Колесно-лопастной движитель транспортного средства
WHEEL-BLADE PROPULSOR OF VEHICLE

Изобретение относится к движителям транспортных средств для перемещения как по суше, так и по воде, и имеющих форму колеса.
Известны конструкции движителей транспортных средств (внедорожников, амфибий), предназначенных для передвижения как по твёрдому грунту (асфальту, льду), так и по мягкому грунту (болотам, грязи, снегу, песку и т.п.) и по воде.
Например, известен колёсный движитель по патенту РФ №2399500, МПК B60F 3/00, B63H 1/04, опубл. 20.09.2010, который выполнен в виде двух одинаковых дисков, соединённых соосно посредством ступицы и плиц, отходящих радиально от ступицы и не достигающих краёв дисков, при этом на каждом диске установлен обод, на котором установлена шина.
В известной конструкции колёсного движителя плицы служат для перемещения по воде, а также способствуют лучшей проходимости в условиях бездорожья, например, по грязи. При этом, плицы соединяют два диска колеса вместе и служат рёбрами жёсткости для них, а выполнение плиц не доходящими до краёв дисков позволяет транспортному средству передвигаться по суше, не цепляясь плицами за землю, но, в то же время, при глубоком увязании в жидкой грязи они помогают пройти затруднённый участок, отталкиваясь от неё.
Однако, известная конструкция транспортного средства имеет недостаток, заключающийся в том, что плицы входят и выходят из воды с большим гидродинамическим сопротивление, кроме того, плицы не доходят до краёв дисков, что снижает КПД данной конструкции при движении по воде, а увеличение диаметра колеса, как это принято для гребных колёс на судах, применительно к автомобилям невозможно, из-за увеличения габаритов самого автомобиля.
Для эффективной работы плиц, необходимо, чтобы плицы вертикально входили и выходили из воды. Например, известны изобретения по а.с. СССР №1082633, МПК B60F 3/00, опубл. 30.03.1984 и а.с. СССР №1661003, МПК B60F 3/00, опубл. 07.07.1991, в которых плицы лопастей выдвигаются только в нижнем положении, при этом, выдвижение лопастей происходит с помощью штоков на конце которых закреплён ролик, скользящий по копиру.
Недостатком данных конструкций является то, что лопасти представляют собой тонкую пластину, поэтому обеспечить их прочность очень сложно, особенно при движении транспортного средства по твёрдой, например, каменистой поверхности.
Также, известно колесо транспортного средства по патенту РФ №2055746, МПК B60B 15/02, опубл. 10.03.1996, выбранное в качестве прототипа, содержащее ободья с шинами, при этом, на внутренних торцовых сторонах ободьев установлены грунтозацепы в виде клиньев, которые прикреплены к ободьям на горизонтальных упругих шарнирах, проходящих через центр грунтозацепов.
За счёт такой конструкции достигается лёгкий вход грунтозацепа в грунт и выход из него, однако, при этом, невозможно обеспечить передачу большого крутящего момента на лопасти при движении по воде.
Решаемой технической проблемой является то, что известные конструкции движителей транспортных средств не позволяют использовать один тип движителя для эффективного использования его при движении транспортного средства как по воде, так и по мягкому или твёрдому грунту.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создания эффективного движителя способного перемещаться по любому типу поверхности (воде, твёрдому и мягкому грунту), и который может быть использован для внедорожников, амфибий, судов на воздушной подушке, а также водных транспортных средств, предназначенных для перемещения по мелководью.
Указанный технический результат достигается за счёт того, что колёсно-лопастной движитель содержит колесо, состоящее из шины, обода и диска, который крепится к ступице полуоси, установленной в балке моста транспортного средства и вращающейся части тормоза при помощи крепежа, при этом, к колесу прикреплена опорная катушка, которая состоит из полого цилиндра и боковых ограничительных колец, на которых установлены подшипники для крепления осей лопастей и закреплённые на них поворотные лопасти, при этом, между боковыми ограничительными кольцами катушки установлены ограничительные упоры для лопастей, а для прижатия лопастей к ограничительным упорам катушки на осях лопастей и на одном из боковых ограничительных колец катушки закреплены упругие шарниры, коме того, на торцах осей лопастей, обращённых вовнутрь транспортного средства, закреплены рычаги, на концах которых перпендикулярно им на осях роликов установлены ролики, которые взаимодействуют с неподвижным копиром, закреплённым на балке моста, при этом копир представляет собой сектор диска с нецентральным отверстием, величина эксцентриситета которого (расстояния от центра внешнего диска копира до центра вращения полуоси колеса по горизонтали) находится в диапазоне от 0,92 до 0,95 длины рычага, которая измеряется от центра вращения каждой оси лопасти до центра вращения оси соответствующего ролика, а также, в диске копира выполнен разрыв, составляющий не менее диаметра балки моста, радиус внутреннего отверстия копира равен посадочному месту на балке моста, а радиус внешнего диска копира равен разнице радиуса окружности вращения оси лопасти относительно центра вращения полуоси колеса и радиуса ролика.
При этом, поворотные лопасти выполнены в виде прямой треугольной призмы, у которой рёбра основания имеют разную длину (короткую, среднюю и длинную), при этом боковая грань, имеющая у основания среднее ребро, выполняет функцию основной рабочей грани и служит для создания упора при движении по воде, боковая грань, имеющая у основания длинное ребро, выполняет функцию опорной грани, которая служит опорой для движения по мягкому грунту, а боковая грань, имеющая у основания короткое ребро, выполняет функцию задней грани и работает при движении транспортного средства задним ходом, при этом, лопасти закреплены на осях, расположенных в углах между рабочими и задними гранями лопастей.
Кроме того, внутри лопастей между их опорными и задними гранями дополнительно могут быть установлены грузы, предназначенные для смещения центра масс лопастей.
Кроме того, опорные грани лопастей могут иметь протекторы, предназначенные для повышения их сцепления с поверхностью при движении по мягкому грунту.
Кроме того, с целью повышения КПД при движении транспортного средства по воде перед колесом на минимальном расстоянии от него может быть установлен обтекатель, а за колесом установлены лопатки для направления водяного потока в сопло движителя.
Кроме того, для создания дополнительного объёма плавучести на опорной катушке с внешней стороны колеса может быть закреплена водонепроницаемая крышка.
Кроме того, на копир с внутренней стороны колеса может быть надет защитный кожух, предназначенный для предотвращения попадания мусора между копиром и роликом.
Кроме того, для особо нагруженных транспортных средств и для лучшей защиты лопастей от воздействия внешних факторов с наружной стороны основного колеса возможна установка вспомогательного колеса на дополнительной оси, при этом, вспомогательное колесо может быть жёстко закреплено на опорной катушке и участвовать совместно с основным колесом в передаче крутящего момента на грунт.
Также возможен вариант установки вспомогательного колеса на дополнительной оси с помощью опорного подшипника, что позволит транспортному средству улучшить управляемость при длительном движении по твёрдому грунту, при этом, на время движения по бездорожью вспомогательное колесо можно стопорить на опорной катушке.
Предлагаемая конструкция поясняется чертежами:
на фиг. 1 изображён поперечный разрез колёсно-лопастного движителя транспортного средства;
на фиг. 2 изображена кинематическая схема колёсно-лопастного движителя;
на фиг. 3 показана схема действия сил на лопасть в воздухе;
на фиг. 4 показана схема действия сил на лопасть в воде;
на фиг. 5 показана схема работы колёсно-лопастного движителя во время движения транспортного средства по поверхности воды;
на фиг. 6 показана схема работы колёсно-лопастного движителя во время движения транспортного средства по твёрдой поверхности (земле, асфальту, льду и т.п.);
на фиг. 7 показана схема работы колёсно-лопастного движителя во время движения транспортного средства по мягкому грунту (снегу, песку и т.п.);
на фиг. 8 показана схема работы колёсно-лопастного движителя во время движения транспортного средства по мягкому грунту в момент пробуксовки;
на фиг. 9 изображён вариант исполнения колёсно-лопастного движителя на транспортном средстве с расположением лопастей между двумя колёсами.
Колёсно-лопастной движитель транспортного средства (фиг. 1 и 2) состоит из колеса 1, с прикреплённой к нему опорной катушкой 2, на которой при помощи осей лопастей 3 установлены поворотные лопасти 4, при этом на осях лопастей 3 также закреплены рычаги 5 с роликами 6, а на балке моста 7 транспортного средства, на котором закреплено колесо 1, также закреплён неподвижный копир 8.
Колесо 1 состоит из шины 9, обода 10 и диска колеса 11, который крепится к ступице 12 полуоси 13 и к вращающейся части тормоза 14 с помощью крепежа 15, а опорная катушка 2 состоит из полого цилиндра 16 (фиг. 2) и боковых ограничительных колец 17, на которых по диаметру установлены подшипники 18 для крепления осей лопастей 3, при этом между боковыми ограничительными кольцами 17 установлены ограничительные упоры 19 (фиг. 2) для лопастей 4, а для прижатия лопастей 4 к ограничительным упорам 19, на осях 3 и на одном из боковых ограничительных колец 17 закреплены упругие шарниры 20, а также на концах рычагов 5 размещены оси роликов 21 для установки на  них  роликов 6.
При этом, каждая лопасть 4 выполнена в виде прямой треугольной призмы, у которой ребра основания имеют разную длину (фиг. 2): боковая грань 22, имеющая у основания среднюю длину, выполняет функцию основной рабочей грани и при расположении лопасти 4 на колесе 1 в крайнем нижнем положении она направлена в сторону кормы транспортного средства; боковая грань 23, имеющая у основания длинное ребро, выполняет функцию опорной грани и при расположении лопасти 4 на колесе 1 в крайнем переднем положении по ходу основного движения транспортного средства вперёд, она направлена в сторону носа транспортного средства; боковая грань 24, имеющая у основания короткое ребро, выполняет функцию задней грани, и она работает при движении транспортного средства задним ходом, при этом лопасти 4 закреплены на осях лопастей 3 расположенных в углах, образованных гранями 22 и 24.
1
Кроме того, вдоль боковых рёбер между опорными гранями 23 и задними гранями 24 внутри лопастей 4 для смещения центра масс C(фиг.3) дополнительно могут быть установлены грузы 25 (фиг. 4).
1
2
3
2
4
2
3
4
5
Также, колесо 1 закреплено на балке моста 7, на которой установлен неподвижный копир 8, представляющий собой эксцентрик в виде сектора диска и имеющего разрыв. При этом, радиус R внутреннего отверстия копира 8 (фиг. 4) равен посадочному месту на балке моста 7, а разрыв A в диске копира 8 составляет не менее диаметра балки моста 7 и расположен в кормовой части транспортного средства, а радиус внешнего диска R копира 8 равен разнице величин между радиусом окружности вращения оси лопасти R относительно центра вращения полуоси колеса С и радиуса ролика R. При этом, величина эксцентриситета B копира 8 (расстояния от центра вращения полуоси колеса С до центра внешнего диска копира С) находится в диапазоне от 0,92 до 0,95 длины рычага D, которая измеряется от центра вращения оси лопасти С до центра вращения ролика С.
Дополнительно, опорные грани 23 могут иметь протектор 26 (фиг. 4) для повышения сцепления опорной грани 23 с мягким грунтом.
Также, для создания дополнительного объёма плавучести на опорной катушке 2 с внешней стороны колеса может быть закреплена водонепроницаемая крышка 27 (фиг. 1).
Также, на копир 8 с внутренней стороны колеса может быть дополнительно надет защитный кожух 28 (фиг. 1), предотвращающий попадание мусора между копиром 8 и роликом 6.
Для обеспечения мягкости хода балка моста 7 крепится к транспортному средству через амортизаторы 29.
На фиг. 3 – 8 показаны схемы работы колёсно-лопастного движителя во время движения транспортного средства в различных средах и на различных поверхностях, а также, показано направление вращения колеса 1 по часовой стрелке, соответственно нос транспортного средства на них расположен справа.
1
На фиг. 3 показано действие центробежной силы инерции F лопасти 4, когда она находится в крайнем верхнем положении колеса 1 (в воздухе).
1
2
В этот момент лопасть 4 не взаимодействует с водой и на неё действует только центробежная сила инерции F, направленная наружу и центростремительная сила инерции F, направленная внутрь колеса 1.
1
2
1
4
1
4
2
4
1
Обе эти силы расположены в центре массы Слопасти 4, которая вращается вокруг центра вращения полуоси колеса С, а так как центр масс Слопасти 4 находится сзади центра вращения оси лопасти С, то под действием центробежной силы инерции F лопасть 4 будет вращаться вокруг центра вращения оси лопасти С, стремясь занять равновесное положение, вращаясь вокруг центра вращения полуоси колеса С, смещая центр вращения оси лопасти С и центр массы лопасти С на одну линию. При этом вращении, лопасть 4 упрётся в ограничительные упоры катушки 19, и плотно прижмётся к ним.
1
На дальнейших фазах вращения колеса 1 лопасть 4 будет под действием центробежной силы инерции F продолжать прижиматься к ограничительным упорам катушки 19, до тех пор, пока не встретит на своём пути препятствие в виде воды или грунта.
3
На фиг. 4 показано действие силы напора воды F на лопасть 4 при вращении колеса 1 во время движения транспортного средства по поверхности воды.
3
4
3
1
3
При попадании лопасти 4 в воду, под действием напора воды F лопасть 4 будет вращаться вокруг центра вращения оси лопасти С назад, так как действие от силы напора воды F в несколько раз превышает действие от центробежной силы инерции F. Вращаться лопасть 4 будет до тех пор, пока ролик 6 не упрётся в копир 8. Дальше, ролик 6 будет катится по копиру 8 и передавать силу напора воды F на копир 8.
3
4
Так как на любую силу действует противодействующая сила, так и на сопротивление силе напора воды F будет действовать крутящий момент от двигателя транспортного средства создавая на лопасти упорное давление F, что и приведёт к движению транспортного средства.
Дальнейшее движение лопасти 4 по копиру 8 приведёт к тому, что лопасть 4 задней гранью 24 упрётся в ограничительные упоры катушки 19.
2
На фиг. 5 изображён обтекатель 30, предназначенный для защиты лопастей 4 от набегающего потока воды спереди транспортного средства и направляющие лопатки 31, предназначенные для выравнивания потока и направления его в сопло 32. Во время движения транспортного средства по поверхности воды, лопасти 4 в нижней части колеса 1 всегда занимают вертикальное положение, что значительно уменьшает их сопротивление при входе и выходе из воды. Вода вместе с лопастями 4 совершает вращательное движение вокруг центра вращения полуоси колеса С и, получая центробежное ускорение, подымается вверх. Направляющие лопатки 31 выравнивают поток и направляют его в сопло 32, создавая при этом дополнительную тягу колёсно-лопастного движителя.
1
На фиг. 6 изображён колёсно-лопастной движитель во время движения транспортного средства по твёрдой поверхности или льду. Транспортное средство под действием собственного веса проседает на амортизаторах 29 и колесо 1 входит в обтекатель 30. Лопасти 4 под действием упругого шарнира 20 прижаты к ограничительным упорам катушки 19. При движении, под воздействием центробежной силы инерции F лопасти 4 будут ещё крепче прижиматься к ограничительным упорам катушки 19 и не будут мешать при движении транспортного средства на колёсах 1.
На фиг. 7 показано движение транспортного средства по мягкому грунту и снегу. Основное колесо 1 будет проваливаться в мягкий грунт до того момента, пока лопасть 4 опорной гранью 23 не ляжет на мягкий грунт и тем самым создаст дополнительную опорную площадь предотвращающую зарывание колеса 1 в грунт.
В случае пробуксовки колеса в мягком грунте, как это показано на фиг. 8, произойдёт раскрытие лопастей 4, и они, как грунтозацепы обеспечат движение транспортного средства.
Для особо нагруженных транспортных средств и для лучшей защиты лопастей 4 от внешних факторов, возможна установка вспомогательного колеса 33 (фиг. 9) с наружной стороны транспортного средства на дополнительной оси 34, при этом вспомогательное колесо закрывают объёмной водонепроницаемой крышкой 35 большого диаметра.
Вспомогательное колесо 33 может быть жёстко закреплено к опорной катушке 2 и участвовать совместно с основным колесом 1 в передаче крутящего момента на грунт.
Также возможен вариант установки вспомогательного колеса 33 на дополнительную ось 34 с помощью опорного подшипника 36 (на фиг. 9). Это позволяет улучшить управляемость транспортного средства при длительном движении по твёрдому грунту, а при движении по бездорожью можно стопорить вспомогательное колесо 33 на опорной катушке 2.
Таким образом, применение объёмных лопастей в виде прямоугольной треугольной призмы позволяет решить проблему их прочности, а также позволяет использовать лопасти как при движении по воде (когда задействована рабочая грань), так и при движении по мягкому грунту (когда задействована опорная грань для создания площади опоры, а боковое ребро между опорной и рабочей гранями используется в качестве зацепа), при этом, использование конструктивного соединения, состоящего из лопасти, оси лопасти, рычага, копира и ролика двигающегося по копиру, позволяет обеспечить вертикальный вход и выход лопастей из воды в нижнем секторе колеса.
Также, поскольку данная конструкция работает только на компенсацию вращательного движения лопастей, то это позволяет избежать их заклинивания, которое возможно в случае возвратно-поступательного перемещения лопастей в пазах, как это описано в аналогах. Поэтому, использование только вращательных движений в конструкции движителя, позволяет работать колёсно-лопастному движителю на высоких оборотах, что даёт возможность его применять на скоростных транспортных средствах, при этом, боковые ребра лопастей при движении по воде и мягкому грунту выходят за диаметр колеса, что увеличивает полезную площадь лопастей и повышает эффективность движителя.
Использование груза в лопастях обеспечивает их оптимальную центровку и служит для их дополнительного прижатия к упорам при движении транспортного средства по твёрдому грунту, что обеспечивает высокую скорость транспортного средства при движении по твёрдой поверхности.
Упругий шарнир работает только тогда, когда нет внешней нагрузки на лопасть, и служит только для прижатия лопасти к упорам.
Установка обтекателя перед колесом и направляющих лопаток после колеса обеспечивают повышение КПД транспортного средства во время его движения по воде.
С целью проверки работоспособности заявляемой конструкции была изготовлена радиоуправляемая модель транспортного средства с колёсно-лопастным движителем. Проведённые испытания модели показали способность её перемещения по любому типу поверхности (воде, твёрдому и мягкому грунту).
Таким образом, проведённые испытания подтвердили работоспособность конструкции, при этом заявляемый колёсно-лопастной движитель позволяет его использовать применительно к любым колёсным транспортным средствам, и для этого не требуется внесение существенных изменений в их конструкцию.