Napęd gąsienicowy do pojazdów osobowych

FILIPEK Przemysław 1 KLAUDEL Anna 2 TROCIUK Piotr 3 Napęd gąsienicowy do pojazdów osobowych WSTĘP Pojazdy gąsienicowe służą do poruszania się po terenach bagnistych, pustynnych i niedostępnych ze względu na nadmierną pochyłość, niestabilność podłoża lub zmniejszoną przyczepność. Układ jezdny gąsienicowy wykorzystywany w dużych pojazdach posiada lepsze własności trakcyjne niż kilkudziesięciotonowy odpowiednik kołowy. Pojazdy o dużym ciężarze mogą wywierać mniejszy nacisk punktowy w przeliczeniu na powierzchnię niż stojący człowiek. Gąsienice pozwalają na poruszanie się z niewielką szybkością (około 20-50 km/h), jednak współczesne pojazdy umożliwiają rozwijanie prędkości nawet powyżej 70 km/h. Wady gąsienicowych układów jezdnych w porównaniu z układem kołowym to między innymi: duże opory tarcia, duża masa, kosztowna produkcja i eksploatacja [3]. Pierwszy układ jezdny gąsienicowy wykorzystany do napędzania pojazdu został wynaleziony przez Johna Fendera. Traktor gąsienicowy był maszyną parową poruszającą się na dwóch gąsienicach zbudowanych z metalowych płyt, połączonych giętko między sobą. Pojazd który nadawał się do pracy na nierównym, grząskim gruncie został szybko doceniony zarówno w rolnictwie jak i w wojsku. Obecnie, pojazdy gąsienicowe wykorzystywane są przede wszystkim do robót ziemnych [1]. Układ bieżny gąsienicowy składa się z zamkniętej taśmy gąsienicowej otaczającej koła bieżne. W niektórych konstrukcjach spotyka się koło napędzające i koło kierunkowe. Dodatkowo stosuje się rolki podtrzymujące i koło napinające. Układ połączony jest z pojazdem za pomocą zawieszenia. Elastyczność osiągana jest poprzez amortyzowanie kół nośnych. Pojazdy posiadające gąsienicowy układ przemieszczają się poprzez obrót koła napędzającego (mogącego być także jednym z kół nośnych), które zazębiając się z taśmą gąsienicy nadaje jej ruch. Część gąsienicy znajdująca się nad kołami porusza się w kierunku ruchu pojazdu, a część dolna układa się na podłożu tworząc utwardzony tor dla przemieszczających się po niej kół nośnych wraz z całym pojazdem [3]. Większość pojazdów gąsienicowych budowana jest z podwoziem zamontowanym na stałe. Istnieją jednak rozwiązania, które umożliwiają pojazdom wyposażonym w tradycyjne podwozie kołowe, zamontowanie zamiast kół zestawu gąsienicowego. Na budowę układu gąsienicowego składają się elementy o dużej wytrzymałości, które udźwigną ciężar pojazdu. 1. GĄSIENICE W POJAZDACH OSOBOWYCH Przykłady montowania gąsienic do pojazdów osobowych można znaleźć w Polsce. W Zakładzie Transportu Energetyki w Radomiu zbudowano prototypowy, lekki pojazd terenowy Wszędołaz (rysunek 1). Pojazd nie wszedł do produkcji seryjnej, ze względu na problemy techniczne z napędem gąsienicowym. Został opracowany pod koniec lat siedemdziesiątych XX wieku. Przeznaczony był do inspekcji linii energetycznych w trudnym terenie, zwłaszcza w warunkach zimowych. Masa pojazdu wynosiła ok. 600 kg [6]. 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, adiunkt, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, tel. 81 5384499, p.filipek@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, absolwentka, anna.klaudel@gmail.com 3 Politechnika Lubelska, student I stopnia, piotr.trociuk@wp.pl 1752

Rys. 1. Wszędołaz [6] Innym pojazdem poruszającym się na gąsienicach jest Subaru STI, którego gąsienice zamontowane zamiast kół, zostały zaprojektowane na zamówienie Ken a Block a (rysunek 2). Śnieżne gąsienice wyprodukowała firma Mattracks do 400-konnej wersji Subaru Imprezy WRX STI. Nadkola samochodu zostały odpowiednio przecięte, aby gąsienice mogły się zmieścić i nie kolidowały podczas skrętu. Rys. 2. Subaru Impreza WRX STI ze specjalnie zaprojektowanymi gąsienicami [5] Gąsienicowe układy jezdne produkowane są seryjnie i można je zamontować w miejsce kół napędowych kołowego pojazdu terenowego z napędem na dwa, cztery lub większą ilość kół. Pojazdy terenowe (rysunek 3) konstruowane są z myślą o ich wykorzystaniu w celach rekreacyjnych (rysunek 4), komercyjnych, rolniczych oraz przez formacje wojskowe. Niewielki nacisk jednostkowy na podłoże sprawia, że pojazdy z zamontowanymi zestawami gąsienicowymi nie zapadają się w błocie, nie grzęzną w świeżym śniegu ani też nie zakopują się w sypkim piachu. Zestaw gąsienicowy na pojeździe terenowym można zamontować w czasie kilkudziesięciu minut. Pojazd musi być jednak wcześniej przygotowany do montażu gąsienicowych układów jezdnych poprzez odpowiednie wycięcia w podwoziu i modyfikacji zderzaków. Rozwiązania produkowane seryjnie chronione są przez producentów posiadanymi patentami. 1753

Rys. 3. Przykład zastosowania zestawu gąsienicowego w pojeździe terenowym [4] Rys. 4. Przykład zastosowania zestawu gąsienicowego w pojeździe rekreacyjnym [7] 2. OBLICZENIA SIŁY NACISKU MODUŁU GĄSIENICY NA PODŁOŻE Najważniejszym elementem układu jezdnego jest gąsienica. Firmy produkujące gąsienice do koparek, spycharek itp. mają w swoich ofertach możliwość wykonania niestandardowych zamówień. Gąsienice wykonywane z gum są wysokiej jakości materiałami bezszwowymi pozwalającymi na ich długą eksploatację. Duży wpływ na wymiary gąsienicy ma koło napędowe odpowiadające wymiarom felgi samochodowej. Dzięki określonym parametrom koła można obliczyć między innymi ilość ogniw oraz ich podziałkę. Średni nacisk samego układu gąsienicowego na podłoże można wyznaczyć przez obliczenie stosunku ciężaru do pola powierzchni styku. Ciężar układu zmieni swoją wartość po zamontowaniu go do pojazdu. Wtedy wartość zwiększy się o ciężar rozłożony osiowo na każdy użyty układ (do prawidłowego działania pojazdu należy użyć cztery moduły gąsienicowe montując je w miejsce kół). Dane techniczne modułu gąsienicy do pojazdu osobowego: wysokość: 800 mm; 1754

szerokość: 200 mm; długość całkowita: 3200 mm; długość przylegania do podłoża: 900 mm; powierzchnia styku z podłożem: 1800 cm 2 ; masa: 60 kg; prędkość max.: 65 km/h; materiał: guma, stal konstrukcyjna nierdzewna. Przykładowo, dla pojazdu o ciężarze 2000 kg, siła nacisku na podłoże przypadająca na jeden moduł wyniesie 5600 N a jego średni nacisk to 3,11 N/cm 2. Opory ruchu, (W), czyli wypadkowa wszystkich sił hamujących ruch pojazdu z zamontowanymi gąsienicami składa się z: oporu deformacji gruntu (Wd), oporu tarcia wewnątrz gąsienicy (Wt), oporu jazdy po pochyłościach (Wp), siły bezwładności (Wb), oporów aerodynamicznych (Wa) oraz oporu skręcania (Ws) [2]. W = Wd + Wt + Wp + Wb + Wa + Ws (1) 3. PROJEKT KONSTRUKCJI NAPĘDU GĄSIENICOWEGO DO POJAZDÓW OSOBOWYCH Projekt gąsienicowego układu jezdnego zamodelowano w programie typu CAD 3D SolidEdge ST6. W projekcie dobrano parametry, które pozwalają na montaż układu w samochodzie osobowym bez ingerencji w jego konstrukcję. Moduł gąsienicowy należy zamontować w miejsce kół. Moduł gąsienicowego układu jezdnego przedstawiony na rysunku 5 składa się z koła napędowego (1), płyty pośredniej (2), ramy (3), rolek jezdnych (4), rolek napinających (5 i 6) oraz gumowej gąsienicy (7). Każdy z elementów połączono z układem za pomocą łożysk, śrub itp. Rys. 5. Widok boczny modułu gąsienicowego do pojazdów osobowych 1755

Koło napędowe (1) jest głównym elementem odpowiedzialnym za napęd modułu. Koło napędowe przyjmuje wymiary odpowiadające feldze samochodowej. Rozmiary koła napędowego są uzależnione od parametrów felg pojazdu, w którym moduły mają być zamontowane. Kryteriami doboru są: marka i model pojazdu. W projekcie przyjęto parametry dla koła napędowego o średnicy 15 cali, szerokości 6 cali i ilości otworów montażowych 5. Felgi tego typu stosowane są między innymi do samochodów marki Audi (A4, A6, A8) czy VW Passat (wersje po 1997 roku). Koło napędowe do modułu jezdnego posiada zazębienie zaprojektowane na całej szerokości 200 mm, pozwalające na obrót gumową taśmą. Praca wykonywana przez koło jest odpowiednikiem pracy felgi samochodowej. Materiałem odpowiednim do wykonania koła napędowego jest stal konstrukcyjna, W projekcie wykorzystano łożysko kulkowe toczne o symbolu 6809 i wymiarach: d = 57 mm, D = 37 mm, B = 6 mm. Łożysko zamontowane jest na wale napędowym. Płyta pośrednia (2) łączy ze sobą koło napędowe (1) z ramą (3). Rama składa się z kilku elementów (rysunek 6) połączonych ze sobą za pomocą śrub szpilkowych dwustronnych oraz śrub metrycznych M10. Do głównego elementu montuje się za pomocą sworznia 4 trójkątne części pozwalające zamontować rolki jezdne. Rys. 6. Płyta pośrednia z ramą Prawidłowe prowadzenie układu gwarantują różnego rodzaju zastosowane rolki. W module gąsienicowym wykorzystano cztery rolki jezdne (4), jedną napinającą wewnętrzną (5) i jedną napinającą zewnętrzną (6). Rolki wykonane są z aluminium, oraz pokryte elastomerową powłoką zewnętrzną, która zapewnia lepszą przyczepność do gąsienicy (7), dłuższą żywotność, odporność na oblodzenie oraz lepszy rozkład ciężaru na gąsienicy. Elastomery to polimerowe tworzywa sztuczne lub naturalne, które cechuje zdolność do dwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości ich struktury. Koła o małej średnicy zapewniają bardziej równomierny rozkład nacisku pojazdu na podłoże niż koła o dużej średnicy, ale układ bieżny z małymi kołami ma mniejszą sprawność. Rolki jezdne (rysunek 7) montowane są do zewnętrznych ścian ramy za pomocą łożysk maszynowych (łożyska toczne) i śrub dwustronnych. Rolki jezdne, zwłaszcza w pojazdach poruszających się z większą prędkością są amortyzowane, co zmniejsza uderzenia kół o gąsienice. Amortyzacja może być wewnętrzna, gdy obręcz koła jest połączona z korpusem przez pierścień gumowy lub zewnętrzna, w której obręcz koła jest otoczona bandażem gumowym. Amortyzacja zewnętrzna wpływa dodatnio na żywotność gąsienicy. Aby zapewnić odpowiedni kontakt gąsienicy z podłożem wykorzystano cztery rolki jezdne. 1756

Rys. 7. Rolka jezdna Taśma gąsienicy (rysunek 8) wykonana z gumy powinna charakteryzować się przede wszystkim elastycznością. Wykonanie gąsienicy bez tzw. szwu zapewni eliminację najczęstszego powodu uszkodzenia taśmy, czyli pęknięcia miejsca łączenia. Wewnętrzny oplot wzmacniający wykonany z ciągłych linek ze stali nierdzewnej i wulkanizowanych w jednoetapowym procesie termicznym, pozwala na przeniesienie o 40 % większej wzdłużnej siły napinającej (naciągu) na gąsienicę. Gąsienice mają cztery istotne wymiary: długość, szerokość, podziałkę ogniwa i wysokość wypustów. Podziałka to centralna odległość między ogniwami w okręgu ogniw na osi jazdy. Najpopularniejsza podziałka wynosi 2,52 cala, ponieważ zapewnia dobre osiągi ogólne, lecz zaleca się podziałkę 2,86 cala, która poprawia osiągi. Zazwyczaj krótsze gąsienice zapewniają lepsze prowadzenie, natomiast dłuższe gąsienice poprawiają jakość jazdy i zdolność poruszania się po miękkim terenie. Węższe gąsienice zmniejszą masę, zapewnią lepsze przyspieszenie i maksymalną prędkość, natomiast szersze gąsienice pozwalają lepiej poruszać się w miękkim, głębokim śniegu. Im większa wysokość wypustów, tym lepsza trakcja. Może to znacznie wpłynąć na przyspieszenie i hamowanie. Na podstawie tych cech można wygenerować odpowiednią gąsienicę do modułu jezdnego. Rys. 8. Widok 3D zamodelowanego modułu gąsienicowego 1757

4. ROZKŁAD NAPRĘŻEŃ MES Elementem łączącym, który pełni funkcję stabilizatora całego układu, łączy go w jedną całość i usztywnia jest płyta pośrednia z ramą. Zostały one poddane analizie metodą elementów skończonych MES. Obliczenia zostały wykonane w celu wykazania największych naprężeń materiału podczas pracy układu. Po zaimportowaniu modelu ramy do programu przyjęto wartości charakterystyczne dla wybranego materiału, czyli stali konstrukcyjnej. Wartość dla modułu Younga wyniosła 210000 Pa; liczba Poissona była równa 0,3; granica plastyczności wyniosła Re = 360 MPa; granica wytrzymałości na rozciąganie Rm = 690 MPa; współczynnik odkształcalności wyniósł 0,3. W celu utwierdzenia ramy naniesiono punkty obciążenia ramy przedstawione na rysunku 9. Płyta pośrednia z ramą zostały pozbawione możliwości przesuwania się we wszystkich kierunkach i obrotu względem osi. Na zamontowany układ przyjęto nacisk masy równej 2000 kg. Przyjęto dziewięć punktów charakterystycznych dla układu, jeden w górnej części płyty pośredniej i osiem działających na dolne części ramy (w każdym miejscu zamontowania rolek jezdnych). Na rys.38 przedstawiono również punkty przyłożenia sił, w górnej części zamontowania wału łączącego ramę z kołem napędowym oraz na dole w miejscu zamontowania czterech rolek jezdnych. Po dokonaniu obliczeń przyjęto, że na górną część układu działa siła równa 5000 N, a na cały układ, czyli dolną część siła równa 5600 N. Rys. 9. Wyniki naprężeń MES płyty pośredniej z ramą Geometryczny model płyty pośredniej i ramy modułu gąsienicowego poddane zostały metodzie elementów skończonych w środowisku SolidEdge ST6. Model bazowy składał się z siatki elementów skończonych w liczbie 14024 elementów tetragonalnych czterościennych. Siatka przyjęła charakter liniowy. Warunki brzegowe oraz obciążenie zewnętrzne (jako maksymalną siłę łączącą F na ramie) zdefiniowano w globalnym układzie współrzędnych modelu. Wyniki obciążenia nie przekraczają wartości dopuszczalnych dla stali konstrukcyjnej. 1758

WNIOSKI Zamontowany gąsienicowy układ jezdny zdecydowanie poprawia warunki trakcyjne pojazdu poruszającemu się po podłożu śliskim, grząskim i sypkim. Moduł jezdny gąsienicowy jest napędzany kołem napędowym, który formą przypomina felgę samochodową i posiada zazębienia pozwalające na obrót gumowej taśmy. Bezszwowa gąsienica z odpowiednim bieżnikiem i zębami wewnątrz taśmy pozwala na długą i efektywną eksploatację urządzenia. Użycie rolek jezdnych rozkłada równomiernie siły nacisku na spodnią, wewnętrzną stronę gąsienicy. Rolki napinające odpowiadają za prawidłowy naciąg taśmy oraz odpowiednie jej czyszczenie ze zbędnego śniegu, błota itp. Rolka napinająca wewnętrzna taśmy odpowiada również za prowadzenie układu podczas pokonywania przeszkód (np. górki, koleiny). Zewnętrzna rolka montowana jest na bocznych częściach ramy, co ułatwia kierowanie układem i umożliwia wykorzystanie układu w pojeździe bez konieczności dodatkowych modyfikacji (wycięć w podwoziu). Zaletą modułów gąsienicowych jest możliwość wykorzystania ich w zwykłym samochodzie, mocując je zamiast kół jezdnych. Układ został zaprojektowany do użytku na niestabilnych gruntach, czyli śniegu, błocie, piaskach. Poruszanie się na utwardzonej powierzchni (np. asfalt) nie powinno stanowić problemu, jednak źle eksploatowany bieżnik gąsienicy może ulec zniszczeniu lub całkowitemu starciu warstwy zewnętrznej. Pojazdy z zamontowanymi zestawami gąsienicowymi poruszają się ze zmniejszoną o około 30 % prędkością maksymalną. Streszczenie W artykule zawarto projekt gąsienicowego układu jezdnego do pojazdów osobowych. Urządzenie przykręcane jest do piasty zamiast koła, umożliwiając jego szybką wymianę. Lepsza przyczepność i parametry trakcyjne ułatwiają jazdę w zaśnieżonym, górzystym terenie, po piachu lub błocie. Przedstawione rozwiązanie dzięki zastosowaniu napinacza nie wymaga żadnych zmian konstrukcyjnych w obsługiwanym pojeździe. Projekt 3D gąsienicowego układu jezdnego wykonano w programie CAD SolidEdge ST6. Składa się on z koła napędowego, płyty pośredniej, ramy, rolek jezdnych, rolki napinającej i gumowej gąsienicy. Wykonano obliczenia nacisku gąsienicy na podłoże oraz rozkład naprężeń MES konstrukcji. Caterpillar drive for passenger vehicles Abstract The article includes design of a caterpillar drive for passenger vehicles. The device is bolted to the hub instead of the wheel, allowing its rapid exchange. Better grip and traction parameters make it easy to drive in snowy, mountainous area after sand or mud. The present solution by using a tensioner does not require any structural changes in the vehicle. 3D design of caterpillar traction was made in CAD SolidEdge ST6. It consists of a driving wheel, intermediate plate, frames, track rollers, tension rollers and rubber caterpillar. Caterpillar emphasis on the ground and distribution of stresses MES structure, are calculated. BIBLIOGRAFIA 1. Gabryelewicz M., Podwozia i nadwozia pojazdów samochodowych. WKiŁ, Warszawa 2012 2. Nabagło T., Modelowanie i symulacja pojazdu gąsienicowego. Mechanika, Wyd. Politechniki Krakowskiej 7/2011 3. Reimpell J., Podwozia samochodów: podstawy konstrukcji. WKiŁ, Warszawa 2008 4. Auto blog. http://www.auto-blog.pl/hummer-h2-bomber-od-geigercars/ (16.01.2014) 5. FancyTuning. http://fancytuning.com/2009/11/subaru-impreza-wrx-sti-trax/ (14.01.2014) 1759

6. Wikipedia, hasło: wszędołaz. http://pl.wikipedia.org/wiki/wsz%c4%99do%c5%82az (12.01.2014) 7. 4x4 forum. http://www.4x4suzukisamurai.pl/forum/index.php?topic=109.0 (15.01.2014) 1760