ШИНА С УПРАВЛЯЕМЫМИ ШИПАМИ ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ, РАДИОУПРАВЛЯЕМАЯ СИСТЕМА ШИПОВ ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ, УПРАВЛЯЕМЫЙ ШИП ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ С ВЫДВИЖНЫМ ШТЫРЕМ
BUS WITH CONTROLLED ANTISLIDING STUDS, RADIO-CONTROLLED SYSTEM OF ANTISLIDING STUDS, CONTROLLED ANTISLIDING STUD WITH EXTENDED PIN

Изобретение относится к области транспортного машиностроения.
Уровень техники
Одним из направлений повышения безопасности движения транспортного средства является обеспечение необходимым сцеплением его колес с поверхностью дороги. Рекомендуемым решением этой задачи является применение шин с учетом сезонности их эксплуатации, причем в условиях зимы актуальными являются шипованные шины. В связи с последним обстоятельством появляется проблема: постоянно увеличивающаяся нагрузка транспортного потока на дорожное полотно с использованием шипованных шин создает условия преждевременного разрушения дорожного покрытия. Ослабление этой проблемы возможно, если в шипованных шинах будет реализована функция применения шипов противоскольжения по необходимости, путем выдвижения последних как преждевременно, в целях повышения безопасности движения, так и в непредсказуемых случаях, например при заносах или экстренном торможении автотранспортного средства, причем в автоматическом режиме. С другой стороны, задача повышения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием или грунтом не является функционально зависимой только от сезонности эксплуатации транспортного средства. Ее решение определяется условиями эксплуатации и, в связи с этим, шины с шипами противоскольжения, обладающие функцией как минимум выдвижения шипов, должны иметь систему управления шипами противоскольжения с необходимым быстродействием, надежностью функционирования и простотой эксплуатации. Аспект динамического использования шипов противоскольжения важен как для легковых автомобилей, так и для грузовых, большегрузных автотранспортных средств, которые из-за низкого коэффициента сцепления колес с дорожным покрытием в суровых климатических условиях могут создавать на дорогах заторы.
Известна конструкция колеса с выдвижными шипами (патент RU 2457117 С1, 2012), которая позволяет изменять коэффициент сцепления шин с дорожным покрытием. Колесо с выдвижными шипами, состоящее из обода и смонтированной на нем пневматической шины, отличающееся тем, что внутри пневматической шины установлена полиуретановая волнообразная пружина, в которую завулканизированы металлические шипы, для обеспечения поступательного движения шипа, в пневматической шине завулканизированы металлические направляющиеся втулки, внутри пневматической шины установлена резиновая камера с вентилем, обеспечивающая изменение величины выступания шипов из протектора пневматической шины, между волнообразной пружинной и камерой установлена эластичная резиновая лента, служащая для уменьшения трения между камерой и волнообразной пружиной. Для автоматического управления выдвижением шипов на автомобиле могут устанавливаться компрессоры с рессивером, связанные трубопроводом через регулируемые электромагнитные клапаны с вентилями камер на колесах. Указанная конструкция колеса имеет важную особенность - в системе управления выдвижения шипов имеет место пневматическая камера, которая является причиной как минимум следующих недостатков: во-первых, задача автоматического выдвижение шипов в условиях необходимого высокоскоростного динамического управления, например при заносах автотранспортного средства или непредвиденной пробуксовке его колес, ограничена высокой инертностью системы и в своей основе не может быть решена для случаев, когда требуемое время изменения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием соизмеримо с периодом обращения колеса; во-вторых, изменение давления в пневматической камере приводит не только к движению шипов, но и к соответствующему изменению давления в шине в целом, что обуславливает необходимость коррекции давления в шине, с другой стороны, при отклоненном давлении в шине нарушается соответствие давления в камере, регулирующей выдвижением шипов, необходимому коэффициенту сцепления шины с дорожным полотном; в-третьих, при эксплуатации транспортного средства требуется непрерывный контроль давления в шине, так как несущественное изменение давления в одном колесе транспортного средства, например его прокол шурупом, который находясь в покрышке, незаметно на малом интервале времени стравливает воздух в шине, в первую очередь приведет к значительной разнице сцепления колес, а это в условиях скользкой дороги может привести к аварийной ситуации; в-четвертых, в такой системе крайне сложно приводить в соответствие градуировку давления в пневматической камере количественной оценке степени выдвижения шипов; пятым, не маловажным, недостатком является ограниченность применимости такой системы только к пневматическим шинам, и появление новых технологий изготовления шин и колеса в целом, например на полиуретановой основе, делает систему управления выдвижением шипов тупиковой, а саму усложненную конструкцию колеса с компрессором - неперспективной. Аналогичным решением управления движения шипов является шина (патент RU 2472635 С1, 2013), с выдвижными шипами, содержащая нити корда, нерастяжимые кольца и шипы, соединенные между собой с образованием шины и кольцевой камеры, ограниченной с другой стороны нерастяжимым кольцом, соединение которых выполнено в раздвоенной съемной части шипа с поперечными окончаниями. Изобретение позволяет устранить второй, третий и значительно ослабить четвертый указанные недостатки, так как система, добавляя давление в кольцевой камере для выдвижения шипов, одновременно стравливает воздух в шине, в результате чего поддерживается постоянное давление в шине. Однако она имеет усложненную структуру колеса и вместе с этим принципиально не устраняет первый и пятый недостатки из-за использования пневматической системы управления шипами, что делает невозможным достижение эффективного динамического управления коэффициентом сцепления колеса транспортного средства с дорожным покрытием в различных условиях его эксплуатации. В качестве прототипа предлагаемого изобретения служит патент RU 2457117 С1, 2012, как обладающий упрощенной конструкцией колеса и общим принципиальным решением использования в системе выдвижения шипов пневматической системы с изменяемым внутренним давлением.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении устойчивости автотранспортного средства на скользкой дороге за счет постоянного управления шипами противоскольжения и высокого быстродействия системы шипов противоскольжения, что обеспечивает эффективное динамическое изменение коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием. В предлагаемом изобретении устранена зависимость системы управления шипами противоскольжения от атмосферного давления в управлении выдвигаемыми шипами. Шипованная шина с управляемыми шипами не предусматривает существенного изменения структуры колеса и использования компрессоров. В основу предлагаемого изобретения положена радиоэлектронная система управления с элементами энергопреобразования в шипах противоскольжения. При этом применяется новый тип шипа противоскольжения, управляемый электрическими сигналами с использованием электромеханического принципа функционирования его элементов. В связи с преобразованием электрической энергии в механическую, в шипе противоскольжения имеется энергопреобразующее устройство и выдвижной штырь, который и выполняет функцию выдвижного шипа в прототипе. Скорость выдвижения штыря определяется, в основном, характеристиками энергопреобразующего устройства и может составлять доли секунды. Для закрепления радиоуправляемой системы шипов противоскольжения к внутренней поверхности шины используется гибкий фиксирующий браслет. Реализация предлагаемого изобретения, в частности использование радиоуправляемой системы шипов противоскольжения, возможна и в колесах, не с пневматическими шинами, но требующих решения задачи динамического и высокоскоростного изменения коэффициента сцепления с дорожным покрытием.
Сущность изобретения
Сущность предлагаемого изобретения в том, что для создания одинаково эффективных шин транспортных средств эксплуатируемых как в условиях бездорожья, так и в условиях хорошего дорожного полотна, исключая разрушающее на него воздействие в последнем случае, а также с целью обеспечения высокоскоростного динамического изменения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, применяется радиоуправляемая система шипов противоскольжения, которая закреплена на гибком фиксирующем браслете внутри шины, причем последний вулканизируется или приклеивается к внутренней поверхности шины вдоль плоскости протекторного слоя. Управление шипами осуществляется по радиоканалу с помощью блока радиоуправления и энергообеспечения. В энергорадиоблоке радиоуправляемой системы шипов противоскольжения принимаются радиосигналы, декодируются и на их основе формируются электрические посылки различной полярности, подаваемые с помощью гибкой шины передачи электрических сигналов управляемым шипам противоскольжения с выдвижными штырями. Шип противоскольжения с выдвижным штырем осуществляет преобразование электрической энергии в механическую и, в зависимости от полярности и длительности управляемого сигнала, двигает выдвижной штырь в соответствующем направлении.
Предлагаемое изобретение является комплексным, решает единую целевую задачу по улучшению сцепных качеств шины с дорожным покрытием в динамических условиях и представляет собой шину с управляемыми шипами противоскольжения, радиоуправляемую систему шипов противоскольжения и управляемый шип противоскольжения с выдвижным штырем.
Краткая характеристика рисунков.
На фиг.1 приведена структура шипованной шины (в разрезе) с управляемыми шипами противоскольжения.
На фиг.2 представлена структурная схема системы управления шипами противоскольжения на основе использования радиоуправляемой системы шипов противоскольжения.
На фиг.3 представлен гибкий фиксирующий браслет с установленными в нем элементами четырех радиоуправляемых систем шипов противоскольжения: на фиг.3а - вид гибкого фиксирующего браслета со стороны его вулканизации или приклеивания к внутренней поверхности шины; на фиг.3б - вид поперечного сечения гибкого фиксирующего браслета с четырьмя установленными в ней радиоуправляемыми системами шипов противоскольжения.
На фиг.4 приведена структура управляемого шипа противоскольжения с выдвижным штырем, в котором в качестве энергопреобразующего устройства электрической энергии в механическую применяется пьезоэлектродвигатель линейного типа (актуатор): на фиг.4а - вид сверху управляемого шипа противоскольжения с выдвижным штырем; на фиг.4б - управляемый шип противоскольжения с задвинутым штырем (фронтальное сечение А); на фиг.4в - управляемый шип противоскольжения с выдвинутым штырем (профильное сечение Б).
На фиг.5 приведена структура шипа противоскольжения с выдвижным штырем на основе использования энергопреобразующего устройства электрической энергии в механическую вращения (микроэлектродвигателя): на фиг.5а - структура шипа противоскольжения с выдвижным штырем (фронтальный разрез А); на фиг.5б - вид сверху шипа противоскольжения с выдвижным штырем.
Шина с управляемыми шипами противоскольжения (фиг.1), включающая протектор 1, брекер 2, каркас 3, боковины 4, борта 5 с бортовыми кольцами 6, герметизирующий слой 7, отличается наличием прикрепленного способом вулканизации или приклеивания к внутренней поверхности шины вдоль плоскости протекторного слоя гибкого фиксирующего браслета 8, изготовленного на основе резины либо из синтетического полиуретана, и закрепленной в специальных его гнездах как минимум одной радиоуправляемой системы шипов противоскольжения 9, причем шипы противоскольжения выходят через заранее подготовленные в шине отверстия наружу таким образом, что их выдвижные штыри в задвинутом состоянии не выступают за поверхность протекторного слоя. В результате, в нерабочем состоянии шипы противоскольжения, а именно когда их штыри задвинуты, не имеют сцепления с поверхностью дороги.
1
N
1
N
Система управления шипами противоскольжения (фиг.2) состоит из пульта управления 10, находящегося в непосредственной близости к водителю, как минимум одного блока радиоуправления и энергообеспечения 11, который так же, как и пульт управления 10, устанавливается на корпусе транспортного средства, как минимум одной радиоуправляемой системы шипов противоскольжения 9, находящейся в колесе. Радиоуправляемая система шипов противоскольжения 9 состоит из энергорадиоблока 12, к которому подключены как минимум одна антенна (или система антенн) 13 и как минимум одна катушка индуктивности (или блок катушек индуктивностей) 14, N управляемых шипов противоскольжения с выдвижными штырями 15, …, 15, многоканальной шины передачи электрических сигналов 16, имеющей минимально необходимое количество токопроводящих независимых линий, соединяющих энергорадиоблок 12 и управляемые шипы противоскольжения с выдвижными штырями 15, …, 15.
1
N
Управление шипами противоскольжения с выдвижными штырями 15, …, 15 осуществляется следующим образом. На пульте управления 10, путем выбора водителем режима работы шипов противоскольжения (предусматривается вариант автоматического управления на основе использования информации от датчиков круговой скорости колес и рулевого колеса), формируется электрический сигнал, который определяет длительность и полярность подаваемого шипу противоскольжения электрического сигнала. Электрический сигнал управления поступает как минимум на один блок радиоуправления и энергообеспечения 11, который (в случае, когда он один) устанавливается на равном удалении ко всем колесам с управляемыми шипами противоскольжения. Рекомендуемым вариантом является количество блоков радиоуправления и энергообеспечения 11, равное количеству шипованных шин с управляемыми шипами противоскольжения, причем каждый из блоков радиоуправления и энергообеспечения 11 устанавливается на корпусе транспортного средства в непосредственной близости шипованного колеса таким образом, чтобы диаграмма направленности его антенны имела максимум в направлении к антенне 13 энергорадиоблока 12 радиоуправляемой системы шипов противоскольжения 9. Блок радиоуправления и энергообеспечения 11 на основе полученного сигнала с пульта управления 10 формирует цифровой, помехоустойчивый радиосигнал и излучает его в направлении колеса. Энергорадиоблок 12, приняв радиосигнал, декодирует его и вырабатывает электрические посылки - сигналы управления для каждого в отдельности шипа противоскольжения с выдвижным штырем. Длительность электрической посылки и ее полярность определяют степень выдвижения штыря и направление его движения соответственно. В зависимости от количества используемых в колесе шипов противоскольжения, тока потребления их энергопреобразующих устройств электрической энергии в механическую, в шипованной шине может располагаться не одна, а несколько независимых радиоуправляемых систем шипов противоскольжения 9 (на фиг.3 показан пример применения четырех радиоуправляемых систем шипов противоскольжения 9). Энергообеспечение энергорадиоблока 12 радиоуправляемой системы шипов противоскольжения осуществляется на основе энергии поля. Для этого, в энергорадиоблоке 12 имеется накопительный элемент электрической энергии, который подзаряжается на основе применения двух вариантов энергетической подпитки. Первый основан на передаче блоком радиоуправления и энергообеспечения 11 специальных радиосигналов энергетической подпитки, которые принимаются энергорадиоблоком 12, преобразуются в нем в постоянный ток подзарядки. Реализация метода подобна способу энергетического обеспечения в беспроводных системах передачи информации (US 2011/0151789 А1, 2011). Второй вариант также основан на методе беспроводного обеспечения энергопитанием, который заключается в формировании генератора тока (напряжения) для энергорадиоблока 12 путем вращения катушки индуктивности 14, прикрепленной к энергорадиоблоку 12 и вращающейся со скоростью вращения колеса сквозь неподвижное магнитное поле, создаваемое как минимум одним магнитом, закрепленным на поверхности корпуса транспортного средства в непосредственной близости колеса.
дл
1
2
3
Элементы радиоуправляемой системы шипов противоскольжения размещаются в гибком фиксирующем браслете 8 (фиг.3), который изготавливается на резиновой основе с использованием усиливающего материала или сетки 17, обеспечивающих фиксируемому браслету необходимые жесткость и надежность, либо на основе синтетического полиуретана, который имеет: длину l=2πr, равную длине внутренней радиальной поверхности шины вдоль поверхности протектора, где r - радиус внутренней радиальной поверхности шины; ширину d, равную ширине шипуемой поверхности протектора; толщину h, которая определяется размером применяемых элементов радиоуправляемой системы шипов противоскольжения 9 и условием обеспечения необходимой жесткости и надежности их фиксации во всех направлениях. Гибкий фиксирующий браслет имеет продольные канавки глубиной l и шириной l, которые, с одной стороны, создают необходимую гибкость фиксирующему браслету, с другой, - минимизируют его вес, а также выступы шириной l, которые определяются размерами размещаемой в нем радиоуправляемой системой шипов противоскольжения 9. Крепится гибкий фиксирующий браслет к внутренней стороне шины после размещения и закрепления всех элементов радиоуправляемой системы шипов противоскольжения 9 в специальных гнездах путем его вулканизации или приклеивания стороны, с которой выходят штыри шипов, к внутренней стороне шины вдоль поверхности протектора шины.
Управляемый шип противоскольжения с выдвижным штырем (фиг.4, 5) состоит из следующих основных элементов: корпуса шипа 18, энергопреобразующего устройства электрической энергии в механическую энергию 19 и выдвижного штыря 20. В зависимости от реализации шипа противоскольжения, в качестве выдвижного штыря 20 может служить непосредственно выдвигаемый шток энергопреобразующего устройства. Примером служит конструкция управляемого шипа противоскольжения с выдвижным штырем (фиг.4), где в качестве энергопреобразующего устройства используется пьезоэлектродвигатель линейного типа (актуатор). Так как ходовой винт пьезоэлектродвигателя в зависимости от полярности подведенного к нему напряжения, вращаясь в ту или другую стороны, двигается в противоположных направлениях поступательного характера, то его можно использовать в качестве выдвижного штыря 20. Направляющий корпус 21, совместно с втулкой повышенной прочности 22 обеспечивает необходимую осевую устойчивость выдвижному штырю 20, сальник 23 и уплотнительное кольцо 24 (как вариант резиновое или полиуретановое) защищают внутреннюю полость шипа противоскольжения от попадания влаги и грязи, а также обеспечивают сохранность наносимой смазки на трущиеся детали, стопорное кольцо 25 фиксирует энергопреобразующее устройство 19, с помощью выходного штекера 26 ответвленная линия передачи сигналов от многоканальной шины передачи электрических сигналов 16 подключается к энергопреобразующему устройству 19, крышка корпуса 27 повышает площадь опоры шипа противоскольжения в гнезде гибкого фиксирующего браслета 8, наконечник выдвижного штыря 28, закрепленный путем приклеивания, либо каким-либо другим способом, к выдвижному штырю 20 позволяет повысить износоустойчивость выдвижного штыря 20, а также служит своеобразной крышкой, в случае, если имеется отверстие в выдвижном штыре (вариант показан на фиг.4), которое используется при замене наконечника для реализации процедуры смазки штыря. Наконечник выдвижного штыря 28 может изготавливаться из полиуретана.
4
5
4
5
На фиг.5 приведен вариант управляемого шипа противоскольжения с выдвижным штырем, имеющий червячную передачу в системе выдвижения штыря. Такая передача необходима в случае использования в качестве энергопреобразующего устройства 19 микроэлектродвигателя, ротор которого осуществляет только вращательные движения. В этом случае, используется промежуточный вал червячной передачи 29, который являясь ведомым и находясь в соответствующем зацеплении с выдвижным штырем 20, выдвигает и задвигает последний в зависимости от направления вращения. Для фиксации выдвижного штыря относительно вращения ротора энергопреобразующего устройства 19 часть его тела длиной l имеет поперечное сечение в виде эллипса. Аналогичную форму имеет внутренняя поверхность шипа длиной l, которая соответствует максимальному ходу выдвижного штыря 20. В случае, если указанные поверхности, как и внутренние поверхности шипа противоскольжения, имеют радиальную форму, то необходимо, чтобы на выдвижном штыре 20 вдоль длины l имелся выступ, а во внутренней части корпуса 18 по длине l - выемка под этот выступ, что обеспечит фиксирующее положение выдвижного штыря 20 относительно вращения. Для снятия нагрузки выдвижного штыря 20 на ротор энергопреобразующего устройства 19 и обеспечения облегченного вращательного движения промежуточному валу червячной передачи 29 применяется ролевый подшипник 30. Сальник 31 защищает микроэлектродвигатель от попадания внутрь смазки. Остальные элементы шипа противоскольжения имеют подобные функциональные предназначения как для варианта, приведенного на фиг.4.
Структура управляемого шипа противоскольжения с выдвижным штырем может быть упрощена, ограничиваясь корпусом шипа, совмещенным с направляющим корпусом в виде цельной конструкции, энергопреобразующим устройством электрической энергии в механическую и выдвижным штырем. При этом его элементы, за исключением энергопреобразующего устройства, могут быть выполнены из полиуретана высокой твердости по Шору, а на внутренней стороне корпуса шипа предусмотрены уплотнительные зоны (или элементы), обладающие необходимой эластичностью для решения задач фиксации внутренних элементов шипа и защиты его от загрязнения и попадания влаги. Возможны конструктивные изменения шипа противоскольжения с выдвижным штырем, существо которых не выходит за рамки предлагаемого изобретения.
Настоящее изобретение позволяет:
- реализовать высокоскоростное динамическое управление движением штырей шипов противоскольжения, обеспечивающих повышенную эффективность изменения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, на основе применения радиоэлектронной системы управления и устройств преобразования электрической энергии в механическую;
- исключить в системе управления шипами противоскольжения зависимость ее функционирования от атмосферного давления в пневматической камере и тем самым снять ограничение на ее быстродействие;
- использовать систему управления шипами противоскольжения как для пневматической шины, так и не являющейся таковой, например, для колеса, сделанного полностью из синтетического полиуретана.