Перейти к содержимому
30

77. Шасси: колёса, стойки, амортизаторы #

Шасси — 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 \((n = 1 + v^{2}/(2sg)) \), 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 (\(n = 1 + \frac{v^{2}}{2sg} \), 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 \((\sigma = P/A_{контакта}) \) 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 (здесь) — устройство и расчёт шасси, 78 — краш-стойкость (парашюты, «жёсткая» посадка). Испытания шасси — статья 76, задача 5.
↑ К оглавлению

2. Глоссарий величин

Полный перечень величин с единицами измерения.

ВеличинаОбозначениеЕдиницыТипичные значения
Вертикальная посадочная скоростьvм/смультиротор 0,5–3; крылатый 3–6 (вертикальная составляющая)
Ход амортизации (деформация)sмм20–100
Пиковая перегрузкаn_пикбезразмерный5–15
Нагрузка на колесо/ножкуPколН20–500
Жесткость амортизатораkН/мм5–50
Деформация амортизатораxммx = Pкол/k
Площадь контакта с грунтомAмм²500–5000
Давление на грунтσ_грунтМПадопустимо 0,1–1 (зависит от покрытия)
↑ К оглавлению

3. Типы шасси и расчётная нагрузка

Типы посадочных узлов. [Шасси — Landing_gear (рисунок — Wikipedia) / Шасси летательного аппарата; носовая стойка — Nose_gear]

ТипГдеПоглощение энергииОсобенности
Колёса (накачанные/пено/вездеход)крылатые, тяжёлые мультироторыамортизатор стойки + упругость шиныкатание, зацепление за неровности
Санки (скиды)мультироторы 0,5–3 кгсмятие/изгиб санки, эластомерпростые, лёгкие, «всё прощают»
Фиксированные стойки + пружиналёгкие крылатые, планерыпружина (возвратная деформация)многократная посадка без смятия
Телескопические стойкикрылатые 1–10 кгтрение + смятие втулки (несмываемое)каждая жёсткая посадка «съедает» ресурс

Расчётная нагрузка. Пиковая перегрузка посадки (статья 73): \(n_{пик} = 1 + \frac{v^{2}}{2sg} \). С неё начинается расчёт стойки. Дополнительно — правило «одно колесо в воздухе»: при касании двумя колёсами (третий оторван — перекос, порыв, неровность) каждое из двух несёт nпик·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 краш-стойкости (статья 78).
↑ К оглавлению

4. Стойки и поглощение энергии

Энергия посадки \(E = m\cdot \frac{v^{2}}{2} (\text{Дж}) \) должна поглотиться деформацией. Из \(n_{пик} = 1 + \frac{v^{2}}{2sg} \) требуемый ход амортизации:

s = v²/(2·(nпик − 1)·g)

То есть: задумали \(n_{пик} = 10 \) (норма стоек, статья 75) и \(v = 3\ \text{м/с} \) — получаем \(s = 51\ \text{мм} \) (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 (nпик вырастает).
↑ К оглавлению

5. Колёса и санки

Нагрузка на колесо: \(P_{кол} = n_{пик}\cdot m\cdot \frac{g}{N_{кол}} \) (Nкол — число несущих колёс; при «одном в воздухе» — Nкол − 1). [Шина — Tire / Шина транспортного средства] Давление на грунт: \(\sigma_{грунт} = \frac{P_{кол}}{A_{контакта}} \), где Aконтакта — площадь пятна (для накачанной шины ≈ ширина × длина пятна, длина ≈ диаметр/4 при среднем давлении).

ПокрытиеДопустимое σгрунтЧто делать при превышении
Асфальт, бетон1–3 МПа— (лимит — колесо/стойка)
Дёрн, трава (сухая)0,2–0,5 МПашире колесо, ниже давление
Песок, грунт влажный0,1–0,2 МПавездеходные шины (обода-«лыжи»)
Снег, снег мокрый0,05–0,15 МПалыжи/шипы, санки

Санки. Нагрузка распределяется вдоль дуги: σгрунт = Pножка/(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 σгрунт; тип: накачанное (дорога, асфальт), пено (без проколов, мягкий грунт), вездеход (песок/снег — большая площадь).

↑ К оглавлению

6. Амортизаторы

Амортизатор превращает удар в деформацию. [Амортизатор — Shock_absorber / Амортизатор] Три типовых варианта:

ТипКак работаетПодборГде
Пружина (возвратная)сжимается, потом разгоняетk = Pкол/xдоп (Н/мм)планеры, лёгкие крылатые
Эластомер (резиновая втулка)срез/сжатие резины, гасит (внутрение трение)по каталогу: нагрузка, ходмультироторы, стойки моторов
Телескоп (труба в трубе)трение + смятие втулки (несмываемое)сила трения 0,3–0,5·Pкол; ход по sкрылатые 1–10 кг

Подбор пружины (простейший случай). Требуемый ход \(x_{доп} (\text{мм}) = s_{стойки} \) (часть хода, приходящаяся на пружину). Жесткость: \(k = \frac{P_{кол}}{x_{доп}} \). Проверки: статическая деформация (\(x = \frac{P_{стат}}{k} \), \(P_{стат} = \frac{mg}{N_{кол}} \)) — не больше 30 % хода (иначе пружина «пробита» в спокойном полёте); частота подвески \(f = (1/2\pi)\cdot \sqrt{\frac{k\cdot 1000}{m_{навес}}} \) (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 Pкол (ударной), а не по mg/Nкол.
↑ К оглавлению

7. Практика: типовые задачи

Задача 1. Требуемый ход амортизации

Задача. Мультиротор \(m = 2\ \text{кг} \), 4 ноги-санки, расчётная посадочная скорость \(v = 3\ \text{м/с} \), целевая пиковая перегрузка \(n_{пик} = 10 \). Определить требуемый ход амортизации s.

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Массаm = 2 кг
Скоростьv = 3 м/с
n_пик10
g9,81 м/с²

Искомые параметры: s (мм).

Решение.

  1. s = v²/(2·(nпик − 1)·g) = 9/(2·9·9,81) = 9/176,6 = 0,051 м.
  2. s = 51 мм ≈ 50 мм.
Ответ: \(s = 51\ \text{мм} \). Из них: смятие санки ~30 мм, эластомер ~15 мм, просадка грунта ~5–10 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 nпик до \(12 (s = 38\ \text{мм}) \) при усиленных креплениях.

Задача 2. Нагрузка на колесо

Задача. Крылатый \(БПЛА m = 5\ \text{кг} \), трёхстоечное шасси. Посадка с вертикальной скоростью \(v = 3\ \text{м/с} \), ход стойки \(s = 60\ \text{мм} \). При касании носовая стойка оторвана (перекос): нагрузку несут два основных колеса. Определить nпик и Pкол.

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Массаm = 5 кг
v (вертикальная)3 м/с
s60 мм
Несущих колёс2 (нос оторван)

Искомые параметры: nпик; Pкол (Н).

Решение.

  1. a = v²/(2s) = 9/0,12 = 75 м/с².
  2. n_пик = 1 + 75/9,81 = 8,6.
  3. Pкол = nпик·m·g/2 = 8,6·49,05/2 = 211 Н.
Ответ: \(n_{пик} = 8{,}6 \); на каждое из двух колёс — 211 Н (в 12,9 раза больше статических 16,4 Н на колесо при трёх опорах, mg/3).

Вывод. «Одно колесо в воздухе» — расчётный случай шасси: нагрузка на опору вырастает на 50 % (2 вместо 3). Стойка и ось считают на \(P_{кол} = 211\ \text{Н} \), 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 σгрунт 0,2–0,5 МПа). Проверить давление.

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Pкол211 Н
Пятно контакта35 × 25 мм = 875 мм²
Покрытиедёрн сухой, 0,2–0,5 МПа

Искомые параметры: σгрунт; пригодность.

Решение.

  1. σ_грунт = Pкол/A = 211/875 = 0,24 МПа.
  2. 0,24 в пределах 0,2–0,5 — проходит (у нижней границы).
Ответ: \(\sigma_{грунт} = 0{,}24\ \text{МПа} \) — на границе допустимого для дёрна; на влажном грунте (0,1–0,2) колесо будет «копать».

Вывод. Для «полевых» посадок — шире колесо (50 мм вместо 35: \(\sigma = 0{,}17\ \text{МПа} \)) 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 \(P_{кол} = 211\ \text{Н} \) (задача 2). Проверить, хватит ли хода (доля хода на эластомер 60 %).

Заданные параметры:

ПараметрЗначение
Полный ход30 мм
Pкол211 Н
Доля на эластомер60 %

Искомые параметры: требуемая деформация; запас.

Решение.

  1. Ход на эластомер: \(x_{эл} = 0{,}6\cdot 30 = 18\ \text{мм} \).
  2. Остальное (смятие/трение): 12 мм.
  3. Эластомер несёт 60 % нагрузки: \(F_{эл} = 0{,}6\cdot 211 = 127\ \text{Н} \); по каталогу \(k = 10\ \text{Н/мм} \): \(x = \frac{127}{10} = 12{,}7\ \text{мм} \).
  4. 12,7 меньше 18 — запас по ходу 1,4.
Ответ: \(x = 12{,}7\ \text{мм} \) меньше 18 мм — эластомер не «пробит», запас 1,4.

Вывод. Запас по ходу меньше 1,5 — сигнал: либо увеличивать ход, либо увеличивать k (жёстче), либо снижать Pкол (больше s в стойке). В ударе эластомер работает на пределе — без запаса он «пробьётся» в металл.

Задача 5. Санки мультиротора

Задача. Мультиротор \(m = 2\ \text{кг} \) 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:

ПараметрЗначение
Массаm = 2 кг
n_пик10
Санок4
Контакт одной санки100 × 8 мм = 800 мм²

Искомые параметры: Pножка (Н); σгрунт (МПа).

Решение.

  1. Pножка = nпик·m·g/4 = 10·19,62/4 = 49 Н.
  2. σ_грунт = 49/800 = 0,061 МПа.
  3. 0,061 меньше 0,2 — проходит с запасом 3,3.
Ответ: \(P_{ножка} = 49\ \text{Н} \); \(\sigma_{грунт} = 0{,}061\ \text{МПа} \) — санки работают на любой траве/грунте.

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.

↑ К оглавлению

8. Чек-лист самопроверки знаний

Отметьте пункты, которые вы действительно понимаете и можете применить без подсказок.

✓НавыкПроверка
Формула пиковой перегрузкиnпик = 1 + v²/(2sg); s = v²/(2(nпик−1)·g) — главный расчёт шасси.
«Одно колесо в воздухе»нагрузка на опору +50 % (2 вместо 3 опор).
Смятиев расчётной зоне; после жёсткой посадки — осмотр (статья 76).
σ_грунт = Pкол/Aдёрн 0,2–0,5, песок 0,1–0,2, снег 0,05–0,15 МПа.
Амортизаторподбирают по ударной Pкол, а не по статическому весу.
Шасси спасает от жёсткойно не от катастрофической посадки (статья 78).
↑ К оглавлению

9. Источники

  1. Wikipedia, «Landing gear» — типы шасси. en.wikipedia.org/wiki/Landing_gear / ru.wikipedia.org/wiki/Шасси_летательного_аппарата (Шасси летательного аппарата)
  2. Wikipedia, «Shock absorber» — амортизаторы. en.wikipedia.org/wiki/Shock_absorber / ru.wikipedia.org/wiki/Амортизатор (Амортизатор)
  3. Wikipedia, «Tire» — шины, контакт с грунтом. en.wikipedia.org/wiki/Tire / ru.wikipedia.org/wiki/Шина_транспортного_средства (Шина транспортного средства)
  4. Wikipedia, «Nose gear» — носовая стойка. en.wikipedia.org/wiki/Nose_gear Tricycle_landing_gear

Проверено: 05.09.2026.

↑ К оглавлению
  • мод. : Воскресенье, 13 сентября 2026