МОТОР-КОЛЕСО
HUB WHEEL

Изобретение относится к области колесных транспортных средств и может быть использовано для малогабаритных автомобилей, мопедов, инвалидных колясок и других средств передвижения с постоянной нагрузкой.
Известно мотор-колесо Michelin active wheel, описание которого приведено в журнале «Популярная механика» №4(78) 2009, стр.100-102. Мотор-колесо содержит ведущий электродвигатель, планетарный редуктор и др. узлы, размещенные внутри обода колеса. Принудительное вращение шине передается от вала электродвигателя через редуктор, при этом каждый элемент шины с одной стороны от центра тяжести (ЦТ) колеса принудительно сжимается, а с другой стороны, выходя из зацепления с дорогой, свободно расширяется, восстанавливая первоначальную форму. Недостатками указанного колеса являются сложность конструкции и большая масса узлов, размещенных в ободе. Кроме того, упругие силы сопротивления, возникающие в шине при принудительном вращении колеса, а также потери на трение в редукторе снижают КПД.
Известно также мотор-колесо по Авторскому свидетельству №435977, описание которого приведено в журнале "Изобретатель и рационализатор" №11, 1974 г., стр.14, 15, 45. Указанное колесо состоит из ряда резиновых камер, которые вращаются относительно неподвижной оси. В каждый момент времени на землю опирается одновременно несколько камер, которые соединяются с выходными каналами золотника, установленными на неподвижной оси. В каждую камеру поочередно подается давление, и камера раздувается больше других. Так как раздувшаяся камера смещена относительно вертикальной оси, то возникает неуравновешенная толкающая сила, сдвигающая колесо и тележку. Сдвинув колесо, рабочая камера повернется, уступив место против золотника следующей камере. Избыточное давление из полости отработавшей камеры уйдет по каналу на выход. Недостатком указанного колеса является наличие ряда резиновых камер, каждая из которых снабжена поршнем, что существенно усложняет конструкцию, снижает КПД из-за наличия трения в каждом поршне, а также ограничивает скорость перемещения, т.к. для создания избыточного давления и отвода рабочей среды в каждой из камер требуется определенное время.
Известно также мотор-колесо по Авторскому свидетельству №1100155, 3 B60K 7/00 с пр. от 30.06.84, которое выбираем за прототип. Мотор-колесо содержит движитель и соединенный с ним кинематически объемный двигатель. Двигатель содержит гибкую оболочку, разделенную на две рабочие камеры перегородкой, шток, прикрепленный к торцам оболочки, и корпус, имеющий кольцевую форму. Корпус двигателя и шток застопорены на основании посредством обгонных муфт. Недостатками мотор-колеса являются сложность конструкции, наличие отдельных узлов двигателя и движителя и наличие кинематических пар, имеющих трущиеся поверхности, которые снижают КПД.
Целью изобретения является устранение излишних кинематических пар, а следовательно, уменьшение массы, исключение трения в кинетических парах и повышение КПД. Цель достигается за счет совмещения функций двигателя и движителя в одном узле, содержащем поворотный обод с шиной и неподвижную, относительно рамы, ось с управляющими отверстиями.
Сущность изобретения заключается в преобразовании потенциальной энергии давления в кинетическую - поступательное перемещение транспортного средства. Для преобразования энергии давления в поступательное перемещение колеса используют свойство материала шины упруго деформироваться - изменять форму и объем профиля шины при воздействии внутренних сил давления, а также свойство упругоизмененной наружной поверхности профиля шины взаимодействовать с дорогой. Шина выполнена из упругодеформируемого материала и в статике под действием сил тяжести в зоне контакта шина-дорога сдеформирована до сопряжения внутренних поверхностей шины и т.о. полость шины становится разомкнутой и несимметричной в продольной плоскости. В статически деформированную шину через напорные отверстия неподвижной оси, расположенные в нижней части со смещением от ЦТ колеса и через отверстия обода, в полости шины создается избыточное давление, а с другой стороны от ЦТ через отверстия обода и отводящие отверстия оси давление отводится в атмосферу и создается пониженное давление. Таким образом, по отношению к ЦТ колеса в полости создается перепад давлений, который создает толкающую силу, направленную на поступательное перемещение оси колеса. Кроме того, профиль шины под действием избыточного давления (со стороны напорных отверстий) с одной стороны от ЦТ увеличивает свой объем и создает силу отталкивания от дороги, а с другой стороны от ЦТ - со стороны пониженного давления профиль шины уменьшает объем, чем обеспечивает податливость в направлении движения. При постоянном воздействии давления происходит преобразование энергии давления в поступательное движение транспортного средства, которое включает в себя: вращательное движение обода колеса вокруг оси, обкатку поверхностью шины поверхности дороги и поступательное перемещение оси колеса.
На фиг.1 изображен поперечный разрез мотор-колеса по Б-Б; на фиг.2 изображен продольный разрез по А-А; на фиг.3 изображен внешний вид мотор-колеса и форма профиля шины в верхней и нижней части после подачи давления в полость; на фиг.4 изображен продольный разрез по В-В (фиг.3) при подаче давления и профиль поперечного сечения шины в напорной и отводящих частях; стрелками показано направление движения рабочего тела.
Мотор-колесо состоит из оси 1, жестко скрепленной с рамой транспортного средства, и поворотного узла, содержащего обод 2 с закрепленной на нем шиной 3. Обод 2 установлен на оси 1 с возможностью вращения на подшипниках скольжения или качения 4 и герметизирован по торцам или по диаметру. В ободе равномерно по окружности выполнены радиальные отверстия (пазы) 5. В теле оси 1 выполнено центральное отверстие 6, соединенное с источником давления (не показан), а также распределительные радиальные отверстия: напорные 7 и отводящие 8, расположенные с разных сторон от ЦТ колеса. Напорные отверстия выполнены сквозными и соединены с центральным отверстием 6 оси, а отводящие отверстия 8 выполнены глухими и соединены с атмосферой поперечными отверстиями. Напорные отверстия выполнены в нижней части оси, вблизи зоны контакта шина-дорога (на фиг.2 в левой нижней четверти). Таким образом, в статическом состоянии центральное и напорное отверстия оси 1, отверстия 5 в ободе 2, полость шины с одной стороны от ЦТ и полость шины, отверстия обода и отводящие отверстия 8 оси с другой стороны от ЦТ образуют канал, соединяющий источник давления с атмосферой. В статике как минимум одно из отверстий обода частично или полностью совпадает с напорным отверстием (отверстиями), а с другой стороны от ЦТ отверстия обода частично или полностью совпадают с отводящими отверстиями оси. Шина 3 выполнена из упругодеформируемого материала (резина, каучук, полиуретан, …) и в свободном состоянии - без статической нагрузки, имеет симметричную форму. В поперечном сечении шина может иметь кольцевой, овальный или другой профиль, постоянный по всей окружности, и непрерывную полость. В предлагаемом варианте шина в поперечном сечении без нагрузки имеет плоский вытянутый закругленный по бокам профиль с зазором "Z" между внутренними плоскостями. В свободном состоянии обод с шиной может свободно вращаться вокруг неподвижной оси, при этом радиальные отверстия обода последовательно совпадают с напорными отверстиями оси, а с другой стороны от ЦТ колеса отверстия обода последовательно совпадают с отводящими отверстиями неподвижной оси. После установки мотор-колеса на дорогу на шину действуют силы тяжести (колеса, рамы, источника давления и др. узлов), а со стороны шины - силы упругости профиля. При условии, что силы тяжести превышают силы упругости, профиль шины упруго деформируется и зазор "Z" между внутренними поверхностями шины уменьшается до нуля, т.е. в зоне контакта шина-дорога поверхности смыкаются, а полость шины становится разомкнутой.
Мотор-колесо работает следующим образом.
x
z
кр
Рабочее тело, например сжатый воздух, из источника давления подается в центральное отверстие 6 оси 1, а затем через радиальное напорное отверстие 7 и через отверстия 5 в ободе 2 давление подается в полость шины 3. Под действием внутренних распределенных сил давления с одной стороны от ЦТ колеса, со стороны напорных отверстий, создается избыточное давление, а с другой стороны от ЦТ колеса, со стороны отводящих отверстий 8, создается пониженное давление, таким образом в полости шины создается перепад давлений. Кроме того, под действием избыточного давления профиль шины, упруго деформируясь, увеличивает объем с одной стороны от ЦТ, а с другой стороны от ЦТ давление в полости шины уменьшается - отводится в атмосферу и профиль шины уменьшает объем. Перепад давлений в полости упругодеформируемой шины создает неуравновешенные силы и несимметричные деформации с разных сторон от зоны сопряжения шины с дорогой и является причиной возникновения движущих сил. Неуравновешенные силы создают горизонтальную силу F, действующую на ось и сообщающую поступательное перемещение оси колеса относительно дороги. Несимметричное изменение профиля шины создает с одной стороны силу отталкивания от дороги, а с другой стороны - податливость. Одной из составляющих сил отталкивания является тангенциальная сила F, действующая на радиусе обода, которая и сообщает крутящий момент М ободу вокруг оси. Таким образом, после подачи давления в полость шины возникают неуравновешенные силы и несимметричные деформации профиля шины, под действием которых происходит сдвиг оси относительно дороги и поворот обода колеса относительно оси, при этом радиальные отверстия обода также повернутся, уступив место против напорного отверстия оси следующему отверстию обода. Каждое отверстие обода поочередно оказывается против напорного отверстия оси и давление последовательно подается в полость шины, а с другой стороны от ЦТ колеса, через отверстия обода и отводящие отверстия оси, давление сбрасывается и таким образом создаются неуравновешенные силы и несимметричные деформации, под действием которых происходит движение колеса относительно дороги.