ШИНА
AIR TIRE

Область техники
Настоящее изобретение относится к шине.
Уровень техники
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) разрабатывало новое наземное транспортное средство для обеспечения программы долгосрочного освоения Луны и разработки лунного аванпоста. Эти транспортные средства будут более тяжелыми и будут перемещаться на большие расстояния, чем транспортное средство для передвижения по поверхности Луны (LRV), разработанное для программы Apollo в конце 1960-х. Поэтому, будут необходимы новые шины для выдерживания веса в десять раз большего и функционирования на расстояниях перемещения до ста раз больших, по сравнению с шинами для транспортного средства для передвижения по поверхности Луны миссии Apollo, тем самым нуждаясь в рабочих характеристиках, подобных пассажирским транспортным средствам, используемым на Земле. Однако обычные каучуковые пневматические шины не могут приемлемо функционировать на Луне.
Например, свойства каучука существенно изменяются от холодных температур, измеренных в тени (опускается до 40 К), до горячих температур при солнечном освещении (поднимается до 400 К). Кроме того, каучук деградирует под воздействием прямой солнечной радиации, без атмосферной защиты. Наконец, шина, заполненная воздухом, не допустима для лунных транспортных средств с экипажем из-за возможности спуска шины. Для преодоления этих ограничений, была разработана конструкция шины для транспортного средства для передвижения по поверхности Луны миссии Apollo и была успешно использована в миссиях Apollo-15, -16 и -17. Эта шина была сплетена из рояльной проволоки, которая была устойчивой к изменениям лунной температуры и солнечной радиации, функционировала в вакууме и не нуждается в воздухе для выдерживания нагрузки. Кроме того, эта конструкция функционировала с возможностью прилегания к лунному рельефу, что обеспечивало сцепление и снижало передачу вибрации на транспортное средство для передвижения по поверхности Луны миссии Apollo.
Ввиду требований нового веса и расстояния для лунных транспортных средств, была бы целесообразна шина с более высокой прочностью и эксплуатационным ресурсом.
Узел из одного обычного колеса и непневматической шины имеет переменный диаметр, который, в дополнение к изменению своего диаметра, может также изменять свою ширину, тем самым увеличивая площадь колеса, которая зацепляется с грунтом. Таким образом, непневматическая шина может быть приспособлена для повышения эксплуатационных характеристик транспортного средства в соответствии с рельефом, по которому оно перемещается. Эта шина содержит дугообразные элементы с первым и вторым концами, соединяющими ступицу колеса. Дугообразные элементы продолжаются наружу в виде дуги между первым и вторым концами. Дугообразные элементы образуют множество гибких обручей, размещенных по периферии вокруг ступицы и проходящих радиально наружу от ступицы.
Более конкретно, обычная непневматическая шина образует корпус, состоящий из тридцати восьми равномерно распределенных радиально продолжающихся обручей, которые изогнуты между аксиально внешними ободами ступицы. Обручи выполнены из спиральных стальных пружин, наполненных проволокой, нарезанной до желательной длины и продетой через центр пружин. Обычная ступица может быть расширена/сжата аксиально для изменения диаметра шины.
Было обнаружено, что исходная конструкция из проволочной сетки шины транспортного средства для передвижения по поверхности Луны миссии Apollo не приспособлена к быстрому изменению размера. В частности, увеличение диаметра проволоки для создания шины, которая выдерживает в десять раз большую нагрузку относительно исходной конструкции, создавало два существенных ограничения: 1) утрачивалась возможность прилегания к рельефу, таким образом, ограничивая сцепление и способность изолирования вибрации; и 2) повышенные напряжения проволоки ограничивали эксплуатационный ресурс. Шина в соответствии с настоящим изобретением преодолевает эти ограничения, обеспечивая шину новым технологическим преимуществом для поверхностей Луны, Земли и других планет.
Сущность изобретения
Шина в соответствии с настоящим изобретением включает в себя множество спиральных пружин. Каждая спиральная пружина включает в себя первый концевой участок, второй концевой участок и дугообразный серединный участок, соединяющий первый концевой участок и второй концевой участок. Каждая спиральная пружина переплетается с, по меньшей мере, одной другой спиральной пружиной из множества, тем самым образуя переплетенную тороидальную конструкцию, проходящую по всей периферии шины.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, подмножество спиральных пружин прикреплены к первому круглому ободу колеса и/или второму круглому ободу колеса.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, колесо с круглым ободом на каждой аксиальной стороне шины обеспечивает прикрепление шины к колесу.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, переплетенная тороидальная конструкция определяет первый слой для шины.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, второй слой радиально перекрывает первый слой.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, второй слой содержит переплетенную тороидальную конструкцию, имеющую множество спиральных пружин.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, каждая спиральная пружина второго слоя включает в себя первый концевой участок, второй концевой участок и дугообразный серединный участок. Каждая спиральная пружина второго слоя переплетается с, по меньшей мере, одной другой спиральной пружиной второго слоя, тем самым образуя переплетенную тороидальную конструкцию, проходящую по всей периферии шины.
Другая шина согласно настоящему изобретению включает в себя множество пружин. Каждая пружина включает в себя первый концевой участок, второй концевой участок противоположный первому концевому участку, и дугообразный серединный участок, соединяющий первый концевой участок и второй концевой участок. Каждая пружина проходит радиально наружу от первого концевого участка к серединному участку и радиально внутрь от серединного участка ко второму концевому участку. Каждая пружина переплетается со смежной пружиной на первой стороне пружины и дополнительно переплетается со смежной пружиной на второй противоположной стороне пружины, тем самым образуя тороидальную конструкцию, проходящую по всей периферии шины.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, первый концевой участок каждой пружины прикреплен к первому круглому ободу колеса и второй концевой участок прикреплен ко второму круглому ободу колеса.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, каждая пружина образует дугу, проходящую радиально наружу от колеса.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, колесо с круглым ободом на каждой аксиальной стороне шины обеспечивает прикрепление пружины к колесу.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, тороидальная конструкция определяет первый слой для шины.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, второй слой радиально перекрывает первый слой.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, второй слой содержит тороидальную конструкцию, имеющую множество пружин.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, каждая пружина второго слоя содержит первый концевой участок, второй концевой участок, противоположный первому концевому участку, и дугообразный серединный участок, соединяющий первый концевой участок и второй концевой участок. Каждая пружина второго слоя проходит радиально наружу от первого концевого участка к серединному участку и радиально внутрь от серединного участка ко второму концевому участку. Каждая пружина переплетается со смежной пружиной на первой стороне пружины и дополнительно переплетается со смежной пружиной на второй противоположной стороне пружины, тем самым образуя тороидальную конструкцию, проходящую по всей периферии шины.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематический чертеж обычного листа из проволочной сетки;
Фиг.2 - лист из переплетенных спиральных пружин для использования с помощью настоящего изобретения;
Фиг.3 - промежуточный этап при образовании листа согласно фиг.2;
Фиг.4 - другой промежуточный этап при образовании листа согласно фиг.2;
Фиг.5 - этап при скреплении вместе двух листов, таких как лист, изображенный на фиг.2;
Фиг.6 - спиральная пружина для использования с помощью настоящего изобретения;
Фиг.7 - спиральная пружина, согласно фиг.6, в изогнутом состоянии;
Фиг.8 - схематический чертеж узла шины и колеса в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.9 - разрез по линии 9-9 с фиг.8; и
Фиг.10 - разрез по линии 10-10 с фиг.9.
Подробное описание изобретения
Шина может включать в себя множество спиральных пружин (например, спиральных проволок, которые эластично деформируются под действием нагрузки с небольшой потерей энергии). Шина определяет тороидальную конструкцию для установки на колесе. Шина может прилегать к поверхности, на которой шина зацепляется для обеспечения силы сцепления при ослаблении передачи вибрации на соответствующее транспортное средство. Спиральные пружины выдерживают и/или распределяют нагрузку на транспортное средство. Шина может быть пневматической или непневматической.
В соответствии с весом транспортного средства шина может приводиться в движение, на прицепе, или предусматривать управление для транспортного средства. Спиральные пружины шины могут пассивно прилегать к какому-либо рельефу за счет сгибания и перемещения относительно друг друга. Сплетенная конструкция из спиральных пружин обеспечивает устойчивость для шины и предохраняет конструкцию от сжатия при вращении и переменном зацеплении шины с рельефом.
Спиральные пружины шины могут быть эластичными в пределах заданного интервала деформации, поэтому для предотвращения избыточной деформации может быть использована относительно жесткая рама.
Для присоединения шины к колесу могут быть использованы радиально ориентированные пружины. Эти пружины могут быть переплетены. Другие пружины могут быть присоединены к шине под некоторым углом скоса, от радиального до периферийного, с целью распределения нагрузки. Эти другие пружины могут быть спиральными пружинами. Кроме того, в качестве одного примера, эти другие пружины могут проходить по периферии вокруг шины на радиально внешнем участке шины.
Внешнее покрытие некоторого вида (т.е. протектор) может быть добавлено для предохранения спиральных пружин от повреждения при ударе и/или для изменения способности шины держаться на поверхности и обеспечивать сцепление.
В качестве одного примера, для изготовления одной примерной шины могут быть использованы четыре основных этапа: i) скручивание спиральных пружин вместе для образования прямоугольного листа с длиной, соответствующей желательной периферии шины; ii) переплетение концов прямоугольного листа пружин для образования сетчатого цилиндра; iii) сжимание одного конца сетчатого цилиндра и прикрепление его к ободу колеса; и iv) переворачивание другого конца сетчатого цилиндра наизнанку и прикрепление его к другому аксиально противоположному ободу колеса.
Шина в соответствии с настоящим изобретением может быть использована на Земле, Луне, Марсе и/или любом другом планетном теле, поскольку ее элементы надежно работают в атмосферных и рельефных условиях этих планет.
Шина может быть использована на своей собственной, или введенной в качестве частичной или дополнительной, системе выдерживания/распределения нагрузки в другом типе шины. При этом шина не нуждается в воздухе, не нуждается в каучуке, функционирует в сложных условиях окружающей среды и обеспечивает прилегание к любым рельефам.
Шина обеспечивает усовершенствование по сравнению с обычной шиной, выполненной из проволочной сетки, транспортного средства для передвижения по поверхности Луны миссии Apollo. Шина предусматривает высокую допустимую нагрузку, поскольку размер шины из спиральных пружин может быть увеличен при относительно небольшом функциональном изменении. Шина обеспечивает более долгий срок службы, так как напряжения проволоки спиральных пружин более равномерно распределяются по всей конструкции. Кроме того, для шины предусматривается относительно низкий вес на единицу веса обеспечиваемого транспортного средства, поскольку переплетенная спиральная пружинная сетка существенно прочнее, чем гофрированная проволочная сетка. Кроме того, шина обеспечивает улучшенную технологичность, поскольку спиральные пружины могут ввинчиваться одна в другую, вместо того, чтобы сплетаться вместе. Кроме того, спиральные пружины могут сжиматься и растягиваться с возможностью согласования отклонений от нормативов в процессе производства. Наконец, шина предусматривает улучшенную конструктивную технологичность, поскольку пружины распределения нагрузки могут быть добавлены для изменения прочности шины в различных местах и направлениях шины.
Данная шина может обеспечивать относительно низкую потерю энергии по сравнению с шинами, которые используют фрикционные материалы или материалы с гистерезисными свойствами в каркасе, поскольку спиральные пружины расходуют почти нулевую энергию во время деформации.
Данная шина содержит резервные элементы, воспринимающие нагрузку, и может функционировать нормально даже после значительного повреждения.
Таким образом, шина в соответствии с настоящим изобретением может быть использована в случаях, когда требуется низкое энергопотребление транспортного средства, когда отказ шины представляет критическую опасность для перемещения по неровной местности, когда транспортное средство подвергается воздействию экстремальных температур или высоких уровней радиации, и/или когда транспортное средство подвергается орудийному огню или воздействию взрыва бомб.
Для обычной лунной шины была использована проволочная плетеная сетка в соответствии с фиг.1. Однако, как обсуждалось выше, желательны более высокая прочность и долговечность. Фиг.2 изображает проволочный лист 50 из переплетенных спиральных пружин 55, которые могут обеспечивать более высокую прочность и долговечность, чем проволочная сетка. Фиг.3, 4 и 5 показывают промежуточные этапы при образовании сетчатого листа 50, который изображен на фиг.2. На фиг.3 показана первая спиральная пружина 55, причем с помощью вращения эта же самая первая пружина переплетается со второй спиральной пружиной 55. На фиг.4 показана третья спиральная пружина 55, причем с помощью вращения эта третья пружина переплетается с уже сплетенными первой и второй спиральными пружинами 55. На фиг.5 показана спиральная пружина 55, при этом вращаемая с возможностью соединения двух сетчатых листов 50 (т.е. листа согласно фиг.2) из спиральных пружин 55. Фиг.6 изображает одну спиральную пружину 55 для использования как описано выше на фиг.2-5. Фиг.7 показывает одну спиральную пружину 55, изогнутую для использования в шине, как описано ниже.
Как показано на фиг.8-10, примерный узел 100 в соответствии с настоящим изобретением включает в себя колесо 200 и шину 300. Колесо 200 имеет круглый обод 202 на каждой аксиальной стороне для прикрепления шины 300 к колесу. Каждый обод 202 фиксирован относительно другого обода 202. Каждый обод 202 может включать, содержать множество отверстий 204 для гнезд для выравнивания шины 300 с ободом. Любое другое подходящее средство может быть использовано для прикрепления шины 300 к ободу 200.
Шина 300 может включать в себя множество спиральных пружин 55, проходящих радиально от колеса 200 в дугообразной конфигурации и радиально обратно к колесу. Каждый конец 315 каждой пружины 310 может быть прикреплен к колесу на соответствующем ободе 202 колеса. Каждая пружина 310 имеет серединный участок, соединяющий концы 315. Каждый конец 315 может быть прикреплен в аксиальном положении (см. фиг.9) или в наклонном положении, с помощью пружины 310, проходящей наружу от одного обода 202, затем от колеса 300, затем обратно над собой, затем внутрь и, наконец, по направлению к другому ободу 202. При этом каждый конец 315 каждой пружины может быть ориентированным коаксиально (или под углом) с другим концом 315 этой же самой пружины.
Кроме того, каждая пружина 55 может быть переплетена со смежными пружинами 55 (см. фиг.2), обеспечивая распределение нагрузки между пружинами. Как показано на фиг.2, каждая пружина 55 переплетена, или сплетена, со смежной пружиной 55 на первой стороне пружины и, кроме того, переплетаемая со смежной пружиной 55 на второй противоположной стороне пружины. Таким образом, пружины 310 проходят радиально и аксиально и образуют переплетенную конструкцию, проходящую по всей периферии шины 300 (см. фиг.8-10).
Спиральные пружины 310 могут быть любой подходящей длины, ширины и шага. Спиральные пружины 310 могут варьироваться по диаметру витка (т.е. могут быть использованы бочкообразные пружины) для создания непрерывности в сетке в пределах радиальных положений в шине. Спиральные пружины 310 могут быть дополнительно структурированы в виде двух или более жил, при этом одна или более радиально внутренние жилы радиально перекрываются посредством одной или более радиально внешними жилами. Спиральные пружины 310 могут быть из Ti-N сплава, стальными, титановыми, полимерными, керамическими или из любого другого подходящего материала.
В вышеприведенном описании некоторые термины были использованы для краткости, ясности и в целях пояснения; однако из этого не следует, что излишние ограничения выходят за рамки требований уровня техники, поскольку такие термины используются в описательных целях и предназначены для широкого толкования. Кроме того, описание и чертежи настоящего изобретения приведены в качестве примера и объем настоящего изобретения не ограничивается точными деталями, изображенными или описанными.
Выше были раскрыты признаки, раскрытия и принципы настоящего изобретения, способ, в рамках которого построено и используется настоящее изобретение, характеристики конструкции и полученные предпочтительные, новые и полезные результаты, объем новых и полезных структур, устройств, элементов, конструкций, частей и комбинаций, при этом объем изобретения определяется только прилагаемой формулой изобретения.