УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ШИНАХ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к устройствам для регулирования давления воздуха в шинах транспортных средств.
Известно устройство для регулирования давления воздуха в шинах, включающее трубчатую камеру, интегрированную в стенку шины, управляющие клапаны (патент ЕР 2250035, 3.20.02.2009, оп. 17.11.2010). Система использует атмосферный воздух для автоматической подкачки шин во время движения. Работа устройства основана на принципе перистальтических насосов. В то время, как шина вращается и соприкасается с дорожным покрытием, камера действует, как перистальтический насос, накачивая дополнительный воздух, пока не достигается желаемое давление. При удовлетворительном давлении клапан автоматически прекращает подкачку воздуха.
Известное устройство имеет следующие недостатки:
- работа устройства в режиме нагнетания воздуха невозможна без вращения колеса по твердому покрытию или грунту (движение в пробке, тяжелое бездорожье);
- устройство не может создать давление в полностью спущенной шине;
- эффективность устройства сильно зависит от частоты вращения колес и в случае прокола может оказаться недостаточной для продолжения движения;
- интеграция с другими системами транспортного средства будет затруднена, ввиду замедленной реакции на управляющие команды, зависящей от скорости движения транспортного средства;
- питание управляющих клапанов от аккумуляторов внутри шины, делает эксплуатацию системы достаточно сложной, так как их энергопотребление велико и может потребоваться демонтаж колес и шиномонтажные операции для замены источников питания;
- встраивание в шину ограничивает ресурс устройства пробегом шины до предельно допустимого износа протектора, либо до повреждения шины, несовместимого с дальнейшей эксплуатацией;
- в случае, если удастся конструктивно отделить устройство от шины, ее ресурс все равно будет ограничиваться из-за постоянной работы перистальтического насоса во время движения транспортного средства;
- применение новых физических принципов (для транспортного машиностроения), затруднит отработку устройства и его внедрение в массовое производство.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство для регулирования давления воздуха в шинах, включающее электропривод, взаимосвязанный с системой подачи воздуха в шины транспортного средства, системой стравливания воздуха из шины (выложенная заявка JP №4-321405, з. 19.04.1991, оп. 11.11.1992, см. Приложение 1).
Система подачи воздуха в известном устройстве включает кривошипно-шатунный компрессор. Применение кривошипно-шатунного компрессора не позволяет без промежуточных устройств осуществить бесконтактную передачу электроэнергии для питания электродвигателя компрессора. Они усложняют и утяжеляют конструкцию.
Также из недостатков можно отметить недостаточную надежность устройства, быстрый износ, обусловленные преимущественно наличием скользящих щеток для передачи электроэнергии на электропривод компрессора. На щетки попадает грязь, они изнашиваются, вследствие чего источник износа требует обслуживания, чистки, проверки.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции, повышение надежности, уменьшение массы, радикальное повышение ресурса.
Технический результат - полезная модель позволяет реализовать бесконтактную передачу вращающего момента со статора на ротор компрессора, являющийся также управляющим элементом системы стравливания воздуха.
Для решения поставленной задачи в устройстве для регулирования давления воздуха в шинах транспортного средства, содержащем электропривод, взаимосвязанный с исполнительным устройством, которое включает систему подачи воздуха в шину транспортного средства, систему стравливания воздуха из шины транспортного средства, согласно полезной модели система подачи воздуха включает поршневой компрессор, размещенный на колесном диске, а электропривод содержит статор, жестко закрепленный на неподвижном элементе тормозного механизма транспортного средства, и ротор, размещенный на колесе соосно с ним с возможностью вращательного движения в присутствии магнитной связи со статором, при этом исполнительное устройство выполнено с возможностью обеспечения взаимодействия ротора с системой стравливания воздуха при выборе режима стравливания воздуха, и возможностью обеспечения взаимодействия ротора с поршневым компрессором системы подачи воздуха при выборе режима подачи воздуха.
В случае дисковых тормозов в качестве неподвижного элемента используют тормозной суппорт.
В случае барабанных тормозов в качестве неподвижного элемента используют тормозной щит.
В качестве поршневого компрессора используют аксиально-поршневой компрессор.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено устройство для регулирования давления воздуха в шинах транспортного средства, расположение узлов исполнительного устройства и электропривода (колесо изображено полупрозрачным)
На фиг. 2, то же, состав исполнительного устройства и электропривода
На фиг. 3, то же, устройство исполнительного устройства и электропривода.
На фиг. 4, то же, устройство исполнительного устройства и электропривода (разрез).
На фиг. 5, то же, устройство исполнительного устройства и электропривода (крышка исполнительного устройства изображена полупрозрачной).
На фиг. 6, то же, устройство системы стравливания воздуха (корпус изображен полупрозрачным).
На фиг. 7, то же, поршневая группа.
На фиг. 8, то же, компоновка агрегатов исполнительного устройства и электропривода в рабочем положении (установленное колесо и элементы ходовой части автомобиля не показаны).
На фиг. 9 - то же, устройство воздушных каналов (блок цилиндров и корпус датчика давления показаны полупрозрачными).
На фиг. 10 - то же, элементы исполнительного устройства, образующие коллектор, вид снаружи..
На фиг. 11 - то же, элементы исполнительного устройства, образующие коллектор, вид изнутри.
На фиг. 12 - то же, ротор-эксцентрик в сборе с подшипниками (вид со стороны эксцентрикового механизма).
На фиг. 13 - то же, ротор-эксцентрик в сборе с подшипниками (вид со стороны храпового зацепления).
На фиг. 14 - то же, крепление компонентов электропривода к элементам ходовой части автомобиля.
На фиг. 15 - то же, крепление компонентов электропривода к элементам ходовой части автомобиля (электропривод в сборе).
На фиг. 16 - то же, крепление подвижной части исполнительного устройства на установочном фланце колеса из легкого сплава.
На фиг. 17 - то же, установка колеса со смонтированными в нем агрегатами исполнительного устройства на штатное место (штампованное стальное колесо).
На фиг. 18 представлена схема работы механизма стравливания воздуха из шины транспортного средства.
Далее представлен пример конкретного выполнения заявляемого устройства при размещении его на транспортном средстве, оборудованном дисковой тормозной системой.
Устройство для регулирования давления воздуха в шинах 1 транспортного средства содержит блок контроля и управления, электропривод, включающий ротор 2 и статор 3, исполнительное устройство, которое включает систему подачи воздуха в шину 1 транспортного средства, систему стравливания воздуха из шины, устройство измерения давления.
Система подачи воздуха содержит аксиально-поршневой компрессор 4, размещенный на колесе транспортного средства с креплением на колесном диске 5. Аксиально-поршневой компрессор 4 включает блок цилиндров 6, поршневые группы 7, нагнетательные клапаны 8 с пружинами 9, рычаги 10 привода поршня 11 с пальцами 12.1, ротор 2, выполненный в виде ротора-эксцентрика со сверхтонкими подшипниками 13 и 14, водило 15 и вспомогательные элементы, такие как кронштейны 16, штифты 17, кожух 18, крышка 19.
Блок цилиндров 6 представляет собой единую деталь, выполненную из легкого сплава. В блоке 6 выполнены цилиндры 20 для установки в них поршневой группы 7, аксиальные 21 и круговые 22 каналы для формирования воздушного коллектора, отверстия и вырезы для монтажа нагнетательных клапанов 8, пневматических золотников 23.1 и механизмов стравливания 24 системы стравливания, вспомогательных элементов, прохода воздуха и крепления аксиально-поршневого компрессора 4 к колесному диску 5 транспортного средства. Количество цилиндров 20, отверстий, вырезов, равно или кратно (в зависимости от назначения) количеству крепежных болтов (шпилек) колеса ТС.
Поршневая группа 7 предназначена для всасывания отфильтрованного воздуха в рабочую камеру цилиндра 20 его сжатия и подачи под давлением через нагнетательные клапаны 8 в полость воздушного коллектора. В ее состав входят: поршень 11 из легкого сплава с канавками для установки поршневых колец 25, полостью для закладки пластичной смазки на наружной поверхности юбки, центральным каналом для прохода воздуха и установки гидрофобного воздушного фильтра 26 и полиуретанового впускного клапана 27, стальные поршневые кольца 25 для уплотнения рабочей камеры, полиуретановый впускной клапан 27, установленный в днище поршня 11 для всасывания отфильтрованного воздуха в цилиндр 20, упругая резиновая диафрагма 28 для крепления впускного клапана 27, гидрофобный воздушный фильтр 26 дополнительной очистки, установленный во внутреннем сквозном канале поршня 11, сдвоенный шток 29, предназначенный для передачи усилия от рычага 10 к поршню 11 с помощью поршневого пальца 12.2. Поршневой палец 12.2 служит для преобразования качательного движения рычага 10 в возвратно-поступательное движение штока 29, а соответственно и всей поршневой группы 7.
Нагнетательный клапан 8 из полиуретана, установленный в коническом отверстии головки цилиндра 20 со стальной пружиной 9, служит для пропускания сжатого воздуха из полости цилиндра 20 в полость воздушного коллектора и для исключения его перетекания в обратном направлении.
Рычаг 10 привода поршня 11, установленный в торцевой части цилиндра 20 посредством кронштейнов 16, служит для преобразования с помощью пальцев 12.1 и 12.2, плоскопараллельного движения водила 15 в возвратно-поступательное движение поршневой группы 7.
Водило 15, установленное посредством подшипника 14 внутри ротора-эксцентрика 2, с необходимым эксцентриситетом, служит для преобразования вращательного движения ротора-эксцентрика 2 в качательное движение рычага 10. Форма водила 15 обусловлена необходимостью избежания контакта с крепежными болтами (шпильками) колеса и заклинивания механизма.
Ротор-эксцентрик 2, установленный посредством подшипника 13 в блоке цилиндров 6, служит для преобразования энергии вращающегося магнитного поля статора 3 в механическую энергию вращения и далее в плоскопараллельное движение водила 15.
Система стравливания воздуха включает в себя храповое колесо 30, выполненное на торцевой поверхности ротора-эксцентрика 2 со стороны главного подшипника, механизмы стравливания 24, установленные в специальных гнездах блока цилиндров 6, по одному на каждый цилиндр 20, стандартные пневматические золотники 23.1, установленные в аксиальных каналах 21, являющихся продолжением посадочных гнезд механизмов стравливания 24.
Механизм стравливания 24 воздуха представляет собой модульное устройство, устанавливаемое в специальное гнездо блока цилиндров 6 и выполняющее три функции: свободный пропуск храпового колеса 30 ротора-эксцентрика 2 при работе исполнительного устройства в режиме подачи сжатого воздуха в шину 1, блокировка храпового колеса 30 ротора-эксцентрика 2 при работе исполнительного устройства в режиме стравливания, передача усилия от храпового колеса 30 на шток пневматического золотника 23.1 системы стравливания для его открывания и выпуска сжатого воздуха из полости воздушного коллектора. Механизм стравливания 24 имеет П-образный корпус 31 с отверстиями для пропуска штока золотника 23.1, установки оси 32 рокера 33 и установочного винта 34. На оси 32, запрессованной в корпусе 31, одним концом подвешен с возможностью поворота рокер 33 специальной формы. Другим концом рокер 33, посредством оси 35, соединяется с подпружиненной собачкой 36 храпового механизма, образованного храповым колесом 30 и самой собачкой 36. Рабочее положение механизма стравливания обеспечивается упором рокера в стенку блока цилиндров, упругостью пружины штока золотника 23.1, а также избыточным давлением сжатого воздуха в полости воздушного коллектора.
Устройство измерения давления воздуха в полости воздушного коллектора состоит из вентиля 37 с внутренней и наружной резьбой, установленного и приваренного (припаянного) к отверстию в воздушном коллекторе, стандартного пневматического золотника 23.2, ввинченного вовнутрь вентиля 37, датчика давления 38 со встроенными транспондером и антенной системы радиочастотной идентификации.
Устройством, которое объединяет вышеперечисленные, и которое является их неотъемлемой частью, является воздушный коллектор.
Воздушный коллектор образуется аксиальными 21 и круговыми 22 каналами, выполненными в блоке цилиндров 6, колпаками 40 цилиндров 20, нагнетательными клапанами 8, заглушками 41 круговых каналов 22, вентилем 37 и золотником 23.2 устройства измерения давления, штуцером 42 подачи (стравливания) воздуха, золотниками 23.1 механизмов стравливания воздуха.
Коллектор, с помощью штуцера 42 и трубопровода 43 (шланга), соединен с внутренней полостью шины 1.
Для работы исполнительного устройства в любом из перечисленных режимов необходим электрический привод.
Неподвижная часть электропривода представляет собой блок статора 3 короткозамкнутого асинхронного электродвигателя, имеющий собственный корпус 44 из легкого сплава, герметичную крышку 45 из диэлектрического материала со встроенной кольцевой антенной 39 системы радиочастотной идентификации и единый электрический разъем 46 для подключения к бортовой сети транспортного средства. Блок статора 3 крепят болтами (шпильками) на неподвижном элементе тормозного механизма 47 транспортного средства.
В случае дисковых тормозов в качестве неподвижного элемента используют тормозной механизм 47.
В случае барабанных тормозов в качестве неподвижного элемента используют тормозной щит, на котором размещают специальный кронштейн в виде скобы, одним плечом крепящийся к тормозному щиту (на чертежах не показаны), а на другом плече закрепляют статор 3 электродвигателя.
Подвижной частью электрического привода является вышеописанный ротор-эксцентрик 2, конструктивно выполненный как якорь короткозамкнутого асинхронного электродвигателя.
Ротор-эксцентрик 2 с храповым колесом 30 размещен в блоке аксиально-поршневого компрессора 4 на колесе с креплением на колесном диске 5.
При установке колеса транспортного средства на штатное место, ротор-эксцентрик 2 и статор 3 образуют короткозамкнутый асинхронный электродвигатель, а датчик давления оказывается на расстоянии менее 10 мм от кольцевой антенны 39 системы радиочастотной идентификации.
Заявляемое устройство также включает электронный блок контроля и управления, включающий считыватель системы радиочастотной идентификации, силовой контроллер электропривода для каждого колеса.
Устройство для регулирования давления воздуха в шинах работает следующим образом.
Устройство для регулирования давления воздуха в шинах устанавливают на каждое колесо транспортного средства. При подаче электропитания в бортовую сеть транспортного средства (включение "зажигания"), электронный блок контроля и управления давлением в шинах 1 с помощью считывателя системы радиочастотной идентификации (RFID-ридера) и соединенных с ним кабелями антенн 39, начинает опрос датчиков давления воздуха с активными или пассивными RFID-транспондерами, установленных в исполнительных устройствах и определяет значения давления воздуха в каждом колесе транспортного средства (исключая запасные). В случае, если эти значения отличаются от заданных в какую-либо сторону на величину, большую допустимой, электронный блок контроля и управления давлением формирует и передает по сигнальному кабелю команды для силовых контроллеров электроприводов исполнительного устройства на увеличение или уменьшение давления в шинах 1 соответствующих колес. Контроллеры имеют также подключение к бортовой электросети транспортного средства с помощью силовых кабелей и выполняют функцию преобразования постоянного тока от генератора (аккумулятора) - в переменный трехфазный, требующейся мощности. Получив соответствующие команды, силовые контроллеры электроприводов подают переменный трехфазный ток необходимой фазировки на статоры 3 электроприводов для запуска роторов 2. Для стравливания воздуха из шины, ротор-эксцентрик 2 должен вращаться вперед по направлению движения транспортного средства, а для подачи сжатого воздуха в шину 1 - в противоположном направлении. Так как процесс опроса датчиков давления воздуха продолжается все время работы системы, с частотой несколько раз в секунду, то при достижении заданных значений давления воздуха в шинах 1, подается команда на отключение исполнительного устройства.
При возникновении необходимости изменения давления в шине 1 транспортного средства, на статор 3 электропривода подается переменный трехфазный ток, фазировка которого зависит от выполняемой исполнительным устройством команды.
Рассмотрим вначале выполнение команды на увеличение давления воздуха в шине 1.
Переменный трехфазный ток, подаваемый соответствующим силовым контроллером на обмотки статора 3 электропривода, возбуждает вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь пересекает короткозамкнутые обмотки ротора-эксцентрика 2 (на чертежах не показаны) и приводит его во вращение с частотой, немного меньшей чем частота вращения поля (асинхронный электродвигатель). Так как направление вращения поля противоположно направлению вращения колес в случае движения транспортного средства вперед, то ротор-эксцентрик 2 всегда будет вращаться относительно блока цилиндров 6. Механизм стравливания 24 не препятствует вращению ротора-эксцентрика 2 (работа механизма стравливания 24 будет описана ниже). Эксцентрично соединенное с ротором-эксцентриком 2 через подшипник 14, водило 15 начинает совершать круговое плоскопараллельное движение вокруг оси ротора-эксцентрика 2. При этом, задняя поверхность водила 15 скользит по поверхности крышки 19 исполнительного устройства, для предотвращения осевого перемещения водила 15 под действием сил реакции рычагов 10. От вращения водило 15 удерживают пальцы 12.1, вставленные в его проушины и скользящие в пазах рычагов 10. Через пальцы 12.1, плоскопараллельное движение водила 15 преобразуется в качательное движение рычагов 10, которое, в свою очередь, преобразуется с помощью пальцев 12.2 в возвратно-поступательное движение поршней 11, всасывающих через главный фильтр (на чертеже не показан), фильтры поршней 26 и впускной клапан 27, размещенные внутри поршня 11, сжимающих и подающих сжатый воздух через нагнетательный клапан 8 в полость под колпаком 40. Данная полость с помощью аксиальных 21 и круговых 22 каналов соединена с такими же полостями остальных цилиндров 20, с вентилем 37 датчика давления 38 воздуха, соединительным штуцером 42 и золотниками 23.1 системы стравливания воздуха. Таким образом, все эти каналы и полости, образуют единый воздушный коллектор. Так как коллектор, с помощью штуцера 42 и трубопровода (шланга) 43, соединен с внутренней полостью шины 1, то давление в них быстро выравнивается. Небольшой перепад давлений между коллектором и шиной 1, возникающий при работе аксиально-поршневого компрессора 4 и зависящий от гидравлического сопротивления штуцеров 42, трубопровода 43 и другой арматуры, может быть учтен программным способом в блоке контроля и управления. Результатом работы исполнительного устройства является повышение давления в шине 1 транспортного средства до момента отключения электропривода.
Рассмотрим теперь выполнение команды на уменьшение давления воздуха в шине 1.
Вращающееся магнитное поле статора 3 начинает проворачивать ротор-эксцентрик 2 в направлении, совпадающем с направлением вращения колес в случае движения транспортного средства вперед, однако благодаря выполненному на роторе-эксцентрике 2, со стороны главного подшипника 13, храповому колесу 30, происходит его зацепление с собачкой 36 одного из механизмов стравливания 24. В результате этого блокируется движение ротора-эксцентрика 2 относительно блока цилиндров 6 и предотвращается нагнетание воздуха в шину 1. Далее ротор-эксцентрик 2 может вращаться только синхронно с колесом транспортного средства. Так как магнитное поле статора 3 продолжает вращаться с номинальной частотой ~ 3000 об/мин, что значительно больше частоты вращения колес, даже самых быстроходных транспортных средств, вращающий момент поля заставляет храповое колесо 30 ротора-эксцентрика 2 надавить на связанный с собачкой 36 рокер 33. Рокер 33 утапливает шток золотника 23.1, который открываясь, выпускает сжатый воздух из полости коллектора в полость привода и далее в атмосферу. После того, как значение давления в шине 1 достигает заданного, необходимо закрыть золотник 23.1 системы стравливания. Однако, сопротивление вращению ротора-эксцентрика 2 из-за трения поршней 11 и других деталей, может оказаться больше, чем будет способна преодолеть пружина золотника 23.1. Поэтому, для завершения процесса стравливания воздуха, может потребоваться подача кратковременного импульса переменного трехфазного тока для реверсирования ротора-эксцентрика 2, освобождения штока золотника 23.1 и его закрытия.
Работа исполнительного устройства возможна при любых режимах движения, на любых скоростях, а также при стоянке транспортного средства.
Количество выступов на храповом колесе 30 ротора-эксцентрика 2, должно быть всегда на один меньше, чем количество механизмов стравливания 24, и соответственно, цилиндров 20 аксиально-поршневого компрессора 4. Это гарантирует срабатывание в режиме стравливания воздуха, только одного механизма стравливания 24, для предотвращения быстрого падения давления в шине 1. Кроме этого, такая конструкция обеспечивает надежность срабатывания исполнительного устройства в случае заклинивания штока золотника 23.1. Если это происходит, система отрабатывает команду на реверсирование ротора-эксцентрика 2 и затем повторяет попытку включения режима стравливания воздуха. В этом случае вероятность включения исправного механизма стравливания 24 весьма высока и возрастает с увеличением количества цилиндров 20 аксиально-поршневого компрессора 4 исполнительного устройства. Количество цилиндров 20 аксиально-поршневого компрессора 4 исполнительного устройства зависит от количества крепежных болтов (шпилек) колеса, и может варьироваться от трех до десяти в зависимости от конструкции транспортного средства. В представленной заявке показано исполнительное устройство с четырьмя цилиндрами 20 и соответственно четырьмя крепежными болтами. Теоретически, количество цилиндров 20 может быть любым, однако увеличение его выше десяти экономически нецелесообразно так как ведет к непропорциональному увеличению массогабаритных параметров исполнительного устройства и соответствующему увеличению стоимости.
В случае интеграции заявляемого устройства в шинах с другими системами транспортного средства, возможно оперативное изменение заданных значений давления, в зависимости от условий и режимов движения транспортного средства (движение по рыхлому песку, снегу, щебню и т.д.). Кроме этого, возможно принудительное изменение этих значений по команде водителя (оператора) для различных целей (изменение загрузки транспортного средства, увеличение клиренса, уменьшение высоты транспортного средства и т.д.).
Полезная модель позволяет упростить конструкцию, повысить надежность устройства для регулирования воздуха в шинах транспортного средства, уменьшить его массу, радикально повысить ресурс.