ДВИЖИТЕЛЬ
PROPULSOR

Область техники
Заявляемое изобретение относится к движителям наземных безрельсовых транспортных средств, а именно к конструкции колес транспортных средств повышенной проходимости, преимущественно самоходных, детских колясок, грузовых тележек и носилок для больных. Заявляемое устройство также может быть использовано при проектировании и производстве малогабаритных транспортных средств, в частности, инвалидных колясок, предназначенных для передвижения как по ровным, так и неровным горизонтальным и наклонным плоскостям, включая лестницы, или в качестве колеса транспортного средства, предназначенного для перемещения по бездорожью. Кроме того, областью применения заявляемого устройства может быть также индустрия развлечений, где такой перемещающийся узел (движитель) может быть использован в качестве элемента самодвижущихся игрушек.
Уровень техники
Системы с шагающим принципом перемещения колеса активно используются в движителях, обеспечивающих поступательное перемещение транспортного средства. Однако все они характеризуются определенной сложностью конструкции, что обусловлено многозвенностью и наличием в ней сложно изготавливаемых и прецизионных деталей гидравлических и пневматических устройств. Как правило, сложная конструкция работает ненадежно, а также имеет лишний вес и высокую стоимость. Известные решения основаны на использовании таких элементов, как прецизионные механизмы, планетарные зубчатые передачи, требующие высокой точности изготовления. Такие конструкции обладают низким коэффициентом полезного действия при увеличении мощности двигателя привода движителя.
Из патента на полезную модель РФ №105858 известно комбинированное колесо, состоящее из нескольких малых колес, закрепленных на ободе диска колеса, расположенных в два ряда в шахматном порядке. Малые колеса крепятся к ободу при помощи кронштейнов с шарнирами, на ободе закреплена тормозная лента. В днищах кронштейнов имеются вырезы, обеспечивающие сцепление малых колес с тормозной лентой.
Ввиду сложности известной конструкции, наличия множества зазоров, в которые могут попадать частицы, блокирующие движение отдельных элементов колеса, затруднительно использовать колесо при перемещении по пересеченной местности.
Из патента на изобретение РФ 2653649 известно колесо транспортного средства, содержащее ступицу, на которой установлены параллельно друг другу два водила, выполненные в виде звездообразных пластин, периферия которых является ободом, отличающееся тем, что по крайней мере одно из водил установлено с возможностью поворота относительно другого водила, периферийная поверхность каждого луча ступиц пластин по длине выполнена в форме кривой линии с закругленными торцами по концам, а боковая поверхность лучей звездообразных пластин выполнена конусной или в виде вогнутой кривой линии и соединена в основании с боковой поверхностью смежных лучей плавным переходом.
Известное решение колеса сложной формы предназначено для использования в качестве средства перемещения колясок и иных транспортировочных средств по лестницам и плоским поверхностям. Однако, для использования известного решения требуется обеспечить достаточно большое постоянное усилие: например, однократного воздействия на известное колесо недостаточно, чтобы оно самостоятельно перемещалось по ступенчатой поверхности под действием собственного веса.
Известно также шагающее колесо транспортного средства повышенной проходимости, раскрытое в материалах патента на изобретение РФ №2455172. Колесо содержит закрепленное на корпусе транспортного средства центральное зубчатое колесо, обращающиеся внутри него сателлиты, установленные на водиле в противофазе, и две спаренные опоры с выпуклыми опорными секторами, образованными дугами окружности. Опорные секторы закреплены на опорах шарнирно в вертикальной плоскости движения и подпружинены относительно опоры с возможностью упругого поворота вокруг шарнира. Шарнир закреплен на оси опоры в центре кривизны сектора.
Известное устройство, преимущественно, обеспечивает возможность перемещения по лестницам с различной высотой и шириной ступеней, однако возможность его использования по плоской поверхности затруднена ввиду использования большого количества узлов и деталей, его составляющих. Таким образом, известное устройство не обеспечивает комбинационного решения вопроса перемещения по различным типам поверхностей.
Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих известным аналогам за счет создания простого и надежного устройства, способного перемещаться как по плоской, так и по ступенчатой поверхности.
Краткое раскрытие сущности изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении совмещения колесного и шагающего принципов перемещения в одном устройстве при упрощении его конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый движитель включает два дисковых элемента равного радиуса R, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и сопряженных друг с другом по радиальной линии, соединяющей центры дисковых элементов и расположенной в обеих плоскостях размещения дисковых элементов. Сопряжение дисковых элементов может представлять собой точку касания их окружностей. Дополнительно движитель может содержать штангу, обеспечивающую сопряжение дисковых элементов, при этом штанга закреплена к каждому из дисковых элементов и расположена на радиальной линии, соединяющей центры дисковых элементов, при этом длина штанги не превышает 2R. По меньшей мере, в одном из дисковых элементов по радиальной линии может быть выполнена прорезь глубиной не более R, при этом сопряжение дисковых элементов выполнено посредством вставки одного дискового элемента в прорезь другого или посредством взаимной вставки прорезей дисковых элементов.
Заявляемое устройство характеризуется также следующими преимуществами:
- низкая сложность изготовления, что существенно упрощает его промышленное использование;
- высокая маневренность конструкции, обусловленная кинематической возможностью поворачиваться на месте или с минимальным радиусом поворота, а также реверсивным ходом вперед и назад;
- проходимость конструкции, обусловленная его способностью преодолевать рельефные и фрикционные препятствия с определенными параметрами (перепад высот рельефа составляет величину, не более радиуса дискового элемента, входящего в состав заявляемого устройства);
- повышенная устойчивость движителя в качестве средства перемещения. Устойчивость движителя определяется по расположению его центра масс относительно поверхности перемещения. Для каждой конструкции движителя существует определенный угол подъема и опускания, когда направление вектора веса выходит из области поверхности перемещения, т.е. наступает предельная устойчивость.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлено схематичное изображение дисковых элементов, снабженных прорезями и размещенных во взаимно перпендикулярных плоскостях;
на фиг. 2 представлены схемы движения центра тяжести одного из дисковых элементов модельного образца движителя радиусом 70 мм, при этом
на фиг. 2а представлен график движения по (обычной) при сопряжении дисковых элементов в точке касания их окружностей (верхняя точка циклоиды соответствует положению, когда дисковый элемент становится вертикально, а нижняя точка соответствует положению, когда дисковый элемент располагается практически горизонтально);
на фиг. 2б представлен график движения по (вытянутой вверх) циклоиде при сопряжении дисковых элементов через штангу, при этом центр тяжести поднимается с более низкого положения, в результате чего затрачивается больше энергии, а движение происходит медленнее;
на фиг. 2в представлен график движения по (сплющенной) циклоиде при сопряжении дисковых элементов через прорези при этом центр тяжести поднимается невысоко, дисковый элемент опускается незначительно;
на фиг. 3а, 3б и 3в приведены схемы соединения дисковых элементов заявляемого движителя, где их сопряжение расположено на окружности (3а), на линии общего радиуса (3б) или штанге (3в) соответственно;
на фиг. 3г схематично приведены изображения соединенных между собой дисковых элементов, показывающие перпендикулярность их плоскостей;
на фиг. 4 и 5 приведены фотоизображения модельных образцов заявляемого движителя со штангой и с прорезями, соответственно;
на фиг. 6 приведено фотоизображение заявляемого устройства при его перемещении по ступенчатой поверхности.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - дисковые элементы
2 - точка сопряжения дисков,
3 - линия соединения,
4 - штанга соединения.
Осуществление изобретения
1
1
1
1
Заявляемое устройство обладает простой конструкцией и выполнено из двух взаимосопряженных дисковых элементов, соединенных между собой особым образом. Дисковые элементы 1 выбраны идентичного размера, имеющими равный радиус R, центры О и О, равную толщину, сплошность, плотность и вес. Предпочтительно, чтобы оба дисковых элемента были выполнены из идентичного материала. Обод дисковых элементов может иметь скругленный профиль для облегчения перекатывания или быть плоским. Обод дисковых элементов также может быть, например, гладким (при необходимости более быстрого перемещения) или ребристым (при необходимости более прочного сцепления с поверхностью перемещения), в зависимости от области применения устройства. Также, в зависимости от сферы применения заявляемого устройства поверхности дисков могут быть сплошными, без каких бы то ни было отверстий (например, при использовании в качестве изделия для развлечения), или, наоборот, дисковые элементы могут быть представлены в виде колес с центральной втулкой и спицами, соединяющими втулку с внешним ободом (например, при использовании в качестве колесной базы колясок). Дисковые поверхности также могут быть снабжены функциональными (например, различные измерительные датчики) или декоративными (например, цвето-, светоиндикация) элементами. Принцип, количество и качество размещения таких элементов не оказывают влияния на эффективность перемещения заявляемого устройства, однако размещение таких элементов на обоих дисках должно быть зеркальным для предотвращения разбаланса при движении устройства. В рамках заявляемого решения тип и конструкция дисковых элементов в целом не обеспечивают существенного влияния на эффективность и комбинаторность перемещения движителя. Дисковые элементы в заявляемом устройстве расположены взаимно перпендикулярно друг к другу, то есть в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, как показано на фигуре 3г. Для обеспечения возможности перемещения устройства дисковые элементы сопряжены между собой. В общем случае сопряжение двух дисковых элементов выполнено по радиальной линии 3 (ОО), соединяющей центры дисковых элементов и одновременно расположенной в обеих плоскостях обоих дисков, то есть линия сопряжения образована, в том числе, двумя радиусами (радиальными линиями) двух соединяемых дисков. Так, дисковые элементы могут быть соединены только в одной точке А посредством касания двух окружностей ободов дисков (фиг. 3а). То есть точка касания А принадлежит обоим дисковым элементам и прямой ОО. Величина ООпри таком соединении составляет 2R. В таком исполнении диски при соединении оказываются повернуты друг относительно друга на 90°. Зона сопряжения дисков, в данном случае, представляет собой точку А касания окружностей дисковых ободов 2.
1,
1
1
1
1
1
1
В ином варианте осуществления изобретения, дисковые элементы, размещенные в перпендикулярных плоскостях, могут быть соединены между собой посредством штанги 4, которая, в свою очередь закреплена к каждому из дисковых элементов в соответствующей точке окружности на ободе дискового элемента (точки А и Асоответственно). Штанга АА при этом расположена таким образом, что она лежит на прямой линии ОО, соединяющей центры дисковых элементов, и также принадлежит обеим плоскостям размещения дисковых элементов. Штанга, таким образом, является продолжением радиусов ОА и ОА дисковых элементов (фиг. 3в). При этом длина штанги АА выбрана не более величины диаметра 2R дискового элемента. Таким образом, величина ОО при таком соединении дисковых элементов составит от 2R до 4R. Длина штанги влияет на величину усилия, которое необходимо приложить к устройству для приведения его в движение, а также на скорость его перемещения. Чем длиннее штанга, тем большее усилие потребуется. Кроме того, длина штанги влияет на характеристику движения устройства. Чем штанга длиннее, тем устройство быстрее останавливается в результате меньшего «переваливания» дисковых элементов.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
В ином варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один дисковый элемент выполнен с радиальной прорезью АВ и/или АВ по радиусу ОА и/или ОА. Глубина прорези может быть не более радиуса R. В таком случае соединение дисковых элементов осуществляют посредством вставки одного дискового элемента в прорезь другого, или, при выполнении прорезей в обоих дисковых элементах - посредством посредством взаимной вставки каждого из элементов в прорезь другого элемента. Зона сопряжения дисковых элементов ААв данном случае представляет собой совмещение радиальных линий обоих дисковых элементов (фиг. 3б) и остается на линии ОО. Глубина прорезей и, соответственно, значение ООпри сопряжении дисковых элементов в таком случае влияет на величину перекатывания дисковых элементов при движении. Чем глубже два дисковых элемента вставлены друг в друга, тем меньше устройство переваливается, и больше катится. В предельном случае получим два диска, соединенные друг с другом под прямым углом (точки О и О в таком случае совпадут), тогда основная задача устройства - переваливаться (перешагивать) через неровности, не решается. Поэтому оптимальным значением ОО при выполнении движителя с прорезями в дисковых элементах является величина, равная 1,5R - 1,75R.
1
1
Важным понятием при описании заявляемой конструкции является точка Х, расположенная посередине отрезка ОО, соединяющего центры дисковых элементов. Она может совпадать с точкой касания дисков (в случае их сопряжения посредством касания ободов), может быть расположена посередине штанги АА, соединяющей обода дисковых элементов (в случае соединения дисковых элементов через штангу), может принадлежать обеим плоскостям дисковых элементов на линии общего радиуса в случае соединения их через прорези. Указанная точка представляет собой точку приложения вращательного момента. Это единственная точка устройства, которая движется параллельно поверхности и не подвержена качению вверх - вниз. В данной точке осуществляют крепление оси, посредством которой движитель соединяют с объектом перемещения.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
1
Дисковые элементы соединяют между собой с выбранным расстоянием ОО и выбранным способом сопряжения. В точке Х прикладывают вращательный момент, после чего устройство начинает двигаться. Для того чтобы приложить вращательный момент к точке Х, в этом месте необходимо предусмотреть, например, зубчатое колесо, на которое и будет передаваться вращательный момент. Перемещение устройства представляет собой последовательное касанием каждой точки обода дисковых элементов по поверхности, то есть, движение осуществляется попеременно по краю одного диска, потом по краю другого. Движение устройства получается «переваливанием» с одного на другой диск. Плоскости дисков при движении вращаются вокруг общей оси, перпендикулярной направлению движения. Часть обода одного, опрокидывающегося (опускающегося), диска прокатывается по поверхности, при этом второй дисковый элемент поднимается, и в дальнейшем опускается, прокатываясь по своему ободу и в свою очередь, поднимая первый диск. Таким образом, каждая точка поверхностей дисковых элементов при движении описывает циклоиду, и только точка Х движется по прямой. Устройство объединяет колесный и шагающий принцип передвижения. При этом оно может двигаться не только по ровной поверхности, но и по лестницам, по сильно пересеченной местности. Скорость перемещения заявляемого устройства определяется только силой подаваемого крутящего момента и прочностью дискового элемента. За один оборот крутящего момента, приложенного к средней точке Х между центрами дисков, или, фактически, за один полный оборот обоих дисковых элементов, то есть, всего устройства в целом, устройство перемещается поступательно на расстояние, равное 2R. Это меньше, чем у обычного катящегося диска, который перемещается за один оборот на 3,14 своего диаметра (то есть на расстояние, равное длине окружности колеса 2πR). Это происходит из-за того, что след от заявляемого устройства будет не прямой, и не двумя прямыми, а при движении вперед ободья дисков выписывают полуокружности по очереди, что оставляет след в виде двух кривых - циклоид. С одной стороны, данный факт снижает скорость перемещения транспортного средства с заявляемым перемещающим узлом, а с другой стороны, при таком подходе увеличивается сцепление ободов дисковых элементов с грунтом, что является более важным фактором при использовании заявляемого устройства для перемещения по неровным поверхностям. В отличие от обычного колеса, которое при движении вращается в плоскости, параллельной направлению движения, оба дисковых элемента заявляемого устройства при движении вращаются в плоскостях, перпендикулярных направлению движения, то есть диски расположены «поперек» движения.
Пример конкретного выполнения
1
Заявляемое устройство реализовано в нескольких модельных образцах. Движитель выполнен из двух идентичных пластиковых дисковых элементов радиусом R, равным 4 см. В первом варианте исполнения, дисковые элементы припаяны друг к другу в точке касания их окружностей с предварительным перпендикулярным размещением. Во втором варианте исполнения в обоих дисковых элементах выполнены радиальные прорези глубиной 0,5 см, и диски сопряжены посредством вставки друг в друга через прорези. В третьем варианте реализации дисковые элементы сопряжены между собой штангой, длиной R, расположенной по линии радиусов дисковых элементов. При приложении одинакового усилия к точке Х, расположенной посередине отрезка ОО, соединяющего центры дисковых элементов, установлено, что наиболее оптимальным при движении по ступенчатой поверхности является сопряжение в точке касания - такое устройство останавливается значительно позже остальных, а при перемещении по плоской поверхности наиболее оптимальным с точки зрения времени до полной остановки после снятия усилия является сопряжение дисковых элементов через прорези.
1
В целом, заявляемое устройство является достаточно устойчивым в отличие от обычного колеса, что позволят при его использовании в качестве движущего колеса, например, коляски, устанавливать не четыре опорных колеса (попарно), а только два. Несколько заявляемых устройств могут быть установлены, например, друг за другом в ряд с креплением к общей оси. Соединение с корпусом машины предполагается в срединной точке Х, отрезка ОО, соединяющего диски, в этом месте нет движения вверх - вниз, а только поступательное движение. Однако для дальнейших применений движителя, в частности для лучшего преодоления препятствий, в том числе лестниц, важно, чтобы соединение в этой точке могло смещаться относительно корпуса машины вперед -назад по ходу движения (люфт) и поворачиваться, чтобы один диск мог уходить больше вперед или назад относительно другого. Тогда соскальзывание с высокого препятствия одного края не вызовет остановку всей машины, высота преодолеваемых препятствий будет даже больше радиуса дисков, а устойчиво зацепившийся один диск, подтянет при их повороте другой.