Катер-автомобиль

Полезная модель относится к области автомобилей-амфибий, т.е. катер-автомобиль может перемещаться как по воде, так и по суше. Его достоинство состоит в том, что он может двигаться как по суше, так и по мелководью, по полыньям с выездом на лед, так и по болотистой местности. Тем более легко он плавает по воде.
Известен быстроходный катер высокой проходимости (автор В.П. Подорванов, бюл. №15 от 15.09.1966 г.) с воздушным вертикальным рулем и горизонтальным стабилизатором, с удержанием корпуса над поверхностью воды за счет гидродинамических сил опорных поверхностей во время движения, при этом с целью повышения быстроходности и проходимости, опорные поверхности выполнены в виде смонтированных на корпусе катера цилиндрических колес, перекатывающихся по поверхности воды с проскальзыванием и рикошетированием под воздействием движителя, причем ось вращения носовой пары колес размещена впереди и выше центра тяжести корпуса с отнесением на нее 70-90% нагрузки всего веса катера, а ось действия движителя направлена перпендикулярно к ней и размещена ниже так, что образуется момент сил, постоянно прижимающий корму катера к водной поверхности. К тому же, катер имеет особенность, что, с целью снижения продольных колебаний и вибраций корпуса, оси вращения колес смонтированы на амортизаторах, выполненных в виде силовых гидравлических или пневматических цилиндров, а горизонтальный стабилизатор встроен наклонно, под углом 3-10° к горизонтальной плоскости катера.
Недостатком его является то, что движителями является либо винтовой, либо реактивный двигатели, а руль - воздушный. Это препятствует перемещению катера по суше. В то же время на практике требуется мобильное непрерывное перемещение катера из воды на сушу и движение по ней, а также наоборот. Это требование относится к пойменным и болотистым местам, по которым катер должен перемещаться. Может двигаться только вперед.
Известен катер-автомобиль (Патент РФ №195306, опубликовано: 22.01.2020, бюл. №3). Его особенностью является то, что движителями являются пустотелые, создающие подъемную силу колеса с плоскими цилиндрическими поверхностями с радиальными углублениями, перпендикулярными цилиндрическим частям колес подобно тому, как были устроены «плицы» в колесных пароходах. Поэтому обеспечивается движение катера-автомобиля как вперед, так и назад. Вес катера меньше выталкивающей вертикальной силы пустотелых колес, что обеспечивает его плавучесть. Колеса приводятся во вращения четырьмя электродвигателями с редукторами. Электрическая энергия вырабатывается аналогично дизелю-электроходу. В качестве двигателя может применяться как дизельный, так и бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Его вал через посредство муфты приводит во вращение ротор электрического генератора, к выходам которого присоединены входы четырех электродвигателей с редукторами - повороты производятся за счет снижения угловой скорости левого или правого передних колес. Запуск двигателя производится стартером-генератором от аккумулятора.
Это техническое решение принято за прототип.
Недостатком прототипа является применение металлических или пластиковых недеформируемых колес, затрудняющих демпфирование колебаний при езде по твердой или пересеченной местности.
Указанный недостаток устранен в предлагаемом техническом решении.
Технический результат состоит в том, что движителями являются пустотелые резиновые армированные стальным каркасом колеса. Колеса низкого давления с выступающими частями протектора подобно тому, как были устроены «плицы» в колесных пароходах. Поэтому обеспечивается движение катера-автомобиля как вперед, так и назад. Вес катера меньше выталкивающей вертикальной силы колес, что обеспечивает его плавучесть. Колеса приводятся во вращения четырьмя электродвигателями с редукторами. Электрическая энергия вырабатывается литий-ионной батареей, которая получает заряд от станции зарядки через специализированный кабель. Для автономной подзарядки батареи применяется устанавливаемый опционально турбированный бензиновый двигатель с непосредственным впрыском с максимальной удельной мощностью. Его вал приводит во вращение ротор электрического генератора, к выходам которого присоединены вход зарядки блока батарей. Двигатель подзарядки основной батареи запускается автоматически при падении напряжения на выходе аккумулятора ниже критического уровня. Выходы блока батарей подсоединены к четырем электродвигателям с редукторами. Повороты катера-автомобиля производятся за счет изменения угловой скорости вращения колес по левому и правому бортам. На оси каждого колеса внутри герметичного корпуса устанавливаются дисковые тормозные механизмы, их работа осуществляется под управлением центрального контроллера. Запуск двигателя производится стартером-генератором от аккумулятора. Торможение на воде производится за счет уменьшения скорости колес вплоть до смены ее знака. При этом ножным тормозом пользоваться не обязательно. Им следует пользоваться при движении по твердой наземной поверхности. После остановки, при стоянке, используется ручной тормоз.
Поставленная задача устранения отмеченных недостатков решается за счет того, что катер-автомобиль, содержащий корпус, кузов с кабиной, колеса, двигатель, рулевое устройство, ножной и стояночный тормоза и исполнительные механизмы тормозной системы, каждое колесо закреплено на соответствующей полуоси в двух подшипниковых узлах с герметичной защитой, имеет автономный привод от соответствующего электродвигателя, например, вентильного типа, через редуктор, источником электрической энергии является блок аккумуляторных батарей с системой: двигатель внутреннего сгорания-генератор напряжения, входящий в состав стартера-генератора, зарядное устройство, устройство регулирования общего напряжения, рулевое устройство, центральный компьютер, с которым соединен контроллер управления величиной и знаком напряжения каждого электродвигателя, причем режим поворота катера-автомобиля предусматривает смену знака и уменьшение-увеличение величин напряжений пары левых или правых передних и задних колес, имеет ту особенность, что пустотелые колеса, выполненные в качестве плавучих средств и одновременно движителей, изготовлены из армированной с помощью стального упругого каркаса резиновых покрышек, установленных на ободах, закрепленных на высокопрочных металлических полуосях в корпусе, каждая полуось вмонтирована в двух подшипниковых узлах, объем колес выбирается из каталога стандартных покрышек низкого давления при условии обеспечения плавучести катера-автомобиля с запасом 1,5-2,5 по соотношению:
(1,5-2,5)/m=ρ⋅2πR⋅S⋅n, где m - масса катера-автомобиля; ρ - плотность воды, R - радиус средней осевой линии (окружности) резиновой части колеса; S - площадь поперечного сечения тора резиновой части колеса; n - число колес, для обеспечения управления на колонке рулевого управления предусмотрены четыре датчика углов, выходы которых соединены через интерфейс с контроллером и центральным компьютером, в качестве источника энергии - блок литий-ионных аккумуляторных батарей, для режима остановки предусмотрена система снижения общего напряжения до нуля, для режима смены знака направления движения предусмотрено устройство смены знака напряжения управления электродвигателями, в качестве двигателя для привода от центрального компьютера генератора напряжения для подзарядки батарей применен турбированный бензиновый двигатель с непосредственным впрыском с максимальной удельной мощностью, датчиком степени зарядки батарей и устройством включения-выключения двигателя подзарядки, электродвигатели с редукторами и аккумулятором размещаются в герметичном пространстве между днищем и полом, на корпусе установлены кузов с кабиной с дверцами и рулевым управлением, педаль ножного тормоза снабжена датчиком перемещения, его электрический выход соединен через согласующее устройство со входом контроллера электропривода колес и с центральным компьютером с целью переключения режимов торможения для суши и водной поверхности, для торможения на воде в центральном компьютере предусмотрен режим изменения скорости и знака угловой скорости вращения колес, а на суше - режим использования ножного тормоза, причем при перемещении педали тормоза на 90-95 процентов от исходного положения в центральном компьютере предусмотрен режим отключения электроприводов.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами: фиг. 1 - фиг. 4. На фиг. 1 - фиг. 4 приняты обозначения: 1 - центральный компьютер; 2 - контроллер управления электродвигателями приводов колес; 3 - регулятор общего напряжения; 4-7 - регуляторы напряжений четырех электродвигателей колес; 8-11 - колеса, причем 8-9 - передние; 10-11 - задние; 8'-11' - электродвигатели привода четырех колес; 8', 9' - электродвигатели привода левого и правого передних колес; 8'', 9'', 10'', 11'' - редукторы приводов колес; 10', 11' - задних колес; 12 - датчик углового положения руля; 13 - датчик положения педали механического тормоза; 14-15 - аналого-цифровые преобразователи сигналов об угле поворота руля и положении педали (ручки) тормоза; 16 - блок литий-ионных батарей (аккумуляторов); 17 - турбированный бензиновый двигатель с непосредственным впрыском с максимальной удельной мощностью; 18 - стартер-генератор; 19 - устройство управления зарядным устройством и зажиганием; 20 - схема управления стартером-генератором; 21 - полуоси - валы крепления колес; 22 - подшипниковые узлы крепления валов колес, по два узла на одну полуось; 23 - кожухи левый и правый, каждый для двух колес (сняты для удобства обзора); 24 - кузов; 25, 26 - передняя (для кабины) и задняя (для кузова) дверцы, имеющие место и с левой, и с правой сторон кабины и кузова; 27 - рулевое управление; 28 - днище; 29 - выступы в днище от редукторов; 30 - ножные тормоза быстрой остановки; 31 - "плицы" (прямоугольные пазы) колес; 32 - покрышка низкого давления из армированной резины; 33 - легкосплавный диск колеса; 34 - гайка крепления колеса к полуоси; 35 - герметичная крышка колесного диска.
В катере-автомобиле имеется металлическая (дюралюминиевая) рама, к которой крепятся все узлы и детали. Кузов и кабина изготовлены из АБС пластика, герметичны для предотвращения попадания воды. Изображенные на нижней проекции фиг. 2 устройства сверху закрыты пластиковым полом с возможностью иметь герметичные люки (для доступа к аккумулятору, редукторам, электродвигателям, механическим тормозам). Поэтому при качке, в дождь доступ воды в пространство между полом, днищем 28 и стенками невозможен. Выступы 29 в днище 28 образованы для обеспечения пространства доступа к редукторам. Ножной и ручной тормозы (не показан) -обычные для автомобилей, но, как указано выше, педаль ножного тормоза снабжена датчиком перемещений с электрическим выходом.
Катер-автомобиль работает следующим образом.
кат
выт
выт
Условием обеспечения плавучести с 1,5-2,5 кратным запасом по весу (массе) является то, что максимальная выталкивающая сила вытесненной колесами воды должна при всех условиях превосходить вес катера с запасом: P<Р. Расчет дадим для 50% осадки колес: Р=ρ•g(2πRSn), где n - число колес, ρ - плотность воды; R - радиус средней линии (осевой окружности резиновой части), r - радиус сечения тора резиновой части колеса. Колеса пустотелые, одинаковые, выполнены из армированной резины.
Пример:
Удельный вес
При R=0,6; м; r=0,3,м;
При запасе плавучести, равном 2, получаем, что вес катера-автомобиля может иметь вес вдвое меньший. Это в ряде случаев вполне приемлемо.
Характеристики ABS-пластика.
Материал АБС обладает многочисленными полезными свойствами, которые позволяют использовать пластик в самых разных отраслях производства. Главные из них - это ударостойкость и прочность, что сохраняет изделие из АБС-пластика целым даже при ударе о него кувалдой. При сильном давлении материал деформируется, но не разрушается, после чего легко поддастся восстановлению. При нормальных условиях АБС материал не токсичен. Срок службы: материал долговечен при условии защиты от прямых солнечных лучей. Применение пластика АБС. Материалу АБС нашлось применение во многих отраслях промышленности. Пластик встречается, как добавка, которая повышает характеристики материалов, из него изготавливают разную продукцию. Из него выпускают: крупные детали для машин (радиаторные решетки, элементы управления, щитки на приборной панели, корпуса). Есть композиционные АБС. Ссылка: [г. Челябинск, АБС-пластики ООО. Торговая фирма +7(351)777-71 -79. Сайт: abs-plastiki.tiu.ru].
Запуск катера-автомобиля осуществляют по сигналу водителя через центральный компьютер 1 через схему управления стартером 20 к стартеру -генератору 18 подводится от аккумулятора 16 напряжение. Водитель отключает ручной тормоз. По сигналу от центрального компьютера 1 повышают плавно с помощью регулятора 3 напряжение питания, водитель устанавливает руль 27 в нужное положение. Датчик угла поворота руля 12 через АЦП 14 и контроллер 2 управления на дисплее центрального компьютера отображают состояние готовности катера-автомобиля. Сигнал датчика 13 положения педали ножного тормоза свидетельствует, что можно начинать движение как вперед, так и назад. Водитель от центрального компьютера задает скорость и направление движения через регулятор 3, контроллер 2 через усилители 4-7 задает соответствующие напряжения на электродвигатели, например, вентильного типа. Через редукторы 9'' и полуоси - валы 21 колеса 8-11 приводятся во вращение, и начинается движение катера по воде или по суше. По воде оно обеспечивается за счет крупных элементов протектора 31. Остановка производится уменьшением общего напряжения до нуля и за счет действия тормозных механизмов. При плавном нажатии водителем педали тормоза центральный компьютер уменьшает подаваемое на электродвигатели напряжение до нуля. В случае, когда не хватает замедления при отсутствии напряжения на электродвигателях, если водитель продолжает увеличивать давление на педаль тормоза, подавая тем самым сигнал центральному компьютеру на включение тормозных механизмов. После чего центральный компьютер подает сигнал на исполнительные механизмы тормозной системы вплоть до полной остановки. Электропитание на электродвигатели снимается. Поворот катера-автомобиля производится заданием поворота руля в ту или иную строну. В зависимости от скорости движения одновременно снижается общее напряжение, а в еще большей степени напряжения либо на пару левых, либо на пару правых колес - при развороте соответственно влево или вправо. После осуществления поворота руль выравнивается, напряжения на левые и правые колеса выравниваются и, как правило, увеличиваются, обеспечивая нужную скорость движения. При задании движения назад полярность напряжения на электродвигатели переключается на обратную. Все повороты, значения скоростей движения, степень разряженности аккумуляторных батарей, пройденное расстояние отображаются на дисплее центрального компьютера. Тормоза 30 установлены на четырех полуосях 21, содержат на корпусе электромагниты прижимных фрикционных колодок и соответствующие цилиндрические выступы с фрикционными накладками на полуосях. Это тормоза быстрой остановки. Тормозная система, включающая электродвигатели 8'-11', управляется с помощью центрального компьютера 1 и контроллера 2. Для подзарядки аккумуляторной батареи используется сигнал о степени разряженности их ниже допустимого значения. По сигналу от центрального компьютера ротор стартера 18 приводит во вращение коленвал бензинового двигателя; он запускается и приводит во вращение генератор напряжения, и через зарядное устройство аккумулятор заряжается на ходу до нужного уровня, после чего отключается. Муфта отсоединяет коленвал двигателя от генератора до следующего включения.
Для повышения устойчивости катер-автомобиль можно сконструировать и выполнить более широким, для повышения надежности - с большим количеством колес. Учитывая, что в полезной модели предусмотрен движитель на колесах, обеспечивающих одновременно его плавучесть, учитывая его большую проходимость, наличие заднего хода, можно отметить новизну, полезность и практическую реализуемость катера-автомобиля.