РОЛИКОВОЕ СРЕДСТВО ПЕРЕДВИЖЕНИЯ
ROLLER VEHICLE

Изобретение относится к области сухопутных транспортных средств и касается принципиальной и конструктивной схемы шасси автомобилей, тракторов, самолетов, снегоходов, мобильных роботов и других моторных и безмоторных экипажей, в которых требуется обеспечить сочетание высокой проходимости с малым сопротивлением перемещению по твердой поверхности, в том числе по бездорожью.
Устройствами аналогичного назначения являются: колесный гусеничный и шагающий движители, а также скользящие механизмы, в число которых входят сани, лыжи, коньки, а также средства с магнитной, воздушной и вибрационной левитацией. Имеются также прыгающие механизмы.
Из них наиболее близкими к предлагаемому являются колесный, гусеничный и шагающий движители. Их объединяет общий физический принцип действия, состоящий в передаче веса экипажа на дорогу посредством вращающегося твердого тела, которое за счет вращения может передавать усилие веса между взаимно подвижными телами без скольжения и при сохранении постоянного расстояния (высоты над землей).
Недостатком шагающих механизмов являются: сложная многозвенная структура и цикличность функционирования, сильно ограничивающая скорость передвижения.
Колесо, если не дополнять его пневматической шиной, вообще мало работоспособно, т.к. имеет точечный контакт с дорогой и вынуждено воспроизводить весь рельеф дороги, приводящий к высокочастотным колебаниям. Пневматическая шина срезает верхние частоты рельефа дороги. Однако, в отличие от шагающего механизма, на слабых грунтах, шина вынуждена проминать грунт по всей непрерывной дорожке качения большой ширины, что сильно увеличивает трение качения, а иногда приводит к буксованию колеса (например, на глубоком снегу, в песке и т.п.). Кроме того, колесо имеет большую материалоемкость, обусловленную наличием большого процента неработающей части дуги, что увеличивает массу колесного движителя.
Указанные недостатки колесного движителя устраняются в железнодорожном варианте применения колеса, где за счет высокой контактной прочности стали обеспечивается малая площадь контакта колеса с дорогой и многократно снижается коэффициент трения качения. Однако это достигается ценой существенного увеличения затрат на строительство и содержание дороги. Также ограничивается свобода выбора маршрута передвижения.
Гусеничный движитель (см. например: WWW/ Гусеничный движитель.<ustroistvo-avtomobilya.ru/shiny-i-diski/>) отличается от колесного просто наличием между колесом и дорогой прокладки, т.е. своего рода рельса, который составлен из шарнирно соединенных отрезков, замкнут в кольцо, установлен на направляющие шкивы, обеспечивающие возможность перемотки рельса, и перевозится с собой. Это, как и случае с железной дорогой, позволяет снизить давление на грунт и повысить проходимость. Устраняются также и затраты на строительство дорог. Однако это достигается ценой появления следующих недостатков гусеничного движителя перед колесным:
а) Увеличивается сопротивление перемещению из за наличия большого числа шарниров и из за гистерезиса большой массы циклически работающих резиновых деталей.
б) Уменьшается срок службы механизма из за незащищенности механизма гусениц от грязи и отсутствия смазки..
в) Уменьшается скорость передвижения из за большой неподрессоренной массы гусеницы.
г) Снижается коэффициент полезной нагрузки транспортного средства из за увеличения массы конструкции движителя.
д) Снижается надежность работы механизма из-за возможности попадания в него камней, льда и прочего мусора.
е) Ограничивается возможность передвижения на хороших дорогах из-за возможности их повреждения.
Наиболее близким к предлагаемому роликовому средству передвижения по числу совпадающих существенных признаков является транспортный механизм, называемый неприводным рольгангом (см. например: Википедия «Рольганг»). Он применяется исключительно в локальных - внутрицеховых транспортных системах, т.к. имеет высокую стоимость и материалоемкость на единицу длины «дорожного хозяйства».
Рольганг содержит ролики (по сути тоже колеса), оси которых закреплены на раме, длина которой равна длине пути требуемого перемещения. При этом ролики располагаются по длине пути довольно часто - с шагом меньшим размера перевозимого груза. Обычно это контейнеры или поддоны. При этом периферия роликов взаимодействует с днищем контейнера в режиме качения. Таким устройством обеспечивается малый коэффициент сопротивления перемещению груза, т.е. достигается та же цель, которая достигается в железнодорожном варианте применения колеса.
Однако при этом появляются те же недостатки: высокая стоимость путевой части и ограниченность маршрутов передвижения. Причем стоимость рольганга на единицу длины пути во много раз больше, чем у железной дороги, что практически исключает возможность его использования в качестве полноценного транспортного средства, способного выйти за пределы локальных зон.
Целью изобретения является создание средства передвижения, способного составить достойную альтернативу существующим сухопутным средствам передвижения, устранив выше перечисленные их недостатки, т.е. улучшить комплексный показатель качества, состоящий из следующих взаимосвязанных между собой параметров: сопротивление перемещению, скорость, срок службы, стоимость дорог, коэффициент полезной нагрузки, проходимость.
Предлагается роликовое средство передвижения, содержащее множество неприводных роликов, оси которых соединены с элементами их опоры на землю. Кроме того, предлагаемое устройство содержит рельс, взаимодействующий с роликами в режиме качения. Цель изобретения достигается тем, что оси указанных роликов соединены между собой гибким тросом, замкнутым в кольцо, которое охватывает шкивы, установленные на кузове транспортного средства и обеспечивающие возможность его перемотки, а указанный рельс выполнен в виде жесткого замкнутого овального кольца, имеющего по крайней мере один прямолинейный участок и закрепленного на кузове транспортного средства. При этом образуется силопередающая цепь между кузовом и дорогой, состоящая из тех же элементов, что на железной дороге, а именно, состоящая из рельса, диска колеса, оси колеса и опорного элемента для оси. Однако расположены эти элементы в перевернутой последовательности: рельс расположен на кузове, а ось колеса (ролика) опирается посредством опорного элемента на землю (т.е. на дорогу). Получается структура, аналогичная гусеничному движителю, у которого рельс поделен на шарнирно связанные между собой сегменты, свернут в кольцо и обернут вокруг колес транспортного средства с образованием гусеницы. Но в предлагаемом случае замкнут в кольцо, сделан гибким и может перематываться вокруг кузова транспортного средства рольганг. При этом кузов выполняет функцию поверхности качения для роликов. Выполнение рельса в виде замкнутого жесткого кольца можно считать лишь модификацией формы поверхности кузова. Однако, если при вышеописанном превращении железной дороги в гусеничный движитель, положительные качества железной дороги, а именно малое трение качения утрачиваются, т.к. рельс оказывается расчлененным на шарнирные сегменты, то в случае вышеописанного превращения рольганга, рельс остается жестким и сохраняет малый коэффициент трения при качении по нему роликов.
Таким образом, достигаются положительные качества, свойственные железной дороге и устраняются основные недостатки железной дороги, а именно высокая стоимость путевого хозяйства и ограниченность маршрутов передвижения. При этом, как и у железной дороги, мы можем снижать давление на грунт, увеличивая площадь опорных элементов. Причем элементы качения, в отличие от железнодорожных рельсов и колес, оказываются поднятыми над землей и могут быть защищены от грязи, пыли и мусора.
При этом в предлагаемом устройстве сохраняются также положительные качества шагающего движителя, обусловленные дискретностью точек опоры, а именно повышенная проходимость (в частности, по глубокому снегу), а также дополнительное уменьшение сопротивления качению, обусловленное уменьшением суммарного объема проминаемого грунта.
Опорные элементы, в частном варианте выполнения предлагаемого устройства, могут быть выполнены в виде пневматических оболочек. При этом они будут выполнять функцию рессорных элементов, снижающих неподрессоренную массу до уровня, свойственного пневматической шине. Это позволяет увеличить скорость передвижения до автомобильной. При этом конструкция опорных элементов получается проще и легче, чем у шины, т.к. опорные элементы участвуют в полезной работе почти 50% времени (в отличие от пневматической шины, где сектор полезной работы составляет порядка 15% от окружности колеса..
В частном варианте выполнения пневматические опорные элементы снабжены автоматическими обратными клапанами, сообщающими их с атмосферой и обеспечивающими самоподдержание среднего избыточного давления за счет циклического изменения их объема в процессе работы.
Изобретение поясняется нижеследующим детальным описанием примеров выполнения и пятью фигурами.
На фиг. 1 дано упрощенное схематическое изображение предлагаемого устройства в самом общем варианте выполнения.
На фиг. 2 изображена схема рольганга, взятая за прототип.
На фиг. 3 дана более подробная конструктивная схема одного из вариантов выполнения предлагаемого роликового средства передвижения (разрез продольной плоскостью А-А, показанной на фиг. 4). При этом показан блок только одной колеи двухколейного транспортного средства.
На фиг. 4 приведен разрез плоскостью Б-Б, показанной на фиг. 3.
На фиг. 5 приведен разрез плоскостью В-В, показанной на фиг. 3.
Устройство и функционирование предлагаемого средства передвижения проще всего понять при сравнении простейшей схемы его выполнения, изображенной на фиг. 1, с известной схемой рольганга, взятого за прототип, изображенной на фиг 2. В обеих схемах имеются ролики 1, оси 2 которых соединены с опорными элементами 3. При этом, если у рольганга ролики расставлены по всей длине пути перемещения и опираются на землю, то у предлагаемого устройства оси роликов нанизаны на гибкий трос 4, замкнутый в кольцо и охватывающий шкивы 5, которые обеспечивают возможность перемотки троса 4 вместе с роликами 1. При этом периферийная окружность всех роликов взаимодействует с рельсом 6, выполненным в предлагаемом устройстве в виде замкнутого кольца овальной формы, и закрепленного на боковой поверхности кузова 7. У рольганга же рельс 8 (фиг. 2) по сути является лишь элементом днища кузова 9.
Если кузов 7 или 9 толкать, то в обоих сравниваемых случаях он придет в движение. При этом расположенные снизу ролики в обоих случаях образуют опоры, неподвижные относительно земли. Однако в предлагаемом механизме ролики, двигаясь по замкнутой траектории, периодически отрываются от земли и выполнят работу многократно, так что процесс движения может продолжаться на неограниченное расстояние. Если же наделить опорные элементы 3 амортизирующими - рессорными функциями, то движение может происходить и по криволинейному рельефу, а также с большой скоростью, как это имеет место в случае колеса с пневматической шиной.
Рассмотрим далее более подробно разработанный вариант конструкции предлагаемого устройства, включая вариант с двигателем (см. фиг. 3; 4; 5). Он содержит шесть роликов 1 на одну колею. Это могут быть простые радиальные шарикоподшипники. При необходимости увеличить грузоподъемность число роликов может быть увеличено. Оси 2 роликов 1 имеют на концах отверстия, через которые пропущены два гибких бесконечных (кольцеобразных) троса 4. Они могут быть изготовлены, например, из стального каната. Причем оси 2 должны быть равномерно распределены по окружности кольца и прочно зафиксированы. Это может быть осуществлено сборкой кольца из отдельных отрезков с распушением концов троса в отверстиях осей 2 с расклиниванием их и пропайкой. Если механизм имеет минимально возможное количество колес (как, например, показано на фиг. 3), то между роликами 1 устанавливают дополнительные - холостые оси 10, чтобы обеспечивалось не менее двух точек цевочного зацепления с каждым из четырех шкивов 5. Задняя пара шкивов 5 является ведущей и соединена с двигателем 11 посредством зубчатого редуктора (см. фиг. 5). В данном случае это может быть высокооборотный электродвигатель. Причем двигатель 11 имеет двусторонний выход вала, что необходимо для синхронизации вращения шкивов 5 и тросов 4. Между шкивами 5 расположен неподвижный замкнутый рельс 6 овальной формы, по которому могут катиться ролики 1, ограничиваемые при этом ребордами 12. С боковых сторон к рельсу 6 прикреплены крышки 13, выполняющие функцию основания для крепления осей шкивов 5. Также крышки 13 используются для крепления двигателя 11, рычагов подвески 14 и рессоры 15, обеспечивающей дополнительную амортизацию данного одноколейного блока при креплении его к кузову 16 двухколейного транспортного средства (в данном случае изображена параллелограммная подвеска с пневматической активной рессорой, способной менять дорожный просвет и гасить колебания при движении по сложному рельефу).
Поверх пары кольцевых тросов 4 расположена гибкая кольцеобразная пылезащитная лента 17, входящая в непрерывный скользящий контакт с краевыми отгибами 18 крышек 13, образующих, вместе с указанной лентой, защиту механизма от грязи и пыли. Поверх пылезащитной ленты 17 расположены опорные элементы 19. Они выполнены в виде гибких пневматических подушек с кордным двунаправленным армированием. В данном случае они имеют форму конического сильфона. Нижняя стенка полости сильфона образована металлической крышкой 20, закрывающей ролик 1. Крышка 20 прикреплена к оси 2 с помощью ушек. В верхней части крышки 20 имеется автоматический клапан 21, пропускающий воздух только внутрь сильфона, что имеет место, когда сильфон распрямляется под действием сил собственной упругости. Если этих сил оказывается недостаточно, то для более быстрого распрямления сильфона может быть применен пружинный экспандер. Для быстроходного средства передвижения имеется также необходимость установить в полости сильфона ниточный ограничитель его растяжения (не показан).
Работает данный конструктивный вариант предлагаемого устройства следующим образом. Двигатель 11 посредством шестерен 22, взаимодействующих с зубчатыми венцами 23, закрепленными на обоих задних шкивах 5 приводит шкивы в синхронное вращение, которое через цевочные пазы 24 передается на оси 2, на которых закреплены опорные элементы 19. При этом те опорные элементы, которые в данный момент времени находятся внизу, передают усилие на землю, создавая тягу. Торможение создается за счет рекуперативного режима электродвигателя. Рулевое управление транспортным средством в двухколейном варианте исполнения осуществляется дифференциальным моментом электродвигателей правой и левой колеи. При этом, в отличие от гусеничного движителя, здесь при движении по кругу практически не возникает силового проскальзывания опорных элементов 19 относительно земли, т.к. пневматические подушки могут деформироваться и компенсировать возникающую при этом разность скоростей. Легкое не силовое проскальзывание возникает только в момент периодического снятия нагрузки с данного опорного элемента при его отрыве от земли.
Пневматическая подушка 19 в верхнем состоянии не имеет избыточного давления. При переходе в рабочую зону она сжимается и давление в ней повышается до величины порядка 1 ати, что обуславливается конструктивным назначением среднего коэффициента сжатия ее объема. При этом не возникает проблем с гистерезисным трением оболочки при большом ходе ее деформирования, т.к., в отличие от шины колеса, здесь за счет наличия гофр имеется конструктивная возможность существенно уменьшить сдвиговые деформации элементов оболочки и уменьшить проскальзывание протекторной зоны в пятне контакта с дорогой. (У автомобильной шины решение этих проблем осложняется функций качения, от которой опорные подушки 19 избавлены.) Утечки воздуха, возникающие в фазе сжатия, компенсируются при каждом распрямлении оболочки за счет втекания воздуха через автоматический клапан 21.
Особенно важным преимуществом предлагаемого средства передвижения является его проходимость по глубокому снегу. Это обеспечивается тем, что опорные элементы не сгребают снег, как бульдозер, а просто вкалываются в него, как ноги лошади. При этом они выполняют функцию эффективных грунтозацепов, не разрушающих основную часть снежного покрова по полосе передвижения. Это позволяет преодолевать крутые снежные подъемы и косогоры. Проваливание в снег при этом ограничено пылезащитной лентой 17, которая при этом работает как гусеница. Она также вступает в работу при движении по камням или бурелому. Однако при этом работает режим трения скольжения ленты 17 по краевым отгибам 18 крышек 13, т.е. появляется трение скольжения, величина которого определяется долей веса, приходящейся на сильно выступающие элементы рельефа дороги (камни, бревна и т.п.). Однако, если в зоне скольжения ленты 17 применить например фторопластовое покрытие, то трение в любом случае гусеничного режима движения (т.е. когда пылезащитная лента начинает работать, как гусеница) не превосходит трения лыжного шасси.
Скорость движения предлагаемого устройства практически ограничивается только прочностью троса 4, воспринимающего большие центробежные нагрузки от веса роликов при прохождении криволинейных участков рельса. Однако масса ролика 1 невелика. Так для восприятия нагрузки 300 кг, что соответствует нагрузке на колесо легкового автомобиля, ролик 1 может быть выполнен в виде шарикоподшипника №202, масса которого составляет 45 г. Расчетные оценки показывают, что до скорости 100 км в час никаких проблем с прочностью не возникает. Имеются некоторые потери из-за инерционного проскальзывания роликов в дугообразной части рельса. Но, например, при применении данного устройства в легковом автомобиле, потери на проскальзывание роликов составят около 100 Вт на скорости 100 км/ час. При кратковременном режиме работы, например при использовании предлагаемого устройства в качестве шасси самолета, скорость может доведена до 200 км/час.
Таким образом, сочетание высокой скорости с высокой проходимостью предлагаемого механизма позволит существенно сократить затраты на строительство и обслуживание дорог и аэродромов в северных территориях.