Одноколейное транспортное средство с постоянно-вертикальными колёсами с изменяемым интеллектуальным креном

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а точнее к механическим транспортным средствам, и может быть использована преимущественно в производстве одноколейных транспортных средств типа мотоцикла, мопеда.
Из уровня техники известно одноколейное транспортное средство (ОТС), содержащее раму, установленный на раме двигатель, ведущее и ведомое колеса, механическую трансмиссию, соединяющую между собой двигатель и ведущее колесо с возможностью изменения передаточного отношения, тормозную систему и систему управления, связанную с двигателем, трансмиссией и тормозом (патент RU 2066651, опубликован 20.09.1996 г.). ОТС с помощью системы управления может разгоняться, тормозить и поворачивать. В повороте ОТС должно наклоняться в сторону центра поворота, чтобы не быть опрокинутым центробежной силой, при этом колеса наклонены и контактируют с дорогой боковой гранью.
Также известен велосипед с электрическим приводом, состоящий из рамы, ведомого колеса с рулем, ведущего колеса, электрического привода (заявка на изобретение RU №2001124441, опубликована 20.07.2003 г.). Велосипед приводится в движение ногами водителя и электроприводом, поворачивает за счет руля. В повороте велосипед также должен быть наклонен для преодоления центробежной силы и его колеса взаимодействуют с поверхностью дороги боковой гранью.
Недостатками вышеуказанных ОТС являются: неустойчивое равновесие в неподвижном состоянии; плохая устойчивость на малых скоростях; сложность управления в повороте; жесткая зависимость утла наклона рамы при движении в повороте в зависимости от скорости и радиуса поворота; уменьшение пятна контакта колес ОТС с поверхностью дороги при движении в повороте, так как они наклоняются вместе с рамой и начинают контактировать с дорогой боковой поверхностью.
Вышеперечисленные недостатки приводят:
к высокой вероятности падения транспортного средства на стоянке и на малых скоростях;
необходимости использования дополнительной опоры (подножки или ноги водителя), чтобы транспортное средство не упало на стоянке и остановке;
к необходимости подруливания на малых скоростях;
к снижению устойчивости в повороте;
к снижению надежности и повышению опасности возникновения дорожно-транспортного происшествия.
Среди известных из уровня техники ОТС наиболее близко по технической сущности к предлагаемой полезной модели относится одноколейное транспортное средство с постоянно вертикальными колесами (ПВК), принятое за прототип, которое содержит два колеса, выполненные ведущими и управляемыми с шириной протекторов колес равной 400-600 мм и соединенными с рамой через вертикальные вилки подвески посредством шарниров с возможностью отклонения от вертикальной плоскости вбок на заданный угол, в зависимости от угла поворота руля, жестко связанного с передним шарниром, при этом плоскость вращения колес выполнена вертикальной, а сами ведущие и управляемые колеса выполнены с возможностью поворота влево-вправо в зависимости от направления поворота руля, контактируя с поверхностью дороги всей шириной протектора (патент на полезную модель № RU 133498, опубликован 20.10.2013 г.).
Вышеупомянутое одноколейное транспортное средство двигается по прямой и в повороте с постоянно-вертикальными колесами (плоскость вращения колес всегда перпендикулярна поверхности дороги) и поэтому устойчиво в неподвижном состоянии, при движении по прямой и в повороте. При входе в поворот водитель поворачивает руль, жестко связанный с шарниром. Шарнир поворачивает вилку передней подвески и через нее переднее управляемое колесо на заданный угол в сторону поворота, оставляя его в вертикальном положении, при этом вокруг шарнира поворачивается рама, наклоняясь в сторону поворота (фиг. 2б), одновременно с наклоном рамы, поворачивается шарнир заднего колеса, заставляя вилку задней подвески и заднее управляемое колесо поворачиваться в сторону поворота, при этом вилка задней подвески и колесо остаются в вертикальной плоскости (фиг. 2б). Для обеспечения устойчивости ОТС с ПВК в повороте необходимо, чтобы направление вектора результирующей силы Рr от действия силы тяжести ОТС Ga и центробежной силы Ру было внутри пятна контакта колеса с поверхностью дороги (фиг. 2б между штрихпунктирными линиями).
Основным недостатком прототипа является недостаточная устойчивость ОТС при маневрировании, то есть при движении по криволинейным траекториям малого радиуса на небольших скоростях. Из-за того, что на малых скоростях центробежная сила Ру очень мала, а на малых радиусах поворота крен ОТС может быть значительным, направление вектора результирующей силы Рr от действия силы тяжести ОТС Ga и центробежной силы Ру будет направлен в сторону от пятна контакта колеса с поверхностью дороги - ОТС опрокинется (фиг. 2в).
Техническая задача предложенной полезной модели состоит в повышении устойчивости ОТС при маневрировании, то есть при движении на малых скоростях по криволинейным траекториям малых радиусов, и как следствие для повышения безопасности эксплуатации ОТС.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что одноколейное транспортное средство, содержит раму с установленным на ней двигателем, тормозную систему, электрическую трансмиссию, руль для управления направлением движения и два колеса выполненных ведущими и управляемыми с шириной протекторов колес равной 400-600 мм и соединенными с рамой через вертикальные вилки подвески посредством шарниров с возможностью отклонения от вертикальной плоскости вбок на заданный угол, в зависимости от угла поворота руля, при этом плоскость вращения колес выполнена вертикальной, а сами ведущие и управляемые колеса выполнены с возможностью поворота влево-вправо в зависимости от направления поворота руля, контактируя с поверхностью дороги всей шириной протектора.
Отличие состоит в том, что согласно полезной модели руль связан с вилкой переднего управляемого колеса через специальный сдвоенный шарнир, с возможностью блокировки шарнира в зависимости от режима движения, при этом на больших скоростях, руль поворачивает вертикальную вилку переднего колеса (жестко связанную с шарниром блокирующим устройством) совместно с шарниром вбок на заданный угол и наклоняет раму ОТС в зависимости от угла поворота руля (фиг. 2б, 3в), на малых скоростях, шарнир остается неподвижным (жестко связанным с рамой блокирующим устройством), а руль поворачивает вертикальную вилку переднего колеса (блокирующее устройство отключено и вилка не связана с шарниром) вбок на заданный угол в зависимости от угла поворота руля, не наклоняя раму ОТС (фиг. 2г, 4в). Команды на блокирующие устройства подает блок управления в зависимости от сигналов датчика скорости и датчика угла поворота руля.
Технический результат состоит в появлении возможности для ОТС с ПВК маневрировать на малых скоростях без крена рамы.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 - схема ОТС с постоянно-вертикальными колесами с изменяемым интеллектуальным креном и сдвоенный передний шарнир, вид сбоку;
фиг. 2а - схема прямолинейного движения ОТС с постоянно-вертикальными колесами, вид сзади;
фиг. 2б - схема движения ОТС с постоянно-вертикальными колесами с креном при повороте на больших скоростях;
фиг. 2в - схема движения ОТС с постоянно-вертикальными колесами с креном при маневрировании на малых скоростях;
фиг. 2г - схема движения ОТС с постоянно-вертикальными колесами без крена при маневрировании на малых скоростях;
фиг. 3а - сдвоенный передний шарнир, жестко связанный блокирующим устройством с передней вилкой;
фиг. 3б - схема ОТС с постоянно-вертикальными колесами с изменяемым интеллектуальным креном вид спереди при движении прямо;
фиг. 3d - схема ОТС с постоянно-вертикальными колесами с изменяемым интеллектуальным креном вид спереди при движении в повороте на большой скорости;
фиг. 4а - сдвоенный передний шарнир, жестко связанный блокирующим устройством с рамой ОТС;
фиг. 4б - схема ОТС с постоянно-вертикальными колесами с изменяемым интеллектуальным креном вид спереди при движении прямо;
фиг. 4в - схема ОТС с постоянно-вертикальными колесами с изменяемым интеллектуальным креном вид спереди при движении в повороте на малой скорости (при маневрировании).
Одноколейное транспортное средство (фиг. 1) состоит из рамы 1, к которой через вертикальные вилки передней 2 и задней 3 подвески посредством сдвоенного шарнира 4 и шарнира 5 крепятся переднее 6 и заднее 7 управляемые и ведущие колеса. На раме 1 также размещены: руль 8 (мотоциклетного типа) связанный с передней вилкой 2 через сдвоенный шарнир 4, двигатель 9, электрическая трансмиссия 10. Сдвоенный шарнир 4 содержит два блокирующих устройства 11, 12. При заблокированном шарнире 4 блокирующим устройством 12 руль 8 может вращать вилку передней подвески 2 вокруг оси 14 совместно с шарниром 4, при этом рама 1 будет вращаться вокруг оси 13, наклоняясь от вертикали вбок. При заблокированном шарнире 4 блокирующим устройством 11 руль 8 может вращать вилку передней подвески 2 вокруг оси 14, при этом рама 1 и шарнир 4 остаются неподвижными и связанными между собой. Команды на блокирующие устройства подает блок управления 15, установленный на раме в зависимости от сигналов датчика угла поворота руля 16 и датчика скорости 17.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В неподвижном состоянии, заявляемое ОТС, обладает устойчивым равновесием от бокового опрокидывания за счет применения колес 6 и 7 с шириной протектора 400-600 мм.
Движение по прямой осуществляется за счет работы двигателя 9 и электрической трансмиссии 10, передающей крутящий момент на ведущие колеса 6 и 7 вне зависимости от наклона рамы 1 ОТС и положения самих колес 6 и 7. Движение по прямой устойчиво, так как колеса 6 и 7 с шириной протектора 400-600 мм не дают ему опрокинуться в поперечной плоскости, (фиг. 2а).
При входе в поворот водитель поворачивает руль 8, связанный с вилкой 2 передней подвески через сдвоенный шарнир 4. Если скорость большая, согласно данным датчика поворота руля 16 и датчика скорости 17, то по сигналу блока управления 15 блокируется устройство 12 (фиг. 3а) жестко соединяя вилку передней подвески 2 с шарниром 4 и руль 8 поворачивает шарнир 4 и вилку передней подвески 2 как единое целое вокруг оси 14 и через нее переднее управляемое колесо 6 на заданный угол в сторону поворота, оставляя его в вертикальном положении, при этом вокруг шарнира 4 поворачивается рама 1 вокруг оси 13, наклоняясь в сторону поворота (фиг. 2б, 3в).
Одновременно с наклоном рамы 1, поворачивается шарнир 5, заставляя вилку задней подвески 3 и заднее управляемое колесо 7 поворачиваться в сторону поворота, при этом вилка задней подвески 3 и колесо 7 остаются в вертикальном положении (фиг. 2б).
Устойчивость ОТС в повороте на большой скорости обеспечивается за счет центробежной силы Ру (направление вектора результирующей силы Рr от действия силы тяжести Ga и центробежной силы Ру направлено внутрь пятна контакта колеса с поверхностью дороги) и наличия большого пятна контакта управляемых колес 6 и 7 с шириной протектора 400-600 мм, продолжающих контактировать с поверхностью дороги всей шириной протектора, так как плоскость вращения колес 6 и 7 остается перпендикулярной к поверхности дороги.
При выходе из поворота водитель поворачивает руль 8, вилку передней подвески 2 и управляемое колесо 6 в исходное положение совместно с шарниром 4, оставляя колесо 6 в вертикальном положении, рама 1 при этом, поворачивается вокруг шарниров 4 и 5 в вертикальное положение, вилка задней подвески 3 управляемого колеса 7 поворачивается вокруг вертикальной оси в шарнире 5, переводя управляемое колесо 7 в исходное положение, оставляя при этом его вертикальным (фиг. 2а).
При входе в поворот с малой скоростью согласно данным датчиков поворота руля 16 и датчика скорости 17 шарнир 4 блокируется устройством И по сигналу блока управления 15 (фиг. 4а), жестко соединяя раму 1 и шарнир 4, а руль 8 поворачивает вилку передней подвески 2 вокруг оси 14 и через нее переднее управляемое колесо 6 на заданный угол в сторону поворота, оставляя его в вертикальном положении, при этом шарнир 4 и рама 1 остаются неподвижными, рама 1 остается в вертикальном положении (фиг. 2г, 4в).
Использование сдвоенного шарнира с возможностью блокировки для связи с рамой или блокировки для связи с вилкой передней подвески по командам блока управления в зависимости от показаний датчиков скорости и поворота руля, решение новое и может представлять интерес для любых ОТС, поскольку создает устойчивое равновесие ОТС в неподвижном состоянии, на малых скоростях прямолинейного движения и при маневрировании на малых скоростях, а постоянное вертикальное положение управляемых колес при повороте с одновременным наклоном рамы к центру поворота увеличивает поперечную устойчивость и облегчает управление ОТС при больших скоростях.