RU2223867C2 - Деформируемое колесо, не являющееся пневматическим - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к колесу, не являющемуся пневматическим, и, в частности, к деформируемому колесу, которое может быть использовано вместо колеса с пневматическими шинами на автодорожных транспортных средствах. Деформируемая конструкция 1 для транспортного средства предназначена для качения вокруг оси вращения и содержит внутренний кольцевой элемент 3, центрированный на оси, наружный кольцевой элемент 4, образующий беговую дорожку качения, гибкий и нерастяжимый, располагающийся снаружи в радиальном направлении по отношению к внутреннему элементу 3, и множество радиальных перемычек или спиц, расположенных в радиальном направлении между внутренним элементом 3 и наружным кольцевым элементом 4. Каждая радиальная перемычка или спица способна противопоставить воздействию радиального сжатия за пределами порогового значения постоянное усилие. Наружный элемент 4 имеет такую окружную длину, что радиальные перемычки или спицы оказываются предварительно нагруженными усилием радиального сжатия. Имеются также средства стабилизации относительных положений внутреннего элемента 3 и наружного элемента 4, которые ограничивают амплитуду относительного поворота в окружном направлении между внутренним элементом 3 и наружным элементом 4. Радиальные перемычки или спицы расположены между внутренним элементом 3 и наружным элементом 4 таким образом, что их гибкость в меридиональной плоскости меньше, чем гибкость в окружной плоскости. Технический результат - повышение надежности работы предложенного колеса. 3 с. и 10 з.п.ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относятся к колесу, не являющемуся пневматическим, и, в частности, к деформируемому колесу, которое может быть использовано вместо колеса с пневматическими шинами на автодорожных транспортных средствах.

На протяжении длительного времени предпринимаются попытки разработать деформируемые колеса, не являющиеся пневматическими, то есть колеса. функционирующие без использования воздуха под давлением, чтобы преодолеть все проблемы, связанные с проколами или снижением давления накачивания пневматических шин.

Среди многочисленных технических решений этой проблемы можно упомянуть решение, описанное в патенте США US 3234998.

В патенте раскрыто не являющееся пневматическим деформируемое колесо, содержащее диск, внутренний элемент, закрепленный на этом диске, кольцевой наружный элемент, предназначенный для вхождения в контакт с грунтом, гибкий и по существу нерастяжимый, и множество радиальных перемычек или спиц, располагающихся между внутренним и наружным элементами.

Наружный элемент имеет такую длину, что он нагружает спицы или радиальные перемычки напряжением радиального сжатия. Другими словами, спицы или радиальные перемычки предварительно напряжены, то есть имеют предварительное нагружение.

Поскольку спицы или радиальные перемычки напряжены на своих концах, ориентированное в радиальном направлении усилие реакции, которое может развернуть каждую из этих спиц или радиальных перемычек, за пределами порогового значения нагружения остается постоянным.

Указанное в данном патенте колесо содержит также средства стабилизации относительных положений наружного и внутреннего элементов. Радиальные перемычки или спицы изгибаются в меридиональной плоскости, а средства стабилизации ограничивают относительные осевые перемещения внутреннего и наружного элементов.

В конструкции этого деформируемого колеса в качестве элементов связи между внутренним и наружным элементами используются радиальные перемычки или спицы, предварительно напряженные сверх нагрузки продольного изгиба. Таким образом, в случае увеличения нагрузки, приложенной к колесу, избыточная нагрузка компенсируется только увеличением числа радиальных перемычек или спиц, эффективно воспринимающих нагрузку. Это происходит вследствие увеличения длины поверхности контакта между колесом и грунтом. Такое поведение деформируемого колеса весьма похоже на поведение в аналогичных условиях обычной пневматической шины.

Однако предложенная конструкция колеса обладает существенным недостатком. Различные спицы или радиальные перемычки изгибаются в меридиональных плоскостях, но практически не имеют возможности окружной деформации, поскольку их поперечное сечение обладает большой инерцией в окружном направлении.

Поэтому в процессе качения колеса его наружный элемент, находящийся в непосредственном контакте с грунтом, подвергается воздействию значительных продольных усилий, в частности, на поверхности контакта, что приводит к быстрому разрушению не являющегося пневматическим деформируемого колеса.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания поддающейся деформации конструкции, предназначенной для формирования не являющегося пневматическим колеса, представляющего те же преимущества комфорта и поведения в эксплуатации, в котором отсутствуют упомянутые выше недостатки.

Поддающаяся деформации конструкция колеса для автодорожного транспортного средства в соответствии с предлагаемым изобретением, предназначенная для качения вокруг оси вращения, содержит внутренний кольцевой элемент, центрированный на упомянутой оси, наружный кольцевой элемент, образующий беговую дорожку качения, являющийся гибким и по существу нерастяжимым и расположенный в радиальном направлении снаружи по отношению к внутреннему элементу, множество спиц или радиальных перемычек, расположенных между внутренним и наружным кольцевыми элементами, причем каждая спица или радиальная перемычка способна противопоставить нагружению типа радиального сжатия за пределами некоторого заданного порогового значения по существу постоянное по величине усилие, причем наружный кольцевой элемент имеет такую длину, что радиальные перемычки или спицы предварительно напряжены в результате радиального сжатия, а также средства стабилизации относительных положений внутреннего и наружного элементов.

Предназначенная для качения конструкция отличается тем, что радиальные перемычки или спицы сформированы и располагаются между внутренним и наружным элементами таким образом, что их гибкость в меридиональной плоскости значительно меньше, чем гибкость в окружной плоскости, а средства стабилизации ограничивают амплитуду относительного окружного поворота между внутренним и наружным элементами.

Колесо, изготовленное на основе деформируемой конструкции в соответствии с предлагаемым изобретением, обладает тем преимуществом, что каждая спица или радиальная перемычка имеет возможность деформироваться в окружном направлении при качении колеса в том случае, когда эта спица или радиальная перемычка оказывается в зоне контакта наружного элемента с грунтом.

В предпочтительном варианте реализации радиальные перемычки или спицы колеса подвергаются предварительному напряжению, превышающему нагрузку продольного изгиба.

Средства стабилизации также могут содержать упругие соединительные элементы, связывающие не в радиальном направлении внутренний и наружный элементы типа тросиков или тонких перемычек. Эти средства стабилизации испытывают предварительное напряжение на растяжение в состоянии покоя, чтобы непосредственно создавать возвратное усилие в случае вращательного относительного перемещения между внутренним и наружным элементами колеса.

Концы радиальных перемычек или спиц могут быть закреплены путем жесткой заделки или шарнирно на внутреннем элементе и/или на наружном элементе. Упомянутые средства стабилизации также могут представлять собой тонкую оболочку, предварительно напряженную на растяжение в радиальном направлении.

Поддающаяся деформации конструкция в соответствии с предлагаемым изобретением может также представлять собой предохранительную вставку, предназначенную для установки в систему, образованную пневматической шиной и ее монтажным ободом.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием нескольких способов реализации со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает колесо (вид в осевом направлении), имеющее поддающуюся деформации конструкцию, закрепленную на диске согласно изобретению;
фиг.2 изображает разрез по меридиональной плоскости колеса согласно изобретению;
фиг. 3 изображает вид в осевом направлении колеса, оборудованного средствами стабилизации, согласно изобретению;
фиг. 4а, b изображают сдвоенные и шарнирно закрепленные радиальные перемычки или спицы в состоянии покоя и в деформированном состоянии согласно изобретению;
фиг. 5а, b изображают другой вариант реализации радиальных перемычек или спиц, сдвоенных и жестко закрепленных в состоянии покоя и в деформированном состоянии, согласно изобретению;
фиг.6а,b изображают радиальные перемычки или спицы колеса под нагрузкой, но вне поверхности контакта с грунтом и в зоне поверхности контакта с грунтом, согласно изобретению;
фиг. 7а, b изображают средства стабилизации колеса под нагрузкой, но вне поверхности контакта колеса с грунтом и в зоне поверхности этого контакта колеса с грунтом, согласно изобретению.

На фиг.1 и 2 схематически представлены виды в осевом направлении и в разрезе по меридиональной плоскости соответственно колеса, не являющегося пневматическим и образованного поддающейся деформации конструкцией 1, закрепленной на диске 2.

Поддающаяся деформации конструкция 1 содержит внутренний элемент 3, связанный с диском 2, наружный кольцевой элемент 4 и радиальные перемычки или спицы 5, связывающие внутренний элемент 3 и наружный элемент 4. Спицы или радиальные перемычки 5 распределены на две системы, содержащие по 60 элементов и располагающиеся в осевом направлении рядом друг с другом (фиг.2).

Радиальные перемычки или спицы 5 имеют форму параллелепипедов с толщиной, небольшой по сравнению с их длиной и шириной. Такая форма позволяет этим элементам легко изгибаться в направлении их толщины.

Радиальные перемычки или спицы 5 содержат два конца, закрепленных соответственно на внутреннем элементе 3 и на наружном элементе 4 при помощи шарниров 51. Радиальные перемычки или спицы 5 располагаются между внутренним 3 и наружным 4 элементами таким образом, чтобы их длина располагалась в радиальном направлении, ширина - в осевом направлении и толщина - в окружном направлении.

Вследствие этого радиальные перемычки или спицы 5 имеют возможность изгибаться при сжатии в радиальном направлении со стороны их продольных концов. Этот изгиб является окружным. Таким образом, гибкость радиальных перемычек или спиц 5 в меридиональной плоскости оказывается значительно меньшей, чем гибкость в окружной плоскости.

В соответствии с описываемым вариантом выполнения шарнирные соединения 51 состоят из двух частей 511 и 512 (фиг.4), соединенных между собой при помощи оси 513. Такой способ соединения позволяет обеспечить возможность свободного вращения между двумя частями 511 и 512 шарнирных соединений 51. Оси 513 располагаются в осевом направлении колеса.

Этот способ соединения допускает возможность вращения радиальных перемычек или спиц 5 относительно внутреннего и наружного элементов в плоскости колеса. Эти спицы или радиальные перемычки 5 могут быть изготовлены из полимерного материала, усиленного стекловолокном.

Наружный кольцевой элемент 4 содержит металлическую обечайку небольшой толщины в диапазоне от 0,1 до 1 мм, покрытую слоем (не показан) эластомерного материала, предназначенным для вхождения в непосредственный контакт с грунтом.

Таким образом, наружный элемент имеет малую жесткость по отношению к изгибу и по существу является нерастяжимым. Окружная длина наружного элемента 4 такова, что все радиальные перемычки или спицы 5 подвергаются предварительному напряжению осевого сжатия сверх нагрузки продольного изгиба.

Таким образом, все радиальные перемычки или спицы 5 находятся в состоянии продольного изгиба. Вследствие этого усилие реакции, которое эти радиальные перемычки или спицы оказывают на внутренний элемент 3 и на наружный элемент 4, является по существу постоянным и не зависит от амплитуды радиального сжатия.

Колесо (фиг. 1 и 2) находится в состоянии неустойчивого равновесия и энергия, запасенная в радиальных перемычках или спицах 5, стремится высвободиться путем вращательного перемещения наружного элемента 4 по отношению к внутреннему элементу 3.

Чтобы ограничить относительное вращение между внутренним элементом 3 и наружным элементом 4, деформируемая конструкция 1 снабжена средствами стабилизации, схематически представленными на фиг.3. Средства стабилизации образованы тросиками 6, связывающими внутренний элемент 3 с наружным элементом 4.

На фиг.3 показан тросик 61, закрепленный в точке А на внутреннем элементе 3 и в точке В на наружном элементе 4. Принимая во внимание, что точка О располагается на оси вращения колеса, угол АОВ=α и в рассматриваемом примере в состоянии покоя составляет 30 градусов. Угол α может изменяться в диапазоне от 1 до 45 градусов и в предпочтительном варианте в диапазоне от 25 до 35 градусов.

Тросики 6 располагаются таким образом, чтобы быть натянутыми в состоянии покоя. Таким образом, тросики 6 сдерживают вращательное перемещение наружного кольцевого элемента 4 по отношению к внутреннему элементу 3. Однако остаются возможными ограниченные относительные перемещения а зоне контакта колеса с грунтом. Жесткость, расположение, предварительное напряжение натяжения и количество этих тросиков зависят от степени стремления к полному сохранению положения равновесия, показанному на фиг.1.

С другой стороны, тросики позволяют регулировать окружную жесткость колеса в зависимости от их собственной напряженности на растяжение, а также в функции их наклона по отношению к окружному направлению.

Тросики могут иметь множество различных уровней натяжения по одну и по другую стороны от точки крепления на внутреннем элементе и на наружном элементе, что приводит к изменению реакции колеса на момент сил, приложенный в окружном направлении. Можно также изменять углы наклона по одну и по другую стороны от точек их крепления, чтобы обеспечить такую асимметрию механической реакции. И наконец, можно заменить тросики на элементы более монолитной конструкции или на любое другое эквивалентное средство стабилизации.

На фиг.4 и 5 представлены другие способы размещения и соединения радиальных перемычек или спиц с внутренним 3 и наружным 4 элементами колеса.

На фиг.4 показаны две радиальные перемычки или спицы 52 и 53 вместе с их шарнирами 51. Как и в предыдущем варианте шарниры 51 содержат две части: первую часть 511, в которой закреплен продольный конец радиальной перемычки или спицы 52, 53, и вторую часть 512, жестко закрепленную на внутреннем элементе или на наружном элементе. Эти две части шарнира связаны между собой при помощи оси 513, располагающейся на смонтированном колесе в осевом направлении деформируемой конструкции 1.

В варианте реализации, показанном на фиг.4, радиальные перемычки или спицы располагаются между внутренним и наружным окружными элементами попарно, при этом плоскость изгиба ориентирована в окружном направлении.

Продольные концы радиальных перемычек или спиц 52 и 53 закреплены в опорах 511 таким образом, чтобы расстояние D, разделяющее две радиальные перемычки или спицы, превышало расстояние d, разделяющее две оси 513.

Вследствие этого при осевом сжатии момент сил прикладывается к радиальным перемычкам или спицам и вызывает окружной изгиб двух радиальных перемычек или спиц в двух противоположных направлениях так, чтобы их центральные части удалялись друг от друга (фиг.4b). Преимущество такого способа монтажа состоит в облегчении продольного изгиба радиальных перемычек или спиц всегда в одном и том же направлении.

На фиг.5 схематически представлена двойная радиальная перемычка или спица 56, закрепленная в основании 57. В отличие от предшествующего варианта реализации основание 57 содержит одну единственную часть, жестко связанную с внутренним и наружным элементами колеса.

В последнем случае радиальная перемычка или спица 56 образована двумя половинками спицы 561 и 562, имеющими форму параллелепипеда, располагающимися рядом друг с другом в окружном направлении и закрепленными в основаниях 57. Основания 57 закреплены на внутреннем и наружном элементах колеса. Две половинки спицы разделены в окружном направлении пластиной 563. Пластина, как и в предыдущем случае, ориентирует окружной изгиб двух половинок спицы в двух противоположных направлениях таким образом, чтобы их центральные части удалялись друг от друга (см. фиг.5b).

На фиг.6 и 7 показано колесо, содержащее поддающуюся деформации конструкцию 1, в процессе его деформирования на плоской поверхности грунта. Колесо содержит две системы радиальных перемычек или спиц 5, подобных тем, которые показаны на фиг. 1, 2 и 3, и средства 7 стабилизации, образованные двумя системами перекладин квадратного поперечного сечения, изготовленных из полиуретана.

Две системы перекладин имеют не являющийся радиальным наклон и располагаются симметрично по одну и по другую стороны от радиального направления (фиг. 3). Модуль растяжения перекладин имеет величину порядка 20 МПа. Ориентация перекладин подобна ориентации тросиков 6.

На фиг. 6b и 7b показан наружный элемент 4 со слоем эластомерного материала, обеспечивающим контакт с грунтом 8. Этот слой имеет толщину порядка 10 мм. Для лучшего понимания на фиг.6а и 6b показано изменение поведения только одной из двух систем радиальных перемычек или спиц 5 за пределами поверхности контакта (фиг.6а) колеса с грунтом и в зоне этого контакта (фиг. 6b), а на фиг.7а и 7b показано изменение поведения только одной из двух систем перекладин в зоне (фиг.7b) контакта колеса с грунтом и вне этой зоны контакта (фиг.7а).

В процессе сплющивания колеса 1 на грунте 8 радиальные перемычки или спицы 5 остаются в состоянии продольного изгиба, но с большими изменениями радиального сжатия.

Рассматриваются три случая: за пределами поверхности контакта колеса с грунтом (фиг.6а) радиальные перемычки или спицы R1 испытывают небольшое радиальное сжатие; в зоне контакта колеса с грунтом между точками Е и F радиальные перемычки или спицы R2 испытывают значительно большее радиальное сжатие; в непосредственной близости от входа и от выхода этой зоны контакта колеса с грунтом радиальные перемычки или спицы R3 испытывают некоторую промежуточную величину радиального сжатия.

Радиальное сжатие радиальных перемычек или спиц 5 представляет собой функцию радиального расстояния между внутренним элементом и наружным элементом колеса, то есть степени оседания колеса в процессе его сплющивания на грунте.

Поскольку каждая радиальная перемычка или спица находится в состоянии совершившегося продольного изгиба, она оказывает на наружный элемент 4 по существу постоянное усилие реакции. Таким образом, в зоне контакта между колесом и грунтом, то есть на поверхности контакта, наружный элемент колеса - его беговая дорожка оказывает на грунт по существу постоянное среднее давление.

Это усилие практически не изменяется по амплитуде радиального сжатия, испытываемого радиальной перемычкой или спицей 5, причем давление, оказываемое наружным кольцевым элементом в соответствующей зоне, по существу не зависит от амплитуды прогиба сплющиваемого колеса.

Такое поведение весьма близко к поведению колеса с пневматической шиной. Это позволяет поглощать неровности грунта, не вызывая при этом резких реакций, передаваемых на диск колеса, и не приводить к существенным изменениям поверхности контакта между колесом и грунтом. Такое поведение колеса весьма схоже с поведением пневматической шины.

На фиг.7 показано изменение поведения только одной из двух систем перекладин на поверхности контакта колеса с грунтом (фиг.7b) и вне этой поверхности (фиг.7а).

Здесь также рассматриваются три случая: перекладины H1, точки закрепления которых на внутреннем и наружном элементах располагаются вне поверхности контакта колеса с грунтом (фиг.7а), находятся в состоянии небольшого натяжения; перекладины Н2, точки закрепления которых на наружном элементе колеса располагаются в зоне контакта между точками Е и F, находятся в состоянии продольного изгиба; перекладины Н3, располагающиеся на входе и на выходе зоны контакта, находятся в некотором промежуточном состоянии.

Таким образом, перекладины, точки закрепления которых располагаются в зоне контакта колеса с грунтом, имеют натяжение, ослабленное радиальным сжатием наружного элемента, которое сближает точки закрепления этих перекладин между внутренним и наружным элементами. Вследствие этого данные перекладины, поперечное сечение которых является небольшим, переходят в состояние продольного изгиба и лишь незначительным образом противодействуют этому радиальному сжатию наружного элемента в зоне контакта колеса с грунтом или в процессе наезда колеса на препятствие.

Таким образом, колесо обладает преимуществом превосходной однородности давлений контакта между наружным кольцевым элементом и плоской поверхностью грунта в осевом направлении вследствие симметрии конструкции радиальных перемычек или спиц, которая хорошо видна на фиг,2.

Можно легко реализовать наружный элемент 4 путем вулканизации каучука на наружном ободе колеса. Этот наружный обод может представлять собой плоский стальной лист шириной L и толщиной 0,1 мм.

Деформируемая конструкция в соответствии с предлагаемым изобретением также может быть снабжена средствами, предназначенными для ограничения радиального сжатия радиальных перемычек или спиц и выполненными в виде упоров. В качестве примера можно предусмотреть между двумя примыкающими друг к другу в осевом направлении системами радиальных перемычек или спиц, показанных на фиг.1-3, кольцевой упор, закрепленный на внутреннем элементе и имеющий такой наружный диаметр, чтобы он ограничивал примерно на 50% максимальное осевое сжатие радиальных перемычек или спиц.

В примерах реализации, представленных на фиг.1-3, размещены две системы примыкающих друг к другу в осевом направлении радиальных перемычек или спиц. Однако можно увеличить число примыкающих друг к другу в осевом направлении систем, чтобы усовершенствовать поведение колеса или отформованной вставки на неровном грунте.

Кроме того, упомянутый наружный элемент может быть сформирован из одного или нескольких элементов, примыкающих друг к другу в осевом направлении.

Claims (13)

1. Деформируемая конструкция (1) для транспортного средства, предназначенная для качения вокруг оси вращения и содержащая внутренний кольцевой элемент (3), центрированный на оси, наружный кольцевой элемент (4), образующий беговую дорожку качения, гибкий и нерастяжимый, расположенный снаружи в радиальном направлении по отношению к внутреннему элементу (3), и множество радиальных перемычек или спиц (5, 52, 53, 56), расположенных в радиальном направлении между внутренним элементом (3) и наружным кольцевым элементом (4), причем каждая радиальная перемычка или спица предназначена для противодействия радиальному сжатию за пределами порогового значения постоянным усилием, причем наружный элемент (4) имеет такую окружную длину, что радиальные перемычки или спицы (5, 52, 53, 56) предварительно нагружены усилием радиального сжатия, а также средства (6, 7) стабилизации относительных положений внутреннего элемента (3) и наружного элемента (4), отличающаяся тем, что радиальные перемычки или спицы (5, 52, 53, 56) расположены между внутренним (3) и наружным (4) элементами, причем их гибкость в меридиональной плоскости значительно меньше, чем гибкость в окружной плоскости, а средства стабилизации (6, 7) предназначены для ограничения амплитуды относительного поворота в окружном направлении между внутренним элементом (3) и наружным элементом (4).

2. Деформируемая конструкция по п.1, в которой радиальные перемычки или спицы (5, 52, 53, 56) предварительно напряжены сверх величины нагрузки продольного изгиба.

3. Деформируемая конструкция по п.1 или 2, в которой средства (6, 7) стабилизации содержат упругие соединительные элементы, связывающие нерадиальным образом наружный элемент (4) и внутренний элемент (3).

4. Деформируемая конструкция по п.3, в которой упругие соединительные элементы находятся в натяжении, когда конструкция (1) находится в состоянии покоя.

5. Деформируемая конструкция по пп.3 и 4, в которой упругие соединительные элементы связывают точки наружного кольцевого элемента (4) и внутреннего элемента (3), разделенные в состоянии покоя углом α, величина которого находится в диапазоне от 1 до 45°.

6. Деформируемая конструкция по п.5, в которой упругие соединительные элементы связывают точки наружного кольцевого элемента (4) и внутреннего элемента (3), разделенные в состоянии покоя углом α, величина которого находится в диапазоне от 25 до 35°.

7. Деформируемая конструкция по любому из пп.3-6, в которой упругие соединительные элементы представляют собой тросики (6), предварительно напряженные на растяжение.

8. Деформируемая конструкция по любому из пп.1-7, в которой средства (6, 7) стабилизации содержат тонкую оболочку, предварительно напряженную на радиальное растяжение и расположенную между внутренним и наружным элементами (3, 4).

9. Деформируемая конструкция по любому из пп.1-8, в которой концы радиальных перемычек или спиц (56) закреплены путем жесткой заделки на внутреннем и/или на наружном элементе (3, 4).

10. Деформируемая конструкция по любому из пп.1-9, в которой концы радиальных перемычек или спиц закреплены при помощи шарниров (51) на внутреннем элементе и/или на наружном элементе (3, 4).

11. Деформируемая конструкция по любому из пп.1-10, содержащая средства, предназначенные для ограничения амплитуды радиального сжатия радиальных перемычек или спиц.

12. Колесо, не являющееся пневматическим и предназначенное для автодорожного транспортного средства, отличающееся тем, что содержит диск (2) и деформируемую конструкцию (1), выполненные в соответствии с любым из пп.1-11.

13. Предохранительная вставка для автодорожного транспортного средства, предназначенная для установки в систему, образованную пневматической шиной и монтажным ободом, отличающаяся тем, что она образована деформируемой конструкцией (1), выполненной в соответствии с любым из пп.1-11.

Images