Ведущее колесо транспортного средства высокой проходимости
DRIVING WHEEL OF GOOD CROSS-COUNTRY VEHICLE

Изобретение относится к областям транспортного машиностроения и робототехники, конкретно - к устройству ведущих колес шасси наземного транспортного средства или робота высокой проходимости.
Бескамерные шины (маркировка Tubeless) колес имеют воздухонепроницаемый резиновый слой (вместо камеры), герметичность в них достигается плотной посадкой покрышки на обод, а вентиль для нагнетания воздуха в шину размещается и герметизируется в отверстии обода колеса [1. Общая информация о шинах / За рулем, 2002, №3. URL: http://www.shod-razval.net/kolosa.htm (Дата обращения 12.11.2019)].
Известен гусматик, представляющий собой резиновую оболочку, внутренний объем которой заполнен специальной эластичной массой, основу которой составляют, как правило, глицерин и желатин - так называемым гусматическим составом. Впоследствии в качестве наполнителя фактически использовалась губчатая резина, выполненная в виде вставляемого в серийную шину вместо камеры отдельного изделия - при сохранении названия «гусматик». Главное достоинство гусматиков - неуязвимость для проколов, а также пулевых, осколочных и прочих аналогичных повреждений [2. Гусматик. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гусматик (Дата обращения 12.11.2019)].
В настоящее время разрабатываются новые, более эффективные аналоги гусматиков, в конструкции которых применен схожий принцип. В них для демпфирования вместо эластичной массы используются высокоэластичные ячеистые структуры, расположенные между более жесткой и прочной цельнолитой шиной и колесным диском [См. там же)].
Известны ведущие колеса в составе транспортного средства высокой проходимости (снегоболотохода), содержащее колесный диск и упругую шину с пневмо-камерой низкого давления в ее тороидальной полости, а также металлические кольцевые грунтозацепы, смонтированные снаружи шины, ориентированные поперечно и равномерно распределенные по длине шины [3. RU 2192968 С2, В60С 11/02, D60B 15/00, 20.11.2002; 4. RU 2292268 С2, В60С 11/02, D60B 15/00, 27.01.2007].
Однако при движении по дорогам с твердым покрытием и каменистому бездорожью металлические грунтозацепы ограничивают скорость движения, обусловливают недостаточно высокие показатели плавности хода и шумности; проблематичны также возможности движения в аварийном режиме (при порванной или проколотой шине); велика вероятность вывода колеса из строя пулями и осколками боеприпасов, применительно к военным и специальным транспортным средствам.
Известен модельный ряд (линейка) проектов «колес Плясова» с различными упругими элементами в полости шины [5. RU 2092394 С1, В60С 7/20, 10.10.1997 «Пружинное»; 6. RU 2194626 С2, В60С 7/20, 20.12.2002 «Мечта»; 7. RU 2281205 С1, В60С 7/20, 10.08.2006 «Универсальное»; 8. RU 2306229 С1, В60С 27/20, 20.09.2007 «Кивач»].
Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом (прототипом) по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является последнее устройство из вышеназванных «колес Плясова», а именно - ведущее колесо транспортного средства высокой проходимости (Упругогибкое колесо Плясова «Кошка»), содержащее колесный диск («ступицу») и упругую шину с дополнительными упругими элементами в ее тороидальной («кольцевой») полости, равномерно распределенными по длине последней [9. RU 2337013 С1, В60С 7/20, 27.10.2008].
В нем дополнительные упругие элементы выполнены двух типов одновременно - широких колец поперечной ориентации («эластичных кольцеобразных сепараторов» и секций спиральных металлических пружин, отделенных друг от друга упомянутыми кольцами-«сепараторами».
Однако, при всех своих положительных качествах (соответствии с техническим результатом использования прототипа - «улучшением эксплуатационных характеристик и расширением области его применения») колесо-прототип (равно как и упомянутых других «колес Плясова» из этого модельного ряда) еще недостаточно совершенно:
- колесо остается практически круглым, со слабо выраженным спрямлением в пятне контакта, при движении по сильно деформируемым грунтам (а это основные эксплуатационные условия транспортного средства высокой проходимости), что определяет относительно низкий коэффициент сцепления, а значит - недостаточно низкую вероятность буксования;
- колесо недостаточно приспособлено к аварийному режиму движения с порванной/проколотой шиной (вследствие взаимодействия с твердыми острыми включениями в грунте);
- колесо, в приложении к военной и специальной технике, недостаточно надежно защищено от пуль и осколков (при движении с порванной шиной встроенные в ее полость элементы (кольца и пружины) вырвет из мест их посадки);
и др.
Задача (проблема), на решение (снятие) которой(ого) направлена(о) заявляемое изобретение, заключается в дальнейшее улучшении эксплуатационных характеристик колеса и расширении области его применения»).
Решение поставленной задачи (снятие проблемы) достигается тем, что в ведущем колесе транспортного средства высокой проходимости, содержащем колесный диск и упругую шину с дополнительными упругими элементами в ее тороидальной полости, равномерно распределенными по длине последней, согласно заявляемому изобретению, дополнительные упругие элементы выполнены в виде шаров, диаметром, соответствующим диаметру полости шины, удерживаемых и отделенных друг от друга, по меньшей мере, сепаратором, который выполнен звездчатым, общим для всех шаров, с ободом, неподвижно закрепленным на колесном диске, и внешним радиусом меньше минимального значения динамического радиуса колеса на деформируемых грунтах, с учетом толщины беговой дорожки шины.
На решение поставленной задачи (на снятие проблемы) направлен и ряд частных совокупностей существенных признаков устройства в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и в формуле изобретения, а именно:
- шары могут быть выполнены с воздушными полостями, преимущественно центрального расположения (это, в сравнении с «базовыми» цельными, нескольку улучшает кривую их упругости при радиальной и любой иной деформации, при этом существенно уменьшает массы каждого шара и колеса в целом);
- концы сепаратора выполнены с поверхностями, эквидистантными по отношению к внутренней поверхности беговой дорожки шины (это является подстраховкой от механического повреждения шины при резких «посадках» на сепаратор, что характерно для максимальных амплитуд прогиба шины в пятне контакта с грунтом, а также для повышения качества движения в аварийном режиме колеса - на шарах и/или сепараторе);
- сепаратор может быть выполнен сборным, из двух соединенных друг с другом левой и правой частей, совместно охватывающих упомянутые шары на большей части их площади (это позволяет более эффективно организовать охват каждого шара сепаратором - по большей части его площади, предотвращая его выпадение из сепаратора, особенно при движении в аварийном режиме);
- упомянутые шары могут быть установлены в сепараторе на поперечных горизонтальных осях с возможностью пассивного вращения (это дополнительно способствует надежной фиксации шара в сепараторе плюс снижает износ в парах трения «шар-шина» плюс облегчает процесс качения колеса в аварийном режиме, позволяет даже катить, а не тащить волоком, поврежденное транспортное средство на буксире);
- как альтернативный частный случай, упомянутые шары могут быть установлены в сепараторе на поперечных горизонтальных осях без возможности пассивного вращения (это дополнительно способствует надежной фиксации шара в сепараторе плюс улучшает условия, определенность взаимодействия шара с деформируемым грунтом в аварийном режиме, когда непосредственно шар отталкивается от грунта);
- шары могут быть выполнены из материала с радиальной жесткостью выше радиальной жесткости шины, а сепаратор - с жесткостью, превышающей жесткость шаров (это рационализирует упругие и амортизирующие свойства колеса в целом при решении задачи обеспечения заметного прогиба нижнего участка шины между двумя нижними шарами, то есть придании «волнистого» характера беговой дорожке шины, когда шары выступают «псевдогрунтозацепами»);
- при предыдущей совокупности признаков, шары и сепаратор могут быть выполнены из резины (это - наиболее доступный, дешевый и проверенный на практике в различных областях техники частный случай осуществления заявляемого изобретения, при вполне приемлемых упругих соотношениях основных элементов устройства);
- полость шины может быть заполнена воздухом под давлением, относящим ее к категории шин низкого давления (это дополнительно улучшает как плавность хода на деформируемом грунте, так и на деформируемых грунтах, однако за счет некоторого ухудшения «пулестойкости», если такое колесо устанавливать на военные машины);
- при предыдущей совокупности признаков, полость шины может быть пневматически связана с системой оперативного изменения давления воздуха в ней (это дополнительно расширяет диапазон регулирования и задания соотношения между компонентами описанной упругой системы, явно способствует улучшению движения по дорогам с качественным твердым покрытием - асфальту, бетону, а на деформируемых грунтах - позволят, путем снижения давления воздуха, усилить выраженность рельефа конфигурации абриса колеса в нижней его части, а значит - дополнительно повысить эффективность шаров-«псевдогрунтозацепов»).
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства квалификационного признака «мировой уровень новизны».
При всей свое краткости формулировки, совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства, не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). С целым спектром дополнительных технико-эксплуатационных возможностей. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же богатейшего опыта проектирования, производства, эксплуатации и ремонта колес наземных транспортных средств и роботов (в том числе планетоходов).
Подробнее сущность изобретения раскрывается в приведенных ниже примерах реализации (частных случаев конструктивного выполнения колеса) и иллюстрируется упрощенными (схематическими) чертежами, на которых представлено:
на фиг. 1 - колесо в вывешенном состоянии, пример со свободной установкой шаров в упрощенном звездчатом сепараторе, продольный разрез;
на фиг. 2 - колесо в вывешенном состоянии, пример с установкой шаров на осях прямоугольного сечения в сборном звездчатом сепараторе, продольный разрез с условно прозрачной ближней (лицевой) частью сепаратора;
на фиг. 3 - колесо по фиг. 1 во взаимодействии с недеформируемым плоским основанием (грунтом), продольный разрез;
на фиг. 4 - колесо по фиг. 2 во взаимодействии с деформируемым плоским основанием (грунтом), продольный разрез;
На чертежах позициями обозначены следующие компоненты (узлы и детали) заявляемого устройства: 1 - колесный диск (или ступица); 2 - упругая шина; 3 - тороидальная полость шины (в частности, заполнена воздухом под давлением); 4 - звездчатый сепаратор (пример с шестью лучами); 5 - обод сепаратора; 6 - фиксаторы сепаратора на колесном диске; 7 - концы сепаратора; 8 - дополнительные (опорные) упругие элементы - шары, размещаемые на периферии сепаратора при равномерном их распределении по длине тороидальной полости шины; 9 - оси крепления шаров на периферии сепаратора; 10 - гнезда для опоры осей шаров; 11 - недеформируемый грунт; 12 - деформируемый грунт.
Ведущее колесо транспортного средства высокой проходимости (в частности, снегоболотохода, робота) содержит колесный диск 1 и упругую (резиновую) шину 2 с дополнительными упругими (резиновыми) элементами 8 в ее тороидальной (кольцевой) полости 3, равномерно распределенными по длине последней.
Дополнительные упругие элементы (8) выполнены в виде шаров 8 диаметром, соответствующим диаметру полости шины 2. Шары 8 удерживаются и отделены друг от друга, по меньшей мере (см. фиг. 1, 3, 4), сепаратором 4.
Сепаратор 4 выполнен звездчатым, общим для всех шаров 8, с ободом 5, неподвижно закрепленным на колесном диске 1. Его внешний радиус меньше минимального значения динамического радиуса колеса на деформируемых грунтах 12, с учетом толщины беговой дорожки шины 2.
Дальнейшее описание устройства распространяется на частные конструктивные случаи (примеры) - с особенностями конструктивных признаков в рамках перечисленных основных. Они не обязательны, но в тех или иных условиях рациональны и усиливают достигаемый технический результат.
Шары 8 могут быть выполнены с воздушными полостями, преимущественно центрального расположения (не показано). Соотношение внешнего и внутреннего диаметров шара и его полости соответственно - порядка 2: 1 и определяется в каждом конкретном проекте.
Концы 7 сепаратора 4 могут быть выполнены с поверхностями, эквидистантными по отношению к внутренней поверхности беговой дорожки шины 2.
Сепаратор 4 может быть выполнен сборным (в примере по фиг. 2), из двух соединенных друг с другом левой и правой частей, совместно охватывающих шары 8 на большей части их площади.
По одному примеру, шары 8 установлены в сепараторе 4 на поперечных горизонтальных осях 9 в гнездах 10, с возможностью пассивного вращения (ось 9 - круглого сечения или ось 9 квадратного (см. фиг. 2) или звездчатого сечения, но на подшипниках).
По другому (альтернативному) примеру, шары установлены в сепараторе на поперечных горизонтальных осях, без возможности пассивного вращения (ось 9 - квадратного (см. фиг. 2) или звездчатого сечения, но с жестким креплением в гнезде 10 сепаратора 4).
Шары 8 могут быть выполнены из материала с радиальной жесткостью выше радиальной жесткости шины 2, а сепаратор 4 - с жесткостью, превышающей жесткость шаров 8.
При этом шары 8 и сепаратор 4 могут быть выполнены из резины.
Полость шины 2 может быть заполнена воздухом под давлением, относящим ее к категории шин низкого давления.
При этом полость 3 шины 2 может быть пневматически связана с системой оперативного изменения давления воздуха в ней (не показана).
Устройство работает (функционирует) следующим образом.
В вывешенном состоянии колеса как по примеру фиг. 1, так и по примеру фиг. 2, сохраняют изображенную на указанных чертежах геометрическую форму, за исключением малозаметного яйцеобразного провисания в нижней части. Сохранению формы (особенно в примере по фиг. 2) способствуют: исходное плотное, с поджимом, облегание упругих элементов другими элементами - шины 2, шаров 8 и др., жесткая фиксация элементов, развитый охват шаров 8 сепаратором 4, а также наличие воздуха под избыточным, в сравнении с внешним атмосферным, давлением, в полости 3 шины 2.
На недеформируемом грунте (дороге, горизонтальной опорной поверхности) 11, то есть с высокой несущей способностью (см. фиг. 3) шасси перемещается за счет качения колесного движителя (с ведущими колесами заявляемой конструкции, на примере колеса по фиг. 1). Пятно контакта колеса с грунтом 11 имеет плоскую форму, обусловливающую величину коэффициента качения колеса. От наличия или отсутствия воздуха под давлением в полости 3, в том числе с принудительным изменением давления воздуха посредством упомянутой системы оперативного изменения давления воздуха, плоскостность пятна контакта сохраняется. Лишь изменяется соответствующим образом ее площадь и коэффициент качения.
Функцию упругих элементов при качении колеса выполняют совместно, главным образом, шина 2, шары 8, воздух в полости 3 и сепаратор 4 (при его выполнении тоже упругим).
В случае выполнения шаров 8 с воздушными полостями, упругие свойства шаров 8 улучшаются при существенном уменьшении их массы, а значит и массы колеса в целом.
В случае нарушения целостности шины 2, например разрыве беговой дорожки или повреждения боеприпасом, шары 8 сохраняют как возможность качения колеса, так и функции упругих элементов (с соответствующим ухудшением плавности хода).
Обычно это называют «сесть на бандаж».
На местности с выраженным деформируемым грунтом 12, то есть с низкой несущей способностью (см. фиг. 4, также на примере колеса по фиг. 1), из-за неравномерной эпюры распределения удельного давления на грунт 12 плюс дифференцированных жесткостей набегающего и сбегающего шаров 8, участка шины 2 между ними и газообразного упругого теле - воздуха в полости 3, особенно нижней ее части, нижние шары 8 вдавливаются в грунт 12 больше, чем соседние участки беговой дорожки шины 2, при этом упомянутый участок шины 2 вдавливается в полость 3.
Пятно контакта колеса с деформируемым грунтом 12 приобретает в продольном вертикальном сечении волнистую конфигурацию, изображенную на фиг. 4. Благодаря этому, нижние шары 8 приобретают функцию грунтозацепов и ведущее колесо, получив форму «шестерни», работает в тяжелых дорожных условиях эффективнее гладкого круглого. Это и есть режим «высокой проходимости».
Это наиболее важный эксплуатационный режим (во всем спектре «подрежимов») с позиций выявления и оценки технического результата от использования заявляемого изобретения.
При превышении предельного расчетного значения прогиба нижнего участка шины 2, происходит дальнейшая выборка (уменьшение) зазора между внутренней поверхностью беговой дорожки шины 2 и концом 7 сепаратора 4. Концы 7 продавливаемых участков шины 2 ограничивают такое продавливание, предотвращая чрезмерное продольное распирание шаров 8 и прорыв шины 8 в пятне контакта.
При этом оговоренная выше эквидистантность супротивных поверхностей концов 7 и внутренней поверхности беговой дорожки шины 2 способствует предотвращению прорыва последней в тих местах.
Регулированием давления воздуха в полости 3 можно регулировать эти процессы.
В случае нарушения целостности шины 2, а также потери части или всех шаров 8, колесу проще сохранять дальнейшее движение в аварийном режиме - на сепараторе 4, за счет его звездчатости (вновь, вторичный эффект «шестерни»).
Установка шаров 8 на осях 9 с возможностью пассивного вращения на них расширяет возможности ведомого перемещения (качения) колеса: в ведомом режиме без шины 2 оно может осуществлять качение иначе - «на шарах».
Жесткая же установка шаров 8 в сепараторе 4 снижает износ от взаимного трения шаров о шину в и сепаратор 4. повышая долговечность и снижая тепловыделение (хотя в холодных условиях окружающей среды такое тепловыделение препятствует обледенению ходовой части транспортного средства).
Описанный конкретный пример устройства не исключают других возможных примеров в рамках заявляемой совокупности существенных признаков (см. формулу изобретения).
Использование изобретения позволяет решить поставленную задачу по улучшению эксплуатационных характеристик колеса и расширению области его применения (автоматический переход в тяжелых дорожных условиях на режим колеса высокой проходимости, с увеличением коэффициента сцепления с грунтом за счет псевдогрунтозацепов; большая приспособленность к аварийному режиму движения с порванной/проколотой шиной; лучшая защищенность от пуль и осколков; и др.).