ШАГАЮЩЕЕ КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ)
VEHICLE WALKING WHEEL (VERSIONS)

Изобретение относится к наземному транспорту и предназначено для использования в конструкции безрельсовых транспортных средств, преимущественно для передвижения по слабонесущему грунту и снегу.
Известно шагающее колесо транспортного средства (патент на изобретение SU №1579796), содержащее ступицу с равномерно установленными по ее окружности четырехзвенными кривошипно-шатунными механизмами, к свободным концам шатунов которых шарнирно присоединены опорные башмаки. Размеры звеньев кривошипно-шатунных механизмов выбраны из условия обеспечения приближенно прямолинейной траектории на участке опоры башмаков на грунт. За счет этого достигается снижение вертикальных колебаний транспортного средства и уменьшение потерь энергии при движении. Однако каждый опорный башмак прикреплен к шатуну одним шарниром и может при движении занимать неопределенно ориентированное положение, при котором возможно утыкание башмака в грунт ребром, что создаст препятствие для дальнейшего перемещения транспортного средства.
Указанного недостатка не имеет движитель транспортного средства Анопченко В.Г. (патент на изобретение SU №1790936), содержащий вал с фланцем, по обе стороны которого установлены поворотно внутренние звенья, связанные между собой и фланцем равноплечим рычагом-сателлитом, установленным своими шаровыми поверхностями в пазу фланца и цилиндрических углублениях внутренних звеньев. На концах указанных звеньев шарнирно закреплены наружные звенья, причем каждое наружное звено, представляющее собой опорный башмак, связано средней частью с тягой, другой конец которой шарнирно соединен с соседним внутренним звеном с образованием шарнирного параллелограмма. Недостатком описанного устройства являются потери энергии на движение, вызванные вертикальными колебаниями транспортного средства, возникающими вследствие того, что на шаговой фазе движения ось вала движителя перемещается не по горизонтальной прямой, а по дуге окружности.
Технической проблемой, решаемой предлагаемым устройством, является снижение затрат энергии на движение транспортного средства по слабонесущим грунтам и снегу при сохранении повышенной проходимости за счет опоры на башмаки.
Для решения указанной технической проблемы предлагается шагающее колесо транспортного средства, в первом варианте содержащее ступицу и четыре опорных башмака, каждый из которых присоединен к ступице отдельной парой шарнирных звеньев. При этом, каждый башмак совместно со ступицей и отдельной парой шарнирных звеньев образуют симметричный прямолинейно-направляющий четырехзвенник, в котором башмак является стойкой, а ступица шатуном, и вершина шатунного треугольника совпадает с точкой оси ступицы. Каждое из двух шарнирных звеньев, соединяющих каждый башмак со ступицей соединено кинематической цепью с зеркально расположенным шарнирным звеном соседнего прямолинейно-направляющего четырехзвенника с передаточным отношением равным минус единице. При этом угол поворота ступицы относительно каждого башмака, соответствующий приближенно прямолинейному участку шатунной кривой, описываемой точкой оси ступицы, составляет не менее 90 градусов.
Во втором варианте шагающее колесо транспортного средства включает ступицу и шесть опорных башмаков, каждый из которых присоединен к ступице отдельной парой шарнирных звеньев. При этом, каждый башмак совместно со ступицей и отдельной парой шарнирных звеньев образуют симметричный прямолинейно-направляющий четырехзвенник, в котором башмак является стойкой, а ступица шатуном, и вершина шатунного треугольника совпадает с точкой оси ступицы. Каждое из двух шарнирных звеньев, соединяющих каждый башмак со ступицей соединено кинематической цепью с зеркально расположенным шарнирным звеном соседнего прямолинейно-направляющего четырехзвенника с передаточным отношением равным минус единице. При этом угол поворота ступицы относительно каждого башмака, соответствующий приближенно прямолинейному участку шатунной кривой, описываемой точкой оси ступицы, составляет не менее 60 градусов.
Оба варианта шагающего колеса транспортного средства обеспечивают достижение одинакового технического результата, который заключается в снижении затрат энергии на движение транспортного средства по слабонесущим грунтам и снегу и повышении комфорта езды.
Варианты отличаются друг от друга количеством опорных башмаков и углом поворота ступицы относительно башмака, соответствующим приближенно прямолинейному участку шатунной кривой, описываемой точкой оси ступицы. В устройстве по первому варианту четыре опорных башмака и указанный угол составляет не менее 90 градусов. Во втором варианте шагающего колеса транспортного средства опорных башмаков шесть и указанный угол поворота ступицы составляет не менее 60 градусов.
Общим признаком предлагаемого устройства в обоих вариантах и аналога по патенту SU №1579796 является применение прямолинейно-направляющих четырехзвенников для получения приближенно прямолинейного участка траектории каждого опорного башмака.
Отличием является то, что в аналоге опорный башмак не является звеном указанного четырехзвенника и присоединен к концу его шатуна одним шарниром. В предлагаемом устройстве каждый башмак присоединен к ступице двумя шарнирными звеньями и является стойкой образованного совместно со ступицей и отдельной парой шарнирных звеньев симметричного прямолинейно-направляющего четырехзвенника, в котором ступица является шатуном.
В прототипе по патенту SU №1790936, как и в обоих вариантах предлагаемого устройства, каждый опорный башмак присоединен двумя шарнирными звеньями и башмаки кинематически связаны в едином механизме, чем достигается их определенно ориентированное положение при контакте с опорной поверхностью.
Отличие состоит в том, что в прототипе каждый опорный башмак совместно с указанными звеньями образует шарнирный параллелограмм, а в предлагаемом устройстве каждый башмак совместно со ступицей и отдельной парой шарнирных звеньев образуют симметричный прямолинейно-направляющий четырехзвенник, в котором опорный башмак является стойкой, а ступица шатуном, и вершина шатунного треугольника совпадает с точкой оси ступицы.
Кроме того, для работоспособности предлагаемого шагающего колеса транспортного средства каждое из двух шарнирных звеньев, соединяющих каждый опорный башмак со ступицей, соединено кинематической цепью с зеркально расположенным шарнирным звеном соседнего симметричного прямолинейно-направляющего четырехзвенника с передаточным отношением равным минус единице, и угол поворота ступицы относительно опорного башмака соответствующий приближенно прямолинейному участку шатунной кривой, описываемой точкой оси ступицы составляет не менее 90 градусов для варианта с четырьмя опорными башмаками и не менее 60 градусов для варианта с шестью опорными башмаками.
В прототипе ось одного из шарниров каждого шарнирного параллелограмма, образованного опорным башмаком, внутренним звеном и тягой совмещена с осью вала движителя. Вследствие этого в шаговой фазе ось вала движителя перемещается не по горизонтальной прямой, а по дуге окружности, что вызывает потери энергии на движение от вертикальных колебаний транспортного средства.
В обоих вариантах шагающего колеса транспортного средства ось ступицы перемещается по приближенно прямолинейному участку шатунных кривых, описываемых точкой оси ступицы относительно соответствующего башмака.
Тем самым достигается снижение потерь энергии на движение за счет уменьшения вертикальных колебаний транспортного средства. Дополнительным техническим результатом является повышение комфорта езды вследствие меньших вертикальных колебаний корпуса транспортного средства.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. На фиг. 1 показан общий вид первого варианта шагающего колеса транспортного средства, а его последовательные положения при движении на фиг. 2, 3, и 4. На фиг. 5 показан общий вид второго варианта предлагаемого устройства, а его последовательные положения при движении на фиг. 6, 7, и 8.
Предлагаемое шагающее колесо транспортного средства по первому варианту (фиг. 1) содержит ступицу 1 и четыре опорных башмака 2, 3, 4, и 5. Опорный башмак 2 присоединен к ступице двумя шарнирными звеньями 6 и 7. Таким же образом башмаки 3, 4, и 5 присоединены к ступице шарнирными звеньями 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13 соответственно. При указанных шарнирных соединениях каждый опорный башмак, например 2, совместно с шарнирными звеньями 6 и 7, и ступицей 1 образуют симметричный прямолинейно-направляющий четырехзвенник ACDBM, в котором опорный башмак 2 является стойкой, а ступица 1 шатуном, и вершина М шатунного треугольника АМВ совпадает с точкой оси ступицы, траекторией которой при повороте ступицы относительно башмака 2 является шатунная кривая 14. Шатунная кривая 14 имеет приближенно-прямолинейный участок 15. Угол поворота ступицы 1 относительно башмака 2, соответствующий приближенно-прямолинейному участку 15 шатунной кривой 14 составляет не менее 90 градусов. Так, при перемещении точки М оси ступицы из точки N в точку Р ступица поворачивается относительно башмака 2 на 90 градусов. Точки N и Р расположены внутри приближенно прямолинейного участка шатунной кривой 14. Размеры звеньев AC, CD, BD, АВ, и расстояние КМ определяются известными методами для симметричных прямолинейно-направляющих четырехзвенников и могут иметь различные соотношения при условии, что угол поворота ступицы 1 составит не менее 90 градусов для приближенно прямолинейного участка 15 шатунной кривой.
В качестве примера, изображенного на фиг. 1, размеры звеньев составляют
AC = BD = 1;
АВ = 2,39;
CD = 0,677;
KM = 1,462
Каждое из двух шарнирных звеньев, соединяющих каждый опорный башмак со ступицей, соединено кинематической цепью с зеркально расположенным шарнирным звеном соседнего прямолинейно-направляющего четырехзвенника с передаточным отношением равным минус единице. Так, шарнирное звено 7 соединено с зеркально расположенным шарнирным звеном 8 соседнего прямолинейно-направляющего четырехзвенника EFSLM с помощью зубчатых секторов 16 и 17 с одинаковыми делительными диаметрами и жестко связанными со звеньями 7 и 8 соответственно. Кинематическая цепь, соединяющая зеркально расположенные звенья 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 6 с передаточным отношением минус единица может быть различной. Кинематическая цепь, состоящая из зубчатых секторов с одинаковым делительным диаметром, жестко связанных с соответствующими шарнирными звеньями, представлена в качестве одного из примеров конкретной конструкции.
Во втором варианте предлагаемое шагающее колесо транспортного средства (фиг. 5) содержит ступицу 18 и шесть опорных башмаков 19, 20, 21, 22, 23 и 24.
Опорный башмак 19 присоединен к ступице двумя шарнирными звеньями 25 и 26. Таким же образом башмаки 20, 21, 22, 23 и 24 присоединены к ступице шарнирными звеньями 27 и 28 и 29 и 30, 31 и 32, 33 и 34, 35 и 36 соответственно. При указанных шарнирных соединениях каждый опорный башмак, например 19, совместно с шарнирными звеньями 25 и 26 и ступицей 18 образуют симметричный прямолинейно-направляющий четырехзвенник XGRZO, в котором опорный башмак 19 является стойкой, а ступица 18 шатуном, и вершина О шатунного треугольника GOR совпадает с точкой оси ступицы, траекторией которой при повороте ступицы относительно башмака 19 является шатунная кривая 37. Шатунная кривая 37 имеет приближенно-прямолинейный участок 38. Угол поворота ступицы 18 относительно башмака 19, соответствующий приближенно-прямолинейному участку 38 шатунной кривой 37 составляет не менее 60 градусов. Так, при перемещении точки О оси ступицы из точки Т в точку W ступица поворачивается относительно башмака 19 на 60 градусов. Точки Т и W расположены внутри приближенно прямолинейного участка 38 шатунной кривой 37. Размеры звеньев XG, GR, RZ, XZ, и расстояние OV определяются известными методами для симметричных прямолинейно-направляющих четырехзвенников и могут иметь различные соотношения при условии, что угол поворота ступицы 18 составит не менее 60 градусов для приближенно прямолинейного участка 38 шатунной кривой.
В качестве примера изображенного на фиг. 5 размеры звеньев составляют
XG = RZ = 1;
GR = 2,627;
XZ = 3,58;
OV = 4,581
Каждое из двух шарнирных звеньев, соединяющих каждый опорный башмак со ступицей, соединено кинематической цепью с зеркально расположенным шарнирным звеном соседнего прямолинейно-направляющего четырехзвенника с передаточным отношением равным минус единице. Так, шарнирное звено 26 соединено с зеркально расположенным шарнирным звеном 27 соседнего прямолинейно-направляющего четырехзвенника YHQUO с помощью ленточной передачи, включающей ролики 39 и 40, жестко связанные со звеньями 26 и 27 соответственно, и ленту 41 прикрепленную к роликам фиксаторами 42. Кинематическая цепь, соединяющая зеркально расположенные звенья 26 и 27, 28 и 29, 30 и 31, 32 и 33, 34 и 35, 36 и 25 с передаточным отношением равном минус единице может быть различной. Кинематическая цепь в виде ленточной передачи, состоящая из ленты 41, соединяющей ролики 39 и 40 одинакового диаметра, жестко связанных с соответствующими шарнирными звеньями, представлена в качестве одного из примеров конкретной конструкции. Вместо ленточной передачи в качестве кинематической цепи с передаточным отношением минус единица может, например, применяться цепная передача с цепью вместо ленты и звездочками с одинаковым числом зубьев вместо роликов.
При движении транспортного средства, снабженного предлагаемыми шагающими колесами, каждое из описанных устройств работает следующем образом. В первом варианте, из исходного положения (фиг. 1) при повороте ступицы 1 относительно башмака 2, точка М оси ступицы перемещается по приближенно прямолинейному участку 15 шатунной кривой 14 до точки Р, проходя промежуточное положение, показанное на фиг. 2. В точку Р шатунной кривой точка М приходит при повороте ступицы 1 на 45 градусов, что показано на фиг. 3. При этом шагающее колесо получает опору о грунт двумя башмаками 2 и 3. Шарнирные звенья 7 и 8, соединены зубчатыми секторами 16 и 17, поэтому башмак 3 вступает в контакт с грунтом в определенно ориентированном положении.
При дальнейшем вращении ступицы (фиг. 4) башмак 2 выходит из контакта с грунтом, и шагающее колесо опирается на башмак 3. Точка М оси ступицы перемещается по приближенно-прямолинейному участку 43 шатунной кривой 44, относящейся к симметричному прямолинейно-направляющему четырехзвеннику EFSLM, в котором стойкой является башмак 3. При дальнейшем вращением оси ступицы шагающее колесо приходит в исходное положение, показанное на фиг. 1, но уже с опорой на башмак 3. Последующее движение происходит аналогично описанному циклу, при этом транспортное средство перемещается с уменьшенными вертикальными колебаниями, определяемыми формой приближенно прямолинейных участков шатунных кривых. За счет этого достигается снижение затрат энергии на движение и повышение комфорта езды по сравнению с прототипом.
При движении транспортного средства, снабженного предлагаемыми шагающими колесами по второму варианту, каждое из описанных устройств работает следующем образом. Из исходного положения (фиг. 5) при повороте ступицы 18 относительно башмака 19, точка О оси ступицы перемещается по приближенно прямолинейному участку 38 шатунной кривой 37 до точки W, проходя промежуточное положение, показанное на фиг. 6. В точку W шатунной кривой точка О приходит при повороте ступицы 18 на 30 градусов, что показано на фиг. 7. При этом шагающее колесо получает опору о грунт двумя башмаками 19 и 20. При повороте шарнирного звена 26 жестко связанный с ним ролик 39, наматывая ленту 41 поворачивает ролик 40 и жестко связанное с ним звено 27 с передаточным отношением равным минус единице. Поэтому башмак 20 вступает в контакт с грунтом в определенно ориентированном положении.
При дальнейшем вращении ступицы (фиг. 8) башмак 19 выходит из контакта с грунтом, и шагающее колесо опирается на башмак 20. Точка О оси ступицы перемещается по приближенно-прямолинейному участку 45 шатунной кривой 46, относящейся к симметричному прямолинейно-направляющему четырехзвеннику YHQUO, в котором стойкой является башмак 20. При дальнейшем вращении ступицы шагающее колесо приходит в исходное положение, показанное на фиг. 5, но уже с опорой на башмак 20. Последующее движение происходит аналогично описанному циклу, при этом транспортное средство перемещается с уменьшенными вертикальными колебаниями, определяемыми формой приближенно прямолинейных участков шатунных кривых. За счет этого достигается снижение затрат энергии на движение и повышение комфорта езды по сравнению с прототипом.