VEHICLE WHEEL FOR MOVEMENT IN EXTREME CONDITIONS
КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Изобретение относится к движителям транспортных средств, в том числе роботизированных, преимущественно предназначенных для передвижения в сложных условиях, в том числе в условиях экстремальных изменений температуры внешней среды и на слабосвязанных рыхлых грунтах (песок, снег и т.п.). Движители, применяемые в робототехнике, очень часто выполняются за одно целое вместе с приводом с образованием, таким образом, единого конструктивного узла - мотор-колеса.
Целью изобретения является обеспечение работы такого мотор-колеса при функционировании в условиях экстремальных температур (жаркий климат, пустыни, крайний север), рыхлых грунтов (песок, снег), а также обеспечение движения транспортного средства на режимах высокого энергопотребления.
Известно большое количество вариантов реализации колесных движителей безрельсовых транспортных средств (например, патенты US 1469265 A, US 1541284 A, US 3659901 A, RU 2137613, RU 2130385, RU 2144859, RU 2284920, JP 2006160120 A, RU 2492061, RU 2576777 и т.п.).
Общими признаками всех подобных колес являются: наличие обода с шиной, ступицы и спиц, связывающих обод со ступицей. Упомянутые колеса не отвечают назначению заявляемого изобретения, так как в их составе отсутствует привод, позволяющий получить единый компактный агрегат - мотор-колесо (далее по тексту, для краткости, применяется термин «колесо», под которым понимается колесо со встроенным приводом, т.е. «мотор-колесо»).
Известно колесо роботизированного внедорожного транспортного средства, предназначенного для передвижения по поверхности Луны, - самоходного аппарата «Луноход-1» (Передвижная лаборатория на Луне Луноход-1 / под ред. В.Л. Барсукова. - М.: Наука, 1978. - Т.2. - 184 с.). Это колесо состоит из трех жестких ободьев (двух боковых и одного центрального), скрепленных между собой грунтозацепами и обшитых с наружной стороны металлической сеткой, шестнадцати спиц, связывающих ободья со ступицей, внутри которой располагается редуктор и электродвигатель мотор-колеса с образованием, таким образом, встроенного привода вращения колеса. Условия работы данного колеса характеризуются экстремально большими колебаниями температуры - на основании чего оно и рассматривается в качестве одного из аналогов предлагаемого изобретения. В то же время, активная эксплуатация лунохода происходила исключительно в течение лунного дня при высоких положительных температурах (до +130°С), в то время как работа его механизмов лунной ночью не предусматривалась.
Недостатком известного колеса (следующего из назначения и целевых условий применения аппарата, для которого оно создавалось), с точки зрения задач, решаемых предлагаемым изобретением, является невозможность движения с высокими скоростями, а именно со скоростями более 2 км/ч, из-за наличия: во-первых жесткого обода; во-вторых - проектных возможностей встроенного электропривода, характеризуемого относительно небольшой мощностью (до 40 Вт); в-третьих - наличием только пассивных средств поддержания теплового режима работы привода, таких как специальные покрытия корпусных деталей.
Наиболее близким по своей технической сути устройством, принимаемым в качестве ближайшего аналога (прототипа), является известная конструкция колеса с металлоупругой шиной, предложенная авторами патента SU 839740 (см. также: Планетоходы / под ред. А.Л. Кемурджиана. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - С. 130). Данное колесо состоит из сравнительно жесткой и упругой частей. Упругая часть колеса собрана из ленточных пружин, соединенных упругими стальными обручами, обтянутыми металлической сеткой, с образованием металлоупругой шины с установленными на ней грунтозацепами. Жесткая часть колеса состоит из двух ободьев, соединенных пространственным набором спиц со ступицей колеса, внутри которой располагается редуктор и электродвигатель мотор-колеса.
Недостатком данного известного устройства является то, что оно не содержит средств обеспечения теплового режима работы встроенного привода при работе на высоких мощностях в условиях высоких температур окружающей среды, средств поддержания температурного режима в условиях экстремально низких температур, а также средств очистки от накапливающейся внутри колеса пыли, песка и т.п.
Существенными общими признаками ближайшего аналога, с точки зрения заявляемого изобретения, являются наличие: упругой шины, обода (или отдельных ободьев), соединенного спицами со ступицей колеса, внутри которой располагается встроенный привод вращения колеса.
Задачами предлагаемого заявителем устройства, решение которых не содержится в конструкции ближайшего аналога, являются:
- обеспечение теплового режима работы встроенного привода колеса как при экстремально высоких (порядка +50°С), так и при экстремально низких (порядка минус 70°С) температурах окружающей среды, в том числе, при движении на режимах повышенного энергопотребления и при движении с высокими скоростями;
- самоочистка колеса от посторонних частиц, характерных для рыхлых слабосвязанных грунтов, с целью предотвращения их накопления во внутреннем пространстве колеса.
Для решения отмеченных задач заявителем предлагается колесо транспортного средства для передвижения в экстремальных условиях, которое, в отличие от ближайшего аналога, дополнительно содержит диск-радиатор, установленный с наружного торца колеса, не менее чем одну артериальную тепловую трубу с теплоносителем внутри [1], соединенных с одной стороны со ступицей, а с другой с диском-радиатором, причем теплоноситель выбирается таким образом, что температура его замерзания (загустевания) выше, чем наименьшая допустимая температура привода вращения колеса. Также существенными признаками, отличающими заявляемое устройство в его частных формах исполнения, является то, что: теплоноситель наиболее эффективен при температуре привода колеса, достигаемой при максимальном энергопотреблении; на выходной части редуктора установлен нагревательный элемент; со стороны внутреннего торца колеса установлен тепловой экран с низкой излучательной способностью; боковины обода колеса выполнены с разными внутренними диаметрами.
Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение области применения роботизированного транспортного средства с колесами на основе предложенного технического решения за счет обеспечения их работоспособности в условиях экстремально высоких и экстремально низких температур, а также в условиях движения по рыхлым грунтам.
На фиг. 1 показан внешний вид предлагаемого устройства «Колесо транспортного средства для передвижения в экстремальных условиях» в одном из возможных вариантов исполнения. На фиг. 2 представлено сечение колеса для пояснения его устройства. На фиг. 3 представлен характерный график эффективности теплоносителя (мощности теплопередачи) в зависимости от его температуры.
Предлагаемое колесо состоит из упругой шины 1, установленной на наружной 2 и внутренней 3 боковинах, связанных между собой обоймой 4, имеющей форму усеченного конуса, а также ступицы 5, внутри которой размещен редуктор 6. Боковины 2 и 3, и обойма 4 могут быть скреплены друг с другом или выполнены в виде единой детали (являющейся, в этом случае, единым ободом колеса), как показано на фиг. 2, и соединяются со ступицей 5 посредством спиц той или иной конструкции, конструктивная реализация которых не является принципиальной для существа описываемого устройства. Редуктор 6 имеет подвижную 7 и неподвижную 8 части. Подвижная часть 7 скреплена заодно со ступицей 5 колеса. На неподвижной части 8 редуктора установлен двигатель 9 колеса, в качестве которого в различных вариантах исполнения колеса могут выступать, например, электро- или гидромотор той или иной конструкции. На конце двигателя 9 установлен датчик 10, измеряющий частоту вращения его вала. Со стороны наружного торца колеса размещен диск-радиатор 11, представляющий собой плоскую круглую пластину из алюминиевого сплава, которая прикреплена к ступице 5 колеса (на фиг. 2 элементы крепления условно не показаны). Во внутренней полости колеса размещены артериальные тепловые трубы 12, каждая из которых одним своим концом закреплена (припаяна) на ступице 5, а другим концом - на диске-радиаторе 11. Со стороны внутреннего торца колеса размещен диск-экран 13, представляющий собой плоскую круглую пластину из алюминиевого сплава (на фиг. 2 элементы его крепления условно не показаны). На выходной части редуктора (фланце ступицы 5) в одном из вариантов исполнения устройства дополнительно может быть установлен маломощный компактный нагревательный элемент 14.
Колесо функционирует следующим образом. Управляющее воздействие, получаемое двигателем 9 по сигналу от системы управления приводом, преобразуется во вращение вала двигателя, которое через редуктор 6 передается на ступицу 5 и далее, через спицы, на обод колеса и шину 1.
Колесо имеет собственную встроенную систему обеспечения теплового режима (СОТР) на основе артериальных тепловых труб 11, которые служат для предохранения редуктора от переохлаждения при экстремальных отрицательных температурах и одновременно организации качественного теплоотвода при экстремально высоких положительных температурах.
Выбор теплоносителя для артериальной тепловой трубы определяется наименьшей температурой, допустимой при стоянке колеса, и наибольшей температурой, возможной при его работе в режиме с высоким энергопотреблением. Температура замерзания (загустевания) теплоносителя Tmin (см. фиг. 3) должна быть выше наименьшей допустимой температуры колеса, а при максимально возможной температуре колеса теплоноситель должен обеспечивать наибольшую эффективность теплопередачи, что соответствует температуре Tmax на фиг. 3. При замерзании или загустевании теплоносителя тепловая труба перестает работать в качестве теплового насоса, поскольку прекращается процесс испарения на теплом крае. В этом случае тепловая труба представляет собой обычную трубу, теплопроводность которой обеспечивается ее стенками. С точки зрения теплоизоляции при низких температурах, тепловую трубу целесообразно выполнять из сталей с низкими коэффициентами теплопроводности, и обеспечивать по возможности более тонкие стенки этой трубы. Утоньшение стенки, с одной стороны, уменьшает площадь сечения трубы в «выключенном» состоянии, с другой стороны, уменьшает сопротивление при теплопередаче через стенку во «включенном» состоянии трубы. Теплоноситель также должен быть гомогенным, то есть не терять своих свойств в циклах замораживания и размораживания.
Таким образом, закрепление каждой из артериальных тепловых труб одним концом на ступице 5 (которая непосредственно связана с подвижной частью 7 редуктора 6), а другим концом - на диске-радиаторе 10, обеспечивает, с одной стороны, соединение источника тепла (редуктора 6) с тепловым излучателем (диском-радиатором 10) с минимальным тепловым сопротивлением во время интенсивной работы привода колеса и в условиях высоких окружающих температур, в то же время при низких отрицательных температурах они же обеспечивают теплоизоляцию мотор-редуктора, снижая его тепловые потери и предохраняя от быстрого охлаждения ввиду резкого увеличения (на несколько порядков) теплового сопротивления. При увеличении температуры холодного конца трубы теплоноситель вновь переходит в жидкое состояние, и, начиная с определенного порога по температуре, труба начинает нормально работать.
Для повышения значения равновесной температуры редуктора при длительном нахождении колеса в нерабочем состоянии при экстремально низких отрицательных температурах окружающей среды предлагаемое колесо в одном из вариантов исполнения может содержать маломощный компактный нагревательный элемент в виде электронагревательного элемента или радиоизотопного источника тепла (РИТ) (например, типа «Ангел» (РИТЭГ-238-0,1/15) тепловой мощностью 8,5 Вт [2]). Наличие нагревательного элемента позволяет организовать минимально необходимый тепловой поток, который, проходя через тепловое сопротивление, преобразуется в разность температур корпуса и двигателя. Компоновочно нагревательный элемент расположен внутри колеса на выходной части редуктора (поз.14 на фиг. 2). Мощность нагревательного элемента оказывает существенное влияние на равновесную температуру.
Поверхность колеса, обращенная к транспортному средству (сторона внутреннего торца колеса), практически не участвует в сбросе тепла, поскольку затенена конструкцией транспортного средства и будет излучать на него. Этот процесс нежелателен, поскольку затрудняет регулирование температуры каждого из колес и самого транспортного средства. Чтобы снизить его интенсивность, предлагаемое колесо в одном из вариантов исполнения может содержать металлический диск-экран с низкой излучательной способностью (шлифованный алюминий) (поз. 13 на фиг. 2).
Боковины 2 и 3 обода колеса в одном из вариантов исполнения могут быть выполнены с разными внутренними диаметрами. Как отмечалось выше, это обеспечивает образование конической поверхности обоймы 4, располагающейся между этими боковинами. При движении транспортного средства в сложных дорожных условиях по рыхлым слабосвязанным грунтам на внутренней поверхности колеса могут накапливаться элементы грунта (пыль, песок, снег и т.п.). Коническая поверхность обоймы колеса способствует сползанию частиц грунта в сторону боковины с большим внутренним диаметром, а при выходе транспортного средства на покрытия с более благоприятными свойствами и движении с большими скоростями предлагаемое решение способствует самоочистке колеса от элементов грунта за счет дополнительно возникающей центробежной силы, стремящейся выбросить их за пределы обода в сторону боковины с большим внутренним диаметром.
[1] Средства обеспечения теплового режима [Электронный ресурс] // LASPACE.RU: сайт НПО им. С.А. Лавочкина. - URL: https://www.laspace.ru/company/products/heatpipes/ (дата обращения 07.12.2021).
[2] Термоэлектрический радионуклидный генератор «Ангел» (РИТЭГ-238-0,1/15) [Электронный ресурс] // VNIIEF.RU: сайт РФЯЦ-ВНИИЭФ. - URL: http://www.vniief.ru/ unvisible_aria/products/energy/razr/1014b9004a2f5c8cada4ef6afc5c9f87 (дата обращения 07.12.2021).