NÁVRH SNĚŽNÉ SOUPRAVY PRO MOTOCYKL
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2302T010 – Konstrukce strojů a zařízení Autor práce: Bc. Kamil Bartoš
Vedoucí práce: Ing. Robert Voženílek, Ph.D.
Liberec 2016
Diploma thesis
Study programme: N2301 – Mechanical Engineering
Study branch: 2302T010 – Machine and Equipment Systems
Author: Bc. Kamil Bartoš
Supervisor: Ing. Robert Voženílek, Ph.D.
Liberec 2016
ZADÁNÍ
Název diplomové práce: NÁVRH SNĚŽNÉ SOUPRAVY PRO MOTOCYKL
1. Proveďte rozbor požívaných sněžných souprav pro vozidla
2. Navrhněte vlastní uspořádání sněžné soupravy pro vybraný motocykl a konstrukčně ho zpracujte.
3. Vybrané díly pevnostně ověřte.
4. Cílem je použitelnost výsledků pro řešení studentské grantové soutěže.
[1] PEŠÍK, L.: Části strojů 2. díl. Liberec, TU 2005. ISBN 80-7083-939-2.
[2] PEŠÍK, L.: Části strojů. 1. díl. Liberec, TU 2005. ISBN 80-7083-938-4.
[3] VLK, F.: Převody motorových vozidel. Nakladatelství a vydavatelství Vlk. BRNO 2006
[4] TŮMOVÁ, G.: Mechanická převodná ústrojí. Studijní pomůcka. Liberec 1999
Rozsah grafických prací: výkres sestavy sněžné soustavy a výrobní výkresy vybraných součástí.
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
5
Poděkování
Na tomto místě bych chtěl především poděkovat panu Ing. Robertovi Voženílkovi, Ph.D., za odborné a organizační vedení při zpracování této práce. Dále bych chtěl poděkovat své rodině, přátelům a také všem ostatním, kteří mě ve studiu podporovali.
6
Abstrakt
V této diplomové práci se budu zabývat vývojem sněžné soupravy pro motocykl. Jedná se o snadnou přestavbu s využitím lyže v přední části a konstrukční řešení poháněného pásu namísto zadního kola. Předpokládám umístění této soupravy pro malý motocykl typu skútr, tak aby byl plně využitelný i za situace sněhových podmínek. Dále zde představím další typy jednostopých i vícestopých sněžných vozidel od minulosti po současnost.
Klíčová slova:
motocykl, skútr, zima, sníh, sněžná souprava, kolejový pás, lyže
Abstract
In this thesis I will present the development of the snow kit for a motorbike. A simple solution is designed for easy replacement instead of the original bike wheel. It consists of a front ski and a rear snow truck. My invention is specially made for a small motorbike type of scooter. Through this snow kit it is possible to ride the bike over a snowy road during winter condition. Moreover I will present commonly used types of snowmobiles and used snow-kits from the beginning to nowadays.
Key words:
motorcycle, motorbike, scooter, winter, snow, snow kit, snow track, ski
7
Obsah
1 Úvod . ... 13
2 Proč jsem si vybral toto téma? ... 14
3 Sněžná vozidla a používané soupravy ... 15
3.1 Tatra V855 ... 16
3.2 Jawa „Švéd“ ... 17
3.3 Vývoj na americkém kontinentu ... 17
3.3.1 Sno-Runner Chrysler ... 18
3.3.2 2Moto Radix Kit ... 19
3.3.3 Timbersled Mountain Horse ... 21
3.3.4 SnoXcycle Extreme Kit ... 22
3.3.5 Explorer ... 23
3.4 Slovenský Snow Cat ... 24
4 Vlastní návrh sněžné soupravy pro motocykl ... 25
4.1 Úvod do pásových podvozků ... 25
4.2 Celkové uspořádání ... 26
4.3 Požadavky kladené na pásový podvozek ... 27
4.4 Kolejový pás ... 28
4.4.1 Vlastnosti zvoleného pásu ... 28
4.4.2 Volba pásu ... 28
4.5 Záběr hnacího kola s pásem ... 31
4.5.1 Návrh hnacího kola ... 32
4.6 Napínání pásu ... 33
4.7 Základní parametry motocyklu ... 36
4.8 Výpočet ztrát a silové poměry působící v pásovém pohybovém ústrojí ... 37
4.8.1 Odpor valení ... 38
4.8.2 Hnací síla ... 40
4.9 Hmotnost vozidla a vliv neodpružených hmot ... 41
4.10 Střední měrný tlak na vozovku ... 42
4.11 Součinitel adheze ... 46
4.12 Odpor sklonu ... 47
8
4.13 Odpor vzduchu ... 48
4.14 Celkové odpory působící na hnací pojezdové ústrojí ... 48
4.15 Náboj s bubnovou brzdou ... 49
4.16 Rám pásového pojezdového ústrojí ... 50
4.17 Pojezdové kladky a vodící kola ... 50
4.18 Stabilizační tyč ... 51
4.19 Alternativní výroba prototypu pásového ústrojí ... 52
4.19.1 1. Varianta záběru pneumatiky s hnacím kolem ... 52
4.19.2 2. Varianta záběru pneumatiky s hnacím kolem ... 53
5 Návrh sestavy přední kluzné lyže ... 54
5.1.1 Volba kluzné plochy lyže a její základní rozměry ... 54
5.1.2 Tvar a vodící prvky ... 55
5.1.3 Materiály ... 56
5.1.4 Konstrukční řešení ... 57
6 Analýza vybraných součástí ... 59
6.1 Rám pásového pohybového ústrojí ... 59
6.2 Plechové pouzdro ... 60
6.3 Sloupek lyže ... 60
6.4 Lyže . ... 62
7 Další úpravy . ... 64
7.1 Stojan motocyklu ... 64
7.2 Vyhřívané rukojeti ... 64
7.3 Návleky na řídítka ... 65
7.4 Termo zástěra ... 66
Závěr . ... 67
8 Seznam použitých internetových zdrojů ... 68
9 Seznam použité literatury ... 70
10 Přílohy . ... 71
9
Seznam ilustrací
Obrázek 1: Vizualizace návrhu sněžné soupravy pro městský skútr ... 13
Obrázek 2: Sněžná úprava městské koloběžky ... 14
Obrázek 3: Sněžná rolba a sněžný skútr [18, 19] ... 15
Obrázek 4: Čtyřkolka se sněžnými pásy [20] ... 15
Obrázek 5: Arktické vozidlo Tucker Sno-Cat 743 [33] ... 16
Obrázek 6: Kopie Tatry V855 vlevo a originál z Kopřivnického muzea vpravo [21] ... 16
Obrázek 7: Sněžná úprava motocyklu Jawa "Švéd" [17] ... 17
Obrázek 8: Sněžné vozítko Sno-Runner [13] ... 18
Obrázek 9: Pohled na originální řešení řetězového hnacího pásu [14] ... 19
Obrázek 10: Hnací pásové ústrojí 2Moto Radix [8] ... 19
Obrázek 11: Sněžná úprava 2Moto Radix [15] ... 20
Obrázek 12: Sněžný kit Timbersled [7] ... 21
Obrázek 13: Sněžná souprava SnoXcycle [10] ... 22
Obrázek 14: Sněžná souprava Explorer [11] ... 23
Obrázek 15: Přestavba zimního skútru [35] ... 24
Obrázek 16: Závislost prokluzu na velikosti hnací síly [39] ... 25
Obrázek 17: Schéma uspořádání pojezdových kol v pásovém podvozku ... 27
Obrázek 18: Rozměrové parametry pásu [35] ... 30
Obrázek 19: Zvolený pás o rozměru 130x45x41 [36] ... 30
Obrázek 20: Záběr hnacího kola s pásem [37] ... 31
Obrázek 21: Schéma normálního a speciálního záběru hnacího kola s pásem [37] ... 32
Obrázek 22: Zobrazení hnacího polyamidového kola ... 32
Obrázek 23: Systém napínání vodících kol ... 34
Obrázek 24: Podmínka rovnováhy ... 34
Obrázek 25: Reakce valivého odporu [47] ... 39
Obrázek 26: Schéma hnacích sil na ppú ... 40
Obrázek 27: Návrh pásového pojezdového ústrojí ... 41
Obrázek 28: Rozložení tlaku pod pásy [37] ... 42
Obrázek 29: Zobrazení spojitého působení tlaku ... 44
Obrázek 30: Zobrazení nespojitého působení tlaku ... 44
10
Obrázek 31: Silové působení na vozidlo ve svahu [47] ... 47
Obrázek 32: Zadní náboj sněžné soupravy ... 49
Obrázek 33: Svařovaná konstrukce rámu ... 50
Obrázek 34: Rozložení vodících a pojezdových kol ... 51
Obrázek 35: Stabilizační tyč ... 51
Obrázek 36: Vyrobený kolejový pás z pneumatiky ... 52
Obrázek 37: Vyrobený pás s cévovým záběrem ... 53
Obrázek 38: Konstrukce lyže s vodícími prvky ... 56
Obrázek 39: Rozložený pohled horní části sestavy lyže ... 57
Obrázek 40: Rozložený pohled spodní části sestavy lyže ... 58
Obrázek 41: Kompletní sestava přední lyže ... 58
Obrázek 42: Zobrazení redukovaného napětí Von Mises v rámu ústrojí ... 59
Obrázek 43: Zobrazení maximálního posunutí v rámu pásového ústrojí ... 60
Obrázek 44: Zobrazení redukovaného napětí Von Mises ve sloupku lyže ... 61
Obrázek 45: Zobrazení redukovaného napětí Von Mises v kluzné lyži ... 62
Obrázek 46: Zobrazení maximálního posunutí v kluzné lyži ... 63
Obrázek 47: Podložky pod stojan [29, 30] ... 64
Obrázek 48: Vyhřívané rukojeti [31] ... 65
Obrázek 49: Návleky na řídítka [32] ... 65
Obrázek 50: Termo zástěra na skútr [1] ... 66
11
Seznam použitých veličin a zkratek (seřadit podle abecedy)
Značka Název Jednotky
∆q Spojité zatížení [ N/m ]
a Zrychlení ve vodorovném směru [ m/s2 ]
b1 Šířka pásu [ m ]
b2 Šířka lyže [ m ]
Cx Součinitel odporu vzduchu [ - ]
e Excentricita osy kola od symetrie rámu [ m ]
F13 Maximální hnací síla působící na originálním kole 13 palců [ N ]
Fad Adhezní síla [ N ]
Fc Celková zatěžující síla [ N ]
FHN Maximální hnací síla na hnacím kole [ N ]
Fn Napínací síla [ N ]
FNi Normálová zatěžující síla [ N ]
Fo Celkový jízdní odpor působící na pásové pojezdové ústrojí [ N ]
Fp Zatěžující síla na přední lyži [ N ]
Fpi Dílčí odpor půdy proti valení [ N ]
fv Součinitel valivého odporu pro rychlost v [ - ]
Fz Zrychlující zatěžující síla [ N ]
G Celková zatěžující síla motocyklu s jezdcem [ N ]
g Tíhové zrychlení [ m/s2 ]
k Koeficient bezpečnosti [ - ]
l Vzdálenost krajních pojezdových kol (délka stykové plochy) [ m ]
l2 Délka dosedací části lyže [ m ]
lo Délka deformované vrstvy valením [ m ]
m1 Hmotnost zatěžující zadní nápravu [ kg ]
m2 Hmotnost zatěžující přední nápravu [ kg ]
Mk Točivý moment [ Nm ]
Mkmax = MkHN Maximální moment přivedený na hnací kolo [ Nm ]
Of Odpor valení [ N ]
Os Odpor stoupání [ N ]
12
Značka Název Jednotky
Ov Odpor vzduchu [ N ]
PHN Výkon přivedený na hnací kolo [ kw ]
Pmax Hodnota maximálního měrného tlaku [ N/m2 ]
Pppú Výkon odvedený z kolejových pásů [ kw ]
ppú Pásové pohybové ústrojí [ - ]
Pstř Hodnota středního měrného tlaku [ N/m2 ]
qstř Střední hodnota spojitého zatížení [N/m ]
R13 Poloměr sériového 13 palců velkého kola [ m ]
RHN Poloměr navrhovaného hnacího kola [ m ]
S Čelní plocha jezdce na motocyklu [ m2 ]
Sc Součin čelní plochy a součinitele odporu vzduchu [ m2 ]
Sp Čelní plocha jezdce na motocyklu [ m2 ]
tčl Rozteč článků [ m ]
tčl Rozteč článků [ m ]
tz Rozteč zubů [ m ]
v Rychlost vozidla [ m/s ]
WD Wheeldrive (pohon kol) [ - ]
x Vodorovná hodnota souřadnice [ m ]
y Svislá hodnota souřadnice [ m ]
α Úhel sklonu vozovky [ rad ]
γ Úhel svírající tečná rovina s vozovkou [ rad ]
ηppú Koeficient účinnosti pásového pohybového ústrojí [ - ] ηppú Koeficient účinnosti pásového pohybového ústrojí [ - ]
λ Tloušťka deformované vrstvy valením [ m ]
ρ Hustota vzduchu [ kg/m3 ]
φ Součinitel adheze [ - ]
13
1 Úvod
Tato práce si klade za cíl v rámci znalostí získaných během magisterského studia navrhnout vlastní řešení výměnné sněžné soupravy pro jízdu jednostopého vozidla ve sněhových podmínkách. Takovýto motocykl pro běžné každodenní použití by usnadnil pohyb lidem v zasněžených oblastech nebo horských střediscích. Zároveň by také mohl sloužit jako prostředek pro sportovní využití. Hlavním rozdílem této úpravy je použití u menších nízko-objemových motocyklů (50 ÷ 125 cm³), jakým je například motocykl typu městský skútr. U něho je výhodou především malá hmotnost, snadné řízení, automatická převodovka, vysoká obratnost, možnost užití velkého úložného prostoru, ale i možnost řízení s řidičským oprávněním typu B. Jelikož jsou tyto motocykly stále více využívány a jejich obliba vzrůstá, přišlo mi celkem namístě zvolit si za téma návrh takovéto úpravy, jež by přinesla využití motocyklu v rozsahu všech ročních období.
Obrázek 1: Vizualizace návrhu sněžné soupravy pro městský skútr
14
2 Proč jsem si vybral toto téma?
Jelikož se již od dětství věnuji jízdním kolům a motocyklům, vím, že v zimním období je velmi náročné se této zálibě věnovat, a to především pokud je venku sněhová pokrývka. Již dříve jsem tedy uvažoval o tom, jakým způsobem by se daly tyto stroje celoročně používat.
Jeden z prvních nápadů, který jsem realizoval, byla koloběžka, u které se dala běžná městská kolečka vyměnit za sjezdové lyže a využívat ji tak i v případech, kdy bylo na cestách a sjezdovkách dostatečné množství sněhu.
Již na střední škole jsem přišel s myšlenkou přestavět svůj městský skútr tak, aby se s ním dalo jezdit na sněhu. Věděl jsem, že jízda na motocyklu osazeným koly je ve sněhu takřka nemožná. Tehdy ale zůstal můj nápad pouze v podobě skici na papíře.
Protože tato myšlenka u mě stále léta přetrvávala, vzal jsem to jako výzvu a zvolil si toto téma pro svou diplomovou práci. Vím, že je to vzhledem k typu tohoto malého motocyklu ojedinělý nápad, který má i svá úskalí. Návrh či případná realizace však dokazuje, že i pro tyto parametry je možné sestrojit sněžnou soupravu po vzoru velkých motocyklů a pásových čtyřkolek.
Obrázek 2: Sněžná úprava městské koloběžky
15
3 Sněžná vozidla a používané soupravy
Od počátku vzniku motorových vozidel se je lidé snažili využít i v podmínkách, kde byla krajina často pokryta sněhem. Mezi nejznámější sněžná vozidla dnes patří zajisté sněžné rolby a skútry. Ta se využívají především k přepravě osob a zavazadel v horských střediscích nebo pro úpravy lyžařských tratí a sjezdovek.
Obrázek 3: Sněžná rolba a sněžný skútr [18, 19]
V posledních několika letech se také často objevují čtyřkolky osazené pásovými podvozky. Tyto stroje si získaly oblibu hlavně u horské služby, kde je díky pásům lze využívat celoročně, což přináší finanční zvýhodnění oproti údržbě, garážování a pořizování prostředků pro přepravu v obou ročních obdobích.
Obrázek 4: Čtyřkolka se sněžnými pásy [20]
Pro polární expedice vznikala v minulosti mnohá další zajímavá vozidla, která už však tak známá nejsou. Vynikala především ohromnou průchodností zasněženým terénem, tak jako například vozidlo Tucker Sno-Cat 743 vyrobené v americkém Medfordu, státu
16
Oregon, zobrazené na následující ilustraci. Většina podobných vozidel také byla vynalézána v Rusku, kde se díky nim překonávali sibiřské pláně a polární oblasti.
Obrázek 5: Arktické vozidlo Tucker Sno-Cat 743 [33]
3.1 Tatra V855
Zajímavým zástupcem z naší země je sněžný Tatraplan V855 z roku 1942 vyrobený původně pro armádu Wehrmachtu. Výroba však nakonec zůstala pouze u jednoho prototypu, který je nyní vystaven v technickém muzeu výrobce Tatra v Kopřivnici. Jeho kopie je pak vystavena také v americkém automobilovém muzeu v Nashville. Pohon zajištovala dvoulistová vrtule a hnací buben s šípovým ozubením z osmiválcového vzduchem chlazeného motoru do V s rozvodem OHC o objemu 2978 cm3 a výkonu 55kW. Řízeny byly tyto saně díky nezávisle ovladatelným předním a zadním lyžím.
Obrázek 6: Kopie Tatry V855 vlevo a originál z Kopřivnického muzea vpravo [21]
17
3.2 Jawa „Švéd“
Pod nejznámější českou značkou motocyklů Jawa vznikla také zajímavá sněžná úprava s názvem „Švéd“. Tato úprava, jak už název napovídá, sloužila jako vývozní motocykl pro švédskou armádu v šedesátých letech. Tehdy právě Jawa vyhrála výběrové řízení na tento severský stroj. Základem se stal upravený soutěžní motocykl Jawa 250 typ 553 a Jawa 350 typ 554. Úprava spočívala především v doplnění robustními pneumatikami s kovovými hřeby a dvěma lyžemi pro zlepšení stability, na kterých se za jízdy stálo.
Proto byl motocykl doplněn dvojím řazením i na pravé straně a pákou zadní brzdy na řídítkách. Toto provedení umožnilo, aby byl stroj schopen funkce i bez baterie. Navíc byl doplněn o koženou brašnu na nádrži a přídavným nočním osvětlením. [17]
Obrázek 7: Sněžná úprava motocyklu Jawa "Švéd" [17]
3.3 Vývoj na americkém kontinentu
Hlavním předmětem této práce je využití sněžné soupravy pro motocykly. Zde se již v minulosti objevovaly zajímavé koncepce a soupravy pro využití motocyklu ve sněhových podmínkách, tak jako u české značky Jawa. Přednostmi těchto souprav je snaha využít co nejvíce z ovladatelnosti klasického motocyklu a zároveň využít potenciál stability sněžných skútrů pro nejlepší výsledek z jízdy. Touto kombinací vlastností tak vzniká nový druh sněžného vozidla.
18
Největší rozvoj lze dnes zaznamenat ve Spojených státech amerických nebo v Kanadě, kde jsou výborné sněhové podmínky a jízda na takto upravených motocyklech je zde brána i jako soutěžní disciplína. Proto právě většina moderních úprav pochází odsud.
Rozhodl jsem se tedy více zaměřit na konstrukci sněžných souprav v této oblasti a dojít k nejlepšímu řešení své vlastní konstrukce.
3.3.1 Sno-Runner Chrysler
Sno-Runner neboli sněžný běžec, jak je vozidlo nazýváno, se absolutně vymyká svou originalitou a jednoduchostí konstrukce, která vznikla původně v námořní divizi společnosti Chrysler již v sedmdesátých letech. Jedná se tedy o jeden z prvních sériově vyráběných strojů. Údajně vznikl jako požadavek armády pro přepravu jedné osoby na vzdálenost kolem 50 km. Maximální rychlost vojenského stroje měla dosahovat rychlosti až 55 km/h a motor měl mýt výkon kolem 10 koní (7,5kW). Zásadní nevýhodou nakonec byla špatná průjezdnost hlubokým a prašným sněhem a tak vláda od této koncepce upustila a Chrysler nabídl v roce 1997 Sno-Runner veřejnosti. Kvůli bankrotu byla výroba přesunuta k jinému výrobci a údajně pak bylo vyrobeno okolo 28 tis. kusů tohoto sněžného vozítka a řada z nich se dochovala až do dnes. Nevýhodou pak byl také značný pokles výkonu ve vysokohorských oblastech, kvůli nízkému tlaku vzduchu.
Obrázek 8: Sněžné vozítko Sno-Runner [13]
19
Za zmínku však stojí zajímavý způsob řešení pásového pohonu. Ten se vlastně sestává ze článkového řetězu o délce 160 cm a na něm jsou upevněny hnací lopatky o šířce pouhých 7,8 cm. Vozítko pak bylo poháněno vzduchem chlazenou pohonnou jednotkou od Chrysleru o objemu 134 cm3 a výkonu 5,2 kW při otáčkách 7000 1/min. Konstrukce je navržena tak, aby šlo vozítko snadno složit a sestavit pomocí pojistných závlaček, takže nebyl problém s jeho přepravou například v kufru automobilu. Celková hmotnost stroje byla pouhých 33 kg. Cena stroje by vycházela v přepočtu na dnešních asi 16 tis.
Kč.
Obrázek 9: Pohled na originální řešení řetězového hnacího pásu [14]
3.3.2 2Moto Radix Kit
Tento americký výrobce byl prvním, kdo přišel s nápadem využít sněžnou soupravu jako prostředek zábavy pro klasické krosové motocykly a konstrukci se snažil dokonale promyslet. Přestavba je zde o něco složitější, díky výměně celé původní zadní kyvné vidlice motocyklu a umístění přídavných stabilizačních a jiných prvků.
Obrázek 10: Hnací pásové ústrojí 2Moto Radix [8]
20
Celkový systém je sofistikovaný právě proto, že byl inspirován klasickými sněžnými skútry, tak jako právě přední lyže, která je dodávána americkým výrobcem pro sněžné skútry Simmons. Nastavení lyže je variabilní a umožňuje tak pracovat s polohou těžiště.
Lyže má z obou stran boční vedení, což na rovném povrchu má tendenci k přetáčení lyže se strany na stranu a ztrácí stabilitu v přímém směru. Také lze zvolit její různé šířky, které mají lepší průjezdnost hlubokým sněhem. I tak se ale zatížení více přenáší za přední část lyže, což se projevuje výraznějšími rázy do rukou, ale za to díky přenesení výkonu více na přední část pásu a celkově kratšímu rozvoru se chová jako klasický motocykl. Zvládá rychlou jízdu na rovině. Jezdci říkají, že tato konstrukce možná lépe přenáší hnací sílu na vozovku než ostatní varianty a celkově se jeví jako velmi univerzální pro více druhů jízdních terénů. Cena kompletní soupravy pro přestavbu je v přepočtu okolo 110 tis. Kč.
Obrázek 11: Sněžná úprava 2Moto Radix [15]
21
3.3.3 Timbersled Mountain Horse
Další soupravou je Mountain Horse neboli horský kůň od společnosti Timbersled, jejímž vlastníkem je známý výrobce čtyřkolek a sněžných skútrů Polaris. Řada prvků tedy pochází právě z vývoje odpružení na sněžné skútry, kterým se původně samotný výrobce zabýval. I ostatní nápady byly převzaty právě z těchto strojů. Inspirace je vidět hned při pohledu na složitou konstrukci pásového pohybového ústrojí se dvěma přídavnými tlumiči a vodící lištou. Docela těžký zadní pohon pak zhoršuje celkovou ovladatelnost a také stabilitu při průjezdu v podélných kolejích. Přední lyže je velmi podobná jako u soupravy 2Moto. Přední kolo pásu je poháněno krátkým řetězovým převodem a hnací síla má dobrou odezvu v zadní části pásu. Možná není tak rychlý jako ostatní varianty souprav, ale za to má perfektní záběr pásu, výbornou stoupavost a neztrácí tolik výkon. Dle testů s ním lze jen těžko zapadnou v hlubokém sněhu.
Celková cena za sněžný set je pak kolem 120 tis. Kč.
Obrázek 12: Sněžný kit Timbersled [7]
22
3.3.4 SnoXcycle Extreme Kit
Tento sněžný set se od ostatních zásadně liší celkovou jednoduchou konstrukcí. Právě ta umožňuje oproti konkurenčním soupravám snadnou přestavbu na zimní motocykl. Pás je mnohem užší, poskytuje výbornou trakci a zároveň se jízda na něm podobá více standardním krosovým motocyklům. Konstrukce lyže opět od výrobce Simmons poskytuje ve střední části výborné vedení díky pružné liště a drží stopu více než ostatní i na tvrdém povrchu. Dá se tedy předpokládat, že jeho využití se projeví více na upravených stopách, či závodních tratích, než v otevřeném terénu. Jeho nevýhoda tedy tkví právě v užším pásu, který se více boří v hlubokém sněhu a neposkytuje tak nejlepší průjezdnost prašanem. Cena tohoto kompletu je pak díky jednodušší konstrukci výrazně nižší než předchozí modely, a to v přepočtu okolo 80 tis. Kč.
Obrázek 13: Sněžná souprava SnoXcycle [10]
23
3.3.5 Explorer
Kanadská společnost Explorer je na našem trhu asi nejprodávanější sněžnou soupravou, jejíž kvality u nás prezentuje freestyle motokrosový jezdec Petr Kuchař. Soupravu lze celkem snadno přestavět na krosový motocykl, jehož objem by měl být dle výrobce alespoň 200 cm3. Tento minimální objem je doporučen všemi výrobci, ale i tak se preferuje spíše volit hodnotu vyšší. Přední lyže díky dvojici bočního vedení drží výborně stopu a nedochází k bočnímu skluzu, tak jako se tomu děje u kola motocyklu.
Je to dáno také charakteristickou konstrukcí dovolující boční náklon lyže v úhlu do 20°.
Celkově je konstrukce soupravy pohonu velmi variabilní. U přední lyže lze nastavovat její výška. U pásového pohonu zase jeho posouvání vpřed a vzad. Mění se tak umístění těžiště, což je výhodné pro různé druhy terénu. Pro průjezdy hlubokým sněhem je výhodnější posunout pásový podvozek více vpřed, zatímco pro jízdu do svahu je výhodnější zvolit polohu zadní. Těžiště motocyklu se tím zvýší oproti běžným kolům, což však může dělat problémy v řízení menším postavám. Další nevýhodou pak může být ještě lepící se sníh na povrch pásu, který zabírá s hnacím kolem. Plocha pásu dosahuje jinak velké plochy 0,397 m2. Základní cena za soupravu je 75 tis. Kč.
Obrázek 14: Sněžná souprava Explorer [11]
24
3.4 Slovenský Snow Cat
Při hledání technických informací ohledně skútrů v České republice jsem se dostal ke zjištění, že na Slovensku se jeden odborný prodejce snažil o realizaci nápadu úpravy skútru pro jízdu na sněhu. Neváhal jsem ho kontaktovat, abych se dozvěděl více podrobností, které byly přestavbou prakticky zjištěny.
Ochotně mi sdělil, že se jednalo o rychlou přestavbu čistě pro zábavné účely, co nejjednodušší formou. Použili sériový skútr o objemu 50 cm3 o výkonu 3,1 kW při 7000 1/min a točivém momentu 4,9 Nm. V první fázi přední kolo jednoduše nahradili upravenou částí ze snowboardu a zadní kolo o velikosti 10 palců pro lepší adhezi doplnily větším množstvím ocelových šroubů. Tento skútr měl nedostatek hlavně ve vyvážení přední lyže, která volným kyvem zhoršovala stabilitu stroje. I přes použití pouze upravené malé pneumatiky byly jízdní vlastnosti na sněhu ohromující a skútr zvládal průjezd 20 cm hlubokým sněhem. O tom jsem se sám přesvědčil doloženými videi z testování skútru na lyžařské sjezdovce. Pro vyšší točivý moment v nízkých otáčkách by bylo prý vhodnější použít skútr o obsahu 125 cm3, ale i tak byl výkon malého skútru dostačující. Na této ilustraci je vidět způsob slovenské přestavby Snow Cat.
Obrázek 15: Přestavba zimního skútru [35]
25
4 Vlastní návrh sněžné soupravy pro motocykl
V této kapitole se již budu věnovat vlastnímu konstrukčnímu řešení sněžné soupravy, která vyhovuje požadavkům pro malý motocykl.
4.1 Úvod do pásových podvozků
Pro zvýšení průchodnosti terénem, tedy především při pohybu na sněhovém povrchu, se u jednostopého vozidla jeví jako nejlepší možnost pásový pohon. Oproti běžně používaným kolům, třeba i s terénní úpravou dezénu pneumatiky, má celou řadu předností.
V málo únosném terénu je plocha pásu větší a zabraňuje tak častému zaboření podvozku s nemožností dále pokračovat v jízdě. Pásový pohon má také lepší schopnost překonávat překážky v terénu, ať už umělé nebo přirozené. Oproti kolovým dopravním prostředkům (2WD, 4WD) dokáže pásový podvozek (track) přenést větší hnací sílu v závislosti na prokluzu kola. Tyto závislosti jsou znázorněny na obrázku číslo 16 pro porovnání s kolovými vozidly při jízdě po kultivované nebo neobdělané půdě. U pásových vozidel typu tank nebo například u buldozerů a stavební techniky je využíváno k zatočení vozu takzvaného řízeného smyku. Tedy schopnosti vozu utáčet se na místě díky nezávislému pohonu obou pásů. Toto schopnost přináší v konstrukci podvozku lepší využití zastavěného prostoru vozu, který nepotřebuje prostor pro vytočení rejdových kol.
Obrázek 16: Závislost prokluzu na velikosti hnací síly [39]
26
Pásový pohon má samozřejmě i své nevýhody, mezi něž patří zvýšení hmotnosti podvozku vozidla. Navíc počet součástí, které zde přichází do vzájemného kontaktu, zvyšuje hlučnost. S tím souvisí i zvýšení ztrát. Proto se obvykle pro takové vozy využívají motory silnější než u kolových vozidel. Ty však mají zároveň vyšší spotřebu paliva. Oproti kolům dochází při jízdě na pevné komunikaci k horším adhezním podmínkám a tedy i zhoršené stabilitě vozidla při průjezdu zatáčkou.
4.2 Celkové uspořádání
Jelikož se jedná pouze o přestavbu motocyklu pro využití v zimním období, celkové uspořádání je dáno základní geometrií stroje. Zástavbové prostory jsou maximálně využity pro navrhovaný podvozek soupravy. Při návrhu jsem si tedy nejprve vymodeloval základní prvky rámu motocyklu se zadní odpruženou stavbou a následně tvaroval uspořádání tak, aby rozměrově vyhovovalo mému stroji.
Z hlediska možných variant uspořádání hnacích a vodících kol v pásovém podvozku existuje mnoho variant. Z praktického hlediska, ale také z hlediska silových poměrů na napínaném pásu, je vhodné umístit hnací a vodící kola nad úroveň terénu. Při nájezdu na terénní nerovnost nejsou kola tolik namáhána a nehrozí jejich poškození. Jako neodpružená součást pásového podvozku musí přímo navazovat na výstupní hřídel převodovky. Hnací kolo je z konstrukčního hlediska vhodné umístit v zadní části. Síla působící z hnacího kola na pás napíná pouze zadní šikmou část a méně je namáhán pás v celém obvodu. Zároveň se tak dosáhne vyšší mechanické účinnosti, která se u dnešních pásových vozidel pohybuje při maximální rychlosti kolem 15 ÷ 25 %.
Pro mé uspořádání pásového pohybového ústrojí jsem vybíral z několika možných variant, které jsem vymyslel, viz následující schémata. Jako nejlepší uspořádání jsem vybral variantu a), která nejlépe splňuje výše popsané podmínky a zároveň je nejvíce přijatelná z konstrukčního hlediska.
27
Obrázek 17: Schéma uspořádání pojezdových kol v pásovém podvozku
4.3 Požadavky kladené na pásový podvozek
Při návrhu pásového pohybového ústrojí jsem převážně vycházel ze znalostí a literatury získané v oboru vojenských a speciálních vozidel. V tomto oboru je již celá desetiletí zkoumána konstrukce pásových vozidel. Na tyto vozidla jsou zde kladeny ty nejvyšší nároky a řadu z nich lze přenést právě do konstrukce pásového ústrojí v mé navrhované sněžné soupravě.
Hlavním požadavkem pro pásová vozidla, ať už vojenského či záchranářského typu, je zajištění vysoké průchodnosti terénem s celou řadou umělých i přírodních překážek.
Standardně jsou tato vozidla navrhována pro všestranné využití v každém terénu do stoupání v úhlu 30°. Jízda v měkkém a neúnosném terénu musí být stejně tak možná, jako pohyb po tvrdém skalnatém terénu, či pískových dunách. Pro přesun na delší vzdálenosti musí být vozidlo schopno dosahovat optimálních rychlostí se zajištěním jízdní stability. Proto se často používá velmi složitý systém odpružení pohybového ústrojí, s přepákovanými vahadly, napínacími kladkami, hnanými a vodícími koly.
Kritéria:
nízká hodnota měrného tlaku
vysoká průchodnost terénem
dobré adhezní vlastnosti
hladký a plynulý chod pásu s minimálním přenosem vibrací
snadná údržba a montáž podvozku
nízká hmotnost soupravy
28
4.4 Kolejový pás
Na kolejový pás, jak se ve vojenské terminologii pásy nazývají, jsou kladené opět velmi vysoké nároky. Smyslem pásu je rozložit hmotnost vozidla na co největší možnou stykovou plochu tak, aby byla zajištěna dostatečná adheze s vozovkou.
Na rozdíl od pásů bojových vozidel, které musí vydržet zacházení v nejextrémnějším abrazivním prostředí, v mém případě navrhovaného pásu budu jako prioritní terénní podmínky uvažovat jízdu na sněhu. Zde je nutno ovšem zvážit vliv teploty pod bodem mrazu a kontakt s ledovými částicemi. [37]
4.4.1 Vlastnosti zvoleného pásu
Vzhledem k nízké hmotnosti motocyklu a jeho relativně nízkému výkonu se jeví jako nejlepší varianta užití celo-pryžového bezčlánkového kontinuálního pásu. Tedy pásu, který je v jádře vyztužen radiální kordovou a vlákennou složkou, podobně jako u běžné pneumatiky, ale neobsahuje kovové příčné výztuhy. Zároveň je z výroby spojený v jeden celek na požadovanou délku. Výhodou je tichý, plynulý chod a také dobré obepínání kolem hnacích a vodících kol, tak jako je tomu u pryžových převodových řemenů. Tento druh kolejového pásu se používá především pro lehčí zemní a zemědělskou techniku. Na rozdíl od celokovových článkových pásů je použitelný i na pozemních komunikacích, kde zajišťuje dostatečný přenos adhezních sil a neničí vozovku. Má menší hmotnost, nevyžaduje takovou údržbu a nabízí větší životnost i v návaznosti na ostatní součásti, se kterými přichází do kontaktu.
4.4.2 Volba pásu
Protože jsem ve výběru pásu omezen především zástavbovým prostorem zadní stavby motocyklu, musím zvolit pás, který bude mít maximální šířku použité pneumatiky 135 mm a délku v rozsahu 1700 ÷ 2100 mm. Také předpokládám, že pohyb pásu po hnacím
29
kole bude mít větší stranovou vůli oproti rotující pneumatice, a tak by bylo vhodné zvolit pás mírně užší.
Pryžové pásy pro sněžná vozidla jako jsou sněžné skútry nebo pásové systémy pro čtyřkolky mají znatelně větší šířku, obvykle od 220 mm. Vybíral jsem tedy z pásů primárně používaných pro menší zemědělské stroje nebo pro robotické podvozky. Na trhu je jen pár výrobců, kteří se takto malými pásy zabývají. Jedním z výrobců, který vyrábí pás v požadovaných rozměrech 130x29x72 je kanadská gumárenská společnost CAMSO. Primárně je však tento pás vyráběn pro robotická bourací kladiva o hmotnosti 500 kg, a tak má pás příliš robustní konstrukci odolávající velkému zatížení a tedy i velkou hmotnost 12 kg. Podobně je na tom většina dalších výrobců.
Zjistil jsem, že nejvíce výrobců pásů pro robotické podvozky o malých rozměrech pochází z Asie. Převážně čínské firmy nabízí pásy s možností vlastní konfigurace dle požadovaného parametru.
Styková plocha pásu dána jeho šířkou a délkou dosedající plochy je zásadní pro trakci vozidla. Široký a krátký pás má lepší průchodnost terénem. Zvolil jsem tedy maximální možnou šířku pásu a délku vyhodnotil tak, abych příliš nezměnil geometrii motocyklu a dosáhl přitom rozumné hodnoty středního měrného tlaku.
Rozměry pásu jsou stanoveny jeho šířkou, roztečí a počtem zabírajících zubů. Na následujícím obrázku je zobrazené schéma značení. Vnitřní obvod pásu je tedy dán jako součin rozteče a počtu zubů. Dalšími parametry je dána geometrie zabírajících zubů.
30
Obrázek 18: Rozměrové parametry pásu [35]
Zvolil jsem tedy pás o rozměru 130x45x41 - délky 1845mm od čínského výrobce Shanghai Puyi Industrial Company. Tento pás má nízké pryžové patky, které tvoří vzorek pásu a nízkou hmotnost 3,2 kg.
Obrázek 19: Zvolený pás o rozměru 130x45x41 [36]
31
4.5 Záběr hnacího kola s pásem
Aby docházelo k minimálnímu vnikání sněhu a ledu do pohybového ústrojí, zvolil jsem pro svůj podvozek uzavřený pás s vnitřní tvarovou zubovou vazbou. Znemožní se tak vniknutí nečistot skrz pás při jejich přejezdu. Použité hnací kolo je pouze s jedním ozubeným věncem, jinak se pro lepší vedení velkých pásů využívají obvykle ozubené věnce v páru.
U kolejových pásů se běžně používají dva druhy záběrů, takzvané a) cévové a b) hřebenové. Oba druhy záběru jsou znázorněny na následujícím obrázku.
Obrázek 20: Záběr hnacího kola s pásem [37]
U cévového provedení je kontakt hnacího ozubeného kola zprostředkován díky otvorům přímo v pásu. Tato varianta je u malých pásů, které jsem popisoval, častější a má také snazší konstrukční řešení se spolu zabírajícím kolem, ale umožňuje vnikání nečistot do pohybového ústrojí. Hřebenové provedení má z vnitřní části pásu zuby, které tvarovou vazbou zabírají na hnacím kole. U obou řešení je znemožněn pohyb pásu vůči hnacím kolům jak v podélném, tak v příčném směru díky bočnímu vedení kol. Kombinací těchto provedení docílím tvarové vazby podobné ozubenému řemenu.
Protože zubový spoj hnacího kola s pásem pracuje v prostředí, kde do něj vnikají nečistoty, sníh apod., tvoří se mezi zuby obvykle větší vůle. Normální záběr je zobrazen
32
na následující ilustraci viz obr. 21 - a). Rozteč zubů a rozteč článků se volí u pryžových pásů mírně neshodné, tedy tz > tčl, protože při zatížení dochází díky deformaci pryže ke zvětšení rozteče. Nedochází tak zpočátku k nerovnoměrnému zatížení zubů a v záběru se podílí pouze zub vycházející ze záběru. Pro tento záběr viz obr. 21 b) a c) s rozdílnou roztečí tz ≠ tčl se vžil termín záběr speciální.
Obrázek 21: Schéma normálního a speciálního záběru hnacího kola s pásem [37]
4.5.1 Návrh hnacího kola
Hnací kolo je navrženo jako samostatná příruba na náboj s bubnovou brzdou. Upevňuje se pomocí šesti šroubů rozměru M8x30. Profil ozubení je navržen dle pryžového pásu stanoveného výrobce, viz výkresová dokumentace.
Obrázek 22: Zobrazení hnacího polyamidového kola
33
Materiál na výrobu kola jsem zvolil termoplastický černý extrudovaný polyamid PA 6 s přídavkem grafitu, který má dobré mechanické vlastnosti. Těmi jsou vysoká pevnost, tvrdost, dobrá houževnatost a hlavně dobré kluzné a otěruvzdorné vlastnosti. Díky nim se právě často využívá na výrobu ozubených kol.
Polotovar je možné volit jako čtvercovou desku o rozměru 310x50 mm nebo tyčovinu o průměru Ø 310 mm a tloušťce 50 mm. Samotný materiál je dobře obrobitelný za vysokých řezných rychlostí a malého posuvu. Opracování bych volil na univerzálním obráběcím CNC stroji. [24]
Pro lepší vedení pásu je možné umístit z obou stran hnacího kola pomocí závrtných šroubů disky ve tvaru mezikruží, rovněž vyrobené z polyamidového materiálu.
4.6 Napínání pásu
Napínání pásu se provádí tak, aby nemohlo dojít k jeho spadnutí. Míra napnutí pásu však ovlivňuje účinnost celého pásového ústrojí a má vliv na životnost pásů. Mělo by být tedy zajištěné jeho dostatečné předpětí díky zvolenému napínacímu mechanismu, ale ne příliš velké, aby nedocházelo k vytahování pryžového pásu.
U velkých zemních strojů se provádí obvykle hydraulickým přítlakem nebo mechanickým ovládáním s napínací kladkou. Důležité je hlavně tam, kde dochází k pohybu vodících a pojezdových kol, tedy je výhodné použít automatické napínání vyvozené pružinou.
U drobnějších pásových strojů se obvykle využívá mechanické napínání pásu pomocí posuvového šroubu. Toto řešení je hlavně konstrukčně velmi jednoduché a proto jsem ho využil i já u svého podvozku. Poslední vodící (napínací) kola mají umožněný posuvný pohyb na členu zapadajícím do čtyřhranného rámu pásového pojezdového ústrojí. Napnutí kol lze tak snadno zajistit pomocí posuvného šroubu.
34
Obrázek 23: Systém napínání vodících kol
Vyšetření napínací síly se provádí při zrychleném pohybu na základě momentové rovnováhy. Přičemž maximální napínací síla v pásu musí být rovna tomuto zrychlujícímu zatížení. Největší napětí pásu tak nastává mezi zadním pojezdovým kolem a kolem hnacím. [39]
Obrázek 24: Podmínka rovnováhy
35 Výpočet pro jízdu po rovině:
Vstupní hodnoty:
b1 = 130 mm = 0,13 m
x1 = 345,5 mm = 0, 3455 m
Fc = 1112,5 N
Podmínka rovnováhy momentů k bodu 0:
a…maximální možné zrychlení z hlediska stability
Po dosazení do první rovnice → podmínka rovnováhy sil ve vodorovném směru. Stejný tah bude také části pásu nabíhajícího na vodící kladku.
Po dosazení:
Napínací síla vychází Fn = 1846 N.
g a F F
g a
F
Z F
C
n
C y g a x x
F y g a
F
x F y F
C C
C Z
1 1
1
) 1 (
) 2 (
) 3 (
N F
n15 , 4 1846 , 4
81 , 9
5 ,
1112
s m a 9 , 81 15 , 4 /
245 5 ,
385
)
4
(
36
4.7 Základní parametry motocyklu
Navrhovaná sněžná souprava by měla sloužit primárně pro malé motocykly typu skútr o objemu 50 ÷ 125 cm³, jejichž výkon se obvykle pohybuje v rozmezí 3,5 ÷ 11 kW.
Točivý moment takového motoru je od 5 Nm do 15 Nm. Hodnoty maximální hnací síly jsem zjistil z výrobcem reálně naměřených vnějších charakteristik skútru na výstupním kole při konkrétní rychlosti. Největší točivý moment dosahuje motocykl kolem rychlosti 45 km/h, kdy se převodový poměr variátorového převodu pohybuje kolem hodnoty 1.
Převodový poměr výstupní převodovky je pak dán stálým primárním a sekundárním převodem. U tohoto typu motoru s horizontálním uložením válce je pak převodový poměr dle hodnoty počtu zubů vypočítán jako ip = 12,3. [23]
Hodnoty těchto parametrů volím dle sériově vyráběného skútru Aprilia SR 125:
maximální výkon 9,8 kW - při 7200 1/min
maximální točivý moment na motoru 13,1 Nm - při 6750 1/min
točivý moment na zadním kole 180 Nm - při 6750 1/min
rozměr pneumatiky 130/60-13 R13=0,243 m, O13=1,527 m
pohotovostní hmotnost motocyklu 96 kg
hmotnost kol - přední, zadní 9,2 kg, 10,7 kg
rozložení hmotností na nápravy 42/58 % (přední / zadní)
Hodnoty pro navrhovaný motocykl se sněžnou soupravou:
navrhované hnací kolo RHN=0,1504 m, OHN=0,945 m
hmotnost pásového pohybového ústrojí 12,6 kg
zatížení zadní nápravy 57,4 kg
celková hmotnost 98 kg
37
Protože tento motocykl má předepsanou pneumatiku na zadním kole o rozměru 130/60-13, na které jsou tyto hodnoty naměřeny ve válcové zkušebně, hodnoty hnací síly se budou lišit. Z tohoto maximálního momentu je dle následujícího výpočtu vyjádřena maximální hnací síla.
Hnací síla pro navrhovaný rozměr hnacího kola v pásovém pohybovém ústrojí (ppú):
Velikost této hnací síly FHN je jedním z hlavních parametrů pro další výpočty v mém návrhu ppú.
4.8 Výpočet ztrát a silové poměry působící v pásovém pohybovém ústrojí
Hlavním koeficientem zahrnujícím většinu vnitřních ztrát energie při pohybu pásového ústrojí je koeficient účinnosti ηppú . Běžně se zjišťuje experimentálními metodami a zahrnuje v sobě více druhů ztrátových činitelů, mezi které patří:
HN K
HN
R
F M
maxN F
HN1200
150 , 0
180
13 max 13
13 13
max
R
F M R
F
M
K
KN F 740 , 5
243 , 0
180
13
) 5 (
) 6 (
)
7
(
38
ztráty valením pojezdových kol
ztráty třením v čepových spojích a ložiscích kol
ztráty při nárazech nabíhání kolejových pásů na kola a kladky
ztráty při záběru hnacího kola s pásem
ztráty působící od sil napínacích kolejové pásy
ztráty rázy způsobené nerovností vozovky
Dále zde mohou být zahrnuty ztráty od pohybu článkového kolejového pásu.
Základní vzorec pro výpočet koeficientu účinnosti:
4.8.1 Odpor valení
Odpor valení vzniká na základě kontaktu pásového pohybového ústrojí s vozovkou.
Jeho hodnota závisí především na deformaci podloží (sněhové vrstvy). K největší vertikální deformaci dochází pod prvním pojezdovým kolem, tudíž i hodnota součinitele f odporu valení zde dosahuje největší hodnoty. Za tímto kolem již dochází k nájezdu vodících kol na deformované podloží, a tedy se tato hodnota nadále zmenšuje. Na následujícím schématu jsou vyobrazeny silové reakce valivého odporu.
kMax kHN HK
ppú
ppú
M
M P
P
( 8 )
39
Obrázek 25: Reakce valivého odporu [47]
Změna odporu půdy proti valení na následujících kolech se dá popsat vztahem, kde poměr λ ku lo je vyjádřen z pravoúhlého trojúhelníku, jehož přepona je tečna ke kružnici pojezdového kola.
.
Obvykle se tato hodnota součinitele f opět zjišťuje experimentálně a to pro velmi malé rychlosti. Z tabulky těchto hodnot jsem zvolil součinitel pro kontakt pásového podvozku na sněhovém povrchu o hodnotě fstř = 0,175 z intervalu (0,10 – 0,25).
Součinitel valivého odporu se s narůstající rychlostí vozidla snižuje a lze ho stanovit z následujícího vztahu:
Pro maximální předpokládanou rychlost jízdy 45 km/h (12,5 m/s).
Pro průměrnou rychlost jízdy 22,5 km/h (6,5 m/s).
o Ni
pi
F l
F ( 9 )
)
2001 , 0 0008 ,
0
( v
f
f
f
stř ( 10 )
144 , 0 5
, 12 ) 001 , 0 0008 ,
0 ( 175 ,
0
2max
f
167 , 0 25
, 6 ) 001 , 0 0008 ,
0 ( 175 ,
0
2max
f
) 11 (
)
12
(
40 Celkový odpor valení se pak vypočte ze vztahu.
Pro konkrétní hodnoty při jízdě po rovině.
4.8.2 Hnací síla
Hnací síla je jediná vnější síla působící na vozidlo při jízdě po rovině. Vychází z převodového ústrojí na hnací kolo a prostřednictvím kolejových pásů se snaží uvést vozidlo do pohybu. V následujícím schématu je zobrazen přenos sil. Hnací síla je dána jako výslednice sil působících v pásovém pohybovém ústrojí, které jsou rovnoběžné s vozovkou. Jde o síly z hnaného kola na rám motocyklu a sílu působící v posledním pojezdovém kole na rameno ppú. Z této rovnováhy je zřejmé, že výsledná síla je dána jako vlastní hnací síla získaná z maximálního točivého momentu daného motocyklu.
Obrázek 26: Schéma hnacích sil na ppú
N O
f 0 , 167 57 , 4 9 , 81 94
H H
H
VH
F F F
F cos ( 1 cos )
cos
f F f m g
O
f stř N stř) 14 (
)
13
(
41
4.9 Hmotnost vozidla a vliv neodpružených hmot
U pásových vozidel se často potýkáme s velkým podílem neodpružených hmot, které mají negativní vliv na vibrace vozidla. Proto se je snažíme snížit na minimum například použitím jiných materiálů. U hnacích a vodících kol, která jsou obvykle pevně spojena s převodovým ústrojím, se nelze vyhnout neodpérovaným hmotám. Pokud je to však možné, u ostatních částí pohybového ústrojí, zejména u vodicích kol, kde dochází ke kontaktu s vozovkou, se snažíme užít vhodného odpružení.
Mé konstrukční řešení v první fázi vývoje však nepočítá s přídavnou pružící a tlumící jednotkou v pohybovém pásovém ústrojí. Beru v úvahu, že pásová část podvozku bude najíždět na poddajný sněhový povrch, který bude přední částí podvozku (lyží) dostatečně upěchovaný. Dále také předpokládám dostatečný útlum vibrací na originálním centrálním tlumiči zadní stavby motocyklu.
Zadní kyvná vidlice skútru je pouze jednostranná a je vyrobena jako hliníkový odlitek.
Navrhl jsem proto přídavnou vidlici na pravé straně, aby nedošlo k jejímu poškození vlivem větších bočních sil působící na hnací hřídel. Tato úprava se občas využívá u závodních skútrů pro jízdu na okruhu.
Obrázek 27: Návrh pásového pojezdového ústrojí
42
4.10 Střední měrný tlak na vozovku
Smyslem pásu je mimo jiné rozložit hmotnost vozidla na co největší možnou stykovou plochu s vozovkou tak, aby došlo k minimalizaci měrného středního tlaku na vozovku.
Nízká hodnota středního měrného tlaku nám pak výrazně ovlivňuje průchodnost nezpevněným terénem a způsobuje značné zaboření náprav do vozovky. Na sněhu nebo pískovém povrchu to také výrazně ovlivní nárůst odporů bočních sil na pásový podvozek.
Příklady středních měrných tlaků:
bojová pásová vozidla 60 ÷ 90 kPa
pásové traktory 25 ÷ 50 kPa
pásové mini nakladače 25 ÷ 35 kPa
Dospělý člověk o hmotnosti 80 kg a velikostí bot 39 ÷ 44 EU došlapuje na jednu nohu tlakem o velikosti 38 ÷ 48 kPa. Tyto hodnoty jsem spočítal z plochy otisku obuvi o patřičné velikosti.
Výpočet středního měrného tlaku pro navrhovaný pásový pohon
Pro tento výpočet volím mírně idealizovaný přístup a budu nejprve předpokládat, že hodnota středního měrného tlaku se projeví jako spojitě zatěžující. Nosník namáhaného pásového ústrojí proto uvažuji jako dokonale tuhý a vzhledem ke krátké pojezdové ploše nepředpokládám zvýšené špičky tlaku pod pojezdovými koly, jak by tomu ve skutečnosti bylo dle následující ilustrace.
Obrázek 28: Rozložení tlaku pod pásy [37]
43
Vstupní hodnoty pro výpočet vychází z rozměrů navrhovaného pásu, tedy z přesné rozteče krajních pojezdových kol. Avšak s úvahou mírného nájezdového úhlu, který prodlužuje dosedací plochu pásu, by tato plocha byla ve skutečnosti o něco větší a tedy i výsledná hodnota středního měrného tlaku se změnila. Celková zatěžující hmotnost je součtem zatížení zadní nápravy s pásovým pohybovým ústrojím a 70% zatížením na zadní nápravu jezdcem o hmotnosti 80 kg.
Vstupní hodnoty:
b1 = 130 mm = 0,13 m
l = 630 mm = 0,571 m
m1 = 57,4 + 56 = 113,4 kg
Výsledná hodnota středního měrného tlaku tohoto výpočtu se jeví jako velmi nízká v porovnání s ostatními hodnotami známých strojů a tlaku lidského chodidla. To je zajisté velmi výhodné ve prospěch takto malého rozměru pásu. Hodnota středního měrného tlaku by pod pásem působila spojitě pouze za předpokladu osové síly namáhající celé pásové pohybové ústrojí tak, jak je zobrazeno na následující ilustraci.
1 1
1
1
b l
g m S
P F
p z
stř
( 15 )
571 , 0 13 , 0
81 , 9 4 , 113
1
P
střkPa Pa
P
stř1 14986 , 6 15
44
Obrázek 29: Zobrazení spojitého působení tlaku
Ve druhé části výpočtu se již zaměřím na přesnější interpretaci výsledného měrného tlaku. Protože je tato zatěžující síla posunuta od osy nosníku o excentricitu e, dá se předpokládat, že výsledná hodnota měrného tlaku se bude trochu lišit na nájezdové straně pásu a pod posledním pojezdovým kolem.
Obrázek 30: Zobrazení nespojitého působení tlaku
Metoda pro tento výpočet vychází z rovnováhy celkové působící zatěžující síly a nespojitého zatížení, které vyvolává výsledný měrný tlak.
45
Výpočet maximálního měrného tlaku pod kolejovým pásem
Vstupní hodnoty:
a1 = 348,5 mm = 0,348 m
Pstř = 14986,6Pa15kP
Fc = 113,4*9,81 = 1112,5 N Ze schématu je patrno:
Statická rovnice rovnováhy:
Momentová rovnice k bodu 0:
l q
F
C
s ( 18 )
) 19 ( P
P
P
max
stř ( 16 )
2 2
1
3
4 ) 2
( l q l
q q
x
F
C
s
s
C
q
l x
q F
5
3 5
6
2 1
b q b
l x F b
q
C s5 3 5
6
2 1
/ b
1stř
s
P
b q
b l P
x
q F
C
stř
5
3 5
6
2 1
b P
q
s
stř ( 17 )
)
20
(
46 Číselně:
Maximální hodnota kontaktního tlaku bude 17 kPa, a tedy se rozdíl zatížení nájezdových kol změní jen o 2kPa.
4.11 Součinitel adheze
Přestože tato schopnost přenosu tečných sil pro přilnutí dvou rozdílných materiálů závisí na více faktorech, zjednodušeně se dá popsat vztahem.
Maximální adheze se pak dosahuje při hodnotě skluzu 20 ÷ 40 % a její součinitel pro sníh se pohybuje v rozmezí φ = 0,2 ÷ 0,8. Vliv na tuto hodnotu má především teplota, kdy se největšího čísla dosahuje kolem 0° C. Dále pak velikost žeber zabořujících se do půdy, kdy při jejich optimální výšce může hodnota adhezní síly dosahovat téměř hodnoty normálové síly FN. Současně však narůstá odpor valení, který má nejvýznamnější vliv na velikost odporových sil. Pro zvolenou střední hodnotu φstř = 5 pak číselně vychází.
Z výsledku je patrné, že při maximální hnací síle FHN = 1200N může dojít k prokluzu kolejového pásu vlivem hnací síly.
m q N
q
7 , 259
13 , 0 6 , 14986 5
3 571
, 0 5
34855 ,
0 5 , 1112 6
2
Pa P
P
b P q
P
P P
P
stř stř
3 , 16984
13 , 0
7 , 6 259 , 14986
max max max max
N
ad
F
F
N F
ad 0 , 5 113 , 4 9 , 81 556
) 22 (
) 23 (
)
21
(
47
4.12 Odpor sklonu
Další důležitou odporovou silou, která by měla být ve výpočtech zahrnuta, je odpor sklonu (stoupání). Maximální stoupavost vojenských pásových vozidel uvažuje sklon 30° (66,6%). V praxi se dle norem pro projektování pozemních komunikací udává jako maximální hodnota sklonu na pozemních komunikacích 6,75° (15%). Celkové zatížení volím ze součtu hmotnosti jezdce 80 kg a hmotnosti stroje 98 kg.
Obrázek 31: Silové působení na vozidlo ve svahu [47]
Odpor stoupání vyšetřím pro několik hodnot sklonu vozovky dle silového působení na nakloněné rovině. Z této rovnováhy plyne vztah.
Zjištěné hodnoty pro různý sklon vozovky:
Úhel svahu [ °] Sklon [%] Odpor sklonu [N]
6,75 15 205
10 22,2 303
20 44,4 597
30 66,6 873
40 88,8 1 122,4
sin
G
O
s( 24 )
48
Z tabulky je vidět, že při maximální hnací síle 1200 N už by bylo svah o úhlu 40°
možné vyjet jen těžko, protože na pásový podvozek působí mimo odpor stoupání i další významné odpory, z nich nejvýznamnějším bude poté odpor valení. Nepředpokládám však, že by takto malý motocykl byl používán v náročnějším terénu ve svahu více než 30°.
4.13 Odpor vzduchu
Vzhledem k nízké uvažované maximální rychlosti jízdy do 45 km/h na sněhu, lze předpokládat, že tyto ztráty mohou být zanedbány. Na následujícím příkladu je vyjádřena výsledná hodnota odporové síly vzduchu.
Vstupní hodnoty:
maximální rychlost v = 45 km/h = 12,5 m/s
součin čelní plochy a součinitele odporu vzduchu cx.
Sc = 0,45 Vztah pro výpočet:
Číselně:
4.14 Celkové odpory působící na hnací pojezdové ústrojí
Jedná se o rovnováhu sil působících ve směru jízdy vozidla a zahrnuje všechny předchozí hodnoty jízdních odporů. Odpor zrychlení nebudu uvažovat, protože hodnota zrychlení by musela být empiricky zjištěna na skútru se sněžnou soupravou.
Na základě celkové odporové síly lze pak stanovit účinnost využití hnací síly na pásovém pohybovém ústrojí.
c x
v
