БЕЗОПАСНОЕ КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SAFE VEHICLE WHEEL

Изобретение относится к автомобильному транспорту, в частности к колесам автомобилей, позволяющим продолжить движение при отсутствии избыточного внутреннего давления воздуха в шинах.
Известно колесо [1] транспортного средства, которое содержит разъемный обод, состоящий из плоского обода и съемного борта, установленного с помощью шпилечного соединения на диске, шину, камеру с регулируемым давлением воздуха и распорное кольцо, расположенное на ободе между нижними краями шины.
Недостатком такой конструкции колеса является невозможность эксплуатации шины при отсутствии избыточного внутреннего давления воздуха в камере.
Известно безопасное колесо [2] (прототип) транспортного средства, содержащее пневматическую бескамерную шину и разъемный герметичный обод, на который установлена упругая внутренняя опора, состоящая из сегментов, соединенных между собой посредством замка типа «пазл» и фиксирующихся от смещений на разъемном ободе в полости пневматической шины посредством внутренних напряжений, возникающих при сборке колеса.
Недостатками такой конструкции являются:
- потребление дополнительной мощности на работу колеса, при его эксплуатации в штатном режиме при наличии давления воздуха в шине, что неэффективно и определяется постоянным вращением диска с упругой внутренней опорой, создающей в колесе дополнительный инерционный момент [3];
- заведомо наличие внутренних напряжений в упругой внутренней опоре после сборки колеса, что приведет к изменению размеров и формы упругой внутренней опоры, появлению зазоров в замках типа «пазл» и, как следствие, ненадежности работы упругой внутренней опоры при качении колеса в аварийном режиме при отсутствии избыточного внутреннего давления воздуха в шине;
- отсутствие жесткого соединения между упругой внутренней опорой и диском колеса, что может привести при движении в аварийном режиме к проскальзыванию упругой внутренней опоры, быстрому ее износу и выходу из строя;
- не описан процесс сборки и разборки колеса в полевых условиях, что затрудняет определение его ремонтопригодности как одного из основных свойств надежности.
Изобретение направлено на снижение потребляемой мощности, на повышение эффективности и надежности работы безопасного колеса.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое безопасное колесо транспортного средства, содержащее разъемный герметичный обод, состоящий из плоского обода и съемного борта, соединенный с помощью шпилечного соединения с диском, пневматическую бескамерную шину с регулируемым давлением, в полость которой установлена упругая внутренняя опора, состоящая из нескольких сегментов, при этом оно дополнительно снабжено муфтой свободного хода, состоящей из внутренней и наружной обойм, фиксирующего устройства и роликов, при этом каждая из обойм состоит из двух радиальных полуобойм, имеющих цельнометаллический корпус, который содержит боковые радиальные стенки, внутреннюю полость и основание, причем внутренняя обойма имеет плоское основание и установлена на плоском ободе между внутренними краями шины и соединена с ним винтовым соединением и в которой на периферийной ее части выполнено несколько симметричных полусферических пазов, в которых расположены ролики, прижимаемые пластинчатыми пружинами в средней их части, а ее боковые радиальные стенки со стороны внутренней полости содержат радиальные проточки, при этом наружная обойма имеет ступенчатое основание, которым оно установлено во внутреннюю полость внутренней обоймы и опирается на ролики и в котором выполнено несколько боковых симметричных глухих отверстий, в каждое из которых установлено фиксирующее устройство, включающее цилиндрическую пружину, шарик и стопорное кольцо, причем каждый шарик входит в соответствующую боковую радиальную проточку боковых радиальных стенок внутренней обоймы, при этом во внутреннюю полость наружной обоймы установлены упругие сегменты упругой внутренней опоры, у каждого из которых на противоположных концах в зеркальном отображении выполнены по продольной оси секторные проточки, соединяющие упругие сегменты встык и внахлест между собой, при этом радиальные стенки каждой полуобоймы наружной обоймы и каждого упругого сегмента имеют по два сквозных отверстия, в которых установлены втулка и болтовое соединение и через которые они соединяются между собой.
Отличительным признаком от прототипа является то, что безопасное колесо дополнительно снабжено муфтой свободного хода, состоящей из внутренней и наружной обойм, фиксирующего устройства и роликов, установленной на плоском ободе между внутренними краями шины.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами: фиг. 1 - поперечный разрез безопасного колеса в сборе; фиг. 2 - упругий сегмент упругой внутренней опоры; фиг. 3 - продольный вид упругой внутренней опоры в сборе с муфтой свободного хода и диском; фиг. 4 - внутренняя обойма; фиг. 5 - наружная обойма.
Безопасное колесо состоит из плоского обода 13 (фиг. 1) и съемного борта 3, образующих герметичный обод, установленный на диске 1 с помощью шпилечного соединения 2, пневматической бескамерной шины 4 с регулируемым давлением, в полость которой установлена упругая внутренняя опора, состоящая из четырех упругих сегментов 8, муфты свободного хода, состоящей из внутренней 5 и наружной 11 обойм, роликов 12 и фиксирующего устройства, состоящего из шарика 6, цилиндрических пружин 7 и стопорного кольца 18 (фиг. 5).
Внутренняя обойма 5 (фиг. 4) состоит из двух радиальных симметричных полуобойм, установленных на плоском ободе 13 и соединенных с ним винтовым соединением 14. Каждая радиальная полуобойма внутренней обоймы 5 выполнена цельнометаллической, корпус которой имеет боковые радиальные стенки, внутреннюю полость и плоское основание, имеющее на периферийной его части, симметричные полусферические пазы 17, в которых располагаются ролики 12, прижимаемые пластинчатыми пружинами 15. Кроме того, внутренняя обойма 5 размещена между внутренними краями шины 4 и дополнительно выполняет функции распорного кольца, прижимающая края шины 4 к плоскому ободу 13 (фиг. 1) и съемному борту 3 при сборке колеса и снабжена радиальной проточкой 16, выполненной на ее боковых внутренних радиальных стенках для размещения в ней шарика 6 фиксирующего устройства.
Наружная обойма 11 (фиг. 5) состоит из двух радиальных симметричных полуобойм, установленных во внутренней полости внутренней обоймы 5 на роликах 12. Каждая радиальная полуобойма наружной обоймы 11 выполнена цельнометаллической, корпус которой имеет в верхней ее части боковые радиальные стенки и внутреннюю полость, а в нижней части - ступенчатое основание.
2
Во внутреннюю периферийную полость радиальных полуобойм наружной обоймы 11 (фиг. 1) установлены четыре упругих сегмента 8 упругой внутренней опоры. Все сегменты 8 имеют одинаковые размеры. У каждого упругого сегмента 8 (фиг. 2) упругой внутренней опоры на противоположных концах в зеркальном отображении выполнены по продольной оси секторные проточки, которые позволяют соединить упругие сегменты 8 встык и внахлест между собой. Каждый упругий сегмент 8 упругой внутренней опоры и каждая радиальная полуобойма наружной обоймы 11 (фиг. 5) имеют по два отверстия для установки болтового соединения 10 (фиг. 1) и соединения их между собой, что при сборке позволяет получить единый узел. Для повышения надежности болтового соединения 10, оно снабжено втулкой 9. Конструктивно диаметр упругой внутренней опоры выполнен меньше внутреннего диаметра шины 4 при минимально допустимом значении внутреннего давления воздуха (0,5 кгс/см (0,05 МПа)) в шине 4.
В ступенчатом основании каждой радиальной полуобоймы наружной обоймы 11 (фиг. 5) имеются по два фиксирующих устройства, содержащие боковые симметричные глухие отверстия, в каждое из которых установлены: цилиндрическая пружина 7, шарик 6 и стопорное кольцо 18 фиксирующего устройства. При установке наружной обоймы 11 во внутреннюю обойму 5 (фиг. 1) шарики 6, прижимаемые цилиндрическими пружинами 7, входят в радиальные проточки 16 (фиг. 4), тем самым фиксируют осевое положение между внутренней 5 и наружной 11 обоймами. Стопорное кольцо 18 (фиг. 5) ограничивает выход шарика 6 из глухого отверстия фиксирующего устройства.
Ролики 12 (фиг. 3), размещенные в полусферических пазах 17 внутренней обоймы 5, удерживаются пластинчатыми пружинами 15 в средней части полусферических пазов 17. Также пластинчатые пружины 15 не дают роликам 12 выпасть из полусферических пазов 17 при установке внутренней обоймы 5 в полость колеса.
Высота каждого полусферического паза 17 в средней его части равна диаметру каждого ролика 12 и меньше на его краях.
Количество полусферических пазов 17 с роликами 12 и их размеры определяются нагрузкой, которую может испытывать муфта свободного хода, что, в свою очередь, зависит от назначения колеса.
Наружная обойма 11, ролики 12 и внутренняя обойма 5 выполнены из сплава алюминия с титаном, например марки ВТД (ВТ5Л). Такой сплав позволяет увеличить удельную прочность деталей, повысить их коррозионную стойкость и снизить массу.
Материал упругих сегментов 8 соответствует материалу шины 4.
Сборка колеса с упругой внутренней опорой осуществляется в следующей последовательности:
- шарики 6 (фиг. 5) фиксирующего устройства, ролики 12 (фиг. 3), полусферические пазы 17 и радиальные проточки 16 (фиг. 4) внутренней обоймы 5 смазываются консистентной смазкой;
- в шину 4 (фиг. 1) вставляются и стыкуются между собой радиальные полуобоймы внутренней обоймы 5 (фиг. 4);
- во внутреннюю полость радиальных полуобойм внутренней обоймы 5 (фиг. 1) устанавливаются, стыкуются и фиксируются шариками 6 (фиг. 5) в радиальных проточках 16 (фиг. 4) фиксирующего устройства радиальные полуобоймы наружной обоймы 11 (фиг. 5) в перпендикулярной плоскости стыков радиальных полуобойм внутренней обоймы 5;
- во внутреннюю полость радиальных полуобойм наружной обоймы 11 устанавливаются упругие сегменты 8 (фиг. 1), которые крепятся между собой и с радиальными полуобоймами наружной обоймой 11 через металлические втулки 9 болтовым соединением 10;
- в шину 4 (фиг. 1) вставляется плоский обод 13 и на него устанавливается сборная конструкция упругой внутренней опоры, состоящая из упругих сегментов 8, наружной 11 и внутренней 5 обойм;
- упругая внутренняя опора через внутреннюю обойму 5 с помощью винтового соединения 14 (фиг. 1) соединяется с плоским ободом 13;
- съемный борт 3 (фиг. 1) с помощью шпилечного соединения 2 крепится к плоскому ободу 13 и диску 1.
Разборка колеса осуществляется в обратной последовательности.
Работа безопасного колеса может осуществляться в двух режимах: в штатном режиме при наличии давления воздуха в шине и в аварийном режиме при отсутствии избыточного внутреннего давления воздуха в шине, на которых оно работает следующим образом.
В штатном режиме, при наличии избыточного давления воздуха в шине 4, колесо совершает качение по опорной поверхности, при этом упругие сегменты 8 упругой внутренней опоры не касаются внутренней части шины 4. Внутренняя обойма 5 за счет винтового соединения 14 с плоским ободом 13 совершает вращение в сторону качения колеса. При этом ролики 12 соприкасаются и имеют линейный контакт как с внутренней обоймой 5, так и с наружной обоймой 11 с очень малым коэффициентом трения качения. За счет малых сил трения качения между роликами 12, наружной 11 и внутренней 5 обоймами, ролики 12 не могут преодолеть силы упругости пластинчатых пружин 15, удерживаются ими в средней части полусферических пазов 17 и вращаются относительно своей оси, совершая качения по наружной обойме 11. При этом наружная обойма 11 совместно с упругими сегментами 8 свободно проскальзывает на роликах 12. Из-за отсутствия жесткой связи между наружной 11 и внутренней 5 обоймами угловое ускорение в наружной обойме 11 равно нулю, а следовательно, в ней будет равен и нулю инерционный момент. Таким образом, при работе колеса в штатном режиме муфта свободного хода упругой внутренней опоры работает в режиме роликоподшипника.
В аварийном режиме, при отсутствии избыточного внутреннего давления воздуха в шине 4 колесо совершает качение по опорной поверхности, при этом упругие сегменты 8 упругой внутренней опоры прижимаются к внутренней нижней части шины 4, создавая между собой общую площадь контакта с большим коэффициентом трения. За счет больших сил трения между сегментами 8 упругой внутренней опоры и шиной 4, наружная обойма 11 будет вращаться в сторону качения колеса, а следовательно, и в сторону вращения внутренней обоймы 5. При этом, на линиях контакта роликов 12 с наружной 11 и внутренней 5 обоймами возникнут силы трения, которые направлены в одну сторону вращения колеса и которые блокируют вращение роликов 12, тем самым будет заблокированы наружная 11 и внутренняя 5 обоймы между собой и колесо с упругой внутренней опорой будет вращаться как единое целое. Таким образом, при работе колеса в аварийном режиме муфта свободного хода упругой внутренней опоры работает в режиме блокировки.
Таким образом, снижение потребляемой мощности на работу безопасного колеса заключается в отсутствии дополнительного инерционного момента на вращение упругой внутренней опоры в штатном режиме работы колеса, так как на этом режиме отсутствует жесткая связь между наружной 11 и внутренней 5 обоймами. Эксплуатация колеса на этом режиме работы может оказаться довольно длительной по сравнению с эксплуатацией колеса в аварийном режиме, что существенно скажется на экономии топлива.
Количественно инерционный момент определяется как произведение полярного момента инерции на угловое ускорение (замедление) колеса [3]. При рациональных размерах и массе упругой внутренней опоры, равных прочих условиях и режимах движения колеса, установка упругой внутренней опоры в конструкцию колеса на муфте свободного хода позволяет снизить затраты мощности на инерционный момент его вращения с 12,8 до 1%, а также уменьшить расход топлива с 43 до 9% по сравнению с прототипом, что обосновывает эффективность его применения.
Дополнительный инерционный момент на вращение внутренней обоймы 5 можно не учитывать, так как внутренняя обойма 5 выполняет дополнительно функции распорного кольца.
Повышение надежности работы колеса заключается в отсутствии внутренних напряжений после его сборки, в установке упругой внутренней опоры в металлический корпус наружной обоймы 11 и в ее болтовом соединении 10 с корпусом, для надежности которого установлены металлические втулки 9, а также в соединении внутренней обоймы 5 винтовым соединением 14 с плоским ободом 13 колеса, что исключает ее проскальзывание и повышает ремонтопригодность при сборке колеса в полевых условиях. Кроме того, повышение надежности обеспечивается за счет рационального применения количества полусферических пазов 17 с роликами 12 во внутренней обойме 5 муфты свободного хода, которое определяется назначением колеса.
Источники информации
1. Медведков В.И., Комаров Ю.Н., Лобзин А.Ф. Устройство и эксплуатация бронетранспортеров БТР-60 ПБ, БТР-70 и автомобилей ЗИЛ-130, ЗИЛ-131: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ДОСААФ, 1984. - 384 с. - Библиогр.: с. 255-258.
2. Патент РФ №2540037. Безопасное колесо транспортного средства, 2015.
3. Кнороз В.И. Работа автомобильной шины [Текст] / В.И. Кнороз, Е.В. Кленников, И.П. Петров, А.С. Шелухин, Ю.М. Юрьев; под общ. ред. В.И. Кнороза. - М.: Транспорт, 1976 г. - 238 с. - Библиогр.: с. 120-121.
ТЕХНИЧЕСКОЕ И ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ «БЕЗОПАСНОЕ КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА»
Снижение потребляемой мощности на работу безопасного колеса заключается в отсутствии дополнительного инерционного момента на вращение упругой внутренней опоры в штатном режиме работы колеса, так как на этом режиме отсутствует жесткая связь между наружной 11 и внутренней 5 обоймами. Эксплуатация колеса на этом режиме работы может оказаться довольно длительной по сравнению с эксплуатацией колеса в аварийном режиме, что существенно скажется на экономии топлива.
Количественно инерционный момент определяется как произведение полярного момента инерции на угловое ускорение (замедление) колеса [3]. При рациональных размерах и массе упругой внутренней опоры, равных прочих условиях и режимах движения колеса установка упругой внутренней опоры в конструкцию колеса на муфте свободного хода позволяет снизить затраты мощности на инерционный момент его вращения с 12,8 до 1%, а также уменьшить расход топлива с 43 до 9% по сравнению с прототипом, что обосновывает эффективность его применения.
Дополнительный инерционный момент на вращение внутренней обоймы 5 можно не учитывать, так как внутренняя обойма 5 выполняет дополнительно функции распорного кольца.
Повышение надежности работы колеса заключается в отсутствии внутренних напряжений после его сборки, в установке упругой внутренней опоры в металлический корпус наружной обоймы 11 и в ее болтовом соединении 10 с корпусом, для надежности которого установлены металлические втулки 9, а также в соединении внутренней обоймы 5 винтовым соединением 14 с плоским ободом 13 колеса, что исключает ее проскальзывание и повышает ремонтопригодность при сборке колеса в полевых условиях. Кроме того, повышение надежности обеспечивается за счет рационального применения количества полусферических пазов 17 с роликами 12 во внутренней обойме 5 муфты свободного хода, которое определяется назначением колеса.