CZ2013574A3

CZ2013574A3 - Kolo s proměnnou charakteristikou, zvláště pro motorová vozidla

Info

Publication number: CZ2013574A3
Application number: CZ2013-574A
Authority: CZ
Inventors: Michael Valášek; Josef Kovář
Original assignee: ÄŚVUT v Praze - Fakulta strojnĂ; STUDIO SILFOR s.r.o.
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2015-02-11
Also published as: EP3022068B1; WO2015007253A1; EP3022068A1

Abstract

Vynález se týká kola s proměnnou charakteristikou, zvláště pro motorová vozidla, skládající se z ráfku kola a pneumatiky tvořené běhounem a boky pneumatiky, přičemž mezi ráfkem (4) a běhounem (2) a/nebo boky (3) pneumatiky (1) jsou uspořádána silová zařízení pro změnu přenosu síly mezi ráfkem a pneumatikou, tvořené jednotlivě nebo v kombinaci jednotlivými silovými zařízeními (5.sub.1.n.až 5.sub.6.n.). Silová zařízení (5.sub.1.n.) typu tlumič nebo řízený tlumič nebo řízený silový aktuátor, mezi ráfkem (4) kola a běhounem (2) pneumatiky jsou uspořádána paprskovitě, případně tvořen souvislým prstencovým tlumičem nebo souvislým prstencovým řízeným tlumičem nebo souvislým prstencovým řízeným silovým aktuátorem.

Description

Kolo s proměnnou charakteristikou, zvláště pro motorová vozidla

Obor techniky

Známý stav techniky

Dosavadní řešení pneumatik jsou většinou založeny na tradičním řešení pneumatiky jako toroidní komory s přetlakem. Tento základní koncept je upravován různým řešením sten teto komory (běhounu, boků, okraje v ráfku aj.) v podobě výztuh a kombinace vrstev materiálu. Je sice rada návrhů dalších úprav, například dělených komor pro odolnost proti poškozeni při vojenskyc aplikacích, vestaveb konstrukcí na bázi loukotí pro dojezd při defektu, úplné náhrady komorové pneumatiky konceptem loukoťové pneumatiky. Dále se zkoumají další přídavné vlastnosti, jako je kontrol tlaku v pneumatice nebo její dofukování. Základní přístupy komorového řešení, pokud je užito nahuštěného přetlaku, nejsou změněny. Úpravy probíhají ve stěnách komory, ne vestavbou v její dutině Komorové řešení obecně má problém s velmi malým, prakticky zanedbatelným tlumením a s nemožností směřování rozdílné tuhosti do rozdílných žádoucích směrů. Tyto vlastnost! jsou pak často dosahovány výměnou pneumatiky pro užití vozidla za různých podmínek, napr. městské nebo terénní užití, letní nebo zimní užití, apod. , ,

Cílem tohoto vynálezu je umožnit přidat pneumatice vlastnosti, které obecně mohou mít ruzne strukturní konstrukce jak pasivní, tak aktivně poháněné pohony a řízené pomocí čidel. Tyto vlastnosti by umožnily fyzicky řešit koncepty řízených podvozků automobilů dosahované jen nzenim odpruženi (sky hook, ground hook, apod.) v průběhu průchodu vozidla ve velkém spektru silničních a terenmch podmínek.

Podstata vynálezu

Podstata kola s proměnnou charakteristikou, zvláště pro motorová vozidla, skládající se z ráfku kola a pneumatiky tvořené běhounem a boky pneumatiky spočívá v tom, že mezi ráfkem a behounem a/nebo boky pneumatiky je/jsou uspořádáno/a silové/á zařízení pro změnu přenosu sily mezi ráfkem a pneumatikou, tvořené jednotlivě nebo v kombinaci jednotlivými silovými zařízeními.

Silová zařízení typu tlumič nebo řízený tlumič nebo řízený silový aktuátor, mezi ráfkem kola a běhounem pneumatiky jsou uspořádána paprskovitě, případně je silové zařízeni typu tlumic nebo řízený tlumič nebo řízený silový aktuátor, mezi ráfkem kola a běhounem pneumatiky tvořeno souvislým prstencovým tlumičem nebo souvislým prstencovým řízeným tluiracem nebo souv.slym prstencovým řízeným silovým aktuátorem. . _v

Silová zařízení mezi ráfkem kola a pneumatikou jsou uspořádána paprskovité a spojena prostřednictvím sférických kloubů na prstenci.

Alternativně je silové zařízení mezi ráfkem a běhounem pneumatiky tvořeno souvislou prstencovou membránovou pružinou, uloženou na ráfku kola přes pružnou tlumící část. ° _v,

Při použití více silových zařízení jsou tato spojena prostřednictvím sférických kloubu s případným uspořádáním v oddělených výsečích. ,

Silové zařízení mohou mít nesymetricky zakřivený tvar, přičemž v záhybech prsténcové membránové pružiny mohou být vloženy tepelně deformovatelné části.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených obrázcích až 14 jsou znázorněna schematicky jednotlivá provedení kola s proměnnou charakteristikou podle vynálezu a na obrázcích až 17 schematicky možné způsoby úprav kola pro montáž silových zařízení.

Příklady provedení vynálezu

Popsaná uspořádání kola s proměnnou charakteristikou vždy staví na uspořádání silových zařízení 5_Xaž 5§ ve společném neděleném prostoru pneumatiky.

Na obr. 1 je znázorněno základní uspořádání kola s proměnnou charakteristikou. Jde o dva sdružené pohledy v řezech, kde je kolo automobilu skládající se z pneumatiky 1 na ráfku 4 kola. Toto tradiční uspořádání je doplněnou uspořádáním řady silových zařízení Sitypu tlumič nebo řízený tlumič nebo řízený silový aktuátor mezi ráfkem 4 kola a běhounem 2 pneumatiky 1. Silová zařízení 5j jsou uspořádána paprskovitě v prstenci 6. Silová zařízení 5j jsou vdaném případě tvořena tlumiči s vhodně nastavenou charakteristikou, která mění celkovou charakteristiku odpružení automobilu. Tlumení v těchto tlumičích mění časový průběh síly přenášené pneumatikou mezi vozovkou a automobilem. Silové zařízení 5i však může být tvořeno dalšími typy zařízení, která mění přenos síly mezi běhounem 2 pneumatiky 1, který je ve styku s vozovkou, a ráfkem 4 kola, který sílu přenáší na podvozek automobilu. Může jít o kombinaci pružiny a tlumiče nebo o prvek s řízenými vlastnostmi nebo o řízený silový aktuátor. Příkladem může být řada tlumičů s řízenými tlumicími vlastnostmi. Řízení může být realizováno magnetickým polem působícím na magnetoreologickou kapalinu obsaženou v tlumiči, resp. v silovém zařízení 5i, nebo přímo elektrickým řídícím napětím na aktuátor. Způsob řízení může být obdobný řízení odpružení podvozku automobilů. Jde o další řízený prvek v takové soustavě. Silová zařízení 5χ představují fyzickou realizaci konceptu zemského háku (ground hooku) pro řízené pérování.

Na obr. 2 je znázorněno další základní uspořádání kola s proměnnou charakteristikou. Jde o dva sdružené pohledy v řezech, kde je kolo automobilu skládající se z pneumatiky 1 na ráfku 4 kola. Toto tradiční uspořádání je doplněnou silovým zařízením 5_Ž tvořeným mechanickým prvkem uspořádaným souvisle v prstenci mezi ráfkem 4 kola a běhounem 2 pneumatiky 1. Silové zařízení 5_Ž je v daném případě tvořena souvislým prstencovým tlumičem s vhodně nastavenou charakteristikou, která mění celkovou charakteristiku odpružení automobilu. Tlumení v těchto tlumičích mění časový průběh síly přenášené pneumatikou mezi vozovkou a automobilem. Silové zařízení 5_Ž však může být tvořeno dalšími typy zařízení, která mění přenos síly mezi běhounem 2 pneumatiky 1, který je ve styku s vozovkou a ráfkem 4 kola, který sílu přenáší na podvozek automobilu. Může jít opět o kombinaci pružiny a tlumiče nebo o prvek s řízenými vlastnostmi. Příkladem může být náplň souvislého prstencového tlumiče magnetoreologickou kapalinou, jejíž tlumicí vlastnosti budou řízeny vnějším magnetickým polem, nebo přímo elektrickým řídícím napětím na aktuátor. Způsob řízení může být obdobný řízení odpružení podvozku automobilů. Jde o další řízený prvek v takovém soustavě. Silová zařízení 5 představují fyzickou realizaci konceptu zemského háku (ground hooku) pro řízené pérování. Prstenec 6 zobrazený na obr.l, 2 a jak je znázorněno na obr.5 je pouze virtuální, tedy pomysbý prstenec, v ostatních obrázcích, kde je znázorněn, tedy na obr. 3, 4, 7, 8, 9, 10 je prstenec 6 tvořen fyzickou součástí.

Na obr. 3 je znázorněno další základní uspořádání kola s proměnnou charakteristikou. Jde o dva sdružené pohledy v řezech, kde je kolo automobilu skládající se z pneumatiky 1 na ráfku 4 kola. Toto tradiční uspořádání je doplněnou uspořádáním řady silových zařízení 5₂ mezi ráfkem 4 kola a boky 3 v prstenci mezi ráfkem 4 kola a běhounem 2 pneumatiky 1. Silové zařízení 5₃ je vdaném případě tvořeno souvislou prstencovou membránovou pružinou 5^, která má nesymetrický zakřivený tvar pro dosažení vhodně nastavené charakteristiky. V záhybech prstencové membránové pružiny jsou vloženy tepelně deformovatelné části 535, které podle teploty mění pružně tlumicí vlastnosti silového zařízení 5₃. Tuhost a případně tlumení v tomto silovém zařízení 5j mění časový průběh síly přenášené pneumatikou 1 mezi vozovkou a automobilem s vhodným poměrem změny tuhosti mezi radiálním a bočním směrem, který může být i nesymetrický. Části §35 silového zařízení však mohou být take naplněny hydraulickým olejem pro pasivní tlumení nebo magnetoreologickou kapalinou pro řízené tlumení ovládané zvnějšku pomocí řídících elektromagnetů 8 jako na obr. 5.

Na obr. 14 je znázorněna alternativa uspořádání kola s proměnnou charakteristikou z obr. 12. Jde o pohled v řezu, kde je kolo automobilu skládající se z pneumatiky 1 na ráfku 4 kola. Toto tradiční uspořádání je doplněnou silovým zařízením 5^ tvořeným mechanickým prvkem uspořádaných souvisle v prstenci mezi ráfkem 4 kola a běhounem 2 pneumatiky 1. Silové zařízení 5₃ je vdaném případě tvořeno souvislou prstencovou membránovou pružinou 531 s tlumením s vhodně nastavenou charakteristikou, která mění celkovou charakteristiku odpružení automobilu. Tlumení není na straně připojení silového zařízení 5₃ k běhounu 2, ale na straně připojení silového zařízení 5_a k ráfku 4 kola přes tlumicí část 5^. Tlumicí část 5.32 je tvořena prostorem zvětší části naplněným hydraulickým olejem 534 a rozděleným propustnými přepážkami 533 na jednotlivé části, mezi kterými je při pohybu běhounu 2 vůči ráfku 4 kola hydraulická kapalina protlačována. Tím dochází k tlumení. Tuhost a tlumení v tomto silovém zařízení 5₃ mění časový průběh síly přenášené pneumatikou 1 mezi vozovkou a automobilem s vhodným poměrem změny tuhosti a tlumení mezi radiálním a bočním směrem, které může být i nesymetrické. Řešení znázorněné na obr. 14 je pasivní. Tlumicí část 532 uchycená k ráfku 4 kola může být naplněna magnetoreologickou kapalinou a ovládánou zvnějšku pomocí řídících elektromagnetů 8 jako na obr. 5.

Na uvedených obrázcích tlumič může být tvořen pasivním tradičním tlumičem nebo řízeným tlumeným tlumičem s řízené proměnnými vlastnostmi a nebo silovým prvkem, jehož síla (tlumici nebo poháněči) je řízena a souvislý mechanický prvek může být tvořen souvislou prstencovou membránovou pružinou nebo souvislým prstencovým tlumičem nebo souvislým prstencovým řízeným tlumičem s řízené proměnnými vlastnostmi nebo souvislým prstencovým silovým prvkem, jehož síla (tlumící nebo poháněči) je řízena.

Na následujících třech obrázcích je znázorněn možný způsob montáže pneumatiky 1 se silovým zařízením 5i až 5θ na ráfek 4 kola.

Na obr. 15 je znázorněno uspořádání kola s proměnnou charakteristikou podle obr. 6, kde montáž je provedena pomocí děleného ráfku 4 kola na dvě části, základní část 4j a přídavnou část 42 spojené přírubou 4₃ se šrouby. Jde o pohled v řezu, kde kolo automobilu se skládá z pneumatiky 1 na ráfku 4. Na obr. 15 je znázorněno silové zařízení 5₃, tvořené mechanickým prvkem uspořádaným souvisle v prstenci mezi ráfkem 4 kola a běhounem 2 pneumatiky 1.

Montáž probíhá tak, že v první fázi je pneumatika 1 nasazena na základní část 4j ráfku 4 kola dle obr. vlevo Ve druhé fázi je otvorem po odpojené přídavné části 4₂ ráfku 4 kola nasazeno a do žlábku základní části ráfku 4_Á upevněno silové zařízení 5_Ž tvořené souvislou prstencovou membránovou pružinou 531 a jejím pružným a tlumivým uchycením prostřednictvím části 532 k základní části 4_Á ráfku kola. Ve třetí fázi je nasazena přídavná část 4? ráfku kola a obě části jsou spojeny šrouby s přírubou 4₃dle obr. vpravo. Konečně je pneumatika nahuštěna. V souvislé prstencové membránové pružině 5j jsou otvory pro přechod tlakového vzduchu mezi vnitřními prostory pneumatiky 1 oddělenými touto souvislou prstencovou membránovou pružinou 5j.

Na obr. 16 je znázorněno uspořádání kola s proměnnou charakteristikou podle obr. 1, kde montáž pneumatiky 1 se silovým zařízením 5i je provedena pomocí bočních otvorů 4_á a obvodových otvorů 4_{ς v r}áfku 4 kola. Jde na obrázku vpravo o dva sdružené pohledy v řezech, kde je kolo automobilu se skládá z pneumatiky 1 na ráfku 4 kola.

Montáž probíhá tak, že v první fázi na obrázku vlevo je pneumatika 1 se složenými silovými zařízeními 5i připevněnými k běhounu 2 pneumatiky 1 nasazena na základní část ráfku 4 kola. Silová zařízení 5_Ápodle potřeby zapadnou do žlábku ráfku 4 kola. Ve druhé fázi na obrázku vpravo jsou skrze boční otvory 4n a obvodové otvory 4g ráfku 4 kola postupně ustavena paprskovitá silová zařízení 5_A svými vnitřnímičástmi 5h na ráfek 4 kola a ráfek 4 je utěsněn. Následně je pneumatika nahuštěna.

Na obr. 17 je znázorněno uspořádání kola s proměnnou charakteristikou podle obr. 1, kde montáž je provedena pomocí montážních přírub 13. Jde o pohled v řezu, kde kolo automobilu se skládá z pneumatiky 1 na ráfku 4 kola. Toto tradiční uspořádání je doplněnou uspořádáním řady silových zařízení 5i mezi ráfkem 4 kola a běhounem 2 pneumatiky 1. Silová zařízení 5i jsou uspořádána paprskovitě v prstenci 6.

Montáž probíhá tak, že v první fázi je pneumatika 1 se silovými prvky 5i připevněna běhounem 2 k montážní přírubě 13 a působením sil F je v jednom směru roztažena. Ve druhé fázi je takto deformovaná pneumatika 1 spolu se silovými zařízeními 5i nasazena na ráfek 4 kola. Při této fázi montáže je možné dále užít pomocných montážních přírub 14 a pomocí sil Fi radiálně deformovat i bok 3 pneumatiky 1 pro usnadnění montáže při přesunutí boku 3 pneumatiky přes okraj ráfku 4 kola. Vzniklým otvorem lze také manipulovat silovými zařízeními 5i uvnitř pneumatiky 1 pro jejich ustavení na ráfku 4 kola. Následně je takto provedena montáž v dalším směru F, až je montáž provedena ve všech směrech. Ve třetí fázi jsou síly F, případně F_x uvolněny, dojde k přilehnutí a upevnění silových zařízení 5j a pneumatiky 1 k ráfku 4 kola. Následně je sejmuta montážní příruba 13, případně pomocná montážní příruba 14 a pneumatika je nahuštěna.

Z popsaného je zřejmé, že montáž kola s proměnnou charakteristikou je obtížnější než klasického kola, ale takové kolo přináší řadu výhod jinak nedosažitelných vůbec nebo ne u jednoho kola bez výměny.

Popsaná uspořádání kola s proměnnou charakteristikou lze užít pro řadu různých zlepšení dynamiky vozidel. Jde o kolo s konstruovanou vnitřní dynamikou, která může být proměnná adaptací i řízením. Je možné vytvořit kolo vozidla s vnitřním tlumením pro funkce na bázi ground hooku, kolo s kompenzací boční síly pro zlepšení směrových charakteristik kol, je možné kompenzovat proměnné vnější podmínky, jako jsou teplota, otáčky, povrch vozovky (dálnice, město, terén), počasí, roční období. Vlastnosti kol vozidla se mohou lišit podle polohy při v manévru, například zda jde o vnější nebo vnitřní kola na trajektorii vozidla apod. Pomocí silových zařízení 5i až 5_é je možné nastavovat a i řídit tvary kmitání podvozku vozidel, například nahrazovat torzní stabilizátory, hydraulická propojení tlumení kol podle druhu manévrů vozidla apod.

Silová zařízení 5_: až 5§ mohou být vytvořena různými materiály a jejich kombinacemi, například polymery, paměťové kovy, bimetaly, termoroztažné látky, magnetoreologické kapaliny atd. Silová zařízení 5iaž 5θ mohou být také tvořena aktuátory.

Může být užito různé kombinace popsaných silových zařízení u kola s proměnnou charakteristikou.

U kola s proměnnou charakteristikou je výrazně využito materiálu, nebo prostoru pneumatiky k tlumení, což je dáno i tím, že tlumící a/nebo silové prvky pracují nejen ve fázi kontaktu příslušné části pneumatiky s vozovkou (vzhledem k ose kola jsou dole), ale i ve fázi, kdy příslušná část pneumatiky není v kontaktu s vozovkou (vzhledem kose kola jsou nahoře). U těchto kol dochází rovněž ke snížení valivého odporu - snížení vlnění pneumatiky, přičemž se projevuje synergický efekt. Toroid pneumatiky může být ovlivňován i prvky, které oběhnou disk kola, např. radiálně zatěžovanou membránou.

Synergie účinku obalu toroidní dutiny a tlumících prvků v dutině pneumatiky posouvá frekvenci tlumeni k frekvenčnímu poli kinematiky vozidla - nápravy, rámu. _v

Konvenční pneumatika, jako natlakovaná toroidní komora, není schopna eliminovat vcelé sin provozní frekvence, v průběhu průchodu vozidla ve velkém spektru silničních a terenmch podmínek. Řízení proměnných vlastností kola je prováděno počítačem.

Claims

Patentové nároky

1. Kolo s proměnnou charakteristikou, zvláště pro motorová vozidla, skládající se z ráfku kola a pneumatiky tvořené běhounem a boky pneumatiky, vyznačené tím, že mezi ráfkem (4) a běhounem (2) a/nebo boky (3) pneumatiky (1) je/jsou uspořádáno/a silové/á zařízení pro změnu přenosu síly mezi^ ráfkem a pneumatikou, tvorene jednotlivě nebo v kombinaci jednotlivými silovými zařízeními (5_t až 5₆).
2. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 1, vyznačené tím, že silová zařízení (5_X) typu tlumič nebo řízený tlumič nebo řízený silový aktuátor, mezi ráfkem (4) kola a behounem (2) pneumatiky jsou uspořádána paprskovitě.
3. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 1, vyznačené tím, že silové zařízení (5J typu tlumič nebo řízený tlumič nebo řízený silový aktuátor, mezi ráfkem (4) kola a behounem (2) pneumatiky je tvořen souvislým prstencovým tlumičem nebo souvislým prstencovým řízeným tlumičem nebo souvislým prstencovým řízeným silovým aktuátorem.
4. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 1, vyznačené tím, že silová zařízeni (5₂) mezi ráfkem (4) kola a boky (3) pneumatiky (1) jsou uspořádána paprskovitě a spojena prostřednictvím sférických kloubů (7) na prstenci (6).
5. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 1, vyznačené tím, že silová zařízení (Sj a silová zařízení (5₂) mezi ráfkem (4) a pneumatikou jsou uspořádána paprskovitě a spojena prostřednictvím sférických kloubů (7) na prstenci (6).
6. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 1, vyznačené tím, že silové zařízení (S₃) mezi ráfkem (4) a běhounem (2) pneumatiky je tvořeno souvislou prstencovou membránovou pružinou.
7. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 6, vyznačené tím, že silové zařízení (5₃) je uloženo na ráfku (4) kola přes pružnou tlumící část (5₃₂).
8 Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 1, vyznačené tím, že silové zařízení (5₃) je uspořádáno spolu se silovým zařízením (5₄) mezi ráfkem (4) a pneumatikou, přičemž silové zarizem (5₄) je spojeno se silovým zařízením (5₃) prostřednictvím sférických kloubů (7).
9. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 8, vyznačené tím, že silové zařízení (5₃) a s ním spojené silové zařízení (5₄) jsou uspořádány v oddělených výsečích.
10 Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 8, vyznačené tím, že prostřednictvím sférických kloubů (7) jsou mezi ráfkem (4) a běhounem (2) uspořádány alespoň tri ze silových zařízeni (5₃)a (5₄).
11. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 6, vyznačené tím, že silové zařízeni (5₃)ma nesymetricky zakřivený tvar.
12 Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 6, vyznačené tím, že sdove zařízeni 5, |e v daném případě tvořeno souvislou prstencovou membránovou pružinou která ma nesymetricky zakřivený tvar, přičemž v záhybech prstencové membránové pružiny Jsou vloženy tepelne deformovatelné části 535.
13. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle nároku 6, vyznačené tím, že silové zařízení ^₃ je na straně přivrácené k ráfku (4) a/nebo k běhounu (2) pneumatiky ve styku s tlumící částí (5₃₂) opatřenou propustnými přepážkami (5₃₃) a vyplněnou hydraulickým olejem (5₃₄).
14. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle některého z předchozích nároků, vyznačené tím, že ráfek (4) je spojen s nosičem (11) kola opatřeným řídícími elektromagnety (8).
15. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle některého z předchozích nároků, vyznačené tím, že ráfek (4) je dělený a opatřen spojovací přírubou (4₃).
16. Kolo s proměnnou charakteristikou, podle některého z předchozích nároků, vyznačené tím, že ráfek (4) je opatřen bočními otvory (4₄) a obvodovými otvory (4_S).