ШАР-КОЛЕСО КАЛИНКИНА
KALINKIN'S BALL-WHEEL

Изобретение относится к устройствам для перемещения объектов (грузов) преимущественно по горизонтальной поверхности и может быть использовано в качестве подвижной опоры напольного высокоманевренного транспортного средства.
Известны технические решения опорных устройств, обеспечивающих более высокие по сравнению с другими характеристики подвижности и основанных на трении качения, которые в опорной части используют шарообразный элемент как колесо, перекатывающееся по поверхности, например: Шароход Кашарова. Техника-молодежи. №7, 1982 г., с.6-10; Шаровая опора. Патент РФ 1426006, заявка 4087149/23 от 16.05.1986 г.; Шаровая колесная опора. Крайнев Ф.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987, с.528, 529.
Общеизвестным примером высокоподвижной опоры является механизм, предложенный инженером Кашаровым и получивший название «шароход инженера Кашарова» /Шароход Кашарова. Техника-молодежи. №7, 1982 г., с.6-10/. Основной элемент шарохода - это пара усеченных с двух сторон шаров, установленных с возможностью вращения в специальной обойме таким образом, что их оси образовывали угол в 90°. В отличие от обычного колеса обойма не только поворачивается вокруг собственной оси, но и перемещается в осевом направлении на вращающихся шарах. Транспортное средство, установленное на такие опоры, может катиться в любом направлении, не поворачивая колес. В механизме инженера Кашарова перемещение опоры, представляющей собой совокупность нескольких шаров, объединенных в тележки, сопровождается одновременным вращением обойм и шаров внутри них, что приводит к чередованию пар шаров, находящихся в контакте с опорной поверхностью. Это вызывает неустойчивость тележек, их раскачивание при движении и подпрыгивание.
Более эффективным в работе является техническое решение /Шаровая опора. Патент РФ 1426006, заявка 4087149/23 от 16.05.1986 г./, в котором предложено использовать шаровую опору, содержащую неподвижный корпус и вращающийся корпус с опорными цапфами и роликами, при этом вращающийся корпус выполнен в виде трубы с поперечными прорезями, в которых шарнирно на осях, перпендикулярных оси трубы, установлены ролики, диаметр которых больше диаметра трубы, поперечные прорези развернуты одна относительно другой, а опорные ролики выполнены сферическими со срезанными по торцам сегментами. Транспортное средство, установленное на такую шаровую опору, содержащую вращающийся трубчатый корпус и как минимум три ролика, может двигаться в любом направлении за счет одновременного вращения трубчатого корпуса и сферических опорных роликов. При этом движение опоры сопровождается постоянным чередованием роликов, которые в данный момент взаимодействуют с поверхностью: при выходе из контакта с поверхностью какого-либо из роликов одновременно начинает работать один из двух других. Это вызывает неизбежное пересопряжение (смещение точки опоры), приводящее к повышению динамики, снижению плавности хода. Кроме того, при повороте транспортного средства возникает проскальзывание в контакте роликов с поверхностью, обусловленное тем, что ролики разнесены в трубчатом корпусе и двигаются по дугам окружностей разного радиуса.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является шаровая колесная опора /Шаровая колесная опора. Крайнев Ф.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987, с.528, 529./, которая обеспечивает плавное движение при использовании в нем поворотного сферического колеса. Опорная часть, имеющая сферическую поверхность и выполняющая роль опорного шара, соединена шарниром, имеющим наклонную ось, с промежуточным звеном, которое с помощью шарнира, имеющего вертикальную ось, соединено с рамой перемещаемого устройства. Шарнир и промежуточное звено вместе составляют конструктивный элемент, который можно назвать держателем опорной части - опорного шара. При движении опорная часть поворачивается вокруг вертикальной оси шарнира и катится в любом направлении, вращаясь относительно оси промежуточного звена.
Известное опорное устройство обладает тем недостатком, что для изменения направления движения поворотная стойка прежде должна повернуться подобно рулевому механизму автомобиля и только затем у сферического колеса появляется возможность перекатываться в нужном направлении. Однако вращательное движение поворотной стойки вызывает появление дополнительных (переходных с одного направления на другое) участков траектории, сопровождается трением и проскальзыванием в месте контакта колеса с поверхностью, что снижает кинематические возможности и затрудняет управление транспортным средством. В связи с этим ухудшается маневренность транспортного средства.
Задача изобретения - повышение маневренности за счет увеличения подвижности шаровой опоры.
Для достижения этого технического результата в шаровой опоре, имеющей в своем составе держатель и опорный шар, между держателем и опорным шаром введены дополнительно роликовые опоры, которые выполнены в виде попарно установленных и кинематически соединенных шпинделей с роликами.
Благодаря наличию перечисленных признаков предлагаемая шаровая опора взаимодействует с опорной поверхностью таким образом, что при изменении направления движения (повороте перемещаемого устройства) не требуется поворота опорного шара относительно вертикальной оси, что создает условия для непрерывного его контакта с реальной поверхностью без проскальзывания. Отсутствие проскальзывания переходных участков движения позволяет повысить стабильность контакта опорного шара, увеличить подвижность шаровой опоры и маневренность транспортного средства. Кроме того, предлагаемая совокупность признаков дает возможность транспортному средству выполнять любой сложности поступательные и вращательные движения, а также сочетать одновременно движения по прямой, кривой любой конфигурации и вращении на плоскости при обеспечении трения качения в контакте опорного шара как с поверхностью плоскости перемещения, так и с роликовыми опорами. Отсутствие каких-либо исключений в вариантах движения опоры обеспечивает неограниченный диапазон возможных траекторий перемещений по сравнению с другими шаровыми опорами, что расширяет кинематические возможности шаровой колесной опоры, повышает ее подвижность и позволяет сделать транспортное средство на основе такой опоры высокоманевренным.
Предлагаемая шаровая опора иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3. На фиг.1 и 2 показаны проекции шаровой опоры, соответствующие чертежным видам спереди и сверху.
На фиг.3 показан в разрезе один из шпинделей с закрепленным на нем роликом, выполненным в виде сферы.
Шаровая опора содержит опорный шар 1, роликовые опоры 2, держатель 3. Роликовые опоры выполнены в виде попарно установленных на держателе 3 шпинделей 4 с закрепленными на них консольно роликами 5. Шпиндели 4 кинематически соединены, например, с помощью зубчатой передачи 6. При работе шаровой опоры опорный шар 1 контактирует с плоской поверхностью 7.
Работа шаровой опоры происходит следующим образом.
При отсутствии движения внешняя нагрузка, например, от силы веса транспортируемого объекта передается на держатель 3 и далее через шпиндели 4, ролики 5 на опорный шар 1 и воспринимается плоской поверхностью 7.
При движении шаровой опоры вместе с нагрузкой от транспортируемого объекта на держателе 3 создается нагрузка, действующая в плоскости, параллельной поверхности 7, и вынуждающая катиться опорный шар 1 по поверхности 7. Движение от опорного шара 1 передается на ролики 5. При этом ролики 5 вращаются вокруг своей оси и одновременно частично передают движение на шпиндели 4, которые также приходят во вращение. Сочетание вращений шпинделей 4 и роликов 5 обеспечивает возможность поворота роликов в любом направлении, и, в частности, в том, которое им задается при передаче движения от опорного шара 1. Зубчатая передача 6, соединяющая попарно установленные шпиндели 4, передает вращение между шпинделями в каждой из пар, обеспечивая попеременный контакт закрепленных на них роликов 5 с опорным шаром 1.
Таким образом, предлагаемая шаровая опора за счет введения дополнительных опор качения, выполненных в виде сдвоенных вращающихся шпинделей, оснащенных роликами, обеспечивает стабильность контакта опорного шара, исключает проскальзывание и дополнительные переходы при изменении направления движения, а также дает возможность реализовать неограниченный диапазон возможных траекторий перемещений по сравнению с другими шаровыми опорами, что расширяет кинематические возможности шаровой опоры, подвижность и позволяет сделать транспортное средство на основе такой опоры высокоманевренным.