 102 / (250..260) = (0,39.. 0,41) м².
Выбраны по каталогу гусеницы «Муравей», с общей активной площадью - Sа =0,4 м².
Ширина каждой гусеницы-220 мм, шаг-50,5мм, количество шагов-44, длина 2222 мм.

2.Снегоход «ОХОТНИК».
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 - вариатор типа «Сафари» + реверс-редуктор + цепная передача на гусеницу.
Класс по снаряженному весу - средний.
Компоновочная схема представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Компоновочная схема снегохода «ОХОТНИК».

Выбор гусеницы.
Согласно методике, выбрана по каталогу гусеница «Буксировщик Long» - длина 3333 мм,ширина-500 мм, максимальная опорная площадь - 0,72 м². Передняя звездочка гусеницы приподнята, поэтому в расчетах опорная площадь уменьшена до 0,65 м².

 

[sibir]

После выбора гусениц сделан расчет весовых характеристик.
Расчет сцепного веса: Рсц = Gа * Sа

Тритон - Рсц = 250 *0,40 =100.0 кг.
Охотник - Рсц = 250 *0,65 =162,5 кг.

Расчет пассивного веса: Рпас = Рсц/ λ – Рсц

Тритон - Рпас = 100/0,6 – 100 = 66,7 кг.
Охотник - Рпас = 162,5/0,7 – 162,5 = 69,6 кг.

Расчет полного веса: Рп = Рсц + Рпас

Тритон - Рп = 100,0 + 66,7 = 166,7 кг.
Охотник - Рп = 162,5 + 69,6 = 232,1 кг.

Расчет снаряженного веса: Рс = Рп – Рв

Тритон - Рс = 166,7 – 70 = 96,7 кг.
Охотник - Рс = 232.1 – 100 = 132,1 кг.

Расчет площади и размера лыж: Sпас = Рпас / Gп

Тритон – Sпас = 66,7 /150 =0,45 м²
Охотник - Sпас = 69,6 /150 =0,46 м²
У «ОХОТНИКА» две лыжи,следовательно площадь одной лыжи составит: 0,46/2 = 0,23 м²
Размер одной лыжи ориентировочно 1200*190 мм.

Расчет веса гусеничного блока.
Вес лыжного модуля Тритона примем равным 25 кг.
Доля веса водителя на лыжный модуль ТРИТОН составит:
(Рпас -25) = (66,7 – 25) =41,7 кг (около 42 кг).
На гусеничном блоке доля веса водителя: δ2 = 70-42= 28 кг.
Вес гусеничного блока ТРИТОН, соответственно : (Рсц – 28)= (100,0 – 28) = 72 кг.

Вес лыжного модуля Охотника примем равным 30 кг.
Доля веса водителя на лыжный модуль ОХОТНИК составит:
(Рпас -30) = (69,6-30) =39,6 кг.
На гусеничном блоке доля веса водителя: δ2 = (100-39,6) = 60,4 кг.
Вес гусеничного блока ОХОТНИК : (Рсц – 60) =(162,5 -60,4 )=102,1кг.(около 102кг)
Расчетные и фактические данные снегохода Тритон:

	Расчетные данные	Фактические данные
Снаряженный вес, кг	97	97
Вес лыжного модуля, кг	25	22
Вес гусеничного блока с двигателем и трансмиссией, кг	72	75
Полный вес, кг	167	165-170

Расчетные данные снегохода «Охотник»:

	Расчетные данные
Снаряженный вес, кг	132
Вес лыжного модуля, кг	30
Вес гусеничного блока с двигателем и трансмиссией, кг	102
Полный вес, кг	232

 

[sibir]

Оценка минимальной потребной мощности двигателя.

Тритон-
N = (0,3 *167 *30)/(75*3,6) = 5,6 л.с.
В настоящее время на ТРИТОН установлен двигатель 8 л.с.
Охотник-
N = (0,3 *232 *30)/(75*3,6) = 7,7 л.с.
Выбран двигатель мощностью – 8,5 л.с.

Расчет общего минимального передаточного отношения трансмиссии.

Тритон:
Umin = (3600*9*0,0505*60) /(1000 * 30 ) = 3,27
Охотник :
Umin = (3600*9*0,0505*60) /(1000 * 30 ) = 3,27

Расчет передаточного отношения цепной передачи.

Тритон
Формула для расчета: Uц = Umin / Uвф
где : Uвф-минимальное передаточное отношение вариатора «Форвард», Uвф =1
Uц = 3,27 /1 = 3,27
Охотник
Формула для расчета: Uц = Umin /( Uв * Uрр)
где : Uв-минимальное передаточное отношение вариатора «Сафари»,
Uрр- передаточное отношение реверс-редуктора.
Uв = 1 . Uрр = 1
Uц = 3,27 /(1 * 1 ) = 3,27
Передаточному отношению, равному 3,27, соответствует пара звездочек: ведущая- 11 зубьев, ведомая- 36 зубьев. Uц = 36/11 =3,27

На этом первую часть методики разрешите закончить.

Нами было изготовлено три экземпляра снегохода ТРИТОН.
Многие сомневались, что малыш ТРИТОН поедет по глубокому снегу. Однако, прошедшей зимой 2020 года снегоходы были испытаны в горах Урала (район Кыштыма) и показали хорошую тягу и проходимость. При подъеме на гору Туранташ проходимость миниснегохода была выше, чем у промышленного снегохода Динго- Т150. ТРИТОН покорил вершину, а Динго «закопался». ТРИТОН легко управлялся и был очень устойчив в связи с низким центром тяжести.
Таким образом, испытания ТРИТОНа подтвердили работоспособность методики. Построив снегоход без существенных отклонений от расчетных параметров, можно гарантировать высокие эксплуатационные характеристики.
В связи с тем, что расчеты по снегоходу «Охотник» прогнозируют его высокую проходимость, мы решили изготовить его и испытать предстоящей зимой. Готова ходовая часть, осталось сделать лыжный модуль.



Благодарим всех за внимание и терпение,что дочитали до конца.

Во второй части (в журнальной статье её нет) предлагаем рассмотреть применение методики к изготовленным конструкциям (направление и пути повышения проходимости).Думаем ,что публикацию второй части (с таблицей некоторых снегоходов) ,а также обсуждение первой части целесообразно делать в теме

https://www.snowmobile.ru/forum/index.php?threads/87501/page-70.



Уважаемые модераторы! Просим закрыть данную тему для комментариев,чтобы она не превратилась во флудилку.

 

[Радоснег]

Василич ! Здоровья тебе и всем участникам беседы, большой труд возглавил, очень много и досконально проследил и проанализировал. Удачных испытаний Тритона во всех снежных вариациях в этом сезоне!