ШАГОВЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE STEP PROPULSOR

Изобретение относится к транспортной технике, точнее к ходовым частям наземных безрельсовых транспортных средств, в частности шаговым движителям, и предназначено, преимущественно, для мобильных технологических средств повышенной проходимости, которые могут быть использованы в условиях бездорожья на грунтах с низкой несущей способностью.
Известны шаговые движители, шаг перемещения транспортного средства (ТС) которыми обеспечивается за счет смены положения опор относительно поверхности перемещения и корпуса ТС по линейной двухкоординатной траектории. Так, в движителе по патенту RU 2068362, 1996 г. алгоритм шагового перемещения включает в себя: линейный подъем/опускание опоры, ее линейное горизонтальное перемещение для возврата опоры в исходное положение относительно корпуса ТС и линейное перемещение корпуса относительно поверхности перемещения с синхронизацией всех этих движений между собой, для чего каждая из опор снабжена закрепленными на ней импульсным механизмом ее подъема в виде силового гидроцилиндра с дополнительной инертной массой и силовым горизонтальным гидроцилиндром в качестве механизма продольного перемещения корпуса ТС с пружиной для возврата опоры в исходное положение относительно корпуса. Такое исполнение утяжеляет и усложняет все устройство в целом.
Движитель ТС по патенту RU 2001817, 1991 г. с аналогичным алгоритмом шагового перемещения конструктивно упрощен, по сравнению с первым аналогом, за счет использования общего для опор приводного механизма в виде коленвала, связанного рядом кинематических звеньев с двигателем ТС, и опоры в нем поочередно переносятся кривошипами коленвала по схеме «вверх-вперед - вниз на грунт». Однако функциональные возможности такого движителя ограничены, т.к. шаг перемещения в нем определяется размерами кривошипа и его увеличение невозможно без значительного увеличения габаритов устройства и ТС.
Известен шаговый движитель ТС (RU 2031040, 1995 г.), в котором устранены недостатки предыдущих аналогов, поскольку изменение относительного положения опор в нем осуществляется по криволинейной траектории путем поочередного переноса опор друг перед другом по дуге окружности. Опоры выполнены в виде колес, установленных с заданным промежутком между собой на концах общего водила, выполненного в виде поворотного коромысла с приводом от двигателя ТС и выполняющего роль механизма перестановки опор в согласованном режиме. Такой движитель имеет большие возможности по расширению диапазона шагов, поскольку величина шага складывается из удвоенной величины длины окружности колеса и расстояния между осями колес. К тому же функции перестановки опор и линейного перемещения кузова ТС в нем совмещены в одном механизме. Однако конструктивно этот механизм выполнен еще достаточно сложным, а использование опор в виде вращающихся колес снижает проходимость ТС на грунтах с низкой несущей способностью, ведет к образованию колеи.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является шаговый движитель (RU 2266842, 2005 г.), содержащий полые опоры, поочередно контактирующие с поверхностью перемещения ТС, и выполненный в виде поворотного водила механизм для изменения относительного положения опор и линейного перемещения борта ТС. В нем для повышения проходимости ТС опоры имеют увеличенную контактную наружную поверхность с прямолинейными и криволинейными участками, а водило образовано закольцованными стенками, расположенными внутри этой полой опоры и повторяющими контур ее наружной поверхности. Водило взаимодействует с обеспечением сцепления прямолинейными горизонтальными и боковыми криволинейными участками своей внутренней поверхности с размещенным внутри него приводным колесом, связанным с силовой установкой ТС.
Наличие точечного контакта опоры с поверхностью перемещения (по аналогии с колесной опорой) снижает уровень проходимости ТС, не исключает вероятности его пробуксовки и нарушения поверхностного слоя грунта. Форма опоры, необходимость соотносить ее габариты, в частности ширину, впрямую с массой ТС и наличие дополнительных пассивных опор для обеспечения устойчивости ТС в момент упомянутого точечного контакта обуславливают завышение габаритов и массы ТС, снижают его мобильность.
Из-за принятого в прототипе конструктивного решения опор и наличия как конструктивной, так и функциональной зависимости водила от опоры в силу размещения водила внутри опоры и их жесткой взаимосвязи между собой схема передачи усилий от силовой установки ТС на поворот водила и, соответственно, работа механизма, чередующего положение опор относительно поверхности перемещения, осуществляется с низким КПД.
Перечисленные недостатки снижают эффективность такого движителя, т.к. приводят к увеличению сопротивления движению и повышению энергозатрат на движение.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание компактного, эффективного и экономичного шагового движителя для ТС повышенной проходимости с малыми приведенными к массе ТС энергозатратами, пригодного для работы с передвижением по поверхностям с низкой несущей способностью, в частности по болотам, пескам, глубокому снежному покрову.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в повышении проходимости за счет снижения удельного давления ТС на поверхность перемещения; в снижении энергозатрат на движение путем снижения сопротивления движению и повышения эффективности механизма чередования опор за счет введения в схему его работы движения качения.
Для достижения технического результата в шаговом движителе ТС, содержащем опоры и механизм чередования их положения относительно поверхности перемещения, выполненный в виде поворотного водила, взаимодействующего с обеспечением сцепления горизонтальными прямолинейными и криволинейными торцевыми участками своей внутренней поверхности с размещенным внутри него приводным колесом, связанным с силовой установкой ТС, согласно изобретению опоры выполнены в виде двух поочередно перекатывающихся друг по другу полукатков, снабженных эластичными башмаками, при этом полукатки установлены на противолежащих концах водила с возможностью свободного осевого поворота и с межцентровым расстоянием, обеспечивающим их взаимодействие между собой, при котором наружная цилиндрическая поверхность одного полукатка, опирающегося в этот момент на поверхность перемещения, служит направляющей для перекатывающегося по нему второго полукатка.
Дополнительные отличия заключаются в том, что:
- межцентровое расстояние криволинейных торцевых участков внутренней поверхности водила выполнено большим межцентрового расстояния установки полукатков;
- полукатки по наружным цилиндрическим поверхностям взаимосвязаны средствами осевой фиксации, например в виде элементов замкового соединения;
- полукатки установлены на водиле с помощью жестко закрепленных на нем осей, с которыми полукатки имеют шарнирную связь;
- сцепление приводного колеса и водила обеспечивается за счет насечки или зубчатого зацепления;
- башмаки полукатков выполнены в виде пневмобаллонов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид предлагаемого движителя (пример); на фиг.2 - то же, в промежуточный момент чередования полукатков; на фиг.3 - то же, по завершении шага движителя; на фиг.4 - разрез АА на фиг.2.
Опора движителя выполнена в виде двух поочередно перекатывающихся друг по другу полукатков 1 и 2 с эластичными башмаками 3 и 4 соответственно, размещенными на горизонтальных участках полукатков, расположенных ниже линии их центров. Механизм чередования положения полукатков 1 и 2 относительно поверхности перемещения выполнен в виде поворотного полого водила 5 и приводного колеса 6, связанного с силовой установкой ТС (на приведенных чертежах не показана) и размещенного внутри водила 5 с обеспечением обкатывания по его внутренней поверхности, образованной горизонтальными прямолинейными участками 7 и боковыми криволинейными участками 8. Контактные поверхности колеса 6 и участков 7 и 8 водила 5 могут быть снабжены элементами, улучшающими сцепление между ними, например, в виде насечки или зубчатого профиля. В частных случаях исполнения устройства в качестве приводного колеса 6 может служить, например, зубчатое колесо, установленное на ведущей оси ТС.
Полукатки 1 и 2 установлены снаружи водила 5 на осях 9, жестко закрепленных на противолежащих концах водила, например, посредством фланцев 10 с расстоянием «Б» между их центрами, обеспечивающим контакт полукатков между собой наружными цилиндрическими поверхностями. С осями 9 полукатки связаны шарнирно, что дает им возможность свободного осевого поворота.
1
2
1
Колесо 6 выполнено с радиусом R, а криволинейные поверхности участков 8 внутренней поверхности водила 5 по торцам водила описаны радиусами R аналогичными радиусу R колеса 6, с центрами, расположенными на расстоянии «В», и при переходе в прямолинейные горизонтальные участки 7 радиусами R, превышающими R, и с центрами, совпадающими с центрами полукатков.
Расстояние «В» превышает расстояние «Б» на величину 2 «е», которая выбирается из условия обеспечения поворота водила 5 под воздействием упирающегося в его торец вращающегося колеса 6 сначала в вертикальное положение, а затем плавно вниз.
Структура эластичных башмаков 3 и 4, их форма, габариты и место расположения горизонтальных участков на полукатках 1 и 2 для их установки, а также габариты самих полукатков определяются конструктивно, исходя из заданных технических параметров и эксплуатационных характеристик ТС. В конкретном примере исполнения (фиг.1) башмаки выполнены в виде пневмобаллонов, равных по длине параметру горизонтального участка полукатка и по ширине - ширине полукатка, при этом их боковые поверхности выполнены по радиусу, равному радиусу полукатков. Возможно и другое выполнение боковых поверхностей башмаков, например в виде скосов и т.п.
Для осевой фиксации полукатков при их перекатывании друг по другу их наружные цилиндрические поверхности выполнены с необходимыми конструктивными элементами из числа известных, например элементами замкового соединения: выступом 11 на одном полукатке и пазом 12 на другом (фиг.4).
Выполнением движителя в виде двух полукатков, опирающихся на грунт своими эластичными башмаками и перекатывающихся друг по другу с помощью водила 5, которое приводится в движение, когда колесо 6, имеющее привод от силовой установки ТС, занимает крайнее торцевое положение внутри водила и заставляет последнее совершить поворот на 180° с переносом башмака одного из полукатков на шаг в направлении движения ТС, достигается:
- перенос опор движителя в режиме шагового качения при минимальных энергозатратах и максимальной эффективности по тяге;
- снижение сопротивления движению машины;
- реализация в работе движителя принципа «слоновьей поступи», при котором периметр контактной площади находящегося во взаимодействии с грунтом эластичного башмака на протяжении цикла является величиной переменной, благодаря чему снижается давление ТС на поверхность перемещения и снижается усилие, необходимое для извлечения башмака полукатка из грунта при преодолении болотистых или подобных им поверхностей, особенно в условиях значительного погружения в грязевом, песчаном или снежном покрове;
- расширение диапазона функциональных возможностей ТС, т.к. движитель может быть использован и в качестве дополнительного съемного на обычных колесных ТС, имеющих либо бортовую раздачу Мкр, либо систему поворота с применением шарнирно-сочлененной рамы;
- расширение функциональных возможностей самого движителя, т.к. при едином конструктивном исполнении он может быть использован и в качестве ведущего движителя ТС, и в качестве ведомого;
- щадящее (без образования колеи) воздействие ТС на поверхность перемещения, позволяющее осуществлять движение и работу технологической мобильной машины без разрушения поверхности слабых грунтов, сводит к минимуму погружение опор движителя в такие грунты;
- плавность хода ТС - в предлагаемом движителе на протяжении шагового цикла перемещения постоянно сохраняется контакт опоры с поверхностью перемещения, т.е. в нем отсутствует присущая прототипу и другим известным аналогам, прерывистость процесса взаимодействия опоры с грунтом (в прототипе - при переходе на криволинейный торец опоры), когда возникают условия для продавливания грунта и буксования машины;
- исключение или, по крайней мере, многократное снижение вероятности пробуксовки ТС;
- конструктивное упрощение устройства.
Работа устройства поясняется на примере исполнения ведущего движителя, приведенном на фиг 1.
В исходном положении оба полукатка 1 и 2 опираются своими башмаками 3 и 4 на поверхность 13 перемещения ТС. Водило 5 при этом расположено вдоль поверхности 13 и колесо 6 находится в одном из торцов водила 5, например в правом, по месту расположения полукатка 2. Для осуществления движения ТС в направлении справа налево колесу 6 от силовой установки ТС передается Мкр. Вращаясь, колесо 6 за счет предусмотренных на нем и на внутренней поверхности водила 5 элементов сцепления перекатывается по участку 7 от правого торца водила к левому, перемещая влево кузов ТС. При этом практически к нулю сводится вероятность буксования машины, т.к. качение приводного колеса происходит по жесткому опорному основанию - горизонтальным прямолинейным участкам 7 водила, а не по поверхности 13. На поверхность 13 машина опирается эластичными башмаками полукатков, причем заложенным конструктивно уровнем эластичности башмаков решается задача преодоления неровностей поверхности 13.
При достижении вращающимся колесом 6 левого криволинейного участка 8 оно упирается в его торец и благодаря наличию эксцентриситета «е» создается момент силы тяжести ТС, стремящийся переместить водило в вертикальное положение. Водило получает движение поворота - его правый торец описывает дугу относительно центра колеса 6 и увлекает установленный на нем полукаток 2, перемещая его на 90° (фиг.2). Полукаток 2, имея возможность поворота вокруг своей оси за счет шарнирного соединения с осью 9, наружной поверхностью перекатывается при этом по поверхности полукатка 1, которая служит ему направляющей. Далее под действием дополнительного момента с плечом «е», создаваемого силой тяжести водила и полукатка 2, происходит дальнейший поворот водила 5 на следующие 90° плавно вниз до тех пор, пока водило 5 и полукаток 2 не займут положение в соответствии с показанным на фиг.3, соответствующее завершению цикла перемещения ТС на шаг. При этом полукаток 2 приходит в исходное положение относительно поверхности 13, на которую теперь опираются оба полукатка, а колесо 6 находится в правом торце водила, но уже по месту расположения полукатка 1. Таким образом, алгоритм цикла включает в себя поворот водила 5 вокруг оси колеса 6 на 180° и поворот полукатка 2 вокруг своей оси на 360°. Затем цикл повторяется с тем же алгоритмом, но теперь полукаток 1 переносится водилом 5 на шаг, перекатываясь по полукатку 2.
Частотой повторения чередующихся циклов задается скорость перемещения ТС.
Смена направления перемещения ТС задается изменением направления вращения колеса 6.
Предлагаемый движитель отличается компактностью и эффективностью работы по сравнению с традиционными колесными и гусеничными движителями.