АДАПТИВНОЕ КОЛЕСО С РАЗДВИЖНЫМ ОБОДОМ

Полезная модель относится к конструкции колес с металлическим ободом, в частности к ободьям колес, изменяющим свое аксиальное положение относительно ступицы.
Известно устройство колесо с раздвижным оводом [Авторское свидетельство СССР 821228, МПК: В60В 3/02, 19951, содержащее подвижные и неподвижные элементы обода, ступицу, цапфу и устройство изменения ширины обода, состоящее из силового механизма, направляющих и механизма включения, механизм включения выполнен в виде электромагнитного толкателя с якорями узла отбора мощности, содержащего зубчатый венец, выполненный на цапфе колеса, и шестерню, кинематически связанную с силовым механизмом, зубчатым венцом и якорем электромагнитного толкателя.
Известно устройство колесо повышенной проходимости [Авторское свидетельство СССР 473625, МПК: В60В 9/00, 19751, содержащее установленную на оси ступицу, в закраинах которой укреплена своими торцами упругая шина, имеющая форму эллипсоида вращения, ступица выполнена из двух отдельных подпружиненных частей, установленных на концах оси с возможностью их продольного перемещения, а упругая шина выполнена в виде множества разделенных эластичными прокладками продольных плоских полос, каждая из которых своими концами жестко присоединена к закраинам полуступиц.
Недостатком в выше перечисленных устройствах является отсутствие адаптирования габаритов колеса под преодолеваемые препятствия в реальном времени по ходу движения транспортного средства.
Наиболее близким техническим решением является колесо с раздвижным ободом [Авторское свидетельство СССР 439414, МПК: В60В 3/02, 1975 г.], содержащее смонтированную на цапфе ступицу с закраиной обода, несущую подвижную в осевом направлении втулку с другой закраиной, упругую шину, размещенную между названными закраинами обода, и элемент, изменяющий расстояние между ними, втулка установлена на ступице на шлицах, а упомянутый элемент выполнен в виде герметичной крышки, прикрепленной к закраине втулки и присоединенной посредством подшипника к выдвижному штоку силового органа, размещенного внутри цапфы.
Однако недостатком устройства является отсутствие возможности автоматической подстройки колеса под геометрические размеры преодолеваемых препятствий.
Задача полезной модели состоит повышении проходимости и маневренности транспортных систем с колесами с раздвижными ободами.
Технический результат - возможность автоматического управления диаметром колеса на ходу транспортного средства исходя из геометрических размеров преодолеваемых препятствий.
Указанный технический результат достигается тем, что адаптивное колесо с раздвижным ободом, содержащее смонтированную на цапфе ступицу с закраиной обода, несущую подвижную в осевом направлении втулку с другой закраиной, упругую шину, размещенную между названными закраинами обода, и силовой орган, изменяющий расстояние между ними, колесо снабжено микропроцессором, входы которого соединены с выходами тензометрических датчиков, расположенных на внутренней части упругой шины, а выходы микропроцессора соединены с силовым органом с возможностью управления его перемещением.
Отличиями заявляемого устройства является создание возможности автоматического управления диаметром колеса на ходу транспортного средства, исходя из геометрических размеров преодолеваемых препятствий, за счет наличия микропроцессора входы которого соединены с выходами тензометрических датчиков, расположенных на внутренней части упругой шины, а выходы микропроцессора соединены с силовым органом с возможностью управления его перемещением.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлен общий вид адаптивного колеса с раздвижным ободом, на фиг. 2 расчетно-геометрическая схема адаптивного колеса, использующаяся для автоматического расчета необходимости изменения диаметра исходя из высоты преодолеваемого препятствия.
Адаптивное колесо с раздвижным ободом состоит из смонтированной на цапфе 1 ступицы 2 с закраиной обода 3, несущую подвижную в осевом направлении втулку 4 с другой закраиной 5, упругую шину 6, размещенную между названными закраинами обода 3 и 5, и силовой орган 7. Адаптивное колесо снабжено микропроцессором 8, входы которого соединены с выходами тензометрических датчиков 9, расположенных на внутренней части упругой шины 6, а выходы микропроцессора соединены с силовым органом 7, изменяющим диаметр колеса (фиг. 1).
Адаптивное колесо с раздвижным ободом работает следующим образом.
На внутреннюю часть упругой шины 6 колеса размещаются тензометрические датчики 9 (резисторы изгиба). Оттарированные таким образом, что дискретный участок шины без нагрузки выдает сопротивление, взятое за базовое значение, под нагрузкой датчик будет иметь меньшее сопротивление (так как происходит его разгибание). Показания датчиков передаются в микропроцессор 8, где происходит сравнение, определение места контакта с поверхностью для определения геометрических параметров препятствия. Так если сопротивление тензодатчика размещенного на шине после соприкосновения с грунтом уменьшится, значит, присутствует препятствие и необходимо определить возможность его преодоления и при необходимости увеличить радиус колеса. Сигнал с микропроцессора подается на силовой орган 7, расположенный внутри цапфы 1. Силовой орган 7 в свою очередь уменьшает расстояния между закраинами 3 и 5, посредством перемещения втулки 4 относительно ступицы 2.
Пример. Рассмотрим более подробно технологию принятия решений для изменения ходовых характеристик (в частности диаметра) адаптивных колес. Для определения наличия препятствия в транспортных системах (ТС) или роботизированных комплексах (РК) используются разнообразные системы технического зрения. Во время исправной работы данных систем при обнаружении препятствия, определения его размеров, и расстояния до него, информация отправляется на управляющий микропроцессор (к примеру ARDUINO Uno). После чего команда направляется на исполнительный элемент адаптируемого колеса, в котором необходимо изменить параметр, к примеру, увеличить диаметр колес по правому борту ТС для прохождения препятствия, не изменяя курса направления.
В случае неисправности системы технического зрения или невозможности передачи сигнала, необходимо чтобы ТС автоматически определял наличие препятствий и необходимость варьирования параметров адаптивных колес. Так как скорость большинства таких средств (луноходы, роботы разведчики) низка, то предлагается решение автоматического определения высоты препятствия исходя из полученных значений с тензометрических датчиков расположенных на внутренней части шины адаптивного колеса.
По заданным функциям происходит пересчет полученных значений с датчиков, для определения НДС (напряженно деформированного состояния) шины колеса. Так в ходе исследования специально для данной модели была разработана программа (Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ №2017611758 от 9 февраля 2017 г. Измерение НДС резистором изгиба / Ю.П. Сердобинцев, А.К. Иванюк)
В каждом модуле автоматического определения НДС адаптивного колеса происходит определение наличия препятствия и его размера. Происходит «наезд» адаптивного колеса на препятствие, деформация шины, вычисление в соответствии с показаниями резисторов изгиба высоты препятствия. На основании чего управляющий микропроцессор по заданным функциям изменяет жесткость адаптивного колеса, диаметр или другие параметры необходимые для преодоления препятствия.
Приведем геометрические расчеты для определения высоты препятствия (фиг. 2), проверки выполнения условия его преодоления и необходимости изменить диаметр адаптивного колеса ТС.
Если известна функция зависимости изменения сопротивления тензодатчика от деформации дискретного элемента шины:
Δh=f(Δc).
Данную функцию так же можно представить в виде полинома "n" степени:
a
a
а
а
a
0
1
2
2
n
2
n
h= + ⋅c + ⋅с + ⋅с + … + ⋅c,
a
n
где  - числовые коэффициенты,
n
c - значения сопротивления тензодатчика.
Введем обозначения:
0
h - высота упругой части шины без нагрузки,
3
h - высота упругой части шины в точке соприкосновения с землей (грунтом).
Зная на сколько нужно увеличить диаметр задается функция подачи движения механизма от силового органа. Расчет регулирования диаметра колеса производится исходя из следующих расчетов.
Пусть «n» - количество дискретных элементов упругой части шины колеса, тогда угол между ними будет равен:
α=360/n,
тогда угол между радиусом колеса и горизонталью в точке соприкосновения с препятствием:
1
ϕ=180-α-90,
или для случая «столкновения с препятствием» "b"-го элемента:
n
ϕ=90-bα.
Исходя из геометрии треугольника АВ1С1, получим:
где r - радиус ступицы (будем использовать для удобства вычислений), тогда высота "n" препятствия будет определяться как:
n
3
n
n
n
k=h+r(1-sin(ϕ))-h sin(ϕ).
Условие преодоления препятствия:
new
n.
Тогда новый минимальный диаметр определяется:d=2k
Стоит отметить, что изменение диаметра ведет не только к увеличению проходимости, но и к уменьшению площади контакта с грунтом, соответственно к возможности увеличения линейной скорости перемещения и маневренности, за счет варьирования радиуса поворота ТС.
Таким образом, за счет использования в адаптивном колесе микропроцессора, входы которого соединены с выходами тензометрических датчиков, расположенных на внутренней части упругой шины, а выходы микропроцессора соединены с силовым органом с возможностью управления его перемещением, появляется возможность автоматического управления диаметром адаптивного колеса на ходу транспортного средства исходя из геометрических размеров преодолеваемых препятствий.