Трансформируемое ведущее колесо безэкипажного транспортного средства
TRANSFORMABLE DRIVING WHEEL OF UNMANNED VEHICLE

Изобретение относится к области наземных и космических транспортных средств высокой и повышенной проходимости и, одновременно, к устройствам специального назначения для экскавации грунтов (взятия образцов грунта), конкретно к многофункциональным устройствам - колесам с расширенным функциональным назначением и к грунтозаборным устройствам.
В области строительства и гидромелиорации известно применение экскаваторов и других землеройных машин. Наиболее распространены самоходные гусеничные или колесные экскаваторы с манипулятором («гидрорукой») ковшового или челюстевидного типов.
Под углом зрения заявляемого изобретения, в их числе интерес, как один из аналогов, представляет грунтозаборное устройство, содержащее цилиндрический бункер с окном в верхней части, посаженный на него ротор с бездонными ковшами и трубопровод, соединяющий цилиндрический бункер с насосом, при этом оно снабжено крыльчаткой с лопатками, длина которых соизмерима с длиной цилиндрического бункера, установленной внутри последнего, а трубопровод выполнен в виде двух Г-образных труб, примыкающих к противоположным торцам цилиндрического бункера и расположенных на общей оси, и одна из труб соединена с насосом для подачи чистой воды в цилиндрический бункер, а другая - с пульпопроводом для подачи в него гидросмеси из цилиндрического бункера [RU 2232233, E02F 3/92, 10.07.2004].
Однако устройство, хотя и не ограничено одной функцией (забор плюс погрузка плюс транспортировка грунта), но является специализированным навесным грунтозаборником и не относится к ходовой части (тем более к движителю) транспортного средства - носителя этой землеройной машины. При этом цилиндрический бункер (ротор плюс грунтоприемник) - нетрансформируемый, а его бездонные ковши закреплены в неизменном рабочем положении. Этот аналог отнесен к средствам гидромеханизации, в частности к устройствам для разработки грунтов под водой с последующим транспортированием их на дневную поверхность. Задачей его создания стало получение конструкции грунтозаборного устройства, которое позволит работать на глубинах более 10 метров, значительно снизить затраты на ремонт и устранить необходимость в затратах времени на замену подносившихся насосов.
Ближе по своему назначению к заявляемому устройству находятся робототехнические (с дистанционной и автоматической компонентами управления) космические комплексы, в частности - автоматическая межпланетная станция с навесным специализированным грунтозаборным (в научных целях) устройством и подвижные лаборатории «Луноход-1», «Луноход-2» с навесными специализированными лопастным штампами для исследования физико-механических свойств грунта на месте, при этом Луноходы имели полноприводные колесные шасси, колеса которых нетрансформируемы и конструктивно, равно как и функционально, не были объединены с грунтозаборным устройством/пенетрометром [За лунным камнем. Луноходы // Интернет-ресурс: // www.telenir.net/nauchnaja_literatura_prochee/kosmicheskie_apparaty_issleduyut_lunu/p 4.php. - Рис. 7, 8; Автоматические межпланетные станции // Интернет-ресурс: http://www.kosmos4you. ru/texnika/avtomaticheskie-mezhplanetnye-stancii/issledovaniya-luny.html].
Конструкции колесных, колесно-шагающих и прыжковых движителей экстремальных роботов, главным образом планетоходов, весьма многообразны, но представлены в расширенном функциональном исполнении лишь как комбинации «ведущее колесо - ведомое колесо плюс метрологическая база для замера тягово-динамических свойств плюс радиатор плюс размещение приводов, научной аппаратуры и радиоизотопного источника энергии в полости колеса» [Покорители других планет // Интернет-ресурс: http://bashny.net/altair/2015/01/29/ pokoriteli-drugih-planet-25-foto.html].
Еще более близким аналогом заявляемого устройства можно назвать устройство полноприводного колесно-шагающего шасси планетохода с грунтозаборным (опять же в научных целях) устройством «совкового» типа, встроенным в донную часть корпуса/рамы шасси, с возможностью экскавации грунта «совком» при перемещении шасси за счет ведущих колес при уменьшенном до минимума (поворотом балансиров колес) клиренсе [RU 2022859, D62D 57/00, 15.11.1994, фиг. 4].
В нем колеса и грунтозаборное устройство уже находятся в функциональной взаимосвязи («совок» срезает и забирает грунт только «с подачи» и за счет двухплоскостного движения колесно-шагающего движителя, включая качение колеса по опорной поверхности грунта). Однако конструктивно эти устройства разделены и являются самостоятельными навесными устройствами в составе планетохода. Во всяком случае, подвижность планетохода не зависит от грунтозаборного устройства (в транспортном положении), если не считать вполне естественного некоторого ухудшения массогабаритных показателей планетохода при оснащении его грунтозаборным устройством. Сохраняющаяся специализация устройств обусловливает недоиспользование преимуществ конструктивно-функционального совмещения.
В то же время, известно трансформируемое ведущее колесо безэкипажного транспортного средства («колесо с изменяемым диаметром»), образованное раздвижными, за счет реверсивного силового привода, сегментами - опорными элементами колеса [SU 929467, В60В 19/00, 1982]. В нем выдвижение опорных элементов, связанных с подвижными звеньями указанного привода изменения геометрии колеса, не сопровождается разрывом окружности качения колеса. Благодаря наличию сегментированной эластичной оболочки и подбору кинематики с геометрией устройства сохраняется изолированность внутреннего объема колеса от окружающей среды. При этом колесо однофункционально, если не относить к дополнительной функции роль пары соосных колес как средства регулирования (стабилизации) положения корпуса транспортного средства в пространстве. В то же время оно интересно, под углом зрения заявляемого изобретения, встроенным чисто механическим приводом изменения геометрии колеса.
Известно также трансформируемое ведущее колесо безэкипажного транспортного средства («колесо переменного диаметра»), образованное раздвижными, за счет реверсивного силового привода, сегментами - опорными элементами колеса [US 3802743, В60В 19/04, В60В 25/02, 1974]. В нем выдвижение опорных элементов, связанных с подвижными звеньями указанного привода изменения геометрии колеса, сопровождается разрывом окружности качения колеса. Колесо, за счет этого, также однофункционально, если не относить к дополнительной его роль как средства повышения проходимости в тяжелых дорожных условиях (в условиях бездорожья). При этом благодаря наличию сплошной эластичной оболочки также (как у предыдущего аналога) сохраняется изолированность внутреннего объема колеса от окружающей среды, причем в большей степени. Устройство интересно, под углом зрения заявляемого изобретения, как возможностью повышения проходимости, так и компактным приводом изменения геометрии.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом) является трансформируемое ведущее колесо безэкипажного транспортного средства, образованное раздвижными, за счет реверсивного силового привода, сегментами [SU 525566, В60В 19/00, 1975].
В нем выдвижение опорных элементов, связанных с подвижными звеньями указанного привода изменения геометрии колеса, сопровождается разрывом окружности качения колеса. Благодаря этому колесо может работать в двух режимах на выбор: качения на твердых ровных поверхностях или шагания по твердой неровной поверхности или на грунтах с низкой несущей способностью.
Однако технико-эксплуатационные возможности прототипа ограничены лишь функциями колесного движителя транспортного средства. Оно, равно как и все выявленные аналоги, не обладает свойством использования в качестве грунтозаборного устройства. Из-за отсутствия такого функционального совмещения потребность в грунтозаборе посредством научных самоходных роботизированных или дистанционно управляемых лабораторий (в том числе планетоходов) приходится реализовывать в виде специализированных грунтозаборных устройств, например манипуляторов.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение технико-эксплуатационных возможностей многоопорных транспортных средств, преимущественно дистанционно или автоматически управляемых безэкипажных машин (наземных роботов и планетоходов), путем придания колесу дополнительных функций грунтозаборного (как правило, в научных целях) устройства.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в трансформируемом ведущем колесе безэкипажного транспортного средства, образованном раздвижными, за счет реверсивного силового привода, сегментами, по меньшей мере один из сегментов выполнен с асимметричной тыльной криволинейной, по крайней мере в продольном сечении колеса, выемкой с плавным убыванием его высоты до величины, близкой к нулю, - заострением, установлен толстой частью на периферийном поперечном шарнире, а удаленной от шарнира тонкой частью соединен с подвижным звеном упомянутого силового привода с возможностью челюстеобразного раскрытия сегментов, внедрения подвижного сегмента заострением в грунт и забора последнего в грунтозаборную полость, образованную тыльными поверхностями сегментов.
Технический результат достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- выемка заостренного сегмента может быть выполнена вогнутой в поперечном сечении колеса (это увеличивает объем грунтозаборной полости, а главное - способствует устойчивости движения забираемого в нее грунта и его сохранности на подвижном сегменте как его опоре);
- с тыльной стороны другого сегмента, оппозитного и/или смежного по отношению к подвижному заостренному сегменту, обращенной к указанной выемке, может быть предусмотрена дополнительная выемка, увеличивающая объем грунтозаборной полости (это не только увеличивает объем грунтозаборной полости примерно на 40-50%, но и облегчает конструкцию);
- при любой из трех последних совокупностей существенных признаков заостренный сегмент может быть установлен с ориентацией сужения-заострения в направлении, противоположном направлению вращения колеса при движении транспортного средства передним ходом, и может быть предусмотрена возможность активного вращения колеса также в противоположную сторону (это существенно облегчает условия работы привода раздвижения сегментов и способствует более надежной изоляции грунтозаборной полости от окружающей колесо среды, а также осуществлению режима «активное колесо»);
- колесо может быть снабжено опорными боковыми несегментированными дисками-щеками диаметром не менее диаметра описанной сегментированной части, ограничивающими грунтозаборную полость с боков, с возможностью качения колеса ими по грунту (это позволяет существенно увеличить количество забираемого в полость грунта и обеспечить его сохранность при доставке к месту назначения);
- боковые диски-щеки колеса могут быть снабжены упругими шинами, диаметр которых превышает диаметр сегментированной средней части колеса, но меньше величины выноса заостренного сегмента (это повышает плавность хода транспортного средства на твердых грунтах);
- колесо может быть выполнено убирающимся, например подъемным, в нерабочее положение за счет управляемой подвески колеса (это дополнительно расширяет возможности выборочного использования устройства как в различных подрежимах, так и режимах - колесном или грунтозаборном на этапах и забора грунта и его доставки к месту назначения).
Среди известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время именно за счет последней достигается новый технический результат.
Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенном ниже примере реализации (вариант с двухсегментной конструкцией) и иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
К1
на фиг. 1 - схематическое изображение устройства (вариант с возможностью подъема в нерабочее положение) в режиме колеса транспортного средства в исходном состоянии на ровной твердой опорной поверхности (движение слева направо), продольный разрез сегментированной части, где R - переменный радиус кривизны профиля выемки в подвижном секторе; h - переменная высота подвижного сегмента; α - угол установки балансира подвески устройства (колеса-грунтозаборника); М - крутящий момент, подводимый к устройству в колесном режиме; V - скорость движения оси колеса и транспортного средства в целом;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, где r - радиус кривизны выемки подвижного сегмента в поперечной плоскости колеса;
на фиг. 3 - схематическое изображение устройства, вариант с обрезиненными боковыми дисками-щеками, вид спереди;
К2
на фиг. 4 - схематическое изображение устройства (с выдвинутым подвижным сегментом) в режиме ведущего колеса транспортного средства на мягких грунтах с низким сцеплением поверхности (движение справа налево или слева направо), продольный разрез сегментированной части, где М - крутящий момент, подводимый к устройству в режиме грунтозаборника;
Г
на фиг. 5 - схематическое изображение устройства (с вдвигаемым из выдвинутого в исходное состояние подвижным сегментом вместе с забранным грунтом) в режиме ведущего грунтозаборного устройства на транспортном средстве на мягких или сыпучих грунтах (транспортное средство неподвижно или движется вправо за счет остальных колес - спереди и/или сзади - при заторможенном трансформируемом колесе), продольный разрез сегментированной части, где М - крутящий момент, подводимый к устройству в режиме грунтозаборника;
на фиг. 6 - схема транспортного средства в варианте с подъемными соосными колесами-грунтозаборниками, вид сбоку.
Трансформируемое ведущее колесо 1 безэкипажного транспортного средства 2 (см. фиг. 6) образовано (см. фиг. 1, 4, 5) раздвижными, за счет реверсивного силового привода 3 (например, гидравлического, электрического или электромеханического типа, в частности линейного актуатора), 180-градусными (в данном простейшем примере) сегментами 4 и 5 (см. фиг. 1, 2, 4, 5).
Сегмент 4 неподвижен (жестко установлен на оси 6 колеса 1).
max
Сегмент 5 ограниченно подвижен - выполнен с асимметричной тыльной криволинейной, по крайней мере в продольном сечении колеса, выемкой 7 с плавным убыванием его высоты h до величины, близкой к нулю, - заострения, установлен «толстой» (с максимальной высотой h) частью на периферийном поперечном шарнире 8, а удаленной от шарнира 8 «тонкой» (с меньшей высотой h) частью соединен с подвижным звеном 9 силового привода 3 с возможностью челюстеобразного раскрытия сегментов 4-5, внедрения подвижного сегмента 5 заострением в грунт 10 и забора порции 11 последнего в грунтозаборную полость (пространство) 12, образованную тыльными поверхностями сегментов 4, 5.
Далее описываются частные варианты заявляемого устройства, характеризующиеся дополнительными, зависимыми от основных совокупностями конструктивных признаков.
Выемка заостренного сегмента 5 выполнена вогнутой в поперечном сечении колеса 1 (см. фиг. 2).
С тыльной стороны другого (неподвижного) сегмента 4, оппозитного и/или смежного (при двухсегментном колесе, как в данном примере, сегменты 4 и 5 являются и оппозитными, и смежными одновременно) по отношению к сегменту 5, обращенной к выемке 7, предусмотрена дополнительная выемка 13, увеличивающая объем грунтозаборной полости (пространства) 12.
Заостренный сегмент 5 установлен с ориентацией сужения-заострения в направлении, противоположном направлению вращения колеса при движении транспортного средства передним ходом (см. фиг. 1). В то же время предусмотрена возможность активного вращения колеса также в противоположную сторону (в обеспечение как ведущего колесного режима для движения транспортного средства задним ходом, так и грунтозаборного режима).
Как рекомендация, колесо 1 снабжено опорными (на грунт 10) боковыми несегментированными дисками-щеками 14, 15 диаметром не менее диаметра описанной сегментированной части 4-5, ограничивающими грунтозаборную полость (пространство) 12 с боков (слева и справа на фиг. 3) с возможностью качения колеса 1 ими по грунту 10.
При этом предпочтительно наличие упругих (в частности, резиновых) шин 16, 17 на цилиндрических поверхностях дисков 14, 15 соответственно (см. фиг. 3). Диаметр шин 16, 17 превышает диаметр сегментированной средней части 4-5 колеса 1, но меньше величины выноса заостренного сегмента 5 (см. фиг. 4).
Колесо 1 в ряде случаев целесообразно выполнять убирающимся, например подъемным, в нерабочее положение за счет управляемой балансирной 18 или иной его подвески (см. фиг. 6).
Описанный пример конкретной конструкции с оговоренными вариациями не исключает других возможных вариантов устройства в рамках заявляемой совокупности существенных конструктивных признаков (см. формулу изобретения).
Заявляемое устройство работает следующим образом.
К1
В исходном положении (см. фиг. 1, 3) «челюсть сжата»: подвижное звено 9 привода 3 не выдвинуто, подвижный сегмент 5 широкой и заостренной своими частями плотно прижат к неподвижному сегменту 4, колесо имеет круглую (в продольной вертикальной плоскости) форму с возможностью плавного качения по ровной твердой поверхности грунта 10. Колесо, таким образом, выполняет функцию ведущего (при подводе к нему крутящего момента М от силовой установки) или ведомого (с сохранением подфункции опоры с качением) колеса транспортного средства, причем колеса обычной проходимости. Наличие упругих элементов (шин) 16, 17 на щеках 14, 15 обеспечивает плавность хода колеса на малоразмерных неровностях поверхности грунта 10. При показанных на фиг. 1 ориентации сужения сегмента 5 и направлении вращения колеса 1 (вектора скорости V оси 6 и транспортного средства 2 в целом) качение колеса 1 не сопровождается воздействием реакции грунта 10 на подвижное звено 9 привода 3. Наоборот, поджимает заострение сегмента 5 к краю неподвижного сегмента 4, способствуя неразрывности окружности колеса и изоляции полости 12 от окружающей среды.
Выдвижение подвижного звена 9 привода 3 приводит к принудительному повороту подвижного сегмента 5 на шарнире 8 по часовой стрелке с «раскрытием челюсти»: разрывом окружности колеса, выдвижением подвижного сегмента 5 на большие радиусы от оси колеса 1, увеличением ометаемого им диаметра (см. фиг. 4) в продольной вертикальной плоскости (а значит, и увеличением среднего диаметра колеса 1) и сообщением полости 11 с окружающим пространством, включающим в себя грунт 10 (см. фиг. 4).
К2
Колесо 1 в таком состоянии может выполнять подфункцию колеса высокой проходимости (ограниченно колесно-шагающего движителя при подводе к нему направленного против часовой стрелки крутящего момента М).
Возможна и его работа в режиме «активного колеса» за счет периодической (пульсирующей) работы силового привода 3: выдвигая-вдвигая на каждом полупериоде вращения колеса 1 подвижное звено 9 привода 3, отталкивают колесо 1 и транспортное средство 2 в целом от грунта 10 вправо (см. фиг. 4).
Благодаря возможности «раскрытия челюстей» (челюстеобразного раскрытия сегментов), заострению подвижного сектора 5, наличию полости 12 и привода вращения колеса 1 против часовой стрелки возможно использование колеса (колес) 1 в качестве грунтозаборного устройства (см. фиг. 5). Подобно ковшу экскаватора или клешне манипулятора, при вращении колеса 1 против часовой стрелки выдвинутый подвижный сектор 5 своим заострением внедряется в грунт 10 на глубину Н, зачерпывает соответствующее существенное количество грунта (порция 11) и направляет его в полость 12 (см. фиг. 5). Последующее закрытие (до очередного подхода заострения к поверхности грунта 10) «челюсти» возвратом звена 9 привода 3 с сегментом 5 в исходное положение обеспечивает сохранение забранной порции 11 грунта в полости 12 сектора 5 или расширенной за счет выемки 13 полости 12.
При этом целесообразно затормаживать остальные колеса многоопорного транспортного средства 2 (см. фиг. 6).
Щеки 14, 15, а также радиус r (см. фиг. 2) способствуют изоляции полости 12 от окружающего пространства, а следовательно - увеличению полезной емкости грунтозаборного устройства и сохранности забранного грунта 11 в дальнейшей доставке транспортным средством 2 к месту назначения.
Разгрузку забранной порции 11 грунта в месте назначения обеспечивают в обратной последовательности: приводом вращения колеса 1 его поворачивают шарниром 8 верх/заострением сегмента 5 вниз и «открывают челюсть» выдвижением звена 9 привода 3. Порция 11 грунта выпадает (высыпается) из полости 12 под действием собственной силы тяжести, а в условиях невесомости ее удаляют иными средствами, как правило, внешними по отношению к транспортному средству 2 (не показано).
В варианте устройства с убираемым (подъемным) колесом-грунтозаборником 1 его выборочно выводят из взаимодействия или вводят во взаимодействие с грунтом 10 посредством балансирной (установки балансира 18 на тот или иной угол α) или иной управляемой подвески - см. фиг. 1, в зависимости от конкретной ситуации. Так, в режиме доставки грунта 11 к месту назначения колесо 1, преимущественно, убрано (поднято) в транспортное положение (нерабочее положение как грунтозаборного устройств и как колеса - см. фиг. 6).
Использование заявляемого изобретения позволяет, таким образом, расширить технико-эксплуатационные возможности многоопорных (четырех- и более) транспортных средств, преимущественно дистанционно или автоматически управляемых безэкипажных машин (наземных роботов и планетоходов), путем придания колесу дополнительных функций грунтозаборного (как правило, в научных целях) устройства.