Полноприводный полноповоротный мотовездеход с гибким приводом

Полезная модель относится к транспортной технике, а именно к приводу колес ходовой части транспортного средства (ТС) в движение.
Согласно словарю (/электронный ресурс/
https://dic.academic.ru/dic.nsf/polytechnic/10340/%D0%A5%D0%9E%D0%94%D0%9E%D0%92%D0%90%D0%AF): Ходовая часть - это совокупность элементов шасси, образующих тележку транспортной машины. Например, в X. ч. автомобиля входят: рама, мосты, подвеска и колеса (с узлом и элементами управления их поворотом).
Согласно классификации ТС
(http://оттс.pyc/otts_kareqorii_transportnih_sredstv.html Классификация ТС по категориям), предлагаемый мотовездеход можно отнести к мотоциклам или к специализированным ТС. Это двухколесное одноколейное ТС.
В соответствии с терминологией (https://www.autocitroen.ru/company/news/tipy-privodov-avtomobiley/Основные типы приводов автомобиля), под приводом ТС (в статье: автомобиля) подразумевается способ передачи сил вращения на колеса ТС (вид силовой связи колес с двигателем или с ведущим валом ТС). При этом все машины подразделяются на 3 типа: заднеприводные, переднеприводные и с полным приводом.
При этом надо учесть, что в общем случае передние и/или задние колеса ТС участвуют в управлении поворотом ТС при его движении. Поэтому в обычно схемы привода ТС в движение увязываются со схемами управления поворотом ТС.
Поэтому рассмотрим здесь, так называемые, полноуправляемые ТС.
Примером исследования полноуправляемого ТС является статья: Маркина А.А., Чепкасов С.Н., & Бережная М.А. (2019). Исследование кинематики полноуправляемого автомобиля. Вестн. СибАДИ, 16(5 (69)), 580-591. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2019-5-580-591.
В исследовании различаются два типа полноуправляемых - полноповоротных схем: с положительным или с отрицательным управлением поворотом ТС.
При положительной схеме поворота и передние, и задние колеса ТС при управлении поворачиваются в одну сторону - вправо или влево, фактически получается управляемый занос ТС вправо или влево.
При отрицательной полноповоротной схеме управления передние колеса поворачиваются в одну сторону, а задние в противоположную, при этом ТС поворачивает в сторону поворота передних колес. При этом практически вдвое уменьшается радиус поворота и повышается маневренность ТС.
Ряд современных ТС используют мотор-колеса:
а. https://engineering-ru.livejournal.com/323209.html Мотор-колесо с ДВС,
б. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Мотор-колесо. Википедия. Мотор-колесо.
/Аналог - А1/ Известен мотоцикл (2-колесный, одноколейный) с полным приводом и рулевым управлением на оба колеса (полным управлением):
https://zen.yandex.ru/media/id/5e6e91af5f50cb6af854daa1/drysdale-dryvtech-2x2x2-gidravlicheskoe-chudo-s-polnym-privodom-i-rulevym-upravleniem-na-oba-kolesa-5ebeb06372423a6de38c3a9e
В мотоцикле приводом обоих колес в движение является гидравлический насос высокого давления (310 бар), который воздействует на два гидравлических мотора в ступицах колес. При этом каждое колесо закреплено на своей несущей стойке консольно, стойки с колесами развернуты антисимметрично одна к другой. С учетом высокого давления все магистрали - стальные трубы. Дисковые тормоза отсутствуют, но гидравлический мотор действует как регенеративная тормозная система. При помощи редукционных клапанов крутящий момент может регулироваться для каждого колеса параллельно. Кроме того, с помощью гидравлического насоса осуществляется управление двумя рулевыми плунжерами колес.
Недостатки: сложность в настройке и эксплуатации гидравлической системы, использующей масло. Из-за высокой точности изготовления узлов и деталей: крыльчаток клапанов, наличия множества звеньев силовой передачи, зависимость от состава масла - значительно повышены ее стоимость, требования к высокой надежности системы передачи усилия на колеса (использование прочных стальных труб). При нарушении системы и поступлении масла под колеса возможно проскальзывание колес, аварийная ситуация, пожарная опасность. Для ремонта системы требуются высококвалифицированные специалисты. /А2/ Известен полноприводной мотоцикл Урал (https://ok.ru/usamodelki/topic/68557132551636). Мотоцикл имеет две схемы опорных колес: обычная (2-колесная одноколейная) схема и схема с коляской (3-колесная двухколейная схема). Привод на заднее (ведущее) колесо мотоцикла известный - механический с редуктором. Колесо мотоколяски - свободное, без привода. В соответствии с фотографией из источника, силовой привод на переднее колесо мотоцикла осуществляется от заднего колеса с помощью карданного вала, колена которого соединены карданным соединением с помощью шарниров (4 шарнира Гука), а также зубчатого зацепления концов этого вала с валами/осями колес. Управление поворотом мотоцикла осуществляется путем поворота оси одного переднего колеса, при этом указанный кардан-вал изгибается («переламывается» в шарнирах) в соответствии с направлением поворота руля, при этом заднее ведущее колесо сидит на неповоротном валу.
Недостатками мотоцикла являются высокие потери мощности при передаче усилия через кардан-вал и зубчатые шестерни связи с колесами. Причем при повороте руля от кардан-вала требуется обеспечить дополнительную его длину, а при его повороте в обратную сторону требуется уменьшение длины кардан-вала, это вносит дополнительные ограничения в использование аналога. Все указанные конструктивные особенности требуют высокую дополнительную мощность двигателя. Особенно такие потери проявляются при значительных углах поворота колен кардан-вала - например, при повороте оси одного колена относительно другого на угол более 15-20°, значительно повышается концентрация напряжений в шарнирах. Соответственно возрастает вероятность их поломки. Снижается нормативный срок эксплуатации кардан-вала, возрастают расходы на ремонт. При этом снижается надежность системы. При снятии колен кардан-вала для ремонта или при замене требуется специальное оборудование.
/П/ В качестве прототипа полезной модели предложен Велосипед - MOMBAT/Bikes (http://mombatbicycles.com/MOMBAT/Bikes/1991_Leqacy2×2.html Велосипеды - MOMBAT/Bikes - 1991).
В данном велосипеде с обычным цепным приводом на заднее колесо и с управлением поворота при повороте рулем передней вилки велосипеда, дополнительно от заднего (ведущего) колеса установлен силовой привод на переднее колесо. Указанный привод представляет собой гибкий трос с осевым вращением (гибкий вал), на обоих торцах которого, на оси его вращения, жестко закреплены конические зубчатые шестерни, зацепляющиеся с ответными шестернями соответствующих колес, при этом указанные шестерни выполнены в виде больших открытых нейлоновых конических шестерен.
Передняя вилка имеет ширину 135 мм, такую же, как традиционная ширина для заднего колеса, так чтобы это колесо было конструктивно обеспечено прикреплением (зацеплением шестерен) к приводу в движение от заднего колеса. Такая конструкция привода в виде гибкого троса, который имеет возможность вращаться в неподвижной оболочке, обеспечивает решение проблемы взаимного «запаздывания» колес велосипеда при повороте. При неисправностях или при загрязнении система дополнительного привода демонтируется на месте.
К недостаткам прототипа относятся значительные потери мощности в приводе при передаче усилия через две пары шестерен, усложнение и удорожание конструкции за счет изготовления указанных нейлоновых шестерен, быстрый их износ. Также потери вносит точечное закрепление полумягкой гибкой обоймы-оболочки на раме велосипеда (из-за концентрации напряжений между гибким валом и точками закрепления оболочки). Ввиду конструктивно открытого зацепления указанных шестерен, возможно их загрязнение, увеличение потерь передачи усилия или поломка системы данной передачи. Конструкция гибкого привода, с фиксированным продольным закреплением гибкого вала в обойме, не может обеспечить поворот заднего колеса велосипеда по полноуправляемой схеме поворота, по сравнению с заявляемой полезной моделью.
Гибкий вал широко используется в технике для передачи вращения (https://pro-techinfo.ru/konstruktsii-detalej-mashin-onlajn/detali-peredach/valy-i-osi-2/gibkie-valy-silovyh-peredach/Гибкие валы силовых передач; а также: ГОСТ 13225-80. Гибкие валы силовых передач).
Задачей представленной полезной модели является создание нового ТС - двухколесного одноколейного полноприводного полноповоротного мотовездехода с гибким приводом, использующим гибкий вал для силовой передачи движения между соединяемыми колесами.
Достигается следующий технический результат.
Гибкий привод по полезной модели характеризуется соединением торцов гибкого вала к двум колесам указанной ходовой части так, чтобы ось вращения каждого торца гибкого вала совпадала с осью вращения соответствующего колеса, при этом необходимо, чтобы указанный торец гибкого вала был жестко соединен с указанным колесом либо в проекции оси вращения колеса, в том числе на валу этого колеса (торец в торец), либо проволочными нитями развитого торца указанного вала к боковой стороне колеса в точках окружности, концентрической относительно оси вращения, причем эти точки и нити проволоки торца расположены симметрично относительно оси вращения указанного колеса. Это позволяет осуществить полный привод колес с наименьшими потерями передаваемого момента силы и затратами, по сравнению с аналогами (сравнить с приводом через шестерни, карданные валы и/или через гидропривод), с использованием единственной детали прямого соединения колес через гибкий вал.
При этом у колес с дорогой вместо одной появляются две точки приложения силы тяги двигателя: через переднее и через заднее колеса.
При этом указанный гибкий привод может быть установлен между двумя ведущими колесами, каждое из которых имеет собственный привод (например, в виде мотор-колеса).
Преимущество гибкого вала проявляется также в том, что он имеет две степени свободы (вращения и продольного перемещения внутри S-образной гильзы-обоймы). Известные схемы гибкого вала имеют закрепление его в обойме (по меньшей мере в двух фиксированных точках) с ограничениями, препятствующими указанному продольному смещению вала, что добавляет потери крутящего момента, также в известных схемах отсутствует возможность управления поворотом осей колес, связанных через гибкий вал.
При использовании указанного гибкого привода (в том числе, на оба ведущих колеса) значительно снижается эффект проскальзывания переднего или заднего колеса на бездорожье по грязи, так как приводной гибкий вал выравнивает нагрузку на передние и задние колеса и мягко синхронизирует их вращение.
Использование указанного гибкого привода способствует полноуправляемому режиму работы системы управления поворотом ТС, так как при повороте оси первого колеса, смещение гибкого вала вдоль S-образной трубчатой гильзы способствует повороту второго колеса 2 относительно первого по отрицательной схеме управления поворотом. /Разъяснение термина «отрицательная схема поворота ТС…» представлено выше на стр. 3 (статья: Маркина А.А. и др., 2019. Исследование кинематики полноуправляемого автомобиля…)./ Это позволяет узлу управления поворотом работать по отрицательной схеме полного поворота с меньшей нагрузкой, обеспечивая поворот переднего и заднего колес в разные стороны на малые требуемые углы. Это повышает чувствительность системы управления поворотом ТС, снижает износ покрышек колес, практически вдвое повышает маневренность ТС. Поворот обоих колес в полноповоротной схеме обеспечивает улучшение сцепления колес ТС с дорогой, особенно, на наклонных участках дороги.
Простую схему гибкого привода по полезной модели можно также использовать в ТС разного вида: в СИМ (см. Средства индивидуальной мобильности:
https://zakon.ru/blog/2020/4/21/sredstva_individualnoj_mobilnosti_i_drugie_izmeneniya_v_pdd), велосипедах, веломобилях с мускульной тягой (в том числе, электрифицированных), в мототехнике различных категорий (в том числе, в мотоциклах) с двигателями ДВС, газовыми, электрическими, в том числе, повышенной проходимости. Технический эффект особенно проявляется, если в качестве источника тяги используются мотор-колеса.
В итоге, благодаря использованию полезной модели с гибким приводом колес ходовой части ТС, значительно снижаются затраты на изготовление мотовездехода, его эксплуатацию и ремонт, расширяются технические возможности ТС (движение по дорогам и по бездорожью, вариативность модификаций ТС).
Указанный технический результат достигается в полноприводном транспортном средстве - ТС, содержащем
- ходовую часть, имеющую два колеса, расположенные последовательно по одноколейной схеме, узел управления поворотом ТС и гибкий привод с гибким валом, передающим усилие вращения от одного колеса к другому, причем гибкий вал находится в закрепленной обойме с возможностью вращения, гибкий вал обычно является тросовым изделием, в соответствии с ГОСТ 13225-80 (Гибкие валы силовых передач),
указанное ТС отличается от известных тем, что
является мотовездеходом и содержит двигатель,
а в гибком приводе мотовездехода торцы гибкого вала жестко соединены с колесами указанной ходовой части так, чтобы ось вращения каждого торца гибкого вала совпадала с осью вращения соответствующего колеса,
при этом указанный торец гибкого вала соединен по оси вращения колеса с самим колесом, с валом этого колеса - торец в торец, или проволочными нитями развитого или расплетенного торца гибкого вала к боковой стороне колеса, например, к ступице, диску или ободу, в центрально-симметричных точках окружности, концентрической относительно оси вращения колеса.
/Здесь и далее: схема соединения торца гибкого вала к колесу определяется конструкцией колеса, техническими требованиями заказчика и, по сути, не влияет на работу гибкого привода при передаче крутящего момента от одного колеса к другому./
При этом указанные торцы или нити торца гибкого вала скреплены с указанными колесами с тех сторон, которые обеспечивают возможность вращения колес в одну сторону: вперед или назад,
причем обойма, внутри которой находится гибкий вал, имеет вид S-образной трубчатой гильзы, которая жестко прикреплена, своей средней частью к неподвижным элементам шасси посередине между осями и на одном уровне с осями указанных колес,
при этом гибкий вал имеет возможность продольного перемещения вдоль, S-образной образующей указанной гильзы,
при этом из двух колес, соединенных гибким валом, могут быть ведущими одно или оба колеса,
таким образом, гибкий привод является полноприводным, что обеспечивает возможность управления поворотом обеих осей указанных колес мотовездехода,
при этом собственно узел управления поворотом мотовездехода выполнен по отрицательной схеме полного поворота, содержащей элементы: кулисно-рычажные, механической передачи, гидравлической или пневматической передачи, электрические или электронные компоненты или их возможную комбинацию, в соответствии с расчетами и требованиями Технического задания на мотовездеход.
В частности, в указанном приводе торец или нити торца гибкого вала скреплены с колесом непосредственно или через переходную, соединительную или обжимную муфту.
В частности, в указанном приводе одно или оба колеса, соединенные гибким валом, являются мотор-колесами с побудителем тяги: электрическим, на ДВС, газовым, пневматическим, гидравлическим, или комбинированным из указанных.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими примерами.
Далее в примерах равноправно (для удобства чтения) используются эквивалентные понятия «мотовездеход» и «транспортное средство», сокращенно - ТС.
На фиг. 1 (а-в) схематически показано размещение гибкого привода и положение колес ходовой части 1-колейного 2-колесного (полноприводного, полноповоротного) ТС, установленных для направления его движения налево, прямо и направо.
На фиг. 2 (а, б) показаны варианты присоединения торца указанного гибкого вала к колесу ходовой части ТС: - а) с помощью проволочных нитей развитого (расплетенного) указанного торца гибкого вала, - б) непосредственного прикрепления торца гибкого вала к торцу вала колеса.
Здесь приведены обозначения элементов ТС-мотовездехода, существенных для представления данной полезной модели:
1 - условная граница ходовой части ТС (показана пунктиром),
2 - колесо ходовой части в гибком приводе,
2.1 - колесо в приводе в виде мотор-колеса,
3 - гибкий тросовый вал, передающий вращение от одного колеса 2 или 2.1 к другому,
3.1 - проволочные нити развитого (расплетенного) торца гибкого вала 3,
3.2 - обжимная муфта в месте перехода от гибкого вала 3 к колесу 2,
4 - трубчатая S-образная гильза (обойма), внутри которой размещен гибкий вал 3, с возможностью вращения и продольного сдвига вдоль гильзы,
5 - узел управления поворотом ТС и его элементы, для согласованного поворота осей колес (на схемах элементы узла поворота условно показаны, как кулисно-рычажные, хотя могут быть другой конструкции: в соответствии с расчетами и требованиями Технического задания).
В примере, фиг. 1, показана ходовая часть 1 одноколейного ТС с двумя последовательно расположенными колесами 2, таким и является мотовездеход, показанный на фиг. 3.
На фиг. 1 показаны три изображения ходовой части 1 мотовездехода при разном положении колес 2 (а - поворот налево, б - ехать прямо, в - поворот направо). В схеме условно принято передним верхнее колесо 2. При этом узел 5 управления поворотом мотовездехода собран по отрицательной схеме полного поворота колес 2 и может содержать элементы механической передачи, в данном примере, кулисно-рычажные, или в других случаях, элементы гидравлической, пневматической передачи, с электрическими или электронными компонентами или их комбинацию - по техническим требованиям заказчика и расчетам.
Также ходовая часть 1 содержит гибкий привод в виде гибкого тросового вала 3, в соответствии с ГОСТ 13225-80 (Гибкие валы силовых передач), передающего вращение от одного колеса 2 к другому.
В указанном гибком приводе торцы гибкого вала 3 жестко соединены с двумя колесами 2 указанной ходовой части так, чтобы ось вращения каждого торца гибкого вала 3 совпадала с осью вращения соответствующего колеса 2, при этом указанный торец гибкого вала 3 соединен по оси вращения колеса 2, с валом этого колеса - торец в торец (см. фиг. 2б), хотя может быть присоединен к самому колесу в проекции оси вращения или в варианте, показанном на фиг. 2а, проволочными нитями 3.1 развитого или расплетенного торца гибкого вала 3 к боковой стороне колеса 2, в шести центрально-симметричных точках окружности, концентрической относительно оси его вращения. Например, соединение может быть к ступице, диску или ободу колеса 2. Схема соединения торца гибкого вала 3 к колесу 2 (или 2.1) определяется конструкцией этой части колеса, техническими требованиями заказчика и, по сути, не влияет на работу гибкого привода при передаче крутящего момента от одного колеса 2 к другому.
При этом из соединяемых гибким валом 3 колес ведущим является переднее колесо 2, хотя могут быть ведущими как заднее, так и оба колеса. Побудителем тяги в данном примере является внешний двигатель, закрепленный на односторонней (антисимметричной) стойке, хотя он может быть совмещенным с колесом 2, например, в виде мотор-колеса 2.1. При этом побудителем тяги колеса/колес 2 или 2.1 может быть: электрический двигатель, ДВС, газовый, пневматический, гидравлический или комбинированный из указанных.
При этом гибкий вал 3 размещен внутри S-образной трубчатой (обоймы) гильзы 4 с двумя степенями свободы движения: с возможностью вращения в гильзе и продольного сдвига вдоль гильзы 4. При этом обеспечиваются минимальные потери на передачу вращения гибкого вала 3 в гильзе от колеса к колесу. Саму гильзу 4 жестко прикрепляют к неподвижным элементам шасси (ходовой части 1) посередине между осями и на одном уровне с осями указанных колес 2.
Также важно, чтобы торцы гибкого вала 3 подходили к соответствующим колесам 2 с тех сторон, которые обеспечивали бы вращение этих колес в одну сторону: вперед или назад.
Таким образом, рассматриваемый гибкий привод выполнен полноприводным, что позволяет управлять поворотом обеих осей указанных колес 2 мотовездехода.
При этом узел 5 управления поворотом ТС выполнен по отрицательной схеме полного поворота, и в данном примере, с кулисно-рычажными элементами механизма согласованного поворота осей соответствующих колес 2.
Также в соответствии с расчетами и требованиями Технического задания узел 5 управления поворотом ТС может содержать другие элементы: механической передачи, гидравлической или пневматической передачи, электрические или электронные компоненты или их возможную комбинацию.
Работа мотовездехода. При начальном положении колес ТС по прямой колее (фиг. 1б) и одном (переднем) ведущем колесе 2, побудитель тяги обеспечивает вращение этого колеса, за счет этого ТС движется, например, вперед. При этом торец гибкого вала 3 в приводе вращается вместе с торцом ведущего колеса 2, соответственно вращается весь гибкий вал 3 вместе с его вторым торцом, который жестко прикреплен к торцу вала другого (заднего) колеса 2. Ввиду жестокости скручивания гибкого вала на второе колесо 2 начинает действовать момент вращения гибкого вала 3, что побуждает его вращаться, независимо от сцепления с дорожным покрытием (в данном случае имеет место совместное действие на колесо 2 сил сцепления с дорогой и момента вращения гибкого вала). Вместо одной в колее, появляются две точки приложения тяги двигателя от каждого колеса 2. Это удобство позволяет более эффективно распределить усилие тяги и снизить потери двигателя на движение ТС, особенно для предотвращения проскальзывания колес 2 на мягких грунтах или в других сложных условиях (улучшается сцепление с дорогой на ее наклонных участках). Если в приводе используется соединение гибким валом 3 двух ведущих колес 2, имеющих собственные побудители тяги, то в качестве дополнительного механизма, обеспечивающего согласование скоростей вращения указанных колес 2, выступает гибкий вал привода указанных колес 2.
При повороте ТС, например, налево (фиг. 1а), с помощью механизма управления поворотом ТС, переднее колесо 2 (ось колеса) поворачивает налево, а заднее - направо, в этот момент гибкий вал 3 смещается вдоль гильзы к заднему колесу 2. Это смещение происходит практически свободно, так как смещение участка гибкого вала 3 от переднего колеса 2 компенсируется смещением другого участка вала в том же направлении вдоль гильзы 4 к заднему колесу 2. Таким образом, при повороте оси первого колеса 2, смещение вала 3 вдоль гильзы 4 способствует повороту второго колеса 2 относительно первого, помогая реализовать отрицательную схему поворота ТС.
При этом механизм управления поворотом 5 обеспечивает соответствующий поворот заднего колеса 2 - направо. Обычно углы поворота колес равны, при этом примерно в 2 раза повышается чувствительность системы к углу поворота ТС. Это дает соответствующее снижение нагрузки на передачу усилия в системе управления поворотом. Одновременно повышается маневренность ТС.
Поворот ТС направо (фиг. 1в) происходит по зеркально-симметричной геометрии с плоскостью симметрии, проходящей через центры обоих колес, в той же последовательности, что и на фиг. 1а.
Вариантом ТС (не показано), аналогичного показанному в данном примере, является одноколейное ТС, у которого в гибком приводе торец гибкого вала 3 подсоединен не к левому (как показано на фиг. 1), а к правому торцу вала (переднего) колеса 2, а второй торец вала 3 соответственно подсоединен к левому торцу вала (заднего) колеса 2.
Также вариантом ТС (также не показано), аналогичного показанному в примере на фиг. 2, может быть двухколейное ТС (например, полно-приводной, полноповоротный мотовездеход-мотоцикл с присоединяемой коляской), в котором в одной колее расположена пара колес 2 самого мотовездехода с указанным гибким приводом - гибким валом 3, как в ходовой части 1 на фиг. 1, а во второй колее расположено третье колесо свободного вращения коляски. При этом ось третьего колеса расположена перпендикулярно к отрезку прямой, соединяющему центры осей колес 2, связанных через гибкий вал 3, а основание этого перпендикуляра лежит на указанном отрезке.
Работа указанных ТС происходит аналогично работе мотовездехода, показанного на фиг. 1-3.
На фиг. 3 показан схематизированный чертеж (вид: а) сбоку, б) сверху - в сечении осей колес, и в) в аксонометрии) полно-приводного полноповоротного мотовездехода с предложенным гибким приводом. В данном ТС каждое колесо 2 закреплено на своей несущей стойке консольно, стойки с колесами развернуты антисимметрично одна к другой. Двигатель вездехода навесной, установлен на стойке переднего колеса 2 и связан с колесом редуктором. Гильза 4 для размещения гибкого вала 3 встроена в площадку для ног (деку) вездехода. Гибкий вал 3 подходит к каждому колесу 2 своими торцами по их оси вращения, каждый торец жестко соединен с колесом 2 непосредственно в проекции оси вращения на это колесо. Узел управления поворотом 5 мотовездехода может быть любого типа, в данном случае - кулисно-рычажный (условно показан пунктиром вдоль средней линии под сиденьем мотовездехода).
Здесь не рассматриваются системы: тормозная, переключения передач, смазки, сигнализации и др. элементы мотовездехода, как несущественные для реализации и рассмотрения данной полезной модели.