Колесо с диском для пневматической шины низкого или сверхнизкого давления

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а именно к транспортно-технологическим средствам высокой проходимости, в частности вездеходам и снегоболотоходам многоцелевого назначения на шинах сверхнизкого давления, которые могут быть использованы для перевозки людей, грузов, технологического оборудования в условиях бездорожья, по снежной целине без повреждения снежно-ледяного покрова, по сыпучему песку, а также в тундре без повреждения растительного покрова.
Особенностью указанных транспортных средств является использование колес со специальными крупногабаритными шинами низкого и сверхнизкого давления. Низкое давление в этих шинах (менее 0,5 атм.) не позволяет использовать традиционные способы крепления камерных и бескамерных шин на диске (описанные, например,
https://ustroistvo-avtomobilya.ru/shiny-i-diski/kolesa-i-shiny/
https://wiki.zr.ru/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B8%D1%81%D0%BA).
На повышение надежности крепления бескамерных шин на диске направлен патент СССР №588909 по конструкции обода колеса, содержащий две части, герметично соединенные между собой посредством радиальных кольцевых фланцев с аксиальными крепежными элементами и эластичного кольца, расположенного в кольцевой канавке, имеющейся в плоскости разъема фланцев, и ниппель, установленный на одной из частей. Недостатком данной конструкции является, то что при пониженном давлении воздуха в шине и высоких ударных нагрузках шина может соскочить с обода колеса, кроме этого обод колеса, содержит две части сложной конфигурации, использование которых целесообразно при массовом изготовлении дисков колес. Важно отметить, что транспортные средства на шинах низкого и сверхнизкого давления выпускаются сравнительно небольшими партиями (мелкосерийное или серийное производство), поэтому использование технологий массового производства при создании обода, на наш взгляд, является не рациональным. Кроме этого, шины низкого и сверхнизкого давления являются крупногабаритными, поэтому масса колеса с такими шинами может превышать 100 и более килограмм. Одному человеку осуществить сборку (монтаж) и разборку (демонтаж) такого колеса весьма непросто, в особенности если это будет выполняться в условиях бездорожья, тундры или в условиях снежной целины. В связи с этим важно предусмотреть возможность монтажа без снятия колеса со ступицы. Конструкция обода колеса по патенту СССР №588909 этого сделать не позволяет.
На устранение указанных недостатков направлена конструкция колеса для шины низкого давления по патенту РФ №51562, содержащая внешний и внутренний полуободы, герметично соединенные между собой посредством крепежных элементов и эластичного кольца, размещенного в кольцевой канавке, имеющейся в плоскости разъема, ниппель, разрезную распорную втулку, свободные концы которой жестко зафиксированы в рабочем положении, а полуободы выполнены штампосварными, при этом внутренний диаметр внешнего полуобода больше внутреннего диаметра внутреннего полуобода. В данном патенте полуободы опять же имеют сложную форму, что увеличивает трудоемкость их изготовления и стоимость. Соединение полуободов, в соответствии с патентом РФ №51562, осуществляется по фланцам при помощи сначала центрирующих штифтов, и только после этого соединительных болтов. Использование штифтов, которые могут являться съемными, усложняет правильную сборку колеса, в особенности в полевых условиях, когда необходимых штифтов просто может не оказаться «под рукой». Другим недостатком патента РФ №51562 является то, что разрезная распорная втулка, свободные концы которой жестко зафиксированы, изготовленная из легкого сплава или пластика определенной толщины, не имеет в своей конструкции технологических вырезов, окон, позволяющих снизить ее массу, и тем самым снизить массу всего колеса. Еще одним недостатком конструкции колеса по патенту РФ №51162 является то, что борт шины (левый или правый) устанавливается на части полуобода, имеющем форму конуса, при этом внутренний диаметр внешнего полуобода больше внутреннего диаметра внутреннего полуобода, что приводит к уменьшению площади контакта шины с полуободом и повышает вероятность разгерметизации бескамерной шины.
Известна конструкция обода колеса для пневматической шины, выполненная по патенту РФ на изобретение №2104165, состоящая из основания обода, конической посадочной полки и съемного бортового кольца с бортовой закраиной, закрепленные на присоединительном фланце с помощью болтовых соединений, проходящих внутри крепежных отверстий, при этом бортовая закраина смещена внутрь колеса относительно плоскости присоединительного фланца и надвинута на коническую посадочную полку, которая имеет начальный заходный участок с диаметром, меньше минимального посадочного диаметра, отличающийся тем, что бортовая закраина наклонена наружу колеса на угол, больший или равный углу конусности посадочной полки, а радиальный зазор между бортовым кольцом и посадочной полкой при полностью стянутых болтовыми соединениями присоединительных фланцах меньше радиального зазора между болтами и крепежными отверстиями бортового кольца.
Недостатком данной конструкции обода колеса для пневматической шины является низкая надежность закрепления бортов шины, имеющих значительную разнотолщинность, что часто приводит к разгерметизации шины. Кроме этого, при демонтаже шины с обода данной конструкции необходимо открутить определенное количество болтов малого диаметра, соединяющих съемное бортовое кольцо и присоединительный фланец с конической посадочной полкой. При отрицательных температурах, характерных для зимнего времени года, механические свойства болтов ухудшаются из-за склонности их материала к хладноломкости и при монтаже/демонтаже шины в полевых условиях высокая вероятность выхода их из строя, что может существенным образом затруднить сборку/разборку узла.
В патенте РФ на изобретение №2348538 рассмотренные выше недостатки конструкций частично устранены, этот патент является наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве прототипа. В нем представлена конструкция диска колеса для крупногабаритной пневматической шины, содержащего основание обода с опорными фланцами с посадочными полками для размещения бортов шины, а также диск прикрепленный к основанию обода, при этом основание обода выполнено в виде двух тонкостенных конусов, со стороны большего основания каждого из которых размещен фланец с посадочной полкой, а со стороны меньшего основания выполнен фланец, расположенный со стороны стенки конуса, противоположной поверхности размещения посадочной полки, и выполненный с отверстиями  по окружности фланца, при этом оба усеченных фланца примыкают друг к другу указанными фланцами и соединены между собой посредством съемного диска, выполненного с фланцем с отверстиями и посадочным местом для размещения обоих фланцев усеченных конусов, и болтов, пропущенных через отверстия во всех фланцах.  Кроме этого, патент РФ на изобретение №2348538 описывает конструкцию колеса, содержащего крупногабаритную пневматическую шину, размещенную на посадочных полках основания обода с опиранием на опорные фланцы этого основания, а также диск, прикрепленный к основанию обода и имеющее распорное кольцо, выполненное в виде тонкостенной цилиндрообразной перфорированной оболочки с опорными поверхностями на краевых частях, размещенное внутри шины с упиранием указанных поверхностей в борта шин.
В конструкции прототипа съемный диск, прикрепленный к основанию обода, с другой стороны закреплен на ступице колеса.  Такое соединение не позволяет выполнить монтаж/демонтаж шины без снятия колеса со ступицы, что является недостатками в конструкции прототипа.
Силы и моменты, возникающие в контакте крупногабаритной пневматической шины с опорной поверхностью, передаются на ступицу колеса через основание обода, которое в конструкции прототипа выполнено в виде двух тонкостенных конусов, каждое из которых имеет по три изгиба для создания опорного фланца, посадочной полки и фланца для соединения этих конусов со съемным диском. Тонкостенные конусы не могут обеспечить высокой жесткости конструкции, а учитывая при этом, что борт шины (левый или правый) устанавливается на посадочные полки, являющиеся частью усеченных конусов, то в результате получаем уменьшение площади контакта шины с основанием обода и высокую вероятность разгерметизации бескамерной шины. При этом, следует отметить, что качественное создание трех изгибов на тонкостенных конусах требует наличия дорогостоящего оборудования, что затрудняет использование на практике конструкции прототипа.
Полезная модель направлена на решение технической задачи, связанной с повышением жесткости конструкции в месте соединения пневматической шины низкого или сверхнизкого давления с диском колеса, достигаемой без существенного увеличения массы колеса, а также задачи по упрощению процесса монтажа/демонтажа шины в полевых условиях и улучшению технологичности конструкции колеса в условиях мелкосерийного производства.
Достигаемый при этом технический результат заключается в создании надежной и герметичной конструкции бескамерного колеса для шины низкого или сверхнизкого давления, облегчении процесса монтажно-демонтажных работ в полевых условиях, выполнение которых возможно без снятия колеса со ступицы, и в повышении технологичности конструкции диска колеса в условиях мелкосерийного производства.
Указанный технический результат достигается тем, что колесо, содержит диск колеса с опорными и посадочными полками, прикрепленными к основанию обода, состоящему из двух усеченных конусов, в стенке одно из которых выполнено отверстие для размещения вентиля, пневматическую шину низкого или сверхнизкого давления, размещенную на посадочных полках диска колеса, и распорное кольцо, отличающиеся тем, что каждое из усеченных конусов основания обода со стороны меньшего основания соединено с радиальным фланцем, при этом фланцы герметично соединяются между собой посредством крепежных элементов и эластичного кольца, размещенного в кольцевой канавке, имеющейся в плоскости разъема, при этом один из фланцев имеет отверстия для соединения со ступицей колеса, а со стороны большего основания усеченного конуса –  с уголками, одна полка которых является посадочной для пневматической шины, а другая - опорной для ее боковин, при этом на концах полок уголков с внешней стороны, противоположной расположению шины, установлены усиливающие элементы, причем на посадочных для пневматической шины полках уголков усиливающие элементы соединены с большими основаниями конусов обода, с обратной стороны которых, напротив указанных усиливающих элементов, расположено распорное кольцо, опирающиеся также на внутреннюю сторону посадочных полок уголков и состоящие из двух полуколец, соединенных между собой при помощи крепежных элементов, каждое из которых содержит набор тонкостенные труб, из которых две трубы, имеющие форму дуг окружности, боковыми поверхностями упираются в боковины пневматической шины, а остальные трубы расположенные перпендикулярно им, создают на них необходимое подпирающие усилие, обеспечивая создание герметичного соединения пневматической шины с диском колеса.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами.
Фиг. 1 – Схема колеса с диском для пневматической шины.
Фиг. 2 – Схема соединения фланцев основания обода.
Фиг. 3 –  Распорное кольцо.
Схема колеса с диском для пневматической шины представлена на фиг. 1. Пневматическая шина 1 установлена на диск колеса, имеющий основание обода, состоящее из двух усеченных конусов 2 и 3, в стенке одно из которых выполнено отверстие для размещения вентиля 4, каждое из которых со стороны меньшего основания соответственно соединено с радиальным фланцем 5 и 6, при этом фланцы 5 и 6 герметично соединяются между собой посредством крепежных элементов 7 и эластичного кольца 8, размещенного в кольцевой канавке 9, имеющейся в плоскости разъема 10. На фланце 6 выполнен центрирующий буртик 11, необходимый для точного позиционирования (центрирования) фланцев 5 и 6 при сборке. Также на фланце 6 имеются равномерно расположенные по окружности отверстия 12 для его соединения со ступицей колеса (на чертеже не показана).
Усеченные конусы 2 и 3 со стороны большего основания соединены с уголками 13 и 14, имеющими посадочные 15, 16 и опорные 17, 18 полки для боковин 19 и 20 пневматической шины 1. Для увеличения жесткости конструкции с внешней стороны полок 15, 16 и 17, 18 установлены усиливающие элементы 21, 22 и 23, 24, которые могут иметь профиль уголков, тонкостенных труб круглого или прямоугольного сечения или другие профили. На посадочных 15, 16 полках уголков 13, 14 усиливающие элементы 22 и 23 соединены с большими основаниями усеченных конусов 2 и 3. Фиксация бортов 19 и 20 пневматической шины 1 происходит за счет действия распорного кольца 25, опирающегося на внутреннюю сторону посадочных полок 15, 16 уголков 13, 14 и на большие основания усеченных конусов 2 и 3. Распорное кольцо 25  состоящие из двух полуколец 26 и 27, соединенных между собой при помощи крепежных элементов 28. Каждое из полуколец 26 и 27 содержит набор тонкостенные труб, круглого или прямоугольного сечения, из которых две трубы соответственно 29, 30 или 31, 32, имеющие форму дуг окружности, боковыми поверхностями упираются в боковины 19, 20 пневматической шины 1, а остальные трубы 33, количество которых выбирается исходя из размеров шины, расположенные перпендикулярно трубам 29, 30 или 31, 32, создают на них необходимое подпирающие усилие, обеспечивая создание герметичного соединения пневматической шины с диском колеса.
Повышение технологичности конструкции диска колеса в условиях мелкосерийного производства достигается тем, что колесо имеет диск, состоящий из деталей не сложных геометрических форм, который может быть изготовлен на стандартном оборудовании с применением недорогих известных технологий.  При этом монтаж/демонтаж пневматической шины 1 на диск колеса может осуществляться в полевых условиях без снятия колеса со ступицы и без применения стационарной техники или специализированного инструмента.
При монтаже пневматической шины на диск колеса, фланцы 5 и 6 предварительно разъединяют, при этом фланец 6 при необходимости может оставаться закрепленным через отверстия 12 на ступице колеса (на чертеже не показана). Внутрь пневматической шины 1 устанавливают распорное кольцо 25, предварительно соединив полукольца 26 и 27 крепежными элементами 28.  Распорное кольцо 25 устанавливают так, что трубы 29, 30 и 31, 32 упирались в боковины 19, 20 с внутренней стороны, при этом боковины шины раздвигаются. На посадочную полку, например, 15 одной части основания размещают один борт (боковину) пневматической шины 1 с опиранием на полку 17. Затем на посадочную полку 16 другой части основания обода размещают другой борт пневматической шины 1 и прижимают его к опорной полке 18.  Для обеспечения герметичного стыка частей основания обода устанавливают эластичное кольцо 8 в кольцевую канавку 9 фланца 5 и соединяют фланцы 5 и 6 первоначально по центрирующей поверхности 11, а затем – крепежными элементами 7. После этого в полость шины подают воздух до величины необходимого давления. Поскольку соединение фланцев 5 и 6 герметизировано, а борта 19 и 20 пневматической шины 1 прижаты распорным кольцом 25 к опорным полкам 17 и 18, то полость шины является герметичной. Для повышения надежности соединения пневматической шины с диском колеса посадочные полки 15 и 16 расположены горизонтально, дополнительно уплотняя место соединения и увеличивая площадь контакта пневматической шины с диском колеса.
Демонтаж пневматической шины осуществляется в обратном порядке действий. Для демонтажа пневматической шины достаточно открутить крепежные элементы 7, соединяющие фланцы 5 и 6, и разъединить эти фланцы, при этом происходит разгерметизация шины. Поскольку борта шины размещены свободно на посадочных полках, то часть основания обода легко вынимается из шины по своему борту.
Изготовлением опытных образцов подтверждается получение технического результата и промышленной применимости заявленного устройства.