Здравствуйте, меня зовут Николай и я алко... хуже, я соучастник и организатор изобретения дифференциала для дорожного катка (да, слово «соучастник» здесь подходит лучше всего, потому что таких преступлений против логики и здравого смысла надо ещё поискать...)
Начиналось всё как всегда: лето, отпуск, велопокатушки и, разумеется, безумные идеи. Как правило, навеянные окружающей действительностью — в данном случае состоянием дорог, с которых мы только что вернулись. Зелёный чай стимулировал расслабон усталых ног и активацию филонившей до этого головы, пока ноги таскали её по буеракам. В этом состоянии приходят самые безумные креативы, касающиеся транспорта в целом — и внедорожного в особенности.
Главный недостаток любого привода, хоть 4×4 — он роет две колеи. Рано или поздно любая техника ляжет на брюхо. Какой же он должен быть, внедорожный «язь моей мечты»? По предварительному сговору, в составе организованной группы, мы совершили жестокое убийство здравого смысла (друг сперва немного сопротивлялся, но известная садистка мадам Скука быстро объяснила ему, что бывает с теми, кто идёт против воли главаря) — конечно, машина должна иметь спереди и сзади два катка во всю ширину! Тогда она не сможет «утоптать» на дороге ничего такого, в чём бы потом не смогла сама пройти. И даже немного сможет выровнять дорогу для транспортных средств попроще.
Следующей пала логика. Да, оно нежизнеспособно. Ерунда, притянем за уши! Давайте героически решать все проблемы, которые только что создали!
— Как оно будет поворачивать?
— О, это самый лёгкий вопрос! Для техники попроще — просто поворачиваем весь каток (размеры передних арок? Да хрен с ними!), для техники покруче — переднюю половину сочленённой рамы!— Откуда оно возьмёт сцепление с дорогой, каток же!
— Тоже ничего сложного! Сделаем каток наборным, из автомобильных колёс! Ну и что, что придётся переобувать по сезону две «гусеницы» по 10 шин каждая... Зато весь каток будет с «грязевым» протектором!— А что будет, когда оно на дорогу выйдет?
— Ой... ему же дифференциал нужен...
Дифференциал, позволяющий колёсам вращаться «вразнобой», но не позволяющий проворачиваться впустую какому‑то одному вывесившемуся над ямой колесу (а как нетрудно видеть, это будет совершенно нормальным состоянием для катка, составленного из отдельных колёс). Совершенно очаровательная инженерная задача. Я предлагаю читателю взять здесь паузу и подумать, как бы он её решил. Подсказка: всё дело в правильной постановке ТЗ.
Справились? Ну конечно же, надо просто поставить задачу максимально узко: разница угловых скоростей между двумя соседними колёсами должна быть одинаковая по всему катку. Для входа в поворот этого более чем достаточно: если наружное колесо вращается со скоростью 109%, а внутренее — 91%, то остальные 8 должны представлять ряд 93%, 95%, 97%, 99%, 101%, 103%, 105% и 107%.
Услышав эту формулировку, друг мгновенно оживился и нанёс кривым разбойничьим ножом своей отточенной мысли удар милосердия агонизировавшим Здравому Смыслу и Логике. Надо просто посадить все колёса на общую свободную ось и связать соседние попарно через сидящую на оси шестерню. Вот так:
Нет, ну правда. На общей оси (зелёный) сидят крестовины (тоже зелёный), а на них свободно вращаются (как сателлиты на водиле в планетарке) конические уравнивающие шестерни (красный). На этой же оси свободно сидят колёсные диски (синий), сделанные зацело со своими коническими шестернями (голубой). Всё это уютно упрятано внутри шин (все оттенки серого). Как нетрудно видеть, каждое следующее колесо может обогнать каждое предыдущее ровно на одну и ту же угловую величину, потому что ось с висящими на ней уравнивающими сателлитами при этом повернётся на половину этой величины — а ось у всех одна.
Теперь достаточно просто привести крайние колёса в движение обычным дифференциалом, и конструкция будет ехать, пока хотя бы два колеса из десяти имеют хорошее сцепление с грунтом (как, собственно, и обычный дифференциал — но из двух колёс одно остаётся в одиночестве намного легче, чем из десятка).
-
— А сколько же грязи наберёт этот делительный вал, причём прямо в шестерёнки? А как пробитую резину менять? Да как его собрать хотя бы, каждую крестовину вытаскивать, что ли?
— Логика и здравый смысл, вы снова тут? Откуда? Вы же умерли?
Короче говоря, если кому‑то остро нечего делать летом и возможностей полный сарай, как у Доктора Дью — этот смельчак может попробовать собрать и поставить один такой каток сзади на квадрик. Будет весело (это точно), причём не в том смысле, как в Dwarf Fortress (а вот это не точно). Откуда брать столько шестерёнок — сказать сложно, столько даже у чувака из Factorio нету. Видимо, нужен дядя‑сторож с шестерёновой фабрики.
Также остаётся в силе предложение по отдаче рамы «Лунохода» любому смельчаку, у которого есть три мотор‑колеса нужного размера (ну или есть откуда их снять на время экспериментов). С городами возможны небольшие варианты. Спойлер: у «Лунохода» были прототипы на Ютубе, мельком упомянутые во введении, кто найдёт самый конструктивно похожий — тот молодец, мы не справились (возможно, видео давно удалили).
Комментарии (24)
AKudinov
25.04.2024 02:29+1Для слабонесущих грунтов есть снегоболотоходы на огромных надувных колёсах. Идея опоры на поверхность всей площадью доведена до совершенство у "судов" на воздушной подушке. Но там, да, свои... недостатки есть. А универсального решения, чтобы хорошо было везде, нет, увы.
Я поставлю на внедорожник огромную "грязевую" резину и заблокирую дифференциалы, и в грязи будет хорошо. Но на асфальтированной дороге совсем плохо.
mpa4b
25.04.2024 02:29+2предложенная конструкция приведет к тому, что чётные по порядку колёса вращаются с одной (у всех одинаковой) угловой скоростью, а нечётные -- с другой.
NickDoom Автор
25.04.2024 02:29+1Ну если они все вывешены над ямами, тогда, наверное, и такое возможно… чёрт, надо на 3D-принтере сделать макет и покатать по карандашам на столе :) штука оказалась интереснее, чем казалась буквально вчера :)
Может быть, что описанное мной условие слишком смелое — сцепления двух колёс с дорогой недостаточно для движения. Это ещё должны быть обязательно одно чётное и одно нечётное :)
mpa4b
25.04.2024 02:29Ну это очевидно, по сути у вас ровно один дифференциал, продублированный несколько раз. Все чётные колёса -- одна "сторона" дифференциала, все нечётные -- другая.
rezedent12
25.04.2024 02:29+2А не лучше ли в таком случае использовать электротрансмиссию? Каждое колесо вращать отдельным асинхронным двигателем.
wazzard
25.04.2024 02:29+2Можно просто уйти от дифференциала и поставить в ряд несколько колес со встроенным электромотором, управлять через какой-нибудь контроллер.
Если конечно этот полет мысли не был нацелен именно на механику. Просто смущает такое большое количество шестерней в одной движущейся детали:)
NickDoom Автор
25.04.2024 02:29Да, в тот момент хотелось не новомодных решений (дело давнее, гибридные автомобили были ещё свежачком), а проверенной, безотказной механики, простой и надёжной, как упавшие в болото часы с кукушкой :-D
Сейчас же это уже скорее «прикол ради прикола», типа этого вот :) Для практических нужд уже можно в самом деле сложить каток из мотор-колёс, это позволит каждому иметь свою подвеску и по-максимуму использовать то, что условно называется «дорога», да и поворачивать можно по-автомобильному, а не «всем катком» (небольшие зазоры между отдельными мотор-колёсами на это потребуются, но это не смертельно). Буферный литий-титанатный аккумулятор между мотор-колёсами и таким вот движком прекрасно решит проблему КПД, подсъеденного двойным преобразованием. Вероятно, даже в плюсе останемся (пятитактник такой пятитактный).
Или просто взять немца и добавить ему ещё четыре колеса спереди и шесть сзади :) Но для этого надо у них в R&D работать, это доступно «не только лишь всякому» :)
Batalmv
25.04.2024 02:29Смотрите. Для начала давайте сверим часы. Обычный, т.е. свободный дифф делит момент ровно 50/50 и по закону Ньютона "сила действия равна силе противодействия" позволяет реализовать момента не больше чем есть силы трения на колесе с меньшим зацепом.
Т.е. для простого монопривода, если одно колесо стоит на льду, то момент делится ровно 50 на 50 и его ровно "чут-чуть", так как сила трения колеса со льдом исчезающе мала. Т.е. двигатель в такой ситуации молотит впустую, так как трансмиссия и колеса дают малое значение сопротивления
Поэтому меня эта фраза
Теперь достаточно просто привести крайние колёса в движение обычным дифференциалом, и конструкция будет ехать, пока хотя бы два колеса из десяти имеют хорошее сцепление с грунтом (как, собственно, и обычный дифференциал — но из двух колёс одно остаётся в одиночестве намного легче, чем из десятка).
вводит в состояние, что я ничего не понял
---------------
Идем дальше, чтобы решить проблему, вводят дифф с блокой, полной либо частичной. Полная блока фактически позволяет перенаправить весь момент на одно колеса (привет полуоси, которые надо делать толще, чем на приводу со свободным диффом), но не позволяет вращаться с разной частотой (привет трансмисси в момент поворота на покрытии с хорошим покрытием). В современных авто есть схемы с автоблокировкой либо вручную. Дальше вы можете погуглить и решить что к чему
Главное что вам надо помнить
на хорошем покрытии свободного диффа достаточно, так как он делить момент "ПОРОВНУ" и равно то количество, которое дает минимиально зацепленное колесо независимо от количество колес
на скользком покрытии можно смело блокировать все что есть, так как проскальзывание не будет вредить трансмиссии
Соответственно вопрос, зачем усложнять давно придуманный парт-тайм, тем более для такой спец техники?
Ну и главное, вы это все от одного вала приводите в движение?
NickDoom Автор
25.04.2024 02:29Ну и главное, вы это все от одного вала приводите в движение?
Да, мозголом изрядный. Как бы это по-человечески объяснить… допустим, сняли c обычного диффера оба колеса и цепями перекинули момент с него на крайнее левое и крайнее правое колесо этой «колбасы», а он где-то в сторонке стоит.
Если бы там просто было два этих крайних колеса, то было бы всё как всегда: одно вывесилось, второе перестало тянуть. Но поскольку они сидят на делительном валу, который навязывает им определённые соотношения, несколько других колёс (которые всё ещё хорошо сцеплены с дорогой) тоже должны будут провернуться на соответствующие доли оборота, а поскольку они с дорогой сцеплены — будут тянуть.
Вопрос, сколько и каких колёс надо вывесить, чтобы они могли проворачиваться, пока вся остальная орава стоит на возвышенности и филонит — всё ещё открыт. Он оказался интереснее, чем я думал :) В реальности, конечно, между колеями обычно горб, по которому оно будет переть всей серединой со всей дури, но речь о наихудшем случае, о злонамеренно расположенных ямках :)
Batalmv
25.04.2024 02:29Но поскольку они сидят на делительном валу, который навязывает им определённые соотношения
Ну они ж зависят от радиуса поворота
Плюс вы же должны понимать, что сила внедорожника в ходах подвески, чтобы "дотянуться" по опоры. А ходы подвески - это банально длина ее элементов как по вертикали (стойки + пружины), так и по горизонтали (рычаги). Иначе банально вы словите ситуацию, когда вы успешно решили ситуацию с "блокой" свободного диффа, но в итоге получили два колеса из 10, и уже их тяги банально не хватает (так как реальная тяга == силе сцепления с опорой, которую можно получить в точке, где авто до нее "дотянулось" ведущими колесами
Т.е. важно не только иметь возможность передать да 100% тяги на колесо с зацепом, но и просто иметь этот зацеп на большем числе колес. И массу поменьше, иначе и лебедка не вытянет
NickDoom Автор
25.04.2024 02:29Ну они ж зависят от радиуса поворота
Так соотношение «между любыми двумя соседними всегда одинаковая разница в скорости» вполне подходит к любому повороту… а на прямой она просто в ноль обращается…
Batalmv
25.04.2024 02:29Так соотношение «между любыми двумя соседними всегда одинаковая разница в скорости» вполне подходит к любому повороту… а на прямой она просто в ноль обращается…
Тут либо "одинаковая", либо "обращается". А если взять разницу между передними и задними ... то вообще все плохо
Mishootk
25.04.2024 02:29А раскритикуйте такую схему. Сначала пространственно разнесем колеса так, чтобы к каждому можно было подключить классический дифференциал. Раздаем им моменты на левый и правый борт. Далее с каждой оси еще одним дифференциалом делим момент пополам. Далее еще пополам. Мы можем ставить количество колес равным степени двойки - это единственное ограничение. Обычная машина 4на4 - это макет такого дифференциала с 4 колесами на одной оси. Все проблемы блокировок и вывешивания наследуются и понятны.
Задачу компоновки предлагаю решать сателлитным раположением. Т.е. каждый следующий уровень дифференциалов располагается на внешней орбите по отношению к предыдущему (оси всех шестерней параллельны главной оси колес). По сути много труб разного диаметра и длины одна в другой, между которыми на сепараторах стоят шестерни. Сложно? Сложно. Но сейчас рассматриватеся прототип. Как там внутри управлять блокировками еще не придумал. Не исключено, что будет достаточно общего пакета фрикционов, который притормаживает каждое колесо с соседними - просто управлять сжатием колес с двух сторон. Пока все в лабораторных условиях, без грязи.
NickDoom Автор
25.04.2024 02:29Ну тут один большой минус — оно не живёт без блокировок, потому что достаточно вывеситься всего одному колесу из «колбасы». А с ними оно получается как бы не ещё сложнее этих «часов с кукушкой» %)
Хотя если там блокировки на вискомуфтах сделать, то работать будет, т. к. каждая муфта добавляет сопротивления на каждом шаге деления. То есть одно вывесившееся над ямкой колесо оно просто не заметит, два — заметит, если они относятся к одному «младшему биту», то есть рядом, но заметит не очень сильно, ну и так далее.
А поворачивать будет нормально, потому что «старший бит» связан всего одной муфтой, а сопротивление всех муфт влияет только на «младший бит» — а соседние колёса и так не особо отличаются по угловой скорости.
mpa4b
25.04.2024 02:29Так и делают обычно. Первый дифференциал можно сделать несимметричным например с делением моментов 1 к 2 (обычный планетарный редуктор). Далее меньший момент можно пустить на переднюю ось 3-осного грузовика, а больший на спарку двух задних, где есть дополнительный симметричный межосевой. И т.д.
murkin-kot
25.04.2024 02:29Вместо поворота нужно некоторое время ехать боком.
Ставим монолитные катки, два, одни спереди, другой сзади. При повороте поворачиваем оба катка одновременно. Но ведущий каток поворачиваем на немного больший угол, чем задний. В итоге пока корпус медленно поворачивается, едем мы уже в нужную сторону. В конце процедуры уравниваем углы катков относительно корпуса и поворачиваем их в направлении движения.
Да, в момент начального поворота на угол, где-то недалеко от угла изменения направления, будет скрежет. И в конце цикла тоже. Но мы ведь про внедорожную технику, иначе зачем нам пустоту между колёсами поддерживать? Зато изнашивающиеся на поворотах катки легко заменить.
ЗЫ. Есть ведь расчёты неравномерности износа колёс при повороте? Применяем эти формулы к колесу метра два шириной и получаем точную оценку жизнеспособности конструкции с монолитом. А вот с дифференциалами жизнеспособность вообще непонятно как считать.
Razoomnick
25.04.2024 02:29А если так:
Независимо от конфигурации колес и их количества к каждому колесу подводится привод, все приводы вращаются с одинаковой угловой скоростью. По сути - жесткая связь с двигателем через редуктор.
Каждое колесо приводится во вращение через обгонную муфту. Быстрее привода вращаться можно, медленнее - нельзя.
Тогда на бездорожье грести будут все, и никакое вывешивание не снизит момент на колесах с зацепом. А на хорошем покрытии в поворотах толкать механизм будут внутренние колеса, остальные будут свободно вращаться быстрее приводов.
Из плюсов - предельная простота конструкции и ноль дифференциалов.
DrZlodberg
25.04.2024 02:29+1Из минусов - в каждом повороте на одно из колёс будет прилетать весь момент разом. Постоянно будет срывать внутреннее колесо при плохом сцеплении. Более того, даже просто при перестроении будет. Ооочень весёлая машина получится
Mishootk
25.04.2024 02:29Если ось выполнить в виде единого ротора, а каждое колесо как независимый статор, и ротор вращать механически, получим пакет электромуфт. Машинка по-любому тихоходная получается, сердечник крутим быстро, момент должен хороший выдаваться. Из достоинств хорошая механическая износоустойчивость. Для реализации обычных мотор-колес нужна электроустановка, т.е. или чистый электромобиль или гибрид. А с такой изолированной электромуфтой обходимся обычной установкой двс, большие токи ей не требуются для подведения снаружи.
maxdm
25.04.2024 02:29
DenSigma
25.04.2024 02:29Мне кажется, надо подвеску, как задная пружинная балка у авто, возможно на передней подвеске - с гидроуправлением для борьбы с перекосом кузова. На каждом пере по паре колес на валу. Усилие - электромотором - колесом. Уже лучше. Чтобы не рыло колею, надо добавить еще по одному перу в середине. Таким образом, при колее, зацеп будет вестить срединными колесами, а крайние будут просто держать равновесие. Ну и поворот, как у Кировца.
RusikR2D2
Подозреваю, что ездить оно будет только по идеальной дороге. Т.к. стоит одному колесу потерять сцепление с поверхностью, и весь крутящий момент пойдет через него. Именно для этого на внедорожники ставят блокировки дифференциала.
А на неровной дороге большая часть составного колеса не будет касаться поверхности