КОЛЕСО С ВНУТРЕННИМ ПОДРЕССОРИВАНИЕМ
WHEEL WITH INTERNAL CUSHIONING

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Более конкретно настоящее изобретение относится к конструкции упругого колеса.
Ряд современных транспортных средств не содержит в конструкции подвески упругого элемента, воспринимающего динамическое воздействие со стороны дороги и обеспечивающего плавное движение. Поэтому при движении по неровной дороге транспортное средство совершает значительные по величине и продолжительные по времени вертикальные колебания, приводящие к значительным динамическим нагрузкам, действующим на агрегаты трансмиссии и ходовой части. Это приводит к снижению производительности транспортного средства, увеличению расхода топлива, сокращению службы агрегатов трансмиссии и ходовой части, а также к быстрой утомляемости водителя и пассажиров.
Для улучшения показателей плавности хода и снижения отрицательного воздействия колебаний и вибраций кузова целесообразно применение колес с внутренним подрессориванием, содержащих пневматическую шину и раздельно выполненные ступицу и обод, соединенные между собой упругим элементом.
Известны конструкции упругих колес, ступица и обод которых соединены упругими элементами.
В конструкции колес [патент RU 2133675] и [патент RU 2184658] упругие элементы выполнены с переменным по ширине и толщине сечением с целью предотвращения резонансных явлений и получения нелинейной характеристики колеса.
В конструкциях [патент RU 2180290] и [патент RU 2228273] упругие элементы выполнены из полимерного композитного материала, благодаря чему снижается масса и сопротивление качению колеса, а также повышается надежность как упругого элемента, так и колеса в целом.
Существует конструкция упругого колеса [авторское свидетельство СССР №981019], в которой соединение ступицы с ободом выполнено посредством упругого элемента из многожильного металлического троса, уложенного петлеобразно и закрепленного на ступице посредством охватывающих его втулок, а на ободе жестко.
Упругий элемент колеса [патент RU 2438878] выполнен в виде незамкнутого кольца с возможностью скручивания относительно жесткого крепления к ободу.
Наиболее близким к заявляемому является колесо с внутренним подрессориванием [патент RU 2524269], упругий элемент которого выполнен из полимерного материала в виде замкнутого кольца с торцевой перфорацией. Благодаря такой конструкции достигается высокая надежность и долговечность упругого колеса. Недостатком данной конструкции являются возможные осевые смещения обода относительно ступицы, что в свою очередь может приводить к возникновению колебаний транспортного средства в горизонтальной плоскости, что снижает плавность хода, управляемость и устойчивость транспортного средства.
Задачей описываемого изобретения является ограничение бокового перемещения обода колеса относительно ступицы.
Технический результат достигается тем, что колесо с внутренним подрессориванием содержит пневматическую шину и отдельно выполненные обод и ступицу, соединенные между собой упругим элементом, причем к внутренней поверхности обода прикреплен диск, ступица и диск оснащены упорными пластинами, упругий элемент выполнен из полимерного материала в виде замкнутого кольца с торцевой перфорацией и частично расположен между упорными пластинами, ограничивающими осевые перемещения обода относительно ступицы. Упорные пластины выполнены в виде колец и расположены таким образом, что упорные пластины ступицы расположены дальше от диска, чем упорные пластины диска.
Упорные пластины расположены под углом, обеспечивающим снижение действия горизонтальных сил. В частности угол наклона опорных пластин к горизонту находится в диапазоне от 30° до 90°.
Величина возможного перемещения обода относительно ступицы определяется торцевой деформацией полимерного материала расположенного между упорными пластинами. Под горизонтальными силами подразумевается центробежная сила, горизонтальная составляющая силы реакции опоры (дороги).
На фиг. 1 показан продольный разрез колеса с внутренним подрессориванием на плоскости.
На фиг. 2 - поперечный разрез колеса на плоскости.
На физ. 3 - общий вид колеса в изометрии.
На фиг. 4 - продольный разрез колеса в изометрии.
На фиг. 5 - поперечный разрез колеса в изометрии.
На фиг. 6 - поперечный разрез упругого элемента в изометрии.
Колесо с внутренним подрессориванием состоит из раздельно выполненных ступицы 1 и обода 2, соединенных упругим элементом 3, изготовленным из полимерного материала в виде замкнутого кольца трапециевидного поперечного сечения с торцевой перфорацией. Упорные пластины 4 расположены на обеих сторонах ступицы 1 и диска 5, который прикреплен к внутренней поверхности обода 2. На ободе 2 установлена пневматическая шина 6.
Упорные пластины 4 служат для ограничения осевых перемещений ступицы 1 относительно обода 2 и предотвращения колебаний в горизонтальной плоскости. Упорные пластины 4 устанавливаются под углом, обеспечивающим части горизонтальной силы, вызывающей продольное перемещение обода 2 относительно ступицы, перераспределение на ось колеса и тем самым уменьшение действия этой силы. Благодаря этому уменьшается величина продольного перемещения, которое будет иметь место в пределах упругой деформации полимерного материала упругого элемента 3, расположенного между упорными пластинами 4.
Расчет параметров внутреннего подрессоривания производится для конкретного транспортного средства. Достижение лучшей плавности хода обусловлено согласованием свойств упругого элемента 3 с параметрами транспортного средства.
Угол наклона упорных пластин 4 может быть рассчитан следующим образом: под действием центробежной силы возникает сила трения в контакте колес с дорогой. Момент этой силы равен:
1
СЦ
М=Р*А,
1
где М - момент силы трения, Нм,
сц
Р - сила сцепления колес с дорогой, Н,
сц
А - плечо действия силы Р, м,
сц
Р=ϕG,
сц
где Р - сила сцепления колес с дорогой, Н,
ϕ - коэффициент сцепления шин с дорогой,
G - вес транспортного средства, приходящийся на одно колесо, Н.
y1
y2
Действие этого момента вызывает возникновение нормальной распределенной нагрузки в упорных пластинах. Эта нагрузка заменяется сосредоточенными силами реакций опоры R и R. Моменты этих сил определяются как:
2
y1
M=R *cosα*B,
3
y2
M=R *cosα*B,
2
3
где M и М - моменты сил реакции опорных пластин, Нм,
α - угол наклона опорных пластин 4 к горизонту,
y1
y2
В - плечо действия сил R и R, м.
Уравнение моментов для такой системы, относительно центра колеса в плоскости диска 5 будет иметь вид:
1
2
3
М+М+М=0,
или
y1
y2
ϕG*A=R *cosα*B+R *cosα*B,
y1
y2
R=R=Ry
Таким образом:
При уменьшении угла α уменьшается нормальная нагрузка на пластины со стороны действия центробежной силы. Этим достигается необходимая величина горизонтальной деформации упругого элемента 4.
к
y
Например, при коэффициенте сцепления шин 6 с дорогой ϕ=0,7; нормальной нагрузке на колесо G=2500 Н; плече действии силы В=0,12 м; радиусе качения колеса R=А=0,281 мм, сила реакции опоры R будет равна:
а) при угле наклона упорных пластин α=20°
б) при угле наклона упорных пластин α=45°
Практический интерес представляет применение колес с внутренним подрессориванием на транспортных средствах без подвески. Это существенно упростит конструкцию ходовой части, уменьшит массу. При использовании данных колесных движителей на транспортных средствах с установленной на них подвеской достигается увеличение плавности хода и уменьшение динамических нагрузок на детали подвески и ходовой части. Благодаря ограничению торцевых перемещений повышается безопасность движения и снижается негативное воздействие боковых колебаний на управляемость, сохранность перевозимого груза и комфортабельность.
Кроме того, применение колес с внутренним подрессориванием снизит динамические воздействия на опорную поверхность и обеспечит более продолжительный срок ее службы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение плавности хода транспортного средства с сохранением управляемости и устойчивости.