СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КОЛЕИ САМОХОДНОГО КОЛЕСНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И САМОХОДНОЕ КОЛЕСНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO QUICKLY CHANGE SELF-PROPELLED WHEELED VEHICLE TRACK AND SELF-PROPELLED WHEELED VEHICLE TO THIS END

Изобретение относится к электроприводным самоходным транспортным средствам с изменяемой колеей (шириной колеи) преимущественно в области медицинской техники для индивидуального использования лицами с ограниченными физическими возможностями (с ограниченной подвижностью) в различных эксплуатационных условиях, включая перемещение по салону авиалайнера.
Самым распространенным способом поворота колесных наземных транспортных средств (реализуемый соответствующими устройствами) является кинематический способ с радиусом поворота R>0, при котором соосные (передние и/или задние) колеса поворачивают в одинаковом направлении (по- и/или против часовой стрелки) на угол α≤±90° посредством рулевого привода, например рулевой трапеции [1, 2]. Кинематический поворот на месте (R=0) возможен за счет поворота передних и задних колес на такие углы α≤±90°, при которых проекции их осей вращения на горизонтальную плоскость пересекаются в одной общей точке, являющейся центром поворота [3]. В каждом из этих случаев вертикально ориентированная ось поворота колеса, как правило, смещена от статического центра пятна контакта колеса с горизонтальной опорной поверхностью на величину e (и, более того, от колеса в целом) в сторону центральной продольной оси транспортного средства (смещение шкворня), вследствие чего пятно контакта при повороте смещается вперед или назад (поворачиваемое колесо "обкатывается" вокруг упомянутых вертикальных осей) [1, 2, 4, 5]. Реже встречаются варианты с осью поворота колеса, проходящей через центр пятна контакта (поворачиваемое колесо "не обкатывается") [6]. Так делают, в частности, у малогабаритных (индивидуальных) транспортных средств, шасси роботов и некоторых технологических самоходных машин с мотор-колесами.
При необходимости оперативного изменения колеи транспортного средства (как колесного, так и гусеничного), в зависимости от эксплуатационных условий (сужение проезда или ширины грядки в сельском хозяйстве), применяют один из четырех способов: сдвигают/раздвигают соосные колеса (смещают их вдоль полуосей в противоположные стороны), раздвигают рукава моста; изменяют ширину каждого колеса; переставляют колеса (при несимметричной их конструкции) другой стороной (последний способ - условно оперативный, т.к. требует вывешивания колес на домкрате и их демонтажа-монтажа) [7, 8].
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа, т.е. совпадающим с ним по назначению и по общим существенным признакам, является упомянутый в источнике информации [8] способ оперативного изменения колеи самоходного колесного транспортного средства, при котором каждое колесо, расположение которого на транспортном средстве определяет колею, смещают вдоль оси его вращения, причем левое и правое колеса - в противоположные стороны.
Однако такой способ изменения колеи требует сложной конструкции специального привода и либо энергетически невыгоден (как однозначно силовой, особенно когда наряду с преодолением силы трения приходится компенсировать "бульдозерный эффект"), либо опять-таки требует предварительного вывешивания колес, а значит условно оперативен.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении технико-эксплуатационных показателей (характеристик) транспортного средства за счет сокращения продолжительности и энергоемкости процесса изменения колеи, с обеспечением высокой мобильности (маневренности). Это, в частности, особенно актуально для индивидуальных электроприводных транспортных средств (трансскутеров) для лиц с ограниченными физическими возможностями, одна из опций которых предполагает возможность оперативного уменьшения колеи для передвижения по узкому салону авиалайнера. Последний нюанс, собственно, и обусловил начало авторских разработок в этом направлении и, как результат, создание заявляемого изобретения.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе оперативного изменения колеи самоходного колесного транспортного средства каждое колесо, расположение которого на транспортном средстве определяет колею, поворачивают относительно вертикальной оси, смещенной от статического центра пятна контакта колеса с горизонтальной опорной поверхностью в поперечном направлении (то есть перпендикулярно продольной вертикальной плоскости транспортного средства), на 180°.
Решение поставленной задачи достигается также дополнительными существенными признаками: во-первых, тем, что в указанном способе левое и правое колеса поворачивают в неодинаковых направлениях (например, левое - по часовой стрелке, а правое - против часовой стрелки) и, во-вторых, тем, что их поворачивают в указанном диапазоне углов одновременно.
Это, во-первых, исключает потребность, при конструктивной реализации способа, свободы "закатывания" колеса под несущую конструкцию (раму, корпус) транспортного средства вперед и назад, например через передние и задние симметричные ниши, и, во-вторых, сопровождается большей курсовой устойчивостью при описываемой трансформации (отсутствие реактивных разворачивающих моментов).
Так как известные (описанные в обзоре аналогов) варианты конструкций не позволяют реализовать заявляемый способ изменения колеи, целесообразно взять за базовое устройство (и, одновременно, за прототип) наиболее похожий вариант и усовершенствовать (модернизировать) его соответствующим образом.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства, т.е. совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, является самоходное колесное транспортное средство, содержащее несущую конструкцию с креслом для лица с ограниченными физическими возможностями, источником питания, системой управления, по меньшей мере, одним передним и двумя задними колесами, установленными с возможностью принудительного независимого поворота вокруг вертикальной оси посредством приводов [9].
В нем вертикальные оси поворота, по крайней мере, колес, определяющих колею транспортного средства, проходят через статические центры пятен их контакта с горизонтальной опорной поверхностью (показано на фиг.4, 8-18 в источнике информации [6]), при этом приводы поворота колес и компоновка транспортного средства допускают поворот колес не более чем на ±90°.
Однако устройству-прототипу при всех его положительных качествах (чрезвычайно высокая маневренность за счет возможности поворота на месте и движения боком) свойственны определенные частично оговоренные выше недостатки. Главный из них - отсутствует возможность изменения (прежде всего, уменьшения) колеи заявляемым способом (отсутствие необходимого для этого смещения e).
Для осуществления нового способа заявляется устройство - самоходное колесное транспортное средство, содержащее несущую конструкцию с устройством для размещения полезной нагрузки, например креслом для лица с ограниченными физическими возможностями, источником питания, системой управления, по меньшей мере, одним передним и двумя задними колесами, установленными с возможностью принудительного независимого поворота вокруг вертикальной оси посредством приводов, в котором (транспортном средстве) вертикальные оси поворота, по крайней мере, колес, определяющих колею транспортного средства, смещены от статических центров пятен их контакта с горизонтальной опорной поверхностью в поперечном направлении (то есть перпендикулярно продольной вертикальной плоскости транспортного средства, вовнутрь при максимальной колее и наружу при минимальной колее), при этом приводы поворота колес и компоновка транспортного средства допускают поворот колес на 180°.
В порядке решения поставленной задачи заявляемое устройство может характеризоваться следующими совокупностями дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- привод поворота колес и компоновка транспортного средства допускают поворот колес не менее чем на 270° при движении по или против часовой стрелки;
1
2
1
2
- при любой из указанных выше совокупностей признаков устройства упомянутое смещение е осей поворота каждого колеса определяется соотношением е=0,25·(B-В), где B и В - соответственно максимальная и минимальная колея транспортного средства;
- при любой из указанных выше совокупностей признаков устройства опора колеса выполнена в виде Г-образной стойки, горизонтальная полка которой при максимальной колее ориентирована вовнутрь, в сторону продольной вертикальной плоскости транспортного средства.
Среди известных способов и устройств не обнаружены такие, совокупности существенных признаков которых совпадали бы с заявленными. В то же время именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.
Более подробно сущность изобретений раскрывается в приведенных ниже примерах реализации и иллюстрируется чертежами, на которых представлен:
1(max)
1(min)
фиг.1 - трехколесный вариант транспортного средства, в положении колес для движения боком, общий вид; фиг.2 - то же, в положении колес для поворота с нулевым радиусом, вид снизу; фиг.3 - мотор-колесо с приводом его поворота в положении максимальной колеи, где е - смещение вертикальной оси поворота парных колес относительно от статических центров пятен их контакта с горизонтальной опорной поверхностью в поперечном направлении; фиг.4 - мотор-колесо с приводом его поворота в положении минимальной колеи; фиг.5 - схема изменения (уменьшения) колеи, где B и B - соответственно максимальное и минимальное значения колеи; фиг.6 - вариант мотор-колеса экспериментального образца транспортного средства с рациональной компоновкой и оптимизированным сдвигом оси привода поворота колеса от его средней продольной вертикальной плоскости; фиг.7 - упомянутый экспериментальный образец транспортного средства, вид сзади при максимальной колее; фиг.8 - то же, при минимальной колее.
1(max)
1(min)
Самоходное колесное транспортное средство содержит несущую конструкцию 1 с устройством для размещения полезной нагрузки. В качестве устройства для размещения полезной нагрузки выступает в данном примере кресло 2 для лица с ограниченными физическими возможностями. Другие возможные примеры такого устройства (на чертежах не показаны) - емкость для транспортируемого груза или платформа для размещения манипулятора, телекамеры, спецприборов и др. оборудования теле- и автоматически управляемых роботов. Предусмотрены источник(и) питания 3 и система управления (частью - в головке рулевой колонки 4). В состав транспортного средства входят также колеса, - по меньшей мере, одно переднее 5 и два задних 6, 7. Парные колеса (6, 7) установлены с возможностью принудительного независимого поворота вокруг вертикальных осей 8, 9 посредством приводов 10, 11 соответственно. Характерной (отличительной) особенностью транспортного средства является то, что вертикальные оси поворота, по крайней мере, колес, определяющих колею (в данном примере - оси 8, 9 поворота колес 6, 7), смещены от статических центров 12, 13 пятен 14, 15 их контакта с горизонтальной опорной поверхностью 16 в поперечном направлении (то есть перпендикулярно продольной вертикальной плоскости транспортного средства, вовнутрь при максимальной колее B и наружу при минимальной колее B) на величину е (см. фиг.3, 4, 6). При этом приводы 10, 11 и компоновка транспортного средства допускают поворот колес 6, 7 на 180°. В частных вариантах выполнения устройства:
- приводы 10, 11 и компоновка транспортного средства допускают поворот колес не менее чем на 270° при движении по или против часовой стрелки;
1
2
1
2
- упомянутое смещение е осей поворота каждого колеса 6, 7 определяется соотношением е=0,25·(B-В), где B и В - соответственно максимальная и минимальная колеи транспортного средства.
- опора каждого колеса 6, 7 выполнена в виде Г-образной стойки 17, горизонтальная полка 18 которой при максимальной колее ориентирована вовнутрь, в сторону продольной вертикальной плоскости транспортного средства.
Устройство работает следующим образом (способ изменения колеи в развернутом изложении).
При необходимости оперативного изменения колеи самоходного колесного транспортного средства (например, для движения по узкому проходу салона авиалайнера) каждое колесо, расположение которого на транспортном средстве определяет колею (а это, при приведенном трехколесном варианте, - колеса 6 и 7), поворачивают, посредством приводов 10, 11, каждое относительно своей вертикальной оси 8 и 9, смещенной от статического центра (12 и 13) пятна контакта (14 и 15) колеса с горизонтальной опорной поверхностью, на 180°.
В частных примерах работы устройства (способа поворота):
- левое и правое колеса (6 и 7) поворачивают до конца (по обычной схеме поворота) в одинаковых направлениях - левое и правое по или против часовой стрелки (в любом из этих случае не сохраняется продольная симметрия транспортного средства, точнее его шасси);
- левое и правое колеса (6 и 7) поворачивают (см. схему поворота на фиг.5) в неодинаковых направлениях - левое по часовой стрелке, правое против часовой стрелки, или наоборот (в любом из этих случае сохраняется продольная симметрия транспортного средства, точнее его шасси);
- все колеса (5-7) поворачивают одновременно (это препятствует возможному рысканию транспортного средства, обусловливает устойчивость, по положению несущей конструкции 1 в пространстве, процесса изменения колеи).
Маневренность транспортного средства, как и у прототипа, расширена, в частности, возможностью двигаться боком ("движение крабом", см. фиг.1) и осуществлять кинематический поворот транспортного средства вокруг центра тяжести (см. фиг.4). Однако она дополнительно расширена в сравнении с прототипом за счет возможности движения боком при двух значениях колеи (включая уменьшенное) и, опять же, при двух значениях размаха транспортного средства в повороте на месте. В обоих указанных случаях все колеса (5-7) одновременно поворачивают на соответствующий угол: для движения боком - параллельно друг другу, для поворота на месте с нулевым радиусом - по касательной к окружности с общим центром.
Не исключены другие варианты способов и устройств для их осуществления в рамках заявляемых совокупностей существенных признаков.
Выбор конкретного варианта при использовании изобретения зависит от спектра технико-эксплуатационных и экономических требований и производится в каждом конкретном случае.
Использование изобретения позволяет улучшить технико-эксплуатационные показатели (характеристики) транспортного средства за счет сокращения продолжительности и энергоемкости процесса изменения колеи с обеспечением высокой мобильности (маневренности). Это, в частности, особенно актуально для индивидуальных электроприводных транспортных средств (трансскутеров) для лиц с ограниченными физическими возможностями, одна из опций которых предполагает возможность оперативного уменьшения колеи для передвижения по узкому салону авиалайнера.
Источники информации, принятые во внимание
1. Устройство управления четырехколесным транспортным средством / JP 57-39991, МКИ B62D 7/06, публ. 24.08.1982, №2-1000.
2. Система рулевого управления с усилителем / GB 2041849, МКИ B62D 5/06, НКИ В7Н, публ. 17.09.1980, №4779.
3. Способ поворота транспортного средства со всеми ведущими и поворотными колесами и устройство для его осуществления / SU 1331717, МКИ B62D 7/14, публ. 23.08.1987, №31.
4. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин: Учебн. для студентов автомобильных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1981. - 271 с, ил. - С.183.
5. Иванов В.В. и др. Основы теории автомобиля и трактора. Учебн. пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 1977. - 245 с, ил. - С.130-131, рис.59, 60, 62.
6. Система привода ведущих колес транспортного средства / JP 61-184127, МКИ B60K 17/30, публ. 08.01.1987, №М-551.
7. Колесо с раздвижным ободом / SU 439414, М.Кл. В60В 3/02, 23/12, публ. 26.02.1975, №30.
8. Иванов В.В. и др. Основы теории автомобиля и трактора. Учебн. пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1977. - 245 с, ил. - С.191, 5-й абзац (прототип способа).
9. Персональное самоходное транспортное средство (варианты) / RU 2309716 С2, A61G 5/04, D62D 53/02, публ. 10.11.2007, №31 (прототип устройства).