77. Шасси: колёса, стойки, амортизаторы #
Шасси: колёса, стойки, амортизаторы
Категория 7: Прочность конструкции БПЛАШасси — единственный узел, который должен деформироваться по заданию: поглощать энергию посадки, не трогая раму, батарею и электронику. Здесь — типы шасси (колёса, санки, стойки), расчёт пиковой перегрузки и требуемого хода амортизации (n = 1 + v²/(2sg)), нагрузка на колесо (включая «одно колесо в воздухе»), давление на грунт и подбор амортизатора. Формулы напряжений — статья 66, усталость — 67.
Содержание
1. Цели статьи
Справочник по шасси БПЛА: типы, расчёт нагрузки и хода амортизации, нагрузка на колесо, давление на грунт, подбор амортизатора. Материал рассчитан на инженера, который проектирует посадочные узлы для мультиротора или крылатого БПЛА и должен собрать их так, чтобы энергия посадки ушла в стойку, а не в раму.
- Выбрать тип шасси: колёса, санки, фиксированные стойки с пружиной/телескопом.
- Рассчитать пиковую перегрузку посадки (n = 1 + v²/(2sg), статья 73) и требуемый ход амортизации s.
- Учесть «одно колесо в воздухе»: при касании двумя колёсами каждое несёт полный вес с перегрузкой.
- Проверить давление на грунт (σ = P/A_контакта) под конкретное покрытие.
- Подобрать амортизатор (жесткость, ход) и предусмотреть зону смятия.
Позиция в категории 7. 73 — откуда берётся пиковая перегрузка, 75 — нормы (стойки 10–15 g), 77 (эта) — устройство и расчёт шасси, 78 — крейш-стойкость (парашюты, «жёсткая» посадка). Испытания шасси — статья 76, задача 5.
2. Глоссарий величин
Полный перечень величин с единицами измерения.
| Величина | Обозначение | Единицы | Типичные значения |
|---|---|---|---|
| Вертикальная посадочная скорость | v | м/с | мультиротор 0,5–3; крылатый 3–6 (вертикальная составляющая) |
| Ход амортизации (деформация) | s | мм | 20–100 |
| Пиковая перегрузка | n_пик | безразмерный | 5–15 |
| Нагрузка на колесо/ножку | P_кол | Н | 20–500 |
| Жесткость амортизатора | k | Н/мм | 5–50 |
| Деформация амортизатора | x | мм | x = P_кол/k |
| Площадь контакта с грунтом | A | мм² | 500–5000 |
| Давление на грунт | σ_грунт | МПа | допустимо 0,1–1 (зависит от покрытия) |
3. Типы шасси и расчётная нагрузка
Типы посадочных узлов. [Шасси — Landing_gear (рисунок — Wikipedia) / Шасси летательного аппарата; носовая стойка — Nose_gear]
| Тип | Где | Поглощение энергии | Особенности |
|---|---|---|---|
| Колёса (накачанные/пено/вездеход) | крылатые, тяжёлые мультироторы | амортизатор стойки + упругость шины | катание, зацепление за неровности |
| Санки (скиды) | мультироторы 0,5–3 кг | смятие/изгиб санки, эластомер | простые, лёгкие, «всё прощают» |
| Фиксированные стойки + пружина | лёгкие крылатые, планеры | пружина (возвратная деформация) | многократная посадка без смятия |
| Телескопические стойки | крылатые 1–10 кг | трение + смятие втулки (несмываемое) | каждая жёсткая посадка «съедает» ресурс |
Расчётная нагрузка. Пиковая перегрузка посадки (статья 73): n_пик = 1 + v²/(2sg). С неё начинается расчёт стойки. Дополнительно — правило «одно колесо в воздухе»: при касании двумя колёсами (третий оторван — перекос, порыв, неровность) каждое из двух несёт n_пик·m·g/2 вместо /3.
Шасси рассчитывается на «жёсткую, но не катастрофическую» посадку. Нормальная посадка — 50–70 % от расчётной скорости; расчётная — жёсткая (ветер, перекос, ошибка пилота). Катастрофическое падение (v больше 2–3 раз от расчётной) шасси не должно «спасать» — это задача крейш-стойкости (статья 78).
4. Стойки и поглощение энергии
Энергия посадки E = m·v²/2 (Дж) должна поглотиться деформацией. Из n_пик = 1 + v²/(2sg) требуемый ход амортизации:
s = v²/(2·(n_пик − 1)·g)
То есть: задумали n_пик = 10 (норма стоек, статья 75) и v = 3 м/с — получаем s = 51 мм (задача 1). Ход складывается из: смятия стойки (50–70 %), хода пружины/эластомера (20–40 %), просадки шины (10–20 %).
Зона смятия. Несмываемая деформация (смятие алюминиевой трубки) — самый дешёвый и надёжный поглотитель: энергия ушла в геометрию, деталь «одноразовая» до правки/замены. Правила:
- Смятие — в расчётной зоне (утолщение/вырез/слабое сечение), не в месте крепления к раме.
- После жёсткой посадки стойка осматривается (статья 76): смятие вне зоны — деталь в брак.
- Алюминиевая трубка не должна рваться при смятии: стенки тоньше 1,5 мм — риск разрыва (скола), толще 3 мм — большая сила смятия (n_пик вырастает).
5. Колёса и санки
Нагрузка на колесо: P_кол = n_пик·m·g/N_кол (N_кол — число несущих колёс; при «одном в воздухе» — N_кол − 1). [Шина — Tire / Шина транспортного средства] Давление на грунт: σ_грунт = P_кол/A_контакта, где A_контакта — площадь пятна (для накачанной шины ≈ ширина × длина пятна, длина ≈ диаметр/4 при среднем давлении).
| Покрытие | Допустимое σ_грунт | Что делать при превышении |
|---|---|---|
| Асфальт, бетон | 1–3 МПа | — (лимит — колесо/стойка) |
| Дёрн, трава (сухая) | 0,2–0,5 МПа | шире колесо, ниже давление |
| Песок, грунт влажный | 0,1–0,2 МПа | вездеходные шины (обода-«лыжи») |
| Снег, снег мокрый | 0,05–0,15 МПа | лыжи/шипы, санки |
Санки. Нагрузка распределяется вдоль дуги: σ_грунт = P_ножка/(длина·ширина). Санки выигрывают в «мягких» грунтах (площадь контакта большая) и проигрывают в катании (нет качения) — для мультиротора, который садится вертикально, это не важно.
Выбор колеса: диаметр под неровности покрытия (неровность меньше 1/3 диаметра — колесо «переезжает», иначе — удар); ширина под σ_грунт; тип: накачанное (дорога, асфальт), пено (без проколов, мягкий грунт), вездеход (песок/снег — большая площадь).
6. Амортизаторы
Амортизатор превращает удар в деформацию. [Амортизатор — Shock_absorber / Амортизатор] Три типовых варианта:
| Тип | Как работает | Подбор | Где |
|---|---|---|---|
| Пружина (возвратная) | сжимается, потом разгоняет | k = P_кол/x_доп (Н/мм) | планеры, лёгкие крылатые |
| Эластомер (резиновая втулка) | срез/сжатие резины, гасит (внутрение трение) | по каталогу: нагрузка, ход | мультироторы, стойки моторов |
| Телескоп (труба в трубе) | трение + смятие втулки (несмываемое) | сила трения 0,3–0,5·P_кол; ход по s | крылатые 1–10 кг |
Подбор пружины (простейший случай). Требуемый ход x_доп (мм) = s_стойки (часть хода, приходящаяся на пружину). Жесткость: k = P_кол/x_доп. Проверки: статическая деформация (x = P_стат/k, P_стат = mg/N_кол) — не больше 30 % хода (иначе пружина «пробита» в спокойном полёте); частота подвески f = (1/2π)·√(k·1000/m_навес) (k — в Н/мм, m_навес — масса, приходящаяся на одну стойку, кг) — вне запретных зон (статья 75).
Амортизатор — не «пружина по каталогу». Ударная нагрузка на 5–10 раз больше статической: пружина, подобранная «под вес», в ударе сжимается в ноль — контакт деталей металл-о-металл. Подбирайте по P_кол (ударной), а не по mg/N_кол.
7. Практика: типовые задачи
Задача 1. Требуемый ход амортизации
Задача. Мультиротор m = 2 кг, 4 ноги-санки, расчётная посадочная скорость v = 3 м/с, целевая пиковая перегрузка n_пик = 10. Определить требуемый ход амортизации s.
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Масса | m = 2 кг |
| Скорость | v = 3 м/с |
| n_пик | 10 |
| g | 9,81 м/с² |
Искомые параметры: s (мм).
Решение.
- s = v²/(2·(n_пик − 1)·g) = 9/(2·9·9,81) = 9/176,6 = 0,051 м.
- s = 51 мм ≈ 50 мм.
Вывод. 50 мм на ногу — много для компактного мультиротора: поэтому санки делают длинными и тонкими (смятие по длине), а эластомеры — в местах креплений. Альтернатива — поднять n_пик до 12 (s = 38 мм) при усиленных креплениях.
Задача 2. Нагрузка на колесо
Задача. Крылатый БПЛА m = 5 кг, трёхстоечное шасси. Посадка с вертикальной скоростью v = 3 м/с, ход стойки s = 60 мм. При касании носовая стойка оторвана (перекос): нагрузку несут два основных колеса. Определить n_пик и P_кол.
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Масса | m = 5 кг |
| v (вертикальная) | 3 м/с |
| s | 60 мм |
| Несущих колёс | 2 (нос оторван) |
Искомые параметры: n_пик; P_кол (Н).
Решение.
- a = v²/(2s) = 9/0,12 = 75 м/с².
- n_пик = 1 + 75/9,81 = 8,6.
- P_кол = n_пик·m·g/2 = 8,6·49,05/2 = 211 Н.
Вывод. «Одно колесо в воздухе» — расчётный случай шасси: нагрузка на опору вырастает на 50 % (2 вместо 3). Стойка и ось считают на P_кол = 211 Н, а не на mg/3.
Задача 3. Давление на грунт
Задача. Колесо из задачи 2: шина 65 мм диаметр, 35 мм ширина, пятно контакта 35 × 25 мм. Покрытие — сухой дёрн (допустимое σ_грунт 0,2–0,5 МПа). Проверить давление.
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| P_кол | 211 Н |
| Пятно контакта | 35 × 25 мм = 875 мм² |
| Покрытие | дёрн сухой, 0,2–0,5 МПа |
Искомые параметры: σ_грунт; пригодность.
Решение.
- σ_грунт = P_кол/A = 211/875 = 0,24 МПа.
- 0,24 в пределах 0,2–0,5 — проходит (у нижней границы).
Вывод. Для «полевых» посадок — шире колесо (50 мм вместо 35: σ = 0,17 МПа) или ниже давление. Асфальт лимитируют уже стойка/ось, а не грунт.
Задача 4. Ход стойки
Задача. Основная стойка: телескоп с эластомером, полный ход 30 мм. Ударная нагрузка на колесо P_кол = 211 Н (задача 2). Проверить, хватит ли хода (доля хода на эластомер 60 %).
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Полный ход | 30 мм |
| P_кол | 211 Н |
| Доля на эластомер | 60 % |
Искомые параметры: требуемая деформация; запас.
Решение.
- Ход на эластомер: x_эл = 0,6·30 = 18 мм.
- Остальное (смятие/трение): 12 мм.
- Эластомер несёт 60 % нагрузки: F_эл = 0,6·211 = 127 Н; по каталогу k = 10 Н/мм: x = 127/10 = 12,7 мм.
- 12,7 меньше 18 — запас по ходу 1,4.
Вывод. Запас по ходу меньше 1,5 — сигнал: либо увеличивать ход, либо увеличивать k (жёстче), либо снижать P_кол (больше s в стойке). В ударе эластомер работает на пределе — без запаса он «пробьётся» в металл.
Задача 5. Санки мультиротора
Задача. Мультиротор m = 2 кг на 4 санках (длина 100 мм, ширина 8 мм). Пиковая перегрузка n_пик = 10 (задача 1). Определить нагрузку на санку и давление на грунт (травяной покров, допустимое 0,2 МПа).
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Масса | m = 2 кг |
| n_пик | 10 |
| Санок | 4 |
| Контакт одной санки | 100 × 8 мм = 800 мм² |
Искомые параметры: P_ножка (Н); σ_грунт (МПа).
Решение.
- P_ножка = n_пик·m·g/4 = 10·19,62/4 = 49 Н.
- σ_грунт = 49/800 = 0,061 МПа.
- 0,061 меньше 0,2 — проходит с запасом 3,3.
Вывод. Санки выигрывают у колёс в давлении на грунт в 3–4 раза (большая площадь). Ограничение санок — не грунт, а высота установки: центр тяжести (ЦТ) должен оставаться ниже точки опрокидывания и невозможность «катания» после касания.
8. Чек-лист самопроверки знаний
- n_пик = 1 + v²/(2sg); s = v²/(2(n_пик−1)·g) — главный расчёт шасси.
- «Одно колесо в воздухе»: нагрузка на опору +50 % (2 вместо 3 опор).
- Смятие — в расчётной зоне; после жёсткой посадки — осмотр (статья 76).
- σ_грунт = P_кол/A: дёрн 0,2–0,5, песок 0,1–0,2, снег 0,05–0,15 МПа.
- Амортизатор подбирают по ударной P_кол, а не по статическому весу.
- Шасси спасает от жёсткой, но не от катастрофической посадки (статья 78).
9. Источники
- Wikipedia, «Landing gear» — типы шасси. en.wikipedia.org/wiki/Landing_gear / ru.wikipedia.org/wiki/Шасси_летательного_аппарата (Шасси летательного аппарата)
- Wikipedia, «Shock absorber» — амортизаторы. en.wikipedia.org/wiki/Shock_absorber / ru.wikipedia.org/wiki/Амортизатор (Амортизатор)
- Wikipedia, «Tire» — шины, контакт с грунтом. en.wikipedia.org/wiki/Tire / ru.wikipedia.org/wiki/Шина_транспортного_средства (Шина транспортного средства)
- Wikipedia, «Nose gear» — носовая стойка. en.wikipedia.org/wiki/Nose_gear