СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ГИБРИДНОГО (ПРЕОБРАЗУЕМОГО) ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится, к области малой авиации, а именно, к автожирам. Полезная модель может быть применена при создании гибридных транспортных средств, способных передвигаться по обычным дорогам как мотоцикл, а в воздушном пространстве как автожир.
Из уровня техники известно, что большинство мотоциклов в настоящий момент используют цепной (либо ременной) привод для передачи крутящего момента от трансмиссии к заднему колесу через систему «звездочек» (см. фиг.1 с сайта: http://youmotorcycle.com/motorcycle-chain-drive-vs-belt-drive-vs-shan-drive.html).
Известно также, что в автожирах крутящий момент передается от двигателя к маршевому винту либо непосредственно, либо через понижающий редуктор. При этом, во-первых, для обеспечения достаточной для взлета силы тяги, маршевые винты автожиров должны быть значительных диаметров. Во-вторых, во избежание неустойчивого поведения автожира в воздухе, вектор силы тяги маршевого винта должен проходить через центр масс летательного аппарата либо несколько ниже центра масс. Для решения указанных вопросов в современных автожирах обычно устанавливаются небольшие задние колеса на достаточно высоких штангах-креплениях, при этом колеса разнесены на расстояние, достаточное для обеспечения работы одного большого маршевого винта. Подобную схему мы можем видеть, например, в одноместном автожире компании Air Command (см. фиг.2, с сайта: http://www.aircommand.com/models.php).
Использование высоких штанг с маленькими колесами и, соответственно, высокий центр тяжести являются причиной весьма неустойчивого поведения автожира при движении по земле. Кроме того, положение маршевого винта позади пилота снижает приток воздуха к маршевому винту, и, следовательно, приводит к потерям мощности. Такое принципиальное решение (один большой маршевый винт и маленькие колеса на высоких штангах) усложняет возможность конструирования и использования гибридов автожир-мотоцикл, способных уверенно передвигаться по земле и в воздушном пространстве. Известны попытки создания гибридных устройств, способных передвигаться по земле, как мотоцикл, а в воздухе как автожир. Например, американской компанией Butterfly, LLC патентовался летающий мотоцикл, названный Super Sky Cycle (см. фиг.3 с сайта:
http://thebutterflyllc.com/sscycle/gallery.htm). Указанная конструкция содержит стандартные для автожиров конструктивные решения (большой маршевый винт, маленькие задние колеса и при этом высокий центр тяжести и отсутствие задних амортизаторов), что уменьшает устойчивость аппарата при движении по земле.
Маршевый винт в такой конструкции частично заслонен пилотом и двигателем, что приводит к потерям мощности. Голландской компанией PAL-V также разрабатывается конструкция летающего мотоцикла. Для того чтобы сохранить устойчивость аппарата в воздухе, не нарушая его устойчивости при движении по земле голландские конструкторы применили достаточно сложные технологии. Во-первых, это раскладной маршевый винт.Во-вторых, технология, позволяющая при движении по земле производить наклон корпуса аппарата в направлении радиуса окружности поворота (см. фиг.4 с сайта http://www.pal-v.com). Решения, использованные конструкторами PAL-V для создания гибридного аппарата представляются сложными, дорогостоящими и не полными. Указанные решения позволяют обеспечить удовлетворительную устойчивость аппарата при движении по земле, однако дорогостоящи, и вопрос потерь мощности вследствие недостаточного притока воздуха к маршевому винту не решен.
Задачей создания данной полезной модели было проектирование устройства (частей силовой установки), позволяющего оптимально сочетать возможность устойчивого движения аппарата на земле (при снятии ротора и креплении по бокам аппарата) и в воздухе с наименьшими затратами средств и времени. Результатом использования данной полезной модели станет появление мобильно перестраиваемой силовой установки, позволяющей преобразовывать привод мотоцикла в привод летательного аппарата и обратно, а также осуществлять устойчивое движение аппарата на земле и в воздухе.
Для решения поставленной задачи в устройство привода мотоцикла вносятся следующие изменения.
На валу, который проходит через ось заднего колеса (далее - «вал заднего колеса»), устанавливается звездочка (далее - «звездочка маршевого винта»). Величина звездочки, количество зубцов подбирается таким образом, чтобы частота вращения соответствовала полетной частоте вращения маршевого винта. В оба ответвления вилки, на которой крепится заднее колесо с помощью упомянутого вала, встраивается по подшипнику. Теперь вал заднего колеса проходит через три подшипника: два на концах вилки по обе стороны заднего колеса и один в самом колесе.
При необходимости переключения силовой установки в полетный режим происходит переключение цепи (либо ремня) с одной звездочки (находящейся на внешней части подшипника заднего колеса) на другую (находящуюся на валу заднего колеса). По обе стороны заднего колеса к ответвлениям вилки (через шарнирное крепление) и подшипникам, установленным в концах вилки, крепятся элементы воздушного привода (ЭВП). ЭВП представляет собой полурамку, внутри которой находится маршевый винт.
ЭВП состоит из:
- штанги ЭВП с шарнирным креплением к ответвлению вилки заднего колеса,
- гильзы стойки балансировочного шасси, из которой может выдвигаться и закрепляться стойка балансировочного шасси,
- гильзы вала маршевого винта, внутри которой на подшипнике крепится вал маршевого винта (вал маршевого винта может соединяться через карданный вал с валом заднего колеса),
- углового редуктора (можно использовать также ШРУС или карданный вал), который соединен с валом маршевого винта и самим маршевым винтом,
- маршевого винта, который связан с угловым редуктором,
- полу-штанги ЭВП, которая крепится одной стороной к кожуху углового редуктора, а другой стороной к гильзе стойки балансировочного шасси. При прикреплении гильзы вала маршевого винта к внешней стороне подшипника вилки вал маршевого винта через небольшой карданный вал соединяется с валом заднего колеса. Диаметр заднего колеса должен быть больше диаметра маршевых винтов, для обеспечения беспрепятственного вращения маршевых винтов. Таким образом, движение цепи (либо ремня) создает вращение уже не заднего колеса мотоцикла, а двух маршевых винтов, вставших по обе стороны от заднего колеса в перпендикулярной ему плоскости. Вращение маршевых винтов происходят в противоположных направлениях благодаря угловым редукторам. Диаметр обоих маршевых винтов будет меньше чем диаметр одного маршевого винта, который потребовался бы для обеспечения полета аппарата такой же массы. Значит, центр тяжести аппарата может быть понижен на величину уменьшения радиуса маршевого винта. Следовательно, аппарат будет устойчивее аналогов при движении по земле, при этом устойчивость при движении в воздушном пространстве также возрастет. При движении аппарата по земле без намерения совершить полет вал маршевого винта отсоединяется от оси заднего колеса и складывается, прижимаясь к бортам мотоцикла. ЭВП также может сниматься вообще. Ротор при движении в наземном режиме также снят с мачты и может крепиться вдоль бортов аппарата.
Полученный с использованием такой полезной модели аппарат обладает более высоким задним колесом, чем обычный мотоцикл, но силовая установка аппарата позволяет производить переключения из наземного режима в полетный режим и обратно. При движении по земле в режиме мотоцикла (когда ротор автожира снят) такой аппарат будет устойчивее, чем ближайшие аналоги (PAL-V и Super Sky Cycle), так как имеет устойчивую схему обычного мотоцикла. При движении в воздухе аппарат будет устойчивее, не только чем PAL-V, Super Sky Cycle, но даже чем обычный автожир, за счет наличия двух маршевых винтов, вращающихся во встречных направлениях (отсутствуют реактивные моменты при резком сбросе скорости либо резком ускорении, поворот носа аппарата встречным потоком воздуха при наличии двух работающих маршевых винтов осуществить сложнее).
К описанию прилагаются пять фигур, отражающих существенные признаки полезной модели.
На фиг.5 показаны изменения, которые должны быть внесены в конструкцию заднего колеса мотоцикла. Для удобства описания на фиг.5 не показан элемент воздушного привода (ЭВП).
На фиг.6 изображена одна из модификаций (прямоугольная) конструкции отсоединяемого ЭВП.
На фиг.7 изображена другая модификация (треугольная) конструкции отсоединяемого ЭВП.
На фиг.8 изображен привод гибридного аппарата в полетном режиме (с присоединенным прямоугольным ЭВП).
На фиг.9 изображен в изометрии привод гибридного аппарата в полетном режиме (с присоединенным треугольным ЭВП).
Силовая установка гибридного (преобразуемого) транспортного средства может быть материализована следующим образом.
Расчеты показывают примерные отношения полетной массы, силы тяги и мощности двигателя (См. таблицу 1, информация с сайта www. prostor. webzone. ru).
Двигатель
Мощность(Л.С.)
Примеры реально достигнутой статической тяги(кгс)
Полетная масса автожира(кг)
Hirth 33
22
70
140
РМЗ 640 «Буран»
35
110
220
РМЗ 500 «Тайга»
45
140
280
Rotax 582
64
160
320
Rotax 912
80
200
400
Rotax 912 ULS
100
230
460
Subaru EJ 25
150
280
560
Subaru EZ 30
200
390
780
Subaru EJ 205 турбо
220
430
860
Известно, что легкие модели мотоциклов (кроссовые внедорожные мотоциклы) с мощностью двигателя 70 л. с.(достаточной для полета автожира полетной массой 350 кг) весят около 100 кг. Для расчета массы одноместного гибридного аппарата к указанной массе мотоцикла необходимо прибавить массу ротора (около 17 кг), массу двух маршевых винтов с балансировочными шасси (около 20 кг), увеличение массы заднего колеса и вилки (около 15 кг), массу оперения (около 10 кг) и массу мачты ротора (около 10 кг). В итоге вес одноместного гибридного аппарата (мотоцикл-автожир) не должен превысить 200 кг.Устройство содержит (см. фиг.5):
(1) Стальную вилку заднего колеса с длинными ответвлениями (около 0,7 метра). Вилка охватила заднее колесо с обеих сторон своими ответвлениями. Через концы каждого ответвления вилки и через ось заднего колеса прошел стальной вал заднего колеса.
(2) Заднее колесо большого диаметра (около 1,1 метра) из легкого сплава. Заднее колесо прикреплено к вилке с помощью стального вала заднего колеса и трех подшипников. Один подшипник установлен на оси заднего колеса, а два других вмонтированы в концы каждого ответвления вилки.
(3) Звездочку заднего колеса, которая жестко установлена на внешней стороне подшипника заднего колеса. Через эту звездочку заднее колесо получает вращательный момент от цепи либо ремня, тянущегося от трансмиссии.
(4) Звездочку маршевого винта, которая также жестко установлена на валу заднего колеса. При перемещении цепи со звездочки заднего колеса на звездочку маршевого винта вращательный момент передается уже на маршевые винты через систему связанных элементов: вал заднего колеса -карданный вал - вал маршевого винта - угловой редуктор.
(5) Подшипников вилки заднего колеса. Они позволяют свободно вращаться валу заднего колеса, а значит передавать вращение от звездочки маршевого винта к маршевым винтам через упомянутую выше систему: вал заднего колеса - карданный вал - вал маршевого винта - угловой редуктор.
(6) Стального вала заднего колеса цилиндрической формы. Вал заднего колеса имеет прямоугольные пазы на торцах, позволяющие пристыковывать к ним небольшие стальные карданные валы (имеющие соответствующие выступы), соединенные с валами маршевых винтов.
(7) Стальной цепи (либо ремня) передающих вращение от трансмиссии к какой-либо из звездочек. При движении в наземном режиме цепь передает вращение звездочке заднего колеса. При движении в воздухе, в режимах «взлет» и «посадка» цепь передает вращение звездочке маршевых винтов. Перестановка цепи с одной звездочки на другую может осуществляться посредством переключателя, реализованного на гоночных велосипедах (переключатель не отражен на прилагаемых рисунках).
(8) Подшипника заднего колеса, который установлен в оси заднего колеса.
К каждому ответвлению вилки заднего колеса, в двух местах с помощью шарнирного крепления (которое может жестко фиксироваться) прикреплена система деталей, называемая в данном описании элемент воздушного привода (ЭВП). ЭВП выполнен в двух модификациях (фиг.6 и фиг.7). Модификации ЭВП отличны своей геометрической формой, однако сущность их одинакова - они содержат силовые элементы (маршевые винты) и балансировочные шасси для балансировки аппарата в режимах «взлет» и «посадка». Поэтому описание ЭВП, изображенного на фиг.7 идентично описанию ЭВП, изображенного на фиг.6 с той разницей, что размерные штанги и размерные полу-штанги ЭВП отсутствуют, а гильзы стойки балансировочного шасси в случае фиг.7 крепятся непосредственно к верхнему креплению ЭВП и к торцу корпуса углового редуктора.
(9) Верхнее крепление ЭВП. Является стальной шарнирной петлей, допускающей жесткую фиксацию ЭВП к ответвлению вилки заднего колеса в ее верхней части.
(10) Стальная размерная штанга ЭВП. Штанга ЭВП является элементом крепления балансировочного шасси. Штанга ЭВП держит гильзу с выдвижной стойкой балансировочного шасси на расстоянии, достаточном для вращения маршевому винту (более диаметра маршевого винта).
(11) Маршевые винты. Изготовлены из дерева либо из композитных материалов. Диаметр маршевого винта для одноместного гибридного аппарата равен около 0,9 метра. Маршевые винты прикреплены к угловым редукторам, передающим им вращение.
(12) Небольшой стальной карданный вал жестко прикреплен одним из торцов к валу маршевого винта. Другой конец маршевого винта имеет прямоугольный выступ, позволяющий осуществлять стыковку с валом заднего колеса (который имеет прямоугольные пазы на торцах). Таким образом, вращательный момент беспрепятственно передается от вала заднего колеса на вал маршевого винта, даже в ситуации, когда оси обоих валов находятся под некоторым углом.
(13) Подшипник вала маршевого винта установлен внутри гильзы вала маршевого винта и соединяет гильзу и вал маршевого винта, позволяя валу маршевого винта беспрепятственно осуществлять вращение.
(14) Стальной вал маршевого винта. Вал маршевого винта имеет форму простого цилиндра и позволяет передавать вращение от вала заднего колеса на угловой редуктор, который передает вращение маршевому винту. Вал маршевого винта крепится, с одной стороны, подшипником вала маршевого винта, с другой стороны к угловому редуктору.
(15) Стальной угловой редуктор. Своим кожухом жестко прикреплен, одним торцом, к гильзе вала маршевого винта, другим торцом - к полуштанге ЭВП. Таким образом, положение углового редуктора (и прикрепленного к нему маршевого винта) жестко фиксировано в центре ЭВП. Вал маршевого винта жестко соединен с одной из конических шестеренок внутри углового редуктора, в то время как другая коническая шестеренка жестко соединена с осью маршевого винта. Так, вращение валов маршевых винтов передается на маршевые винты.
(16) Стальные размерные цилиндрические полу-штанги жестко соединены одним из своих торцов с кожухами угловых редукторов. Другие торцы полу-штанг жестко соединены с гильзами балансировочного шасси. Полу-штанги позволяют жестко фиксировать положение оси маршевого винта в центре ЭВП.
(17) Стальная стойка балансировочного шасси. Имеет цилиндрическую форму. К ней прикреплено балансировочное шасси. Стойка может убираться в гильзу и жестко фиксироваться как в убранном, так и в разложенном состоянии с помощью отверстий в стойке и гильзе и небольших стальных штырей либо винтов и гаек.
(18) Стальная гильза стойки балансировочного шасси. Имеет форму полого цилиндра с отверстиями для крепления стойки балансировочного шасси. Внутри гильзы может располагаться стойка балансировочного шасси, когда балансировочное шасси убрано для эксплуатации аппарата в наземном режиме. К гильзе стойки балансировочного шоссе жестко прикреплена штанга и полу-штанга ЭПВ.
(19) Балансировочное шасси. Служат для балансировки аппарата в режимах «взлет», «посадка». Предотвращают касание маршевым винтом поверхности земли. Для использования в качестве балансировочного шасси вполне могут подойти колеса от небольших дачных тачек для перевозки земли. Не воспринимают нагрузку аппарата, а служат балансировке аппарата в указанных выше режимах.
(20) Стальная гильза вала маршевого винта. Представляет собой стальную трубку круглого сечения. Одним из торцов прикреплена к ответвлению вилки заднего колеса с помощью шарнирного крепления, допускающего жесткую фиксацию (на фигурах не показано). Внутри указанной гильзы с помощью подшипника закреплен вал маршевого винта, передающий вращение от вала колеса к угловому редуктору. Другой торец гильзы вала маршевого винта жестко прикреплен к угловому редуктору.
(21) Стальное скользящее крепление. Представляет собой трубку круглого либо прямоугольного сечения (в зависимости от сечения рамы мотоцикла). Трубка одета на раму мотоцикла и может перемещаться вдоль нее и фиксироваться в двух положениях на раме (в положении, когда ЭВП сложен вдоль борта мотоцикла для движения в наземном режиме и положения, когда маршевые винты ЭВП установлены в плоскости, перпендикулярной плоскости заднего колеса). Фиксация может производиться с помощью установки небольшого штыря в отверстия на скользящем креплении и раме мотоцикла. Скользяще крепление соединено со штангой рамы с помощью небольшого стального шарового шарнира.
(22) Стальная штанга рамы может быть любого профиля, однако достаточно прочной. Она служит для фиксации ЭВП в двух положениях:
полетном, когда маршевые винты расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости заднего колеса и наземном, когда ЭВП и маршевые винты располагаются вдоль корпуса аппарата. Штанга рамы соединена одним концом со скользящим креплением, другим концом с шарнирным креплением на гильзе стойки шасси.
(23) Стальное шарнирное крепление на гильзе стойки шасси соединило штангу рамы и гильзу стойки шасси.
(24) Стальная рама аппарата представляет собой один из системообразующих элементов аппарата. На раме установлено скользящее крепление, которое может фиксироваться на ней в двух положениях для установки ЭВП в наземный и полетный режимы.
При эксплуатации аппарата в наземном режиме цепь (7) установлена переключателем на звездочку (3) заднего колеса. Теперь крутящий момент передается от трансмиссии через цепь и звездочку заднего колеса на заднее колесо. Скользящее крепление (21) перемещено вдоль рамы мотоцикла и установлено в самом крайнем положении (максимально близко к переднему колесу) и зафиксировано в этом положении на раме. При этом ЭВП и маршевые винты заняли положение вдоль бортов мотоцикла. Стойки балансировочных шасси (17) убраны в гильзы (18) и зафиксированы. Силовая установка аппарата готова к движению в наземном режиме мотоцикла. Большое заднее колесо (2) при пониженном центре тяжести (понижение достигнуто уменьшением диаметра маршевых винтов (11)) обеспечивает устойчивое движение аппарата в режиме мотоцикла.
При эксплуатации аппарата в режиме автожира цепь (7) установлена переключателем на звездочку (4) маршевого винта. Скользящее крепление (21) перемещено вдоль рамы мотоцикла и установлено в самом крайнем положении (максимально близко к заднему колесу) и зафиксировано в этом положении на раме. При этом ЭВП и маршевые винты заняли положение перпендикулярно заднему колесу. Наконечники карданных валов (12) вставлены в пазы вала заднего колеса (6). Стойки балансировочных шасси (17) выдвинуты из гильз (18) и зафиксированы. Теперь крутящий момент передается от трансмиссии через цепь (7), звездочку маршевого винта (4), вал заднего колеса (6), валы маршевых винтов (14) и угловые редукторы (15) на маршевые винты (11). Силовая установка аппарата готова к движению в воздушном режиме автожира. Так как угловые редукторы (15) расположены в противоположных направлениях, вращение маршевых винтов (11) осуществляется во встречных направлениях. Это позволяет компенсировать реактивные моменты маршевых винтов при резком увеличении оборотов двигателя либо их резком снижении. Значит, аппарат в этих ситуациях не разворачивает в воздухе в направлениях, поперечных движению. Низкое расположение векторов тяги маршевых винтов (за счет уменьшенного диаметра каждого из двух маршевых винтов (11), по сравнению с ситуацией, когда использовался бы один большой маршевый винт, обеспечивает продольную устойчивость аппарата при движении в воздухе - аппарат не раскачивается в полете вверх-вниз относительно своего центра тяжести).