КОЛЕСНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ ПЕРЕКАТЫВАЮЩЕГОСЯ ТИПА
ROLLING WHEEL PROPULSOR

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, конкретнее к колесным движителям, предназначенным, преимущественно, для наземных транспортных средств, в частности, с повышенной грузоподъемностью, предназначенных для эксплуатации в различных дорожных условиях, в т.ч. и по бездорожью.
Из уровня техники известен движитель, основанный на задаваемом тактовом смещении центра вращения ротора подвижными в радиальном направлении инерционными массами (RU 2149117, 2000 г.). Конструктивно такой движитель усложнен из-за использования специального громоздкого устройства для смещения центра вращения, что является причиной низкого КПД и высокой металлоемкости движителя, а использование противодействующих пружин снижает его эксплуатационные качества и может приводить к отказам в работе. К тому же смещение центра вращения требует значительных кинематических параметров его вращения, которые бы обеспечивали необходимые опорно-временные и тягово-сцепные свойства колесного движителя для транспортного средства повышенной грузоподъемности, что для данной конструкции труднодостижимо.
Известен колесный движитель с «кантующимся центром» вращения (RU 2268165, 2006 г.), содержащий обод с правильной формой окружности и центром его вращения, планетарный редуктор, ведущим звеном которого является сателлит, установленный на ведущем «плавающем» валу, воспринимающем вес транспортного средства.
Недостатком этого колеса с «кантующимся» центром вращения является конструктивное решение с использованием планетарного редуктора, что усложняет и удорожает такой движитель, а также приводит к снижению его КПД и опорно-временных характеристик и тягово-сцепных свойств. К тому же применение планетарного редуктора предполагает обязательную его смазку и, как следствие, применение уплотнительных устройств, что увеличивает трудоемкость и стоимость не только изготовления данного движителя, но и его обслуживания.
Недостатки предыдущих аналогов устранены в известном из описания к патенту RU 2038218, 1995 г. колесном движителе перекатывающегося типа, содержащем обод, опорно-приводное устройство (ОПУ), мотор-редуктор, вал-шестерни, опорные ролики, боковые крышки и стойку, соединяющую движитель с корпусом транспортного средства (ТС). В нем обод, выполнен из секционных опорных элементов, расположенных по окружности и образующих сплошную беговую дорожку, при этом опорные элементы связаны с опорно-приводным устройством шарнирно-рычажными механизмами.
Отдаленное расположение мотор-редуктора (в корпусе транспортного средства), требующее применения трансмиссии и опор и усложняющее конструкцию и схему подведения силового потока (крутящего момента), а также консольное расположение вал-шестерни, которое приводит к необходимости увеличивать ее диаметр и, следовательно, размеры и материалоемкость движителя, являются недостатками этого аналога.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения определен колесный движитель перекатывающегося типа (RU 2245259, 2005 г.), содержащий обод с наружными упругими опорными элементами, предназначенными для формирования опорной поверхности перемещения, приводной электродвигатель, опорно-приводное устройство, связанное с этим электродвигателем и ободом и имеющее цилиндрический корпус с жестко соединенными между собой боковыми крышками и реборды, а также входное звено для приема вращающего момента от приводного электродвигателя и механизм, предназначенный для его реализации путем смещения мгновенного центра давления, выполненный в виде контактных колец и взаимодействующих с ними ответных зубчатых звездочек на входном звене. В нем контактные кольца механизма реализации вращающегося момента установлены внутри корпуса ОПУ и имеют внутренний зубчатый венец, в зацепление с которым входит зубчатая звездочка, установленная на вал-шестерне, являющемся входным звеном для приема крутящего момента от электродвигателя.
К недостаткам прототипа следует отнести сниженные опорно-временные свойства и тягово-сцепные показатели движителя при формировании опорной поверхности перемещения и сниженный КПД движителя и ТС в целом, в силу следующих причин:
- расположение мотор-редуктора в корпусе транспортного средства, предопределяет применение трансмиссии, что усложняет конструкцию опор и предопределяет упругую схему подведения силового потока (крутящего момента), не позволяющую реализовать возможности движителя на улучшение общего КПД;
- консольное расположение вал-шестерни приводит к необходимости увеличения ее диаметра и, следовательно, металлоемкости, массы и стоимости колеса;
- обод движителя сформирован из двух типов упругих элементов, установленных на корпусе ОПУ, что, во-первых, приводит к усложнению конструкции и снижает ее технологичность, а, во-вторых, снижает эксплуатационные качества движителя, т.к. будет вызывать при взаимодействии упругих элементов сухое трение (метал по металлу), способствующее износу обода движителя и уменьшению его долговечности, а также забиванию грунтом внутренней полости между поддерживающими и упругими элементами, что может привести к увеличению общей массы и моментов инерции колеса, которые потребуют дополнительных затрат мощности силовой установки на формирование опорной поверхности.
Задача, решаемая изобретением, и технический результат, получаемый от его использования, состоят в расширении арсенала технических средств в области движителей транспортных средств путем создания колесных движителей перекатывающегося типа, реализующих схему подведения силового потока к ободу с улучшенными тягово-сцепными и опорно-временными свойствами и повышением общего КПД транспортного средства.
Поставленная задача решается тем, что в колесном движителе перекатывающегося типа, содержащем обод с наружными опорными элементами, предназначенными для формирования опорной поверхности перемещения, приводной электродвигатель, опорно-приводное устройство, связанное с этим электродвигателем и ободом и имеющее цилиндрический корпус с жестко соединенными между собой боковыми крышками и реборды, а также входное звено для приема вращающего момента от приводного электродвигателя и механизм, предназначенный для его реализации путем смещения мгновенного центра давления, выполненный в виде контактных колец и взаимодействующих с ними ответных зубчатых звездочек на входном звене, согласно изобретению обод выполнен с внутренней и наружной поверхностями гладкой цилиндрической формы и снаружи снабжен шарнирно установленными с двухрядным размещением опорными башмаками, электродвигатель установлен внутри корпуса опорно-приводного устройства, с которым его выходной вал напрямую жестко связан, и при этом корпус опорно-приводного устройства служит упомянутым входным звеном движителя и выполнен с возможностью угловых перемещений относительно обода посредством механизма реализации вращающего момента, контактные кольца которого закреплены на внутренней поверхности обода и взаимодействуют с помощью осей, равномерно расположенных по их периметру, с зубчатыми звездочками, а предусмотренными на них соответствующими дорожками - с ребордами, причем и звездочки, и реборды охватывают корпус и закреплены на его наружной поверхности.
Дополнительный развивающий существенный признак состоит в том, что опорные башмаки выполнены резиноармированными с упругой стальной вставкой и объемной формы, при которой внешняя поверхность - «подошва» - башмака имеет синусоидальную форму, а поверхность, обращенная к ободу, цилиндрическую форму.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый движитель (в отличие от известных аналогов) представляет собой трехмассовую конструкцию (ротор двигателя - корпус ОПУ - обод с опорными башмаками) с независимым компоновочным расположением ОПУ и обода и двухступенчатой квазиупругой системы и в нем под действием вращающего момента, создаваемого электромагнитным полем установленного в корпусе «плавающего» опорно-приводного устройства приводного электродвигателя (первая квазиупругая ступень), реборды, установленные на корпусе этого устройства, перекатываясь по внутренней поверхности контактных колец на ободе, обеспечивается смещение мгновенного центра давления движителя по направлению его движения относительно полюса, где мгновенная скорость равна нулю, и подведение силового потока к ободу колеса, благодаря чему осуществляется трансформация вращающего момента электродвигателя в момент силы (вторая квазиупругая ступень), формирующий работой опорных башмаков поверхность движения транспортного средства с использованием внешнего силового (гравитационного) поля - в результате осуществляется плоское движение колеса с требуемыми (например, типом поверхности движения) опорно-временными свойства и тягово-сцепными показателями, позволяющими повысить общий КПД движения при одновременном снижении тангенциальной составляющей напряжений деформации почвенного покрова в процессе формирования опорной поверхности перемещения.
Расположением приводного электродвигателя, на выходном валу которого вращающий момент создается взаимодействием электромагнитных полей статора и ротора, внутри ОПУ, выполненного «плавающим», т.е. с возможностью потактового углового смещения относительно внутренней поверхности обода движителя, обеспечивается двухступенчатая квазиупругая система подведения силового потока к ободу, изменяющая принцип работы движителя с упругой схемы подведения силового потока от крутящего момента, как в прототипе, на квазиупругую, формирующую момент силы за счет смещения мгновенного центра давления относительно диаметральной плоскости обода по ходу движения, что позволяет в значительной мере снизить непроизводительные потери мощности, сократив промежуточные связи, а значит увеличить общий КПД транспорта, расширить диапазон получаемых опорно-временные и тягово-сцепные транспортирующие свойства движителя.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлен фронтальный вид предлагаемого колесного движителя перекатывающегося типа; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2.
Предложенный колесный движитель перекатывающегося типа содержит обод 1, выполненный с внутренней 2 и наружной 3 поверхностями гладкой цилиндрической формы. Опорно-приводное устройство (ОПУ) 4, имеющее цилиндрический корпус 5 с размещенными на его наружной поверхности ребордами 6, установлено внутри обода 1 с возможностью потактового углового смещения относительно него, т.е. выполнено «плавающим» на неподвижной оси, что важно с позиции повышения точности смещения. Приводной электродвигатель 7 установлен внутри корпуса 5 ОПУ в подшипниках 8 и торцевым фланцем 9 соединен, например, через стойку подвески 10 с корпусом транспортного средства (не показан), а его выходной вал 11 жестко связан с корпусом 5.
На внутренней поверхности 2 обода 1 закреплены два контактных кольца 12, выполненных с наружными дорожками 13 под реборды 6 и внутренними расточками 14, в которые входят зубчатые звездочки 15, охватывающие корпус 5. Внутри колец 12 имеются установленные по их периметру с равномерным шагом оси 16, входящие в зацепление с звездочками 15, обеспечивая тем самым требуемое угловое смещение ОПУ относительно внутренней поверхности обода 1, следовательно, смещение мгновенного центра давления по траектории гипоциклоиды, например астроиды, относительно полюса, в котором мгновенная скорость равна нулю.
Обод 1 имеет также резиноармированные башмаки 17, шарнирно установленные на осях 18 с образованием на его наружной поверхности 3 двух опорных рядов со смещением одного относительно другого, причем в каждом ряду башмаки 17 размещены с технологическим зазором между собой, обеспечивающим их взаимное угловое перемещение. Конструктивное выполнение этих башмаков вариантно, в зависимости от конкретных технических параметров движителя и они могут иметь различную целесообразную форму. С точки зрения эффективности движения наиболее приемлема форма башмака, представленная на фиг.3, при которой внешняя поверхность - «подошва» - резиноармированного башмака имеет синусоидальную форму для улучшения упругих свойств колеса и повышения плавности хода ТС, а поверхность, обращенная к ободу 1, имеет цилиндрическую форму, улучшающую самоочищаемость движителя при его работе на слабых почвах, например на заболоченной местности. При этом башмак 17 выполнен с упругой стальной вставкой 19, армированной резиной 20, и с проушиной 21 для присоединения к оси 18.
Для обеспечения устойчивого зацепления реборд и звездочек путем создания между ними и ободом не освобождающей (жесткой) связи служат стянутые между собой шпильками 22 боковые крышки 23, которые к тому же обеспечивают в конструкции движителя дополнительную поперечную жесткость и служат для предотвращения попадания в зону контакта взаимодействующих между собой упомянутых выше элементов обода и ОПУ со стороны торцов движителя пыли, грязи и/или посторонних предметов, ухудшающих работу «плавающего» опорно-приводного устройства в частности и движителя в целом.
вр
На электродвигатель 7 встроенный в корпус 5 ОПУ 4 от силовой установки ТС (не показана), например дизель-генератора, подается напряжение, создающее взаимодействие электромагнитных полей (первая квазиупругая ступень), которые образуют вращающий момент М на его выходном валу 11, жестко связанном с корпусом 5 ОПУ, имеющего возможность углового перемещения относительно обода 1 посредством реборд 6 и взаимодействия с внутренней поверхностью 2 обода 1 за счет контактных колец 12 с осями 16, входящими в зацепление со звездочками 15.
Вращающий момент ротора электродвигателя 7 перекатывает реборды 6, охватывающие корпус 5, «плавающего» на неподвижной оси ОПУ, по дорожкам 13 контактных колец 12 на ободе 1. Этим обеспечивается смещение центра тяжести транспортного средства в направлении движения колеса с накапливанием полной механической энергии с одновременным формированием момента силы, вызывающего плоское поступательное движение за счет внешнего силового (гравитационного) поля (вторая квазиупругая ступень).
Реборды 6, перекатываясь по дорожкам 13 колец 12, смещают мгновенный центр давления (вертикальную силу от веса ТС) по траектории гипоциклоиды, например по астроиде, относительно точки, где мгновенная скорость равна нулю, на величину s и создают момент силы относительно этой точки, равный .
Момент силы вызывает перекатывание обода 1, во время которого башмаки 17 (фиг.1, 3) формируют опорную поверхность (дно колеи) с реакцией связи , создаваемой за счет внешнего силового (гравитационного) поля - вторая квазиупругая ступень - и сил трения плоское поступательное движение транспортного средства с автоматическим регулированием опорно-временных свойств и тягово-сцепных качеств движителя перекатывающегося типа в зависимости от характера поверхности движения.
ОПУ 4 совместно с подвеской ТС выполняет функцию поддержания корпуса транспортного средства, передачи вертикальной нагрузки через реборды 6, расположенные на внешней поверхности корпуса 5 ОПУ, а также функцию передачи вращающего момента электродвигателя 7 и трансформации его в момент силы на ободе 1, который с помощью башмаков 17 специальной формы (фиг.3) осуществляет формирование опорной поверхности.
Таким образом, использование предлагаемого колесного движителя перекатывающегося типа позволяет за счет двухступенчатой квазиупругой системы подведения силового потока оптимизировать опорно-временные свойства, повысить тягово-сцепные показатели и общий коэффициент полезного действия транспортного средства при движении по разным поверхностям движения и при этом максимально минимизировать отрицательное воздействие транспорта на поверхность движения.