Результат интеллектуальной деятельности: Гусеница с резинометаллическим шарниром параллельного типа и цевочным зацеплением с ведущим колесом

Изобретение относится к области наземных транспортных средств и тяговых машин с гусеничным движителем, конкретно – к гусеницам с резинометаллическим шарниром (РМШ) параллельного типа и цевочным зацеплением с ведущим колесом. Преимущественное назначение - быстроходные гусеничные машины различных категорий по массе.

Гусеницы с РМШ параллельного типа и цевочным зацеплением с ведущим колесом широко применяются на быстроходных машинах. В частности, в ходовой части основных танков (Т-64, Т-80, Т-90, «Абрамс», «Леклерк», «Леопард-2» и др.), боевых машин БМП, БМПТ, «Бредли», «Мардер», инженерных машин (ПТС-2, ИРМ и др.).

Одним из самых главных недостатков гусениц с РМШ является недостаточная жесткость гусеницы на растяжение. Помимо этого, для военных машин актуальны вопросы увеличения стойкости к минному подрыву, минимизации энергозатрат при качении опорного катка по беговой дорожке, увеличения тягово-сцепных свойств, оптимизации ресурса РМШ, снижения массы гусеницы, и др.

На сегодня преодоление этих недостатков только за счет подбора материалов и коррекции технологических процессов не представляется перспективным. Изменения следует вносить в устройство (конструкцию) трака.

Близкими к заявляемому устройству аналогами являются гусеницы с РМШ параллельного типа и цевочным зацеплением с ведущим колесом отечественных серийных основных танков Т-64 и Т-80 [ 1. Траки гусеницы Т-64 / armor.kiev.ua wrote. - URL: https://armor-kiev-ua.livejournal.com/16898.html$ (дата выкладки: 17.12.2015; дата обращения: 21.02.2021) ; 2. «Объект 219» выходит из тени. – Журнал «Техника вооружение: вчера, сегодня, завтра…» №№ 3, 4, 6, 8 / 2011. – URL: http://otvaga2004.ru/tanki/istoriya-sozdaniya/istoriya-sozdaniya-pervogo-serijnogo-tanka-t-80-s-gazoturbinnoj-silovoj-ustanovkoj-chast-4/ (дата обращения: 21.02.2021) ].

В числе их существенных конструктивных признаков гусеницы танка Т-64 – расположение цевки на скобе и «шахматное» расположение грунтозацепов; гусеницы танка Т-80 - тело звена используется для организации опорных площадок для работы зацепления с подпором траков. Траки танков Т-80 и Т-64 состоят из двух звеньев, связанных пальцами в составе параллельных шарниров, а гребень расположен на средней связи (шириной, примерно равной суммарной ширине скоб), что требует увеличения ее размера по осям пальцев.

Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом (прототипом) является гусеница с РМШ параллельного типа и цевочным зацеплением с ведущим колесом танка «Объект 187» (разработка УКБТМ 1986-1988 гг.), содержащая разборно взаимосвязанные коробчатые траки с образованием дорожки гусеницы, направляющие гребни по одному на цельном теле каждого трака и грунтозацепы, резинометаллические шарниры параллельного типа, включающие в себя проушины, упругие втулки, соединительные пальцы и соединяющие смежные траки друг с другом, и стяжные болты [ 3. Малафеев В.А. Унификация гусениц образцов бронетанковой техники // Вестник транспортного машиностроения, 1996, № 3. – С. 17-24, рис. 1, 2; С. 19, 21-24 (гусеница «10»).

В ней предусмотрено по одной средней связи на пару смежных траков, с шириной, примерно равной ширине одной скобы. Каждая средняя связь расположена в продольной вертикальной плоскости гусеницы, параллельно скобам, между гребнями (см. [3], рис. 1). Цевки выполнены в окнах на теле трака, а грунтозацепы расположены симметрично под осями проушин (пальцев) траков. Конструкция с цельным («сочленённым») траком позволяет существенно увеличить жёсткость гусеницы на продольное скручивание («винтовую жёсткость»).

Однако, несмотря на проверенные в ходе испытаний положительные качества, прототип обладает еще недостаточно высокими эксплуатационными свойствами как гусеничный движитель машин указанного назначения (класса).

Так, недостаточна продольная жесткость гусеницы, что связано со значительной деформацией пальцев; недостаточна противоминная стойкость (трак сильно «выпучивает» вверх, делая гусеницу неработоспособной), так как выражено ослабление поперечного сечения трака в области расположения гребня; недостаточно благоприятны условия компоновки гребня; недостаточна прочность средней связи; относительно высоки энергозатраты на передвижение машины как следствие недостаточной устойчивости траков, из-за расположения грунтозацепов, способствующего появлению опрокидывающего момента от вертикальной реакции при качении опорного катка по беговой дорожке гусеницы.

Высокая продольная податливость гусеницы с РМШ (как последовательного, так и параллельного типов) наиболее характерна для тяжёлых быстроходных гусеничных шасси с высокой удельной мощностью. Это - существенная проблема. В частности, по причине податливости происходит нарушение зацепления гусеницы с ведущим колесом заднего расположения при создании тормозного усилия на обводе. Происходит проскок цевок по зубьям ведущего колеса.

Расчётными и экспериментальными исследованиями выявлено, что помимо резины РМШ значительный вклад в продольную податливость дают металлические детали гусеницы: пальцы и траки (см. [3], [ 5. Исследование жесткости танковых гусениц / Н.А. Емцев, В.Д. Петрункевич, М.Ф. Чуркин, В.П. Шичков // Вестник бронетанковой техники (ВБТ), 1984, № 1. – С. 29-32, 57 ].

Задачей заявляемого изобретения (решаемой проблемой) является повышение эксплуатационных свойств движителя быстроходной гусеничной машины за счет внесения изменений в устройство (конструкцию) гусеницы.

Задача (проблема) решается тем, что в гусенице с резинометаллическим шарниром параллельного типа и цевочным зацеплением с ведущим колесом, содержащей разборно взаимосвязанные коробчатые траки с образованием дорожки гусеницы, направляющие гребни по одному на середине каждого трака и грунтозацепы, резинометаллические шарниры параллельного типа, включающие в себя проушины, упругие (резиновые) кольца, соединительные пальцы и соединяющие смежные траки друг с другом, периферийно расположенные скобы для взаимосвязи смежных пальцев, средние связи траков друг с другом, параллельные скобам, цевки и стяжные болты, согласно заявляемому изобретению, предусмотрено по две средние связи смежных траков, при этом они разнесены по осям пальцев на равное расстояние от продольной вертикальной плоскости гусеницы, кроме того, зоны размещения гребней на траках усилены, с возможностью стабилизации траков, путем частичного перекрытия зазора между траками и вынесения грунтозацепов, при их шахматном расположении, на передние и задние края траков за оси шарниров.

Технический результат (в соответствии с обозначенной проблемой и поставленной задачей) достигается также за счет дополнительных признаков заявляемого изобретения:

- средние связи могут быть расположены на расстоянии друг от друга, равном 1/3 ширины трака (это оптимизирует эффективность введения двух дополнительных, промежуточных связей, а именно – в наибольшей степени выравнивает изгибные напряжения и деформацию траков как при динамических нагрузках в движении машины, так и, в особенности, при минном подрыве под гусеницей);

- стяжные болты скоб и средних связей выполнены потайными, с внутренним шлицом типа «TORX» («торекс» - «звездочка») (это позволяет частично оптимизировать массогабаритные показатели гусеницы);

- стяжные болты скоб и средних связей могут быть выполнены полыми, цилиндрической формы или имеющим небольшую конусность, с возможностью установки шипов противоскольжения (это позволяет осуществить комплекс технических решений «полого болта», как например, указанную установку шипов противоскольжения);

- РМШ одного пальца 11 могут быть расположены в трёх проушинах 10 равной длины (это улучшает условия работы резины РМШ благодаря более равномерному нагружению по длине шарнира, а также условия компоновки гребней).

Четкое разграничение ограничительной и отличительной частей приведенных совокупностей существенных признаков, отражающее результаты сравнительного анализа заявляемого устройства с прототипом, соотносятся с мировым уровнем новизны технического решения. Мировой уровень новизны - первый из триады признаков (критериев) изобретения.

Далее, при всей краткости формулировки совокупности отличительных существенных признаков заявляемой гусеницы, она не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов устройства. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). С целым спектром дополнительных технико-эксплуатационных возможностей. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.

Третий квалификационный признак, – промышленная применимость, – также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же накопленного опыта проектирования, производства и эксплуатации (практического использования) гусениц (гусеничных цепей).

Заявляемое устройство показано на чертежах (иллюстрациях), полученных на основании твердотельного моделирования, выполненного в пакете Solid Works – фиг. 1-7:

на фиг. 1 - внешний вид 3D-модели фрагмента (смежных траков) гусеницы;

на фиг. 2 – внешний вид 3D-модели скобы трака;

на фиг. 3 – внешний вид 3D-модели трака (с поперечным разрезом);

на фиг. 4 – внешний вид 3D-модели трака (поперечный разрез по средней связи);

на фиг. 5 – поперечный разрез двух смежных траков (с показом частичного взаимного перекрытия траков);

на фиг. 6 - внешний вид 3D-модели трака, вид снизу с показом грунтозацепов;

на фиг. 7 - внешний вид 3D-модели взаимодействия гусеницы с ведущим колесом.

На чертежах позициями обозначены:

1 – траки (звенья, плицы); 2, 3 - скобы; 4 - цевки; 5 – направляющие гребни; 6 - грунтозацепы; 7, 8 – средние (дополнительные) связи; 9 – проушины РМШ; 10 – упругие (резиновые, в общем случае полимерные) кольца (втулки) РМШ; 11 – соединительные пальцы РМШ; 12, 13 – стяжные болты скоб; 14, 15 – стяжные болты средних связей.

Гусеница с РМШ параллельного типа и цевочным зацеплением с ведущим колесом содержит разборно взаимосвязанные коробчатые траки 1 с образованием дорожки гусеницы, гребни 5 (в один ряд в средней вертикальной продольной плоскости гусеницы, по одному на середине каждого трака 1) и грунтозацепы 6, РМШ параллельного типа, включающие в себя проушины 9, упругие (резиновые или из иного упругого материала – в общем случае – полимерные) кольца 10 (навулканизированные втулки, с высокой адгезией к поверхности пальца 11), соединительные пальцы 11 и соединяющие смежные траки 9звенья, плицы) 1 друг с другом, периферийно расположенные (слева и справа гусеницы) скобы 2, 3 для взаимосвязи смежных пальцев, средние связи 7, 8 траков друг с другом, параллельные скобам 2, 3 (подробнее о средних связях 7, 8 – см. далее по тексту), соединительные пальцы 11 и соединяющие смежные траки 1 друг с другом, цевки 4 и стяжные болты 12-15.

В данном примере и преимущественно, цевки 4 расположены на скобах 2, 3 (иначе говоря, образованы передней и задней поверхностями скоб 2, 3). Зоны размещения гребней 5 на траках 1 усилены, предусмотрена стабилизация траков 1, путем, во-первых, частичного перекрытия зазора между траками 1 (см. фиг. 5) и, во-вторых, вынесения грунтозацепов 6 при их шахматном расположении, на передние и задние края траков 1 за оси шарниров (РМШ) – см. фиг. 6.

Предусмотрено по две средние связи 7, 8 смежных траков 1. Они выполнены конструктивно аналогично скобам 2, 3 (в частности, их ширина соразмерна с шириной скобы 2, 3) и разнесены по осям пальцев 11, параллельны скобам 2, 3 и расположены между ними (то есть с равным смещением от скоб 2, 3 или, иначе говоря, на равном расстоянии от продольной вертикальной плоскости гусеницы) – см. фиг. 1, 4, 7.

Это – главный отличительный признак заявляемого устройства гусеницы, не столько количественный, сколько компоновочный (дающий количественный и качественный «сверхэффекты» в техническом результате использования изобретения, ибо основную роль здесь играет взаимное расположение перечисленных элементов в плане: разнесенных по длине трака 1 средних связей 7 и 8, вынесенных в середины траков 1 гребней 5 и, предпочтительно, организация цевок 4 на скобах 2, 3).

Средние связи 7 и 8 в частном примере могут быть расположены на расстоянии друг от друга, равном 1/3 ширины трака 1 (см. фиг. 1, 4, 7).

Стяжные болты 12 и 13 скоб 2 и 3 соответственно, и средних связей 7 и 8 могут быть выполнены (что рекомендуется) потайными, с внутренним шлицом типа «TORX» («торекс» - «звездочка»), при этом либо унифицированы, либо нет.

Кроме того, стяжные болты 12 и 13 скоб 2 и 3 соответственно и средних связей 7 и 8 могут быть выполнены (что тоже рекомендуется) полыми, с каналом цилиндрической формы или имеющим небольшую (менее 10-15 градусов) конусность, с возможностью установки шипов противоскольжения (см. фиг. 4, поз. 14).

РМШ одного пальца 11 могут быть расположены (что рекомендуется) в трёх проушинах 10 равной длины.

Таким образом, от гусеницы танка «Объект 187» (прототипа) заимствованы размещение гребня на цельном теле трака, конструкция РМШ, выполнение траков коробчатыми, а беговой дорожки гусеницы – металлической.

От гусениц танков Т-80 и Т-64 заимствуется расположение цевок 4 на скобах 2, 3, тело трака 1 используется для организации опорных площадок для работы зацепления с подпором траков 1. При этом большая (относительно скобы объекта 187) длина скобы вдоль осей пальцев способствует повышению жёсткости сборки из двух пальцев, в том числе при растяжении гусеницы.

От гусениц Т-64 заимствуется упомянутое «шахматное» расположение грунтозацепов (см. фиг. 6).

В отношении также упомянутого уменьшения плеча опрокидывающего момента, возникающего при прохождении опорного катка по смежным тракам (звеньям) см. источники [ 6. Особенности работы гусеничного движителя в области малых удельных сил тяги / Р.Ю. Добрецов // Тракторы и сельскохозяйственные машины – 2009. – №6 – С. 25-31 ; 7. RU 2385815, МПК B62D 55/20. Гусеничная цепь ходовой части транспортного средства. / Р.Ю. Добрецов, А.Г. Семенов; 10.04.2010 ].

Асфальтоходность гусеницы обеспечивается путем установки башмаков по аналогии с известным решением для траков «Объект 187» (прототип [3], рис. 2). Предусматривается трехточечное крепление асфальтоходного башмака, армированного стальной профилированной пластиной: башмак фиксируется зажимом внутри гребня 5 и на прорезях на торцах звеньев. Конструкция башмака детально не прорабатывалась.

Устройство (гусеница) работает (функционирует, её используют) следующим образом.

Передача касательного усилия между траками 1 осуществляется за счет РМШ параллельного типа, по аналогии с использованными аналогами (включая прототип [3]).

Восприятие тягового усилия от зубьев ведущего колеса и передачу его на гусеничную цепь (см. фиг. 7) обеспечивает цевочное зацепление (см. цевки 4 на фиг. 1, 2, 4, 7, выполненные на скобах 2, 3, и опорными площадками непосредственно на траках 1) с подпором траков 1.

Восприятие нормальных нагрузок при прохождении опорного катка ходовой части машины обеспечивает рабочая поверхность беговой дорожки гусеницы. При этом, за счет мер по стабилизации траков 1, в процессе перекатывания с трака 1 на смежный с ним трак 1 опорный каток не вызывает опрокидывания траков (звеньев) 1, благодаря чему снижаются энергозатраты на движение машины.

Передача на грунт нормальных нагрузок и реализация тягового усилия осуществляются через опорную поверхность трака 1. Меры по стабилизации трака (звена) 1 предотвращают эффект раскачивания трака 1 под опорным катком, что позволяет избежать дополнительного прессования грунта в вертикальной плоскости и сдвига грунта в горизонтальной плоскости, что в совокупности и позволяет ожидать снижения потерь мощности в гусеничном движителе.

Шахматное расположение грунтозацепов 6 позволяет совместить наибольшую эффективность при передаче продольного (тягового) усилия со сниженным сопротивлением повороту машины. Они меньше разрушают грунт, обеспечивается больший (в сравнении с характерным для серийно выпускаемых в России траков расположением грунтозацепов 6) коэффициент сцепления гусеницы с грунтом.

Существенных отличий в процессе прохождения траками 1 заявляемой гусеницы других участков обвода по сравнению с прототипом не ожидается.

Важно, что заявляемая гусеница обладает большей жесткостью, что повышает ее стабильность в обводе и снижает как энергозараты на движение, так и вероятность сброса гусеницы.

Имеет место улучшение условий работы резины (полимера) РМШ благодаря более равномерному нагружению по длине шарнира.

Улучшается компоновка гребня 5 (под двухбандажный каток) и упрочнение зоны его размещения на траке 1.

В случае минного подрыва конструкция новой гусеницы обеспечит удовлетворительное энергопоглощение по аналогии со случаем использованного прототипа [3], но позволит уменьшить деформации в зоне расположения гребня 5. Существенный вклад в снижение деформаций будет вносить именно наличие двух средних связей, использование трака коробчатого типа и расположение гребня на теле трака.

При расположении цевок 4 на скобах 2 и 3, тело трака 1 используется для организации опорных площадок для работы зацепления с подпором траков 1.

При указанном в описании устройства частичном перекрытии зазора между траками (звеньями) 1 выравнивается профиль беговой дорожки и увеличивается равномерность переноса нормальной нагрузки, что способствует стабилизации траков 1.

При вынесении грунтозацепов на края траков 1 за оси шарниров (РМШ) сводится к нулю плечо опрокидывающего момента, возникающего при прохождении опорного катка по смежным тракам (звеньям) 1, что также способствует стабилизации последних под опорным катком.

По сравнению с серийными гусеницами (танков Т-64, Т-80 и др.) суммарная длина РМШ на одном пальце 11 практически не уменьшается, так как две средние связи (7, 8) в заявляемой конструкции имеют практически тот же размер по оси пальца 11, что и одна в серийной, где на ней размещается гребень 5.

По методике, описанной в источнике [ 8. Волков Ю.П. Ходовая часть транспортных гусеничных машин: Учеб. пособие. Ч.1. Гусеничный движитель. – СПб., СПбГПУ, 1995. – 114 с. ] выполнено построение цевочного зацепления с целью формирования профиля цевки 4.

Основные расчеты при проектировании проводились для шасси-аналогов «Объект 187» (прототип) и Т-80. Необходимые прочностные расчеты и оценка ходимости гусеницы выполнялись по традиционным методикам, приведенным в источниках [ 8; 9. Теория и конструкция танков. Том 6. Вопросы проектирования ходовой части военных гусеничных машин. – М.: Машиностроение, 1985, 244 с. ].

Оценочное значение пробега до разрушения РМШ составило 5600 км.

Использование заявляемого устройства позволяет решить поставленную задачу (проблему) - повысить эксплуатационные свойства движителя быстроходных, главным образом тяжелых, гусеничных машин с высокой удельной мощностью, обеспечив гусенице ряд преимуществ, а именно:

- большую продольную жесткость, что связано с ожидаемым снижением деформации пальцев;

- снижение вероятности сброса гусеницы с ведущего и/или направляющего колес;

- рост противоминной стойкости;

- менее выраженное ослабление поперечного сечения трака в области расположения гребня и улучшение условий компоновки гребня;

- снижение энергозатрат на передвижение машины (см.: [6] ; [ 9. Performance improvement of Arctic tracked vehicles. Roman Dobretsov, Gennadii Porshnev and Darya Uvakina. MATEC Web Conf. Volume 245, 2018. International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (EECE-2018). DOI: https://doi.org/10.1051/ matecconf/201824517001 ]) как следствие повышения устойчивости траков.