СИСТЕМА ОВАЛЬНЫХ КОЛЕС ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ С ОБЩЕЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
SYSTEM OF OVAL HIGHER-FLOTATION WHEELS WITH COMMON AXLE

Система овальных колес повышенной проходимости, содержащая не менее двух овальных колес, имеющая привод ее вращения, отличающаяся тем, что с целью повышения проходимости и тягово-сцепных показателей колеса путем увеличения радиуса качения колеса, уменьшения удельного давления и переменного контакта с поверхностью опоры система овальных колес выполнена в виде не менее двух овальных колес с общей осью вращения.
Область техники
Предлагаемое устройство относится к колесным движителям повышенной проходимости, используемых в сельскохозяйственной, лесной и военной технике, а также в технике специального назначения.
Уровень техники
Известно обычное колесо, простейшей геометрической моделью которого является цилиндр, которое является основой колесного транспорта.
Однако для создания колесного транспорта необходим движитель, который создает тягу в результате взаимодействия с другими телами.
Колесный движитель представляет собой устройство, преобразующее работу движителя в поступательное движение машины. Он состоит из трех частей: шины, обода и ступицы.
Шина взаимодействует с опорной поверхностью и оказывает значительное воздействие на тяговые качества, топливную экономичность, проходимость, устойчивость, управляемость, плавность хода и другие свойства колесной машины. Ступица служит для связи колесного движителя или с ведущей, или с ведомой осями, или непосредственно с корпусом машины. На обод монтируют шину. По назначению колесные движители подразделяют на три группы: дорожного типа, вездеходные и универсального применения. По форме поперечного сечения и внешним очертаниям шины классифицируют на тороидальные, широкопрофильные, арочные и пневмокатки. Шины с регулируемым давлением используют на машинах повышенной и высокой проходимости. По способу соединения со ступицей - на дисковые и бездисковые. Колесный движитель оценивается следующими параметрами: геометрическими - наружным диаметром, шириной и высотой профиля, посадочным диаметром и расстоянием между бортовыми закраинами обода.
Расстояние от центра неподвижного колеса, несущего нормальную нагрузку, до горизонтальной опорной поверхности называется статическим радиусом колеса. Расстояние от центра движущегося колеса до опорной поверхности называется динамическим радиусом колеса.
Трение качения колеса (сопротивление перекатыванию)
Для создания силы тяги ведущее колесо соединяют с двигателем, вращающим его в направлении движения. Со стороны дороги на колесо действует горизонтальная составляющая сила реакции, препятствующая его вращению и направленная в сторону, противоположную возможному проскальзыванию колеса. Эта составляющая силы реакции является трением покоя и ограничена величиной силы трения скольжения. Таким образом, сила трения является той силой, которая создает силу тяги ведущих колес.
Сила трения качения определяется как сила, необходимая для равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости.
где F - сила трения качения, К - коэффициент трения качения, Р - сила давления катящегося тела на опору, R - радиус катящегося тела.
Из формулы видно, 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 опоры.
Таким образом, сопротивление качению колеса, оборудованного шиной, в различных грунтовых условиях и на дорогах с твердым покрытием при установившемся движении зависит главным образом от вертикальной нагрузки, параметров и физико-механических свойств шины, давления воздуха в ней и свойств грунта.
Сила сцепления шин с дорогой
Одним из мероприятий по повышению тяговых качеств машин можно назвать увеличение сцепления движителей с почвой или дорогой.
Сцепление опорной поверхности колеса с грунтом происходит за счет сил трения, возникающих между шиной и грунтом, и силы сдвига и среза грунтовых кирпичей, зажатых между грунтозацепами. При установившемся движении колеса сдвиг и срез грунтовых кирпичей происходит в основном в периоды выхода последнего грунтозацепа опорной поверхности колеса из грунта.
Вместе с тем, наибольший сдвиг и срез грунта можно представить как произведение коэффициента буксирования на длину опорной поверхности колеса. Таким образом, касательная сила тяги ведущего эластичного колеса, оборудованного грунтозацепами, равна сумме сил трения реакции сдвига и среза на каждом грунтозацепе. Итак, касательная сила тяги зависит от режима качения колеса, т.е. от коэффициента буксования, а коэффициенты трения покоя и скольжения зависят от давления. Поэтому давление на грунт принимают осредненным:
ср
где Р - среднее давление на грунт,
G - вес, b - ширина шины, L - длина опорной поверхности колеса (длина контакта колеса с грунтом).
При расчете длины площади контакта определяющим показателем является радиус колеса, т.е. чем он больше, тем больше длина площади контакта.
Осредненное давление колеса определяется делением вертикальной нагрузки на сомножитель из ширины колеса на длину площади контакта, т.е. давление уменьшается с ростом длины площади контакта.
Колесо повышенной проходимости
Для некоторых типов транспортных средств одним из важных технико-эксплуатационных свойств является проходимость. Установлено, что проходимость зависит от многих параметров транспортного средства, главнейшими из которых являются опорно-тяговые качества и геометрические параметры колеса (диаметр, ширина и др.).
Проходимость автомобиля на мягких дорогах (размякший грунт, сыпучий снег, песок) вследствие повышенного сопротивления качению в результате погружения колеса в грунт и малого коэффициента сцепления зависит от опорно-тяговых средств автомобиля.
Плохие дороги и бездорожья характеризуются, прежде всего, повышенным сопротивлением движению автомобиля. Чтобы преодолеть возросшее сопротивление движению, автомобили, работающие в этих условиях, должны обладать лучшими динамическими качествами, т.е. большей тяговой силой или большим динамическим фактором, чем автомобили, работающие на хороших дорогах. Поэтому величина динамического фактора является одним из основных критериев оценки проходимости.
Повышение проходимости автомобильной техники является одной из важнейших задач отечественного машиностроения. Напряжения, возникающие в контакте колеса с опорной поверхностью и в толще грунта, оказывают большое влияние на срок службы шины, устойчивость, управляемость и проходимость автомобиля. Проходимость автомобиля во многом зависит от типа и конструкции колес и от удельного давления. Сила тяги по сцеплению движителя с дорогой при прочих равных условиях примерно пропорциональна длине поверхности и контакта его с дорогой. У обычной автомобильной шины в контакте с дорогой находится около 8% длины ее окружности, а у шины с регулируемым давлением - до 16%. Однако шины с регулируемым давлением при минимальном давлении имеют крайне ограниченную величину пробега и значительные потери на сопротивление качению. В случае снижения давления в шинах автомобиль должен двигаться с меньшей скоростью (4-7 м в сек). Повышения проходимости можно добиться, увеличивая диаметр колеса.
Известно, что удельное давление колес на дорогу (опорную поверхность) является основным измерителем проходимости автомобиля по дорогам с мягким покрытием (по неплотному грунту, снегу, песку и др.).
2
Величина удельного давления колес автомобиля на дорогу [Па (кгс/см)]:
k
где G - вес, приходящийся на колесо, Н (кгс);
2
2
F - площадь контакта колеса с дорогой, м (см).
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 возрасти настолько, что автомобиль не сможет преодолеть ее по условиям сцепления. Уменьшение удельного давления колес на дорогу достигают снижением внутреннего давления в шинах, увеличением профиля и диаметра шин, увеличением числа осей и колес автомобиля. Для повышения проходимости автомобиля по пахоте, сильно размокшей дороге, пескам и снегу, необходимо применять шины с особо широким профилем и низким давлением (арочные шины). Арочная шина имеет ширину профиля, в 2-2,5 раза большую, чем у обычных автомобильных шин, что совместно с низким давлением воздуха обеспечивает по сравнению с объемными шинами, значительно большую поверхность соприкосновения их с дорогой. Рассмотрение площадей опоры арочной шины на твердом покрытии и обычных шин показывает, что площадь опоры арочной шины в 2,5-3 раза больше, чем общая площадь опоры обычных сдвоенных шин, которые заменяются одной арочной. Однако одним из основных недостатков арочных шин является меньший срок их службы, и необходимость некоторого снижения грузоподъемности автомобиля.
Итак, все мероприятия по повышению тяговых качеств машин можно условно разделить на две группы, из которых первые увеличивают сцепной вес, а вторые -сцепление движителей с почвой или дорогой.
При анализе работы ведущего обычного колеса, арочных и прототипа - овальных колес установлено, что их основные недостатки состоят:
а) у обычных колес наличие постоянного динамического радиуса, недостаточная длина опорной поверхности и высокое удельное давление;
б) у шин с регулируемым давлением и арочных - значительные потери на сопротивление качению и ограниченную величину пробега;
в) у овальных шин - гибкий обод и сложный привод.
Известно изобретение «Эллипсообразное колесо транспортного средства» патент России №2011549, класс В60В 19/00 - 1994 год. Автор - Можар И.В. Это эллипсообразное колесо, содержащее гибкий обод, состоящий из шарнирно соединенных между собой звеньев. Эллипсообразная форма обода создается гидросистемой колеса, что усложняет конструкцию колеса и уменьшает надежность его работы.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является патент «Способ создания тягового усилия движителем и колесный движитель для его осуществления» (патент России №2027610 класс В60В 19/00, 39/00 от 27.01.1995 года. Авторы - Медведев В.И., Макаров B.C., Мазаров В.П., Кошкин В.Р.), состоящий из полуколес, установленных на параллельных полуосях и находящихся в переменном контакте с опорной поверхностью. Однако наличие в данном способе отдельных полуколес и сложного их привода от межколесного дифференциала и редуктора, предназначенных для получения неравномерного вращения полуколес по каждому борту в противофазе, для обеспечения разного времени контактирования ведущих полуосей с опорной поверхностью (в несколько раз больше времени холостого хода), а также использование только опорной поверхности отдельных полуколес усложняет не только устройство, но и уменьшает суммарное пятно контакта на единицу длины пути, т.е. уменьшается КПД движителя.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является упрощение конструкции, реализация привода от общей оси вращения без дополнительного устройства, повышение проходимости колесного движителя и его тягово-сцепных показателей на мягких грунтах.
Поставленная цель достигается путем увеличения радиуса качения колеса на слабых грунтах, т.е. уменьшения удельного давления за счет суммарного увеличения опорной поверхности и переменного контакта в вертикальной плоскости с поверхностью опоры, создающего эффект шага.
Поставленная задача достигается путем создания системы овальных колес, каждое из которых образовано двумя неравными дугами окружности, одна дуга несколько больше полуокружности, а другая меньшая дуга соединяет большую дугу.
Центр малой дуги не совпадает с осью вращения колеса и имеет больший радиус.
Система сдвоенных параллельных овальных колес имеет общую ось вращения, образует общую кольцевую поверхность равного радиуса за счет двух больших дуг. Кольцевая поверхность взаимодействует с опорной поверхностью на твердых дорогах как односкатное колесо переменного контакта в вертикальной плоскости и дважды за один оборот опорная поверхность равна сумме двух сдвоенных колес на части длины окружности за счет перекрытия двух больших дуг в вертикальной плоскости.
В случае взаимодействия системы овальных колес с мягкими грунтами поверхность колеса взаимодействует с опорой всей поверхностью двух частей колеса, в том числе поверхностью малой дуги большего радиуса, что уменьшает глубину колеи за счет увеличения опорной поверхности, уменьшает коэффициент качения колеса и как результат увеличивает тягово-сцепные показатели и не имеют сложного привода.
Сущность изобретения
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что колесные движители имеют статичный радиус колеса практически равный динамическому, окружная поверхность которого непрерывно с равным радиусом вращения взаимодействует с опорной поверхностью на незначительной длине контакта колеса с грунтом, в отличие от прототипа предлагаемое устройство в виде системы сдвоенных овальных колес имеет общую ось вращения без сложного привода, которое обеспечивает:
1. За счет перекрытия двух больших дуг окружностей равного радиуса в двух параллельных овальных колесах получаем эффекты:
- образование непрерывной кольцевой поверхности системы колес, которая взаимодействует с опорной поверхностью на твердых дорогах как односкатное колесо равного динамического радиуса с малой силой трения качения;
- получение переменного контакта с опорной поверхностью левого и правого овальных колес в вертикальной плоскости (эффект шага)
- частичное увеличение опорной поверхности системы колес за один оборот на части длины окружности за счет перекрытия двух больших дуг в вертикальной плоскости.
- уменьшение удельного давления системы колес на дорогу за счет частичного увеличения площади контакта с дорогой.
- увеличение в целом тягово-сцепных показателей колеса.
2. За счет примыкания малых дуг окружности равного радиуса к большим дугам окружности каждого овального колеса системы получаем следующие эффекты на мягких грунтах:
- большое увеличение опорной поверхности при погружении системы колес в грунт (взаимодействуют с опорой оба колеса);
- значительное уменьшение удельного давления системы колес на грунт без уменьшения внутреннего давления в шинах;
- колесо меньше погружается в грунт, т.е. уменьшается сопротивление качению колеса;
- при погружении системы колес до контакта грунта с малой дугой левой или правой части колеса увеличивается радиус качения этой части колеса, т.е. уменьшается сила трения качения;
- при контакте части длины окружности с грунтом, где малая дуга левой или правой части, увеличивается длина опорной поверхности, т.е. увеличивается коэффициент сцепления;
- при погружении системы колес в грунт осуществляется различное взаимодействие поверхности колес с грунтом за его один оборот: при контакте части длины окружности, где осуществляется параллельное совмещение двух больших дуг окружности колес, опорная поверхность увеличивается и взаимодействуют колеса с опорой равного динамического радиуса в одной горизонтальной плоскости (сдвоенные колеса), что увеличивает силу сцепления.
В целях уравновешивания системы вращающихся овальных колес каждое колесо имеет противовесы.
Описание чертежей
Для пояснения изобретения предлагаются чертежи на двух листах.
На листе №1:
1
1
1
2
2
3
3
Фиг.1. Устройство системы овальных колес повышенной проходимости с общей осью вращения, где 1 - опорная поверхность, 2 - правая часть колеса, 3 - малая дуга левого колеса, 4 - две точки примыкания малой дуги к большой дуге окружности колеса, 5 - ось составного колеса, 6 - ободы колес, 7 - шины колес, 8 - две точки примыкания малой дуги окружности к большой дуге окружности, 9 - малая дуга окружности правого колеса, 10 - зоны перекрытия между точками (4-8) шинами левого и правого колеса, т.е. часть спаренных колес, 11 - противовес колеса (на левой и правой частях), 12 - левая часть колеса, 13 - большая дуга окружности левого и правого колес. O-O - ось составного колеса с радиусом R; O - центр радиуса малой дуги - R левого колеса, О - центр радиуса малой дуги R правого колеса.
2
3
1
2
3
Условие: R равен R, а R меньше R и R;
На листе №2 - Циклограмма работы движителя и колеса за один оборот.
1
Фиг.2. След обычного колеса на твердой поверхности за один оборот, где 14 - колесо, 15 - след, 1 - опорная поверхность, O - ось колеса.
Фиг.3. След системы овальных колес на твердой поверхности за один оборот, где 2 - правая часть колеса, 15 - след, 16 - зоны перекрытия шинами правого и левого колеса, 1 - опорная поверхность, О - ось колеса.
1
Фиг.4. След обычного колеса на мягкой поверхности за один оборот, где 14 - колесо, 15 - след, 17 - колея и опора колеса в поперечном разрезе, O - ось колеса.
1
Фиг.5. След системы овальных колес на мягкой поверхности за один оборот, где 2 - правая часть колеса, 12 - левая часть колеса, 15 - след колес, 16 - зоны перекрытия шинами правого и левого колеса, 18 - колея системы овальных колес в поперечном разрезе, O - ось колеса.
Осуществление изобретения
Устройство состоит из системы не менее двух равных овальных колес, расположенных параллельно друг другу и имеющих общую ось вращения, но оба овальных колеса развернуты большими и малыми дугами окружностей симметрично в противоположные стороны.
Каждое овальное колесо, например правая его часть 2, образовано большой дугой 13 (несколько большей частью полуокружности, т.е. от точки 8 до точки 8), которая соединяется малой дугой окружности 9 и образуется замкнутая поверхность обода 6 колеса, на которую крепится шина 7 колеса. Форма диска 6 каждого колеса для установки шины 7 соответствует форме овала колеса.
1
1
3
3
Радиус большой дуги полуокружности 13 совпадает с радиусом вращения O-O составного колеса, а центр радиуса О малой дуги радиуса R не совпадает с осью вращения составного колеса и превышает его радиус. Точки примыкания большой дуги 13 и малой дуги 9 по длине обода диска 6 с двух сторон образуют зону перекрытия 10 в двух точках примыкания (от 4 до 8) шинами левого и правого колеса, т.е. на некоторой части оборота составного колеса получается общая площадь опоры спаренных колес по их ширине. Эти условия обеспечили две большие дуги 13 окружности левого 12 и правого 2 овальных колес.
1
Для устранения дисбаланса при вращении каждое колесо оснащено противовесом 11. При вращении сдвоенных овальных колес образуется вращающаяся поверхность колеса равного радиуса R за счет смещения опоры с левой части на правую и наоборот, что обеспечивает малый коэффициент качения по твердой поверхности. При вращении сдвоенных овальных колес на рыхлых грунтах (снег и др.) работает в основном несущая поверхность овальных частей колес, которые имеют больший радиус качения и большую несущую поверхность, что обеспечивает меньший коэффициент качения и меньшее удельное давление, а за счет переменного контакта с опорной поверхностью, чередуя опору колес с левой стороны на правую и наоборот, в итоге получаем колесный движитель повышенной проходимости и увеличение в целом тягово-сцепных показателей.
В обобщенном виде предлагаемое устройство это вращающееся колесо с двух сторон которого расположены равные полуэллипсы, они смещены относительно друг друга на ширину колеса, большая ось эллипса равна диаметру колеса и проходит через его ось вращения.
Устройство работает следующим образом.
1) В случае качения по твердой поверхности.
При подведении крутящего момента к оси колеса 5 (Фиг.1) большая дуга окружности 13 правого колеса 2 прокатывается по опорной поверхности 1 на пол-оборота, затем контакт с опорой 1 переходит на левое колесо 12, т.е. на его большую дугу 13 окружности и совершает вторую часть оборота. При этом полный оборот осуществляется с постоянным динамическим радиусом, но контакт с опорной поверхностью происходит поочередно с правого на левое колесо, а затем с левого на правое колесо. Здесь в вертикальной плоскости в двух точках окружности происходит совпадение дух больших дуг окружности колеса на некотором участке 4-8, т.е. две параллельные шины на этом участке работают как сдвоенные шины с увеличенной площадью контакта, что уменьшает удельное давление, но увеличивает коэффициент сцепления системы овальных колес. Кроме этого за счет смещения больших дуг окружности в вертикальной плоскости проявляется эффект «шага», т.е. изменяется контакт с опорой в вертикальной плоскости.
В этом случае при контакте с препятствием взаимодействие с ним осуществляется слева и справа, т.е. большой дугой или малой дугой окружности с различными радиусами качения, которые не совпадают по высоте в горизонтальной плоскости. Этот эффект помогает преодолевать препятствия при вращении системы овальных колес путем наезда на поверхность с меньшим углом и увеличенного коэффициента сцепления.
На фиг.2 показан сплошной след обычного колеса на твердой поверхности за один оборот, а на фиг.3 - прерывистый след в вертикальной плоскости системы овальных колес на твердой поверхности за один оборот, где показаны участки 15 опоры двух колес и 16 - зоны перекрытия шинами правого и левого колеса.
2) В случае качения по мягкой поверхности системы овальных колес.
При подведении крутящего момента к оси колеса 5 (Фиг.1) большая дуга окружности 13 правого колеса 2 прокатывается по опорной поверхности 1 и погружается в грунт до контакта с грунтом левого колеса 12 с малой дугой окружности 3.
Погружение колес в мягкий грунт происходит до тех пор, пока удельное давление колес на грунт не станет равным несущей его способности. Однако погружение колес будет небольшим, т.к. увеличивается поверхность соприкосновения уже двух колес, но при этом на стороне дуги малой окружности увеличивается длина контакта колеса с грунтом из-за большего радиуса, чем радиус большой дуги. В результате этого сила трения качения колеса уменьшается, а тягово-сцепные показатели увеличиваются. На фиг.4 показан сплошной глубокий след колеи 17 обычного колеса на мягкой поверхности за один оборот. На фиг.5 показан сплошной след 18 меньшей глубины системы овальных колес на мягкой поверхности за один оборот. При этом глубина колес слева и справа следа чередуется, на стороне большой дуги 13 колея глубже, чем на стороне малой 3 дуги окружности.
В порядке исследования изготовлена действующая электрическая модель, которая подтвердила расчетные технические эффекты.
Изобретение обеспечивает указанный технический эффект и может быть применено с помощью известных в транспорте средств при изготовлении колесных движителей, т.е. изобретение обладает промышленной применимостью.
Заявленное техническое решение с характеризующими его отличительными признаками обеспечивает указанный технический эффект. В настоящее время в Российской Федерации и за границей аналог автору не известен, и изобретение отвечает требованиям критерия «Новизна».
Заявленное техническое решение может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и отвечает требованиям критерия «Промышленная применимость».
Источники информации
1. Можар И.В. Эллипсообразное колесо транспортного средства. Патент Российской Федерации №2011549, класс В60В 19/00, 30.04.1994 г.
2. Способ создания тягового усилия движителем и колесный движитель для его осуществления. Патент Российской Федерации №2027610, класс В60В 19/00, 39/00. 27.01.1995 г.
3. Бочаров Н.Ф. и др. Конструирование и расчет колесных движителей.
4. Гуськов В.В. и др. Тракторы. Теория. М., 1988.
5. Иванов В.В., Илларионов В.А., Морин М.И. Основы теории автомобиля и трактора. М., 1977.