Ниппель автомобильной шины (клапан шины) со встроенной автоматической автономной подкачкой

Полезная модель относится к системам подкачки и контроля давления в шинах автомобиля во время движения и может найти применение в бескамерных шинах в качестве основного устройства и в камерных шинах в качестве насадки на имеющийся на колесе ниппель.
Из уровня техники известна заявка на изобретение RU 93028567, целью которого является упрощение конструкции ниппеля и повышение его надежности. При этом ниппель включает гайку, втулку гайки с упругим уплотнительным кольцом и обратный клапан, уплотнительное кольцо выполнено в виде стакана с отверстием в дне, наружная поверхность дна выполнена в виде седла обратного клапана, головка обратного клапана выполнена холодной высадкой.
Отличия заявленного решения состоят в том, что ниппель со встроенной подкачкой имеет закрытый внутренний объем ограниченный поршнем и двумя клапанами и способен не только обеспечивать возможность подкачки шины, но и подкачивать шину самостоятельно во время движения.
Известен патент FR 2831486 в котором описывается усовершенствованный ниппель с датчиком для контроля давления в шине. При этом датчик располагается внутри обода колеса и конструктивно связан с клапаном ниппеля.
Отличия заявленного решения состоят в том, что ниппель с подкачкой способен не только механически отслеживать падение давления в шине, но и автоматически при этом запускаться для подкачки давления до необходимого, за счет установленного подпружиненного поршня, который опускается и разжимает пружину при падении давления, что создает рабочий объем, используемый поршнем при кратковременных скачках давления в шине во время движения.
Известен патент KR 101244423 описывающий ниппель со встроенным автоматическим регулирующим клапаном. Данная конструкция позволяет выставлять точное давление в шине, поскольку клапан стравливает излишнее давление обратно в атмосферу.
Отличия заявленного решения состоят в том, что ниппель с подкачкой предназначен не для стравливания, а для накачки шины воздухом и повышения давления в случае его падения, что обеспечивается работой поршня и сжиманием воздуха в закрытом объеме.
Известен патент RU 2106978, описывающий способ подкачки шин при помощи расположенной в теле покрышки трубки, ограниченной клапаном с одной стороны и ограничителем давления с другой. При этом накачка шины происходит путем передавливания трубки в месте контакта колеса с поверхностью дороги, что заставляет перекрытый в трубке воздух стремиться к клапану и поступать в шину. Такое решение может оказаться малоэффективно в случае повреждения колеса в месте расположения трубки.
Отличия заявленного решения состоят в том, что система накачки колеса расположена в конструкции ниппеля, который располагается на ободе и его повреждение маловероятно. При этом принцип действия ниппеля с подкачкой состоит в нахождении внутри ниппеля подпружиненного поршня, который опускается и разжимает пружину при падении давления, что создает рабочий объем, используемый поршнем при кратковременных скачках давления в шине во время движения.
Наиболее близким решением является патент GB1457404 который описывает способ подкачки шины при помощи конструкции насоса расположенного в внутри покрышки на ободе колеса. Насос состоит из двух телескопических цилиндров, которые движутся навстречу друг другу накачивая воздух, когда часть покрышки (в которой находится насос) соприкасается с дорожной поверхностью.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- конструкция подкачки колеса расположена внутри ниппеля, который располагается в наиболее защищенной части колеса;
- встроенная подкачка на ниппеле работает, не от соприкасания колеса с дорогой, а от изменения давления воздуха в шине, когда колесо проезжает неровности дороги (выбоины, заплаты, волны асфальта и др.).
Технический результат заявленной полезной модели состоит в обеспечении возможности подкачки шин автомобиля при помощи универсальной конструкции, не имеющей прямой связи с покрышкой и работающей за счет краткосрочных изменений давления, обусловленных проездом различных неровностей.
Технический результат достигается за счет применения в конструкции поршня, который ограничивает расположенный в ниппеле объем и который создает в этом объеме давление выше, чем в шине, что приводит к открытию клапана и поступлению дополнительного воздуха в шину. При этом работа поршня происходит при кратковременных увеличениях давления в шине при проезде неровностей. Также, для усиления воздействия давления на поршень, а равно для увеличения технического результата, может применятся специальная конструкция предназначенная для увеличения сил, приходящихся на поршень со стороны шины.
Краткое описание чертежей:
Фиг. 1 - 3D изображение ниппеля с подкачкой с разрезом; Фиг. 2 - Изображение ниппеля с подкачкой в разрезе; Фиг. 3 - изображение поршня; Фиг. 4 - Возможная конструкция усилителя воздействия давления, который является вспомогательным устройством; Фиг. 5 - Возможная конструкция усилителя, который является единственным воздействующим на поршень элементом.
Ниппель автомобильной шины (клапан шины) со встроенной автоматической автономной подкачкой состоит из следующих элементов (согласно чертежам):
Непосредственно ниппель:
1. Корпус ниппеля;
2. Ступенчатый поршень;
3. Клапан мембрана (имеет в центре отверстие и предназначен для легкого поступления воздуха в закрытый надпоршневой объем);
4. Основная пружина;
5. Шарик второго клапана;
6. Второй клапан (предназначен для впуска воздуха в шину, когда давление в надпоршневом пространстве превысит давление в шине);
7. Пружина клапана;
8. Крепежный элемент (предназначен для поддержки конструкции второго клапана внутри поршня);
9. Уплотнительные кольца;
10. Воздушный канал (для пропуска воздуха к клапану-мембране);
11. Золотниковый клапан (для ручной подкачки);
12. Нижняя часть корпуса;
13. Гайка (для закрепления на ободе колеса)
14. Колпачек ниппеля специальной формы (для снижения вероятности попадания влаги и грязи);
15. Впускные воздушные каналы;
16. Рабочие воздушные каналы (для попадания воздуха непосредственно в шину);
17. Верхний диаметр поршня;
18. Ступень поршня с переходным диаметром;
19. Проточка под установку уплотнительных колец;
20. Нижний диаметр поршня.
Усилитель воздействия давления (возможная конструкция):
21. Корпус усилителя;
22. Приводной поршень усилителя (с небольшим отверстием для постепенного выравнивания давления внутри и снаружи усилителя);
23. Рычаг;
24. Пружина;
25. Жидкостной поршень;
26. Жидкость;
27. Рабочий упор;
28. Крепежная проушина (для присоединения непосредственно к ниппеля с обратной стороны обода колеса);
29. Стопорное кольцо;
30. Штифты;
31. Упругий конус;
Усилитель воздействия давления прямого действия (возможная конструкция):
32. Штанга с поршнем;
33. Перепускной клапан;
34. Закрытый объем;
35. Впускной клапан;
36. Поступление воздуха в шину;
37. Атмосферный воздух, атмосферное давление.
Работа непосредственно ниппеля строится следующим образом:
При наезде колеса автомобиля на неровность внутри шины скачкообразно вырастает давление, которое посредством рабочего воздушного канала (16) давит на ступенчатый поршень (2) снизу. Чтобы скомпенсировать возросшее давление поршень вынужден произвести движение вверх сжимая основную пружину (4), увеличивая давление в надпоршневом пространстве и прижимая при помощи увеличенного давления клапан-мембрану (3) к верхней части надпоршневого пространства.
При этом ступень поршня (18) при помощи воздушных каналов (15) связана с атмосферой и не создает дополнительного сопротивления движению поршня, а поскольку верхний диаметр поршня (17) больше нижнего диаметра поршня (20), то компенсирующее давление в надпоршневом пространстве должно быть больше, чем возросшее давление в шине.
Когда давление в надпоршневом пространстве начинает превышать давление в шине открывается второй клапан (6) уплотненный шариком (5), что позволяет воздуху войти через рабочий воздушные каналы (16) внутрь шины и выровнять давление.
После проезда неровности давление в шине снижается, второй клапан (6) при помощи клапанной пружины (7) закрывается и поршень (2) при помощи основной пружины (4) опускается до положения, соответсвующего давлению в шине. При опускании поршня давление в надпоршневом пространстве снижается вплоть до возникновения вакуума, который приводит к деформации клапана-мембраны (3) в центральной части и возможности прохождения атмосферного воздуха по воздушным каналам (15) в надпоршневое пространство. Далее цикл повторяется.
Особенности конструкции:
1. В корпусе ниппеля предусматривается возможность установки отдельного золотникового клапана (11) предназначенного для ручной накачки шины. При этом воздух поступая через золотниковый клапан будет создавать давление в надпоршневом пространстве, что приведет к открытию второго клапана (6) и поступлению воздуха в шину.
2. Конструкция второго клапана устанавливается в поршень при помощи крепежного элемента (8), а сам поршень уплотняется при помощи уплотнительных колец (9).
3. Колпачек ниппеля (14) имеет вход для атмосферного воздуха только с одной стороны, чтобы избежать лишних завихрений воздуха и накапливания грязи. При этом в колпачке предусмотрено закрытое пространство в которое может быть помещен шариковый элемент, для создания микровибраций разрушающих накопившуюся грязь.
4. Работа поршня (2) возможна лишь при наличии внутри шины минимального рабочего давления, определяемого основной пружиной (4). В зависимости от давления в шине различается сила давления и соответсвенно величина сжатия основной пружины, расположение поршня внутри корпуса ниппеля (1) и объем надпоршневого пространства. При этом когда достигнуто максимальное давление в шине поршень (2) достигает своей верхней точки в которой пружина (4) полностью сжата, а надпоршневой объем отсутствует. Дальнейшая работа подкачки и перекачивание шины невозможны.
5. После каждого совершения работы поршня (2) в надпоршневом пространстве создается атмосферное давление. При этом важное значение имеет объем надпоршневого пространства. Так при максимальном объеме ход поршня на 1 мм увеличит давление в надпоршневом пространстве (условно) на 10%, если шина накачана наполовину и поршень находится в среднем положении, то сокращение объема на 1 мм увеличит давление в надпоршневом пространстве уже на 20%. Таким образом, несмотря на то, что в надпоршневом пространстве после рабочего цикла создается атмосферное давление, поршень при каждом последующем рабочем цикле способен создавать давление больше, чем в шине за счет постепенного сокращение надпоршневого пространства по мере накачки шины. То есть давление в шине, увеличиваясь, движет поршень вверх, сокращая надпоршневой объем и создавая возможности для дальнейшей накачки.
6. Основная пружина (4) возвращает поршень (2) в рабочее положение после каждого рабочего цикла, но при этом следует отметить, что пружина за счет собственной упругости создает дополнительное сопротивление работе поршня, что выражается в потере примерно 50% эффективности.
Пример расчета работы ниппеля:
При условных значениях основной пружины (4):
Максимальная деормация - 40 Н;
Максимальный рабочий ход - 9 мм.
Нижний диаметр поршня - 16 мм;
3
Максимальный объем надпоршневого пространства - 716 мм
3
Если в колесе имеется давление в 1,2 атмосферы (0,12 МПа) то на нижнюю часть поршня приходится сила в 24,13 Н, что приводит к сжатию пружины на 5,43 мм до 3,57 мм рабочего хода и уменьшению объема до 431,93 мм. Будем считать эти значения основными для расчета нашего примера работы ниппеля.
3
Предположим, что колесо наезжает на неровность дороги, вследствии чего давление внутри колеса резко увеличивается на 0,27 атмосферы (0,017 МПа) до 0,147атмосферы (0,147 МПа), а сила давления на поршень возрастает на 5,43 Н до 29,56 Н, что приводит к дальнейшему сжатию пружины на 1,22 мм и сокращению надпоршневого закрытого объема до 284,32 мм, а давление в надпоршневом пространстве вырастает с единицы до 1,52атм (0,152 МПа). Как видим давление в закрытом объеме в отдельный момент времени превысило давление в шине, и стало возможным подкачка шины.
Как видно из примера, для того, чтобы в надпоршневом пространстве давление стало выше, чем в шине, необходимо достаточно сильное увеличение давления в шине. Причиной этого является работа пружины, без которой конструкция не будет работоспособна вовсе. Работы подкачки при более низких скачках давления в шине можно добиться при помощи пружин, способных накапливать усилие при сжатии, что позволит увеличить ход поршня при скачках давления, либо можно установить на ниппель какую-либо конструкцию усилителя давления на поршень.
Работа предположительного усилителя воздействия давления строится следующим образом:
При наезде шины на неровность в шине поднимается давление, которое воздействует не только на поршень ниппеля, но и на поршень усилителя (22), который нажимает на рычаг (23) имеющий с другой стороны жидкостной поршень (25), который в свою очередь давит на жидкость (26) которая передвигает рабочий упор (27), который в свою очередь упирается в поршень ниппеля, который перемещается на большее расстоянии и соответсвенно давление в надпоршневом пространстве увеличивается сильнее.
Особенностью такого усилителя является:
- Наличие пружины поршня, которая предназначена для возвращения поршня (22) в изначальное состояние;
- Поршень (22) имеет небольшое отверстие, предназначенное для постепенного выравнивания давления снаружи и внутри усилителя (что позволяет отказаться от пружины большой упругости).
- В конструкции предусматривается колпак из упругого материала (31), предназначенный для сдавливания давлением, что позволит увеличить давление жидкости (26) и передвинуть упор (27) в рабочее состояние (упор должен соприкасаться с поршнем ниппеля).
Пример работы ниппеля с усилителем:
Диаметр поршня ниппеля - 16 мм;
Диаметр поршня усилителя - 30 мм;
3
Объем надпоршневого пространства ниппеля - 716 мм;
Ход пружины поршня ниппеля - 9 мм.
Усилие пружины - 40 Н.
Расстояние от центрального крепления рычага до:
Основного поршня - 18 мм;
Жидкостного поршня - 12 мм.
Условные изначальные показатели:
Давление - 0,12МПа;
Длина пружины при давлении - 3,57 мм;
3
Объем надпоршневого пространства при давлении - 431,93 мм.
Предположим, что при наезде на неровность давление увеличивается всего лишь на 0,005 МПа, что равняется усилию в 1,005 Ньютонов, приходяшихся на поршень ниппеля и 3,53 Н, приходящихся на поршень усилителя.
При этом, поскольку в усилителе используется рычаг, то усилие на жидкостном поршне будет равняться 5,3 Н. Данное усилие через жидкость передается на упор и далее на поршень ниппеля.
Суммарное усилие на поршне ниппеля равняется в этом случае 6,305 Н.
3
Поршень передвинется на 1,42 мм до 2,15 мм, а объем сократится до 260,13 мм. Давление в надпоршневом пространстве в этом случае увеличится до 0,166 МПа.
Также, возможно применение усилителей других конструкций, которые могут устанавливаться на ниппель снаружи, а могут встраиваться в конструкцию ниппеля.