КОЛЕСО С ОСЬЮ (ВАРИАНТЫ)
WHEEL WITH AXLE (VERSIONS)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве ведомого и ведущего колеса для тихоходного транспортного средства с высокой проходимостью, а также найти применение в индустрии развлечений и игр.
Известны конструкции колес и колесных движителей, содержащие гибкий (в т.ч. шарнирно-звеньевой) или жесткий некруглый обод, центр кривизны опорной части которого приподнят над осью вращения, что повышает тягово-сцепные качества колеса. Например, известно колесо, содержащее гибкий обод, соединенный со ступицей шарнирно прикрепленными двухзвенными спицами, кулачок, установленный на оси колеса и взаимодействующий со свободными концами спиц, отличающееся тем, что кулачок выполнен в виде деформируемого кольца (авт. св. СССР №525566, кл. В60В 19/00, 1976). Овальная форма обода достигается за счет копирования профиля кулачка, однако данная конструкция имеет большое число трущихся и деформирующихся элементов (шарниры, поверхность кулачка, гибкий обод), что значительно увеличивает механические потери и снижает ресурс колеса. В другом техническом решении эллипсообразная форма обода, состоящего из шарнирно соединенных между собой звеньев, создастся автономной гидросистемой, обеспечивающей одновременное приближение к оси опорного и диаметрально противоположного к нему звена (патент РФ №2011549, кл. В60В 19/00, 1994). Недостатком конструкции является невозможность полного устранения вертикальных колебаний оси колеса во время его качения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является движитель, содержащий колесо переменного радиуса качения, состоящее из одинаковых выпуклых дуг, симметрично расположенных относительно его вала, соединенного посредством механического передачи с приводом вращения, отличающейся тем, что механическая передача выполнена в виде планетарного редуктора (авт. св. СССР №654480, кл. В60В 19/00, 1979). Недостатком прототипа является сложность механизма поддержания постоянного клиренса некруглого колеса, поскольку предлагаемая для этого механическая передача должна одновременно вращать колесо вокруг собственно оси и компенсировать перемещение его центра по вертикали.
Цель изобретения - устранение указанного недостатка, повышение проходимости некруглого колеса и снижение давления на опорную поверхность за счет уменьшения кривизны контура обода и исключения вертикальных колебаний колесной оси.
Технический результат достигается тем, что колесо снабжено ступицей с квадратным отверстием и установлено на неподвижной оси, которая в сечении имеет форму треугольника Рело шириной, равной стороне квадрата. Это позволяет оси постоянно касаться поверхности отверстия ступицы в 4-х точках [1]. Качение колеса без вертикальных колебаний оси обеспечивается тем, что контур его обода является огибающей прямой, поворачивающейся на 360° вместе с треугольником Рело, вписанным в неподвижный квадрат. Если установить ось колеса так, чтобы данная прямая лежала в какой-либо наперед заданной плоскости, то вращающийся вокруг оси обод будет все время касаться этой плоскости. Ось колеса, таким образом, будет находиться па неизменном расстоянии от плоскости качения. Контур колеса может быть также задан эквидистантой замкнутой огибающей любой прямой, поворачивающейся вместе с осью внутри неподвижного квадратного отверстия. Данная идея заложена в принцип построения контура обода колеса.
Предлагаются два варианта устройства с различным положением оси относительно опорной поверхности.
На фиг.1 изображено колесо по первому варианту и его ось, обращенная выпуклой стороной к поверхности качения, вид спереди; на фиг.2 - геометрическое построение контура обода колеса на фиг.1; на фиг 3 - второй вариант колеса с осью, обращенной острой вершиной к поверхности качения; на фиг.4 - построение контура обода колеса на фиг.3.
а
а
Колесо содержит обод 1, образованный им же или пневматической шиной внешний контур 2, держатель обода 3, ступицу 4 с отверстием в форме квадрата со стороной , и установлено на оси 5, сечение которой представляет собой треугольник Рело шириной .
а
а
а
а
Построение контура обода колеса по первому варианту следующее. Отрезок, соединяющий две вершины треугольника Рело, параллельный плоскости качения, скользит последовательно по каждому из четырех углов квадрата (касаясь его смежных сторон), при этом в крайних положениях (позиции 1 и 2) он повернут на 15° относительно средней позиции. Огибающей мгновенных положений движущегося отрезка (жирные линии) являются участки ветвей астроиды (1-2, 3-4) с угловыми точками в диагональных вершинах квадрата [2]. Переход отрезка с одной ветви астроиды на другую (2-3) происходит с поворотом на 60°. В этой фазе астроиду огибает другая сторона треугольника (пунктирные линии). Линия перехода 2-3 приближена дугой окружной и радиусом 0,80-0,84, с центром, лежащим вне квадрата на конце срединного перпендикуляра длиной 0,66-0,70, восстановленного из его стороны. Таким образом, при повороте отрезка па 360° его огибающая замыкается в кривую, состоящую из участков четырех ветвей астроиды и четырех дуг, причем участки астроиды заключены между концами разных дуг, а длина каждой дуги наименьшая. Контур обода колеса представляет собой внешнюю эквидистанту этой кривой с вырожденными участками самопересечений («ласточкиными хвостами»). Для этого наибольшее расстояние от центра отверстия ступицы до точек контура должно быть не менее 1,18. Эквидистанты ветвей астроиды приближенно сопрягаются дугами окружностей с центрами, лежащими вне квадрата на концах срединных перпендикуляров, восстановленных из его сторон на расстояние 0,68.
а
а
а
а
а
Построение контура обода колеса по второму варианту следующее. Отрезок (жирные линии), проходящий через вершину треугольника Рело, параллельно стороне равностороннего треугольника огибает кривую 1-2, двигаясь вместе с непараллельной ему стороной треугольника (пунктирные линии), которая при этом образует ветвь астероиды. В крайних положениях (позиции 1 и 2) он поворачивается на 30° относительно средней позиции. Огибающие 1-2, 3-4 и т.д. являются сложными кривыми, приближаемыми участками эллипсов с эксцентриситетом 0,90-0,92, касающихся середин сторон квадрата; центры эллипсов лежат на их срединных перпендикулярах на расстоянии 0,20-0,23 от центра квадрата. Переход отрезка с одной ветви этой кривой на другую происходит с поворотом на 30°. В этой фазе (2-3) сторона треугольника параллельная рассматриваемому отрезку, огибает астроиду. Линия перехода 2-3 приближена дугой окружности радиусом 0,63-0,65, с центром, лежащим на продолжении диагонали квадрата, на расстоянии 0,59-0,61 от его ближайшей вершины. Таким образом, при повороте отрезка на 360° его огибающая замыкается в кривую, состоящую из участков четырех эллипсов и четырех дуг, причем участки эллипсов заключены между концами кратчайших дуг. Контур обода колеса представляет собой внешнюю эквидистанту этой кривой с выроженными участками самопересечений («ласточкиными хвостами»). При этом наибольшее расстояние от центра отверстия ступицы до точек контура колеса должно превышать 1,31. Эквидистанты участков эллипсов приближенно сопрягаются дугами окружностей с центрами, лежащими на концах продолжений диагоналей квадрата, выведенных за его вершины на расстояние 0,59-0,61.
Во время качения колеса по плоской поверхности его обод 1 вращает ступицу 4, которая свободно поворачивается вокруг оси 5 с заданной установкой, при этом характеристики линии контура колеса 2 позволяют оси находиться на неизменном расстоянии от поверхности.
Колесо имеет повышенную устойчивость при движении по рыхлым и слабонесущим грунтам, поскольку средний радиус кривизны его контура до 2,5 раз больше, чем у круглого колеса с таким же расстоянием от центра оси до опорной поверхности. Поворот оси относительно заданного положения позволяет плавно регулировать величину радиальных биений опорной зоны обода, приспосабливая колесо к грунтам с различной несущей способностью. Для использования колеса в качестве движителя оно может быть снабжено эквидистантным контуру обода зубчатым венцом и приводным валом с шестерней, расположенным на линии, соединяющей вершину треугольника Рело и середину его противоположной стороны. Колесом также можно воздействовать с переменным давлением на поверхности с целью изменения формы и структуры материалов.
Источники информации
1. В.Г.Болтянский, И.М.Яглом. Выпуклые фигуры. - М.-Л.: ГТТИ, 1951. С.92.
2. Г.Н.Берман. Циклоида. - М.: Наука, 1980. С.60.