УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ В ВИДЕ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОЛЕС И РАСПОЛОЖЕННОГО МЕЖДУ НИМИ ЭЛЛИПСООБРАЗНОГО КОЛЕСА ИЛИ КРУГОВОЙ АРОЧНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
HIGHER CROSS-COUNTRY CAPACITY COMPOSED BY TWO PARALLEL WHEELS AND ELLIPSOIDAL WHEEL OR CIRCULAR ARCHED SURFACE ARRANGED THERE BETWEEN

Область техники
Изобретение относится к транспортным средствам, а также к колесной технике специального назначения.
Уровень техники
Для сухопутных транспортных средств колесо является основным видом движителя.
К колесному движителю предъявляются специальные требования, которые дают возможность обеспечить следующее:
1. Хорошее сцепление шины с опорной поверхностью, позволяющее снизить буксование и юз колес при передаче тяговых, тормозящих и боковых сил.
2. Низкое давление шин на опорную поверхность, что обусловливает высокую проходимость машины.
3. Все силы, действующие на автомобиль, передаются через шины и колеса на дорогу, вызывая деформацию шин и дороги.
Сцепление опорной поверхности колеса с грунтом происходит за счет сил трения, возникающих между шиной и грунтом.
Известно, что сила трения катящегося тела обратно пропорциональна радиусу колеса, т.е. чем больше радиус катящегося тела, тем меньше сила трения и тем меньшее препятствие оказывают ему неровности поверхности.
При расчете длины площади контакта колеса с грунтом определяющим показателем является радиус колеса, т.е. чем он больше, тем больше длина площади контакта.
Итак, давление колеса на грунт уменьшается с ростом длины площади контакта. В этом случае удельное давление колеса на дорогу (опорную поверхность) является основным измерителем проходимости транспортного средства по дорогам с мягким покрытием (снег, песок и др.) Площадь отпечатка предопределяет давление в контакте шины с опорной поверхностью, сопротивление движению и сцепление колеса.
На дорогах с твердым покрытием основное значение имеют силы трения. На рыхлых грунтах значение сил сдвига и среза возрастает и во многих случаях является определяющим. Наибольший сдвиг и срез грунта можно представить как произведение коэффициента буксования на длину опорной поверхности колеса.
Поэтому для улучшения тяговых качеств и проходимости колесных движителей стремятся к увеличению опорной поверхности и эффективности зацепления ведущих колес.
Погружение колеса в мягкий грунт происходит до тех пор, пока удельное давление колеса на дорогу не станет равным несущей способности грунта (удельное сопротивление грунта вертикальной нагрузке). Чем больше погружается колесо в грунт, тем больше сопротивление качению. Сила сопротивления может вырасти настолько, что автомобиль не сможет преодолеть ее по условиям сцепления. Чтобы преодолеть возросшее сопротивление движению, автомобили, работающие в этих условиях, должны обладать большей тяговой силой и большим динамическим фактором, чем автомобили, работающие на хороших дорогах.
Сопротивление почвы нагрузке зависит в значительной степени и от ее уплотнения, причем чем выше плотность почвы, тем лучше тяговые качества имеет автомобиль (трактор).
Движитель автомобиля (трактора) при взаимодействии с почвой подвергает ее смятию и сдвигу в разных направлениях. В результате в почве образуются поля напряжений, распространяющихся как в глубину, так и разные стороны от места приложения нагрузки. Способность почвы выдерживать такие напряжения в значительной степени предопределяет тягово-сцепные качества автомобиля (трактора). Поэтому сопротивление почвы сжатию и сдвигу являются основными показателями, влияющими на тягово-сцепные качества движителя. В последнее время появились сообщения о применении некруглых колес, которые имеют увеличенную длину поверхности контакта с грунтом. Некруглые колеса являются по существе переходными от обычных колес к гусеницам.
При анализе работы ведущего обычного колеса, арочных и овальных колес установлено, что их основные недостатки состоят в следующем.
1. У обычных колес из-за наличия постоянного динамического радиуса образуется недостаточная длина опорной поверхности и высокое удельное давление, а также возникает уменьшение радиуса кривизны траектории движения колеса с ростом его осадки в грунт (снег).
2. У шин с регулируемым давлением и арочных образуются значительные потери на сопротивление качению, что определяет ограниченную величину пробега.
3. У овальных шин - гибкий обод и сложный привод перевода с круглого в овальный и наоборот.
Известно изобретение "Эллипсообразное колесо транспортного средства" патент России №2011549, кл. B60B 19/00, 1994 г. Автор - Можар И.В. Это эллипсообразное колесо, содержащее гибкий обод, состоящее из шарнирно соединенных между собой звеньев. Эллипсообразная форма обода создается гидросистемой колеса, что усложняет конструкцию колеса и уменьшает надежность его работы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является изобретение «Вспомогательный диск «ALPO» для повышения проходимости транспортного средства», патент России №2088420 (13), кл. B60B 15/26, 1997 г. Автор Постников А.В. Это колесо, к торцу которого крепится диск в форме кольца с грунтозацепами, который меньше наружного диаметра основного колеса на высоту шины.
При прохождении грунтов с низкой несущей способностью колесо погружается на половину высоты шины колеса, а вспомогательный диск выполняет роль уширителя основного колеса. Однако недостаточная ширина вспомогательного диска, расположенного с одной стороны колеса, не обеспечивает достаточной площади опоры; грунт в основном будет выдавливаться в сторону от данного устройства и незначительно уменьшит удельное давление на грунт. Кроме того, радиус качения вспомогательного диска меньше радиуса основного колеса, что повышает силу трения катящегося тела.
Чтобы уменьшить это явление предлагается данное изобретение.
Сущность изобретения
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что два обычных колеса равного диаметра расположены параллельно и удалены на некоторое расстояние друг от друга. Между этими колесами устанавливается эллипсообразное колесо с шиной, диаметр которого равен или меньше диаметра боковых параллельных колес. Возможны варианты размещения между двумя параллельными колесами колеса с арочной шиной, либо с круглой арочной поверхностью (обрезиненной) или другого типа овального колеса. Система этих колес имеет общую ось вращения.
Данное устройство (система колес) позволяет использовать отдельные преимущества обычного колеса и овального (арочного). Это объясняется тем, что обычное колесо хорошо работает на твердых грунтах, а овальное (арочное) на слабых.
Описание чертежей
На Фиг.1 схематично изображен вариант устройства системы двух колес с одним вспомогательным эллипсообразным колесом (Фиг.2. в разрезе) или арочным колесом между параллельными обычными колесами (Фиг.5. в разрезе) с названием "Устройство повышенной проходимости" в виде двух параллельных колес и между ними эллипсообразного колеса или круговой арочной поверхности.
Осуществление изобретения
1
1
Устройство состоит из двух обычных колес 1 и 2 (Фиг.1-2) с шинами 3 и 4, закрепленных на ободах 5 и 6 и вращающихся на общей оси О-О, к торцам колес 1 и 2 за счет крепежных болтов 7 и 8 монтируется эллипсообразное колесо 9, на эллипсообразном ободе 10 установлена шина 11.
1,
2
3,
Эллипсообразное колесо 9 (Фиг.1-2) образовано частью внешней дуги, равной радиусу колеса 1 и 2 R и двумя дугами радиусов R и R больших, чем радиус обычного колеса, которые в точках 12 и 13, а также в точках 14 и 15 замыкают эллипсообразную поверхность колеса. Большая ось эллипсообразного колеса делит его на равные части относительно оси вращения. При повороте системы колес на один оборот обычные колеса и эллипсообразное колесо опираются на поверхность дороги одновременно два раза, т.к. часть внешней дуги эллипсообразного колеса вдоль большой оси равна радиусам обычных боковых колес.
В случае использования варианта системы колес с внутренним колесом в виде арочной шины 16 (Фиг.5) или круглой арочной обрезиненной поверхности 17(Фиг.6), а также в виде другого овального колеса (не показан на фигуре) сущность технического решения сохраняется. Во всех предложенных вариантах в данной системе колес повышаются тягово-сцепные показатели устройства.
Устройство работает следующим образом
При подведении крутящего момента к оси системы колес они будут одновременно вращаться, т.е. два боковых параллельных обычных колеса 1 и 2 (Фиг.1-2) и внутреннее эллипсообразное колесо 9, или арочное колесо с шиной 16 (Фиг.5), или обрезиненная арочная поверхность 17 (Фиг.6).
В случае качения системы колес по твердой поверхности два боковых параллельных колеса равного диаметра образуют опорную поверхность 17-18 (Фиг.3), к которой добавляется часть опорной поверхности вспомогательного внутреннего эллипсообразного колеса 9. Это связано с тем, что торцевая часть эллипса образована внешней дугой (между точками 12-13 и 14-15 - Фиг.1) радиуса, равного радиусам обычных колес 1 и 2. В этом случае опорные поверхности обычных колес и торца эллипсообразного колеса суммируются, что уменьшает удельное давление на дорогу. При использовании варианта внутреннего колеса в виде арочной шины или арочной обрезиненной поверхности (Фиг.5-6) опорную поверхность 19-20 образуют только боковые обычные колеса.
2
3
В случае качения системы колес по грунту с низкой несущей способностью обычные боковые колеса 1-2 будут погружаться в грунт (оседать) и в это время вступает в работу внутреннее вспомогательное эллипсообразное колесо 9 (Фиг.4), или арочная обрезиненная поверхность 17, или арочная шина 16 (Фиг.5). В этом случае давление грунта воспринимают два боковых обычных колеса и две дугообразные поверхности эллипсообразного колеса с радиусами вращения R и R(Фиг.1) больше, чем радиус обычных колес 1-2. За счет дополнительной опорной поверхности эллипсообразного колеса (больших дуг) уменьшается удельное давление на грунт, а за счет большого их радиуса уменьшается коэффициент качения. Кроме этого, грунт оказался сжатым в замкнутом пространстве 21 (Фиг.4), или в замкнутом пространстве 22 (Фиг.5), т.е. между дисками боковых колес, а сверху поверхностью большой дуги эллипсообразного колеса 9 (Фиг.4) или арочной поверхности 16,17 (Фиг.5,6 соответственно).
Эта ситуация повышает плотность грунта, уменьшает осадку системы колес, т.е. увеличивается общая суммарная площадь опоры системы колес, уменьшается удельное давление, улучшается сцепление с грунтом (за счет повышения плотности) и в итоге увеличиваются тягово-сцепные свойства движителя, в том числе и за счет больших дуг эллипсообразного колеса.
При использовании вспомогательного внутреннего колеса в виде арочной шины или арочной обрезиненной поверхности в условиях качения системы колес по грунту с низкой несущей способностью сущность их взаимодействия с опорной поверхностью будет аналогична описанному. В этом случае грунт также окажется сжатым в замкнутом пространстве, но уже между дисками боковых колес и поверхностью арочной шины или арочной обрезиненной поверхностью колеса. Как результат такого взаимодействия и в этом случае увеличиваются тягово-сцепные свойства движителя.
Источники информации
1. Фонарев К.С., Данилов О.Ф., Бабичев Д.Т., Суржиков А.Ф., Оганесян Г.Ф., Фонарев К.К., Фонарев Л.К. Патент Российской Федерации №2207249, кл. B60B 9/00, B62D 57/02, 27.06.2003 г.
2. Постников А.В. Патент Российской Федерации №2088420, кл.B60B 15/26, 27.08.1997 г.
3. Бочаров Н.Ф. и др. Конструирование и расчет колесных движителей.
4. Иванов В.В., Илларионов В.А., Морин М.И. Основы теории автомобиля и трактора. М., 1977.