Пневматическое колесо
PNEUMATIC WHEEL

Предлагаемое изобретение может быть применено в конструкциях транспортных средств, в которых преимущественно применяются колеса большого диаметра, не требуется передача через колесо крутящего момента или больших его значений и которые имеют меньшую массу и предназначены для передвижения по почве с низкой несущей способностью и/или водным преградам.
Известно пневматическое колесо транспортного средства на шине низкого давления, содержащие обод, на котором имеется установленная внутренней опорной поверхностью наполненная воздухом с избыточным давлением гибкая оболочка, выполненная в виде бескамерной шины с возможностью изменения количества воздуха в ней и с внешней имеющий протектор опорной поверхностью, которая является поверхностью качения. Шина имеет две боковые в плоскости вращения части, которые соединены между собой посредством обода колеса. Имеется устройство для крепления шины к ободу колеса. (пат. РФ на полезную модель № 196776, МПК B60B 3/02, опубл. 16.03.2020, Бюл. № 8).
Недостатком данной конструкции является большая масса колеса, так как в условиях низкого давления в шине требуется применение специального прочного устройства крепления шины к ободу колеса для обеспечения герметичности и исключения саморазбортовки. Недостатком также является наличие больших боковых раскачиваний транспортного средства на колесах такой конструкции из-за того, что боковые в плоскости вращения части шины имеют возможность свободно изменять расстояние между друг другом. К тому же, при деформациях шины, в результате ударов от неровностей поверхности, происходит образование выпячивания боковых частей, которые подвержены повреждению скользящими по ним острыми выступами дорожных препятствий.
Известны пневматические колеса транспортных средств с применением технологии «RunFlat», которые содержат обод, на котором имеется установленная внутренней опорной поверхностью наполненная воздухом с избыточным давлением гибкая оболочка, выполненная в виде бескамерной шины с возможностью изменения количества воздуха в ней и с внешней имеющий протектор опорной поверхностью, которая является поверхностью качения. Шина имеет две боковые в плоскости вращения части, которые соединены между собой посредством обода колеса, на которые они прижаты высоким избыточным давлением воздуха в полости шины. Боковые части шины имеют расположенные внутри полости шины усиливающие их жесткость армирующие накладки, которые повышают боковую устойчивость шины. (https://runflat.ru/runflat).
Недостатком данной конструкции является утяжеление колеса из-за наличия армирующих накладок, которые должны иметь большую упругость, а значит требуется их выполнять на основе резины. Также недостатком является невозможность применения в конструкциях колес на шинах низкого давления, так как отсутствует специальное крепление шин к ободу колеса, а применение этого крепления утяжеляло бы колесо.
Известно пневматическое колесо транспортного средства, которое является камерным и содержит обод, на котором имеется установленная внутренней опорной поверхностью наполненная воздухом с избыточным давлением гибкая оболочка с возможностью изменения количества воздуха в ней и с внешней опорной поверхностью, имеющая две боковые в плоскости вращения части, которые соединены между собой работающим на растяжение гибким элементом, расположенным внутри полости гибкой оболочки. Гибкий элемент по кольцевой поверхности делит гибкую оболочку на две части, которые с помощью него герметично разделены друг от друга и имеют раздельные штуцера для изменения количества воздуха в соответствующих частях гибкой оболочки. (пат. РФ на полезную модель № 99382, МПК B60С5/04, опубл. 20.11.2010, Бюл. № 32). Использование данной гибкой оболочки подразумевает применение полностью охватывающей и армирующей ее шины с протектором, которая обеспечивает не только защиту гибкой оболочки от повреждений, но и сопротивление колеса деформациям. При этом шина может крепиться к ободу колеса путем прижатия к нему, либо специальными устройствами. Гибкий элемент, который соединяет боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки, обеспечивает лучшую боковую устойчивость колеса. Однако недостатками данной конструкции колеса, которая принята за прототип, являются: большая масса, так как имеется как гибкая оболочка, так и полностью охватывающая ее шина, требуется применение специальных устройств для надежного крепления шины к ободу колеса, либо в условиях низкого давления, когда мала нагрузка на колесо, большая вероятность саморазбортовки; низкая боковая устойчивость, так как использован только гибкий элемент, который локально соединяет боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки; при деформациях шины, в результате ударов от неровностей поверхности, происходит образование выпячивания боковых частей, которые подвержены повреждению скользящими по ним острыми выступами дорожных препятствий, либо требуется усиление и утяжеление шины колеса.
Задачей предлагаемой группы изобретений является улучшение боковой устойчивости и облегчение конструкции колеса, путем обеспечения меньших деформаций боковых частей гибкой оболочки, а значит и колеса в целом, а также путем наделения гибкой оболочки основной несущей способностью колеса.
Для достижения указанного технического результата в пневматическом колесе по первому варианту, содержащем обод, на котором имеется установленная внутренней опорной поверхностью наполненная воздухом с избыточным давлением гибкая оболочка с возможностью изменения количества воздуха в ней, с внешней опорной поверхностью и имеющая две боковые в плоскости вращения части, которые соединены между собой работающим на растяжение гибким элементом, расположенным внутри полости гибкой оболочки, применены следующие новые признаки. Боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки при рабочем избыточном давлении воздуха являются плоскими и расположенными перпендикулярно оси вращения, а работающий на растяжение гибкий элемент представляет собой множество синтетических нитевидных волокон, распределенных по внутренней поверхности боковых в плоскостях вращения частей гибкой оболочки, через которые способен проникать воздух.
Имеются следующие частные случаи.
Боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки содержат тканый синтетический материал, множество синтетических нитевидных волокон которого соединяют между собой боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки, а тканый синтетический материал облицован воздухонепроницаемым гибким материалом.
На гибкую оболочку установлена шина, образующая поверхность качения и покрывающая не полную поверхность боковых в плоскостях вращения частей гибкой оболочки или внешняя опорная поверхность гибкой оболочкаобразует поверхность качения, которая, в частном случае армирована упругим материалом.
Гибкая оболочка имеет разделяющую ее объем на герметичные камеры перегородку в плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем синтетические нитевидные волокна соединяют боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки друг с другом путем их крепления между ними и перегородкой. Либо гибкая оболочка имеет несколько разделяющих ее объем на герметичные камеры перегородок в плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем синтетические нитевидные волокна соединяют боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки друг с другом путем их крепления между ними и перегородками, а также между перегородками.
Для достижения указанного технического результата в пневматическом колесе по второму варианту, содержащем обод, на котором имеется установленная внутренней опорной поверхностью наполненная воздухом с избыточным давлением гибкая оболочка с возможностью изменения количества воздуха в ней, с внешней опорной поверхностью и имеющая две боковые в плоскости вращения части, которые соединены между собой работающим на растяжение гибким элементом, расположенным внутри полости гибкой оболочки, применены следующие новые признаки. Применены дополнительно одна или несколько упругих оболочек, которые соприкасаются друг с другом боковыми в плоскости вращения частями, боковые в плоскости вращения части всех гибких оболочек при рабочем избыточном давлении воздуха являются плоскими и расположенными перпендикулярно оси вращения, а работающий на растяжение гибкий элемент указанных упругих оболочек представляет собой множество синтетических нитевидных волокон, распределенных по внутренней поверхности боковых в плоскостях вращения частей гибкой оболочки, через которые способен проникать воздух, внутренние полости указанных гибких оболочек являются раздельными и имеют штуцера для изменения количества воздуха в каждом из них.
Имеются следующие частные случаи.
Боковые в плоскости вращения части гибких оболочек содержат тканый синтетический материал, множество синтетических нитевидных волокон которого соединяют между собой боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки, а тканый синтетический материал облицован воздухонепроницаемым гибким материалом.
На гибкие оболочки установлена шина, образующая поверхность качения и покрывающая не полную поверхность боковых в плоскостях вращения внешних частей гибких оболочек.
Внешняя опорная поверхность гибких оболочек образует поверхность качения и, в частном случае, поверхность качения армирована упругим материалом.
На фиг. 1-6 изображены частные случаи в диаметральном разрезе пневматического колеса; на фиг. 7 – частный случай конструкции гибкой оболочки с армированием поверхности каченияв диаметральном разрезе (увеличено); на фиг. 8 – частный случай конструкции боковых в плоскостях вращения частей гибкой оболочки (увеличено).
Гибкая оболочка 1 выполнена с возможностью изменения количества воздуха в ней, например с помощью штуцера 2. Гибкая оболочка 1 имеет внешнюю опорную поверхность (поверхность по внешнему ее диаметру) и две боковые в плоскости вращения части, которые при рабочем избыточном давлении воздуха являются плоскими и расположенными перпендикулярно оси вращения. Боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки 1 соединены между собой работающим на растяжение гибким элементом, расположенным внутри полости гибкой оболочки 1. Работающий на растяжение гибкий элемент представляет собой множество синтетических нитевидных волокон 3, распределенных по внутренней поверхности боковых в плоскостях вращения частей гибкой оболочки 1, через которые способен проникать воздух. В частном случае, боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки 1выполнены по известной технологии «AirDeck», содержат тканый синтетический материал 4 (фиг. 7 и 8), множество синтетических нитевидных волокон 3 которого соединяют между собой боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки 1, а тканый синтетический материал 4 облицован, например приклеиванием, воздухонепроницаемым гибким материалом 5, например из поливинилхлорида. Герметичность гибкой оболочки 1 может быть обеспечена соединением ее боковых в плоскости вращения частей гибким материалом, например поливинилхлорида, путем склеивания.
По первому варианту (фиг. 1-4) пневматическое колесо содержит обод 6, на котором имеется установленная внутренней опорной поверхностью наполненная воздухом с избыточным давлением гибкая оболочка 1. Для закрепления гибкой оболочки 1 на ободе 6 может быть применен прижимной фланец 7, который совместно с ободом 6 фиксирует гибкую оболочку 1 от смещений вдоль оси вращения и может зажимать ее при необходимости передачи крутящего момента на колесо.
В частном случае (фиг. 2), на гибкую оболочку 1 установлена шина 8, образующая поверхность качения и покрывающая не полную поверхность боковых в плоскостях вращения частей гибкой оболочки 1.
В частном случае (фиг. 3), гибкая оболочка 1 имеет разделяющую ее объем на герметичные камеры перегородку 9 в плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем синтетические нитевидные волокна 3 соединяют боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки 1 друг с другом путем их крепления между ними и перегородкой 9. Для герметичности перегородка 9 может иметь, например, покрытие из поливинилхлорида.
В другом частном случае (фиг. 4), гибкая оболочка 1 имеет несколько разделяющих ее объем на герметичные камеры перегородок 9 в плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем синтетические нитевидные волокна 3 соединяют боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки 1 друг с другом путем их крепления между ними и перегородками 9, а также между перегородками 9.
В частном случае, внешняя опорная поверхность гибкой оболочки 1образует поверхностью качения, которая может быть армирована упругим материалом, например упругими стальными кольцами 10 (фиг. 7).
По второму варианту (фиг. 5 и 6) пневматическое колесо содержит обод 6, на котором имеются установленные внутренней опорной поверхностью наполненные воздухом с избыточным давлением несколько гибких оболочек 1, которые соприкасаются друг с другом боковыми в плоскости вращения частями, например непосредственно, либо посредством слоя скрепляющего их клея. Внутренние полости указанных гибких оболочек 1 являются раздельными и имеют штуцера 2 для изменения количества воздуха в каждом из них.
В частном случае (фиг. 6), на гибкие оболочки 1установлена шина 11, образующая поверхность качения и покрывающая не полную поверхность боковых в плоскостях вращения внешних частей гибких оболочек 1.
В частном случае, по первому и второму варианту изобретения внешняя опорная поверхность гибких оболочек 1образует поверхностью качения, которая может быть армирована упругим материалом, например упругими стальными кольцами 10 (фиг. 7).
Работает пневматическое колесо следующим образом.
Внутри гибкой оболочки 1 создают рабочее избыточное давление путем подачи воздуха через штуцер 2. В результате этого происходит натяжение нитевидных волокон 3 и боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки 1, ввиду их большой площади, распрямляются, становясь плоскими и прочными на изгиб.
Через обод 6 на боковые в плоскости вращения части гибкой оболочки 1 передаются радиально вес транспортного средства, окружная сила колеса, при наличии крутящий момент, а также боковые нагрузки. Боковые нагрузки, в условиях плоской формы боковых в плоскости вращения частей гибкой оболочки 1, приводят к работе на растяжение одной из боковых в плоскости вращения частей гибкой оболочки 1 и синтетических нитевидных волокон 3, таким образом обеспечивается боковая устойчивость пневматического колеса, особенно при использовании в конструкции гибких оболочек 1 слабо растяжимого материала, например поливинилхлорида, и слабо растяжимых синтетических волокон 3, которые могут быть выполнены, например, из полиэстера. Технология изготовления надувных изделий «AirDeck», при которой происходит соединение боковых стенок надувной конструкции синтетическими нитевидными волокнами, широко зарекомендовала себя путем ее применения для имеющих плоскую форму надувного дна лодок и досок для серфинга, в которых достигается очень большая жесткость конструкции на изгиб. По этим же причинам радиальные нагрузки, воздействующие на колесо, также не приводят к существенному смятию гибкой оболочки 1 и ее боковой деформации.
В частных случаях (фиг. 3 и 4), когда применено разделение гибкой оболочки 1 на перегородки 9, происходит увеличение боковой устойчивости колеса из-за перераспределения нагрузок между образованными герметичными полостями гибкой оболочки 1 ввиду увеличения количества боковых в плоскости вращения частей гибкой оболочки 1.
В частных случаях (фиг. 5 и 6), когда применено несколько гибких оболочек 1, из-за соприкосновения боковых в плоскости вращения их частей, также происходит увеличение боковой устойчивости колеса из-за перераспределения нагрузок между образованными герметичными полостями гибких оболочек 1 ввиду увеличения количества боковых в плоскости вращения частей гибкой оболочки 1.
В частных случаях, когда (фиг. 6) на гибкие оболочки 1установлена шина 11, образующая поверхность качения и покрывающая не полную поверхность боковых в плоскостях вращения внешних частей гибких оболочек 1 или (фиг. 2) на гибкую оболочку 1установлена шина 8, образующая поверхность качения и покрывающая не полную поверхность боковых в плоскостях вращения частей гибкой оболочки 1, происходит увеличение жесткости колеса, в том числе боковой устойчивости, так как меньше деформируется внешняя опорная поверхность гибкой оболочки 1, а значит меньше деформируются боковые в плоски вращения ее части, это также не требует значительного увеличения веса пневматического колеса, особенно при значительном увеличении его диаметра, особенно когда величина радиуса колеса больше его ширины.
В частных случаях, когда внешняя опорная поверхность гибких оболочек 1 образует поверхностью качения, которая армирована упругим материалом, например упругими стальными кольцами 10 (фиг. 7), также происходит увеличение боковой устойчивости,так как меньше деформируется внешняя опорная поверхность гибкой оболочки 1, а значит меньше деформируются боковые в плоски вращения ее части, это также не требует значительного увеличения веса пневматического колеса.
Пневматические колеса облегченной конструкции востребованы при необходимости обеспечения низкого давления транспортного средства на грунт, а также при необходимости обеспечения низкого сопротивления качению, что в обоих случаях достигается при увеличении диаметра колес, который достигает двух и более метров. В предлагаемых вариантах изобретения гибкая оболочка 1 наделяется основной несущей способностью колеса и поэтому не требуется применение сильно утяжеляющих средств для повышения боковой устойчивости пневматического колеса. Боковая устойчивость колеса особенно нужна при повышенном диаметре колеса, особенно когда величина радиуса колеса больше его ширины. Большая жесткость колеса в боковом направлении обеспечена тем, что избыточное давление в гибкой оболочке 1 может быть создано намного (в несколько раз) большим удельного давления на грунт, так как имеется множество синтетических нитевидных волокон 3, которые способны удерживать боковые в плоскостях вращения части гибкой оболочки 1 от раздутия при большой их площади. Использование пневматического колеса данной конструкции открывает возможности по увеличению его диаметра для снижения сопротивления качению, что востребовано и может быть использовано на легких вездеходных транспортных средствах.
Таким образом, происходит улучшение боковой устойчивости и облегчение конструкции пневматического колеса, особенно в условиях его большого диаметра.