WO2021242141A1 - Способ и устройство гасителя колебаний для колесно-шагового движителя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам гашения колебаний для колесно-шаговых движителей. Гаситель колебаний содержит подвижный выходной вал, на котором закреплены опоры, перемещается вдоль направляющей, за счет кривошипа, который вращается на входном валу. На свободном конце кривошипа зафиксирована эллиптическая шестерня, через которую проходит ось. К данной оси крепится один конец шатуна, а второй конец крепится к выходному валу. На шатуне крепится шестерня треугольной формы, которая входит в зацепление с эллиптической шестерней. Изобретение позволяет существенно снизить пространственные, силовые и скоростные паразитные колебания.

Description

Способ и устройство гасителя колебаний для колесно-шагового движителя Описание.

Изобретение касается механизмов преобразования вращательного движения в иные виды движения, в частности в равномерное поступательное движение и предназначено для применения в качестве гасителя колебаний для колесно-шаговых движителей. В различных конструкциях колесно-шаговых движителей предполагается использование различных передвигающихся опор вместо обода колеса. Простейший вариант такого движителя - колесо без обода состоящее из спиц, на которые движитель опирается в процессе своего движения. Отсутствие обода дает определенное преимущество при движении по неровным и нетвердым поверхностям, но приводит к возникновению нежелательных колебаний оси и всей конструкции. Для избавления от данных колебаний необходим дополнительный механизм - гаситель колебаний.

Известно «Шасси для передвижения по различным опорным поверхностям с колесно-шаговыми движителями» (патент N° RU2 628 285С2), в котором предлагается несколько вариантов гасителя (компенсатора) колебаний, возникающих при передвижении опор. В данном патенте шасси транспортного средства содержит колесно-шаговые движители. Каждый колесно-шаговый движитель состоит по меньшей мере из трёх опор, закрепленных на общем валу симметрично относительно оси вращения вала и наклонно друг к другу, образуя боковые ребра воображаемой пирамиды. При этом вал расположен под углом к опорной поверхности таким образом, чтобы опорной поверхности касались не более двух опор от каждого колесно-шарового движителя одновременно. Причем вал закреплен подвижно с возможностью поперечных движений и кинематически связан с компенсатором колебаний. Компенсатор колебаний закреплен на шасси.

В одном варианте гасителя (компенсатора) колебаний предполагает использование четного количества колесно-шаговых движителей, каждая пара имеет общий компенсатор колебаний, который состоит из общего рычага, качающегося на неподвижной оси, закрепленной на раме шасси. В этом случае, в каждой паре колесно-шаговых движителей выходные валы приводятся в синхронное вращение от общего привода, а опоры на данных валах устанавливают в противофазе. Недостатком такого механизма является обязательная синхронизация движения колесно-шаговых движителей в своей паре, что существенно затрудняет перемещение на поверхностях со сложным рельефом. Кроме того, такая схема парного расположения и синхронизации движителей делает невозможной реализацию маневрирования путем поворота отдельных движителей относительно шасси транспортного средства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является вариант гасителя колебаний (патент N° DE20042010935U 20040712), в котором преобразуют вращение входного вала в сложное вращательно-возвратно-поступательное движение оси вращения, на котором закреплены ноги за счет эксцентрично вращаемого ведущего зубчатого колеса. В данном аналоге каждый блок ног предпочтительно выполнен в форме звезды, причем отдельные ноги соответствующего блока расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Таким образом, например, в блоке, состоящем из четырех ножек, имеется соответствующее расстояние между отдельными ножками, равное 90°. При большем или меньшем количестве ножек на единицу устанавливается соответственно другое соотношение углов. Согласно особому признаку аналога каждый блок расположен с возможностью перемещения на корпусе. Преимущество этой компоновки состоит, в частности, в том, что неизбежно возникающее в ходе крутильного движения смещение высоты блоков ног по оси вращения каждого блока ног может быть компенсировано. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения с целью перемещаемого расположения узла на базовом корпусе предусмотрено, что каждый блок соединен с телескопически сформированной подвеской, которая имеет два связанных зубчатых колеса, а зубчатое колесо на стороне привода установлена эксцентрично. В этом случае определяется эксцентриситет эксцентрично установленного зубчатого колеса после регулировки в контексте вращательного движения единицы вертикального смещения оси вращения. Эта компоновка также позволяет гарантировать, что перепад высот оси вращения, возникающий из-за скручивающего движения ножного блока, полностью компенсируется по сравнению с грунтом, который необходимо преодолеть, так что основной корпус устройства для ходьбы в соответствии с изобретением можно поддерживать на постоянном уровне.

Недостатком аналога является наличие существенных паразитных колебаний. В аналоге указаны два момента при которых вал проходит максимальную и минимальную точки: «максимальное расстояние между осью вращения, с одной стороны, и землей, с другой, регулируется, когда припаркованная на земле опора устройства находится под прямым углом к земле. В этом положении устройства расстояние между осью вращения и землей максимально и зависит от длины ноги. Минимальное расстояние между землей и осью вращения возникает, когда две ноги устройства находятся в контакте с землей одновременно, причем расстояние между осью вращения и землей измеряется в соответствии с высотой треугольника, образованного двумя ножками и землей.» Предлагаемый аналог выравнивает колебания корпуса в этих двух точках, но при этом возникают дополнительные паразитные колебания корпуса между этими точками, вызванные особенностью предлагаемого механизма - график изменения высоты оси вращения механизмом с зубчатыми колесами не совпадает с фактическим графиком изменения высоты оси вращения, вызванного перемещением ног. Но проблема усугубляется тем, что кроме указанных паразитных колебаний корпуса относительно земли аналог не устраняет колебания корпуса по скорости. Более того, при использовании зубчатых колес небольшого диаметра (относительно длины ног) - колебания по скорости усиливаются вплоть до отрицательных значений. Иными словами, при равномерном вращении выходного вала ось вращения, а соответственно и корпус будут двигаться с переменной линейной скоростью вплоть до небольших остановок и даже обратного хода. Данные паразитные колебания передаются также и на выходной вал, что влечет неравномерную нагрузку на силовую установку. Все это происходит из-за того, что эксцентрично установленное зубчатое колесо в разных положениях по- разному передает усилие второму зубчатому - в верхнем положении эксцентрично установленного зубчатого колеса оно воздействует с минимальным рычагом, а в нижнем положении длина рычага максимальная. Причем в аналоге преимущественно рассматриваются вариант блок с 4-я ногами. Хотя блок с 3-я ногами потенциально обладает более высокой проходимостью чем блок с 4-я ногами. Но если использовать блок с 3-я ногами, то паразитные колебания будут еще выше. Данную проблему можно решить путем увеличения диаметров указанных зубчатых колес, но это приводит к значительному увеличению габаритов и веса механизма и при этом устраняет паразитные колебания лишь частично.

Задачей настоящего изобретения является улучшение механизма гашения колебаний, в котором будут устранены недостатки прототипа: существенные паразитные колебания корпуса и паразитные нагрузки на выходной вал. При этом недостатки будут устранены без увеличения размеров шестерен и механизма.

Указанные задачи достигаются тем, что в предлагаемом устройстве гасителя колебаний вместо определенных зубчатых колес круглой формы используются шестерни переменного радиуса. А во-вторых, в отличие от аналога, вторая шестерня, взаимодействующая с ведущей шестерней, перемещается не вдоль вертикальной направляющей, а на шатуне, что также улучшает кинематическую схему. В рассматриваемом механизме гасителя колебаний на входном валу 1 (фиг. 1) закреплен кривошип 2. На свободном конце кривошипа эксцентрично зафиксирована эллиптическая ведущая шестерня 3. Через данную шестерню 3 проходит ось 4. Причем ось 4 проходит ближе к той стороне эллиптической шестерни 3, которая находится ближе к валу 1. Первый конец шатуна 5 (фиг. 2) закреплен на оси 4. А на противоположном втором конце шатуна 5 закреплен выходной вал 6. При этом выходной вал 6 выполнен с возможностью перемещения вдоль направляющей 7, являющейся частью корпуса гасителя колебаний. Направляющая 7 позволяет второму концу шатуна 5 и выходному валу 6 перемещаться продольно, в плоскости перпендикулярной оси выходного вала 6. На выходном валу 6 закрепляются ведомая шестерня 8 и три опоры 9, закрепленные симметрично относительно вала 6. Между эллиптической ведущей шестерней 3 и ведомой шестерней 8 находятся промежуточная круглая шестерня 10 и треугольная шестерня 11, зафиксированные между собой и закрепленные на общей оси 12 на шатуне 5. При этом промежуточная шестерня 10 входит в непрерывное зацепление с ведомой шестерней 8. А треугольная шестерня 11 входит в непрерывное зацепление с эллиптической ведущей шестерней 3.

Ведомая шестерня 8 и промежуточная круглая шестерня 10 выполнены одного диаметра. А размеры эллиптической ведущей шестерни 3 и треугольной шестерни 11 подбираются таким образом, чтобы полный поворот эллиптической ведущей шестерни 3 проворачивал треугольную шестерню 11 на 1/3. Это обеспечивает один шаг за один полный поворот эллиптической ведущей шестерни 3.

При вращении выходного вала 6 одна либо две опоры 9 касаются поверхности земли. При этом, если земли касаются две опоры 9, то выходной вал 6 находится в нижней точке, а если земли касается одна опора 9, и она в это время находится в вертикальном положении, то выходной вал 6 будет находиться в высшей точке. Расстояние между нижней и высшей точками - это вертикальная амплитуда колебаний выходного вала 6. Помимо вертикальных колебаний выходного вала 6 появляются и горизонтальные колебания данного вала, проявляющиеся в неравномерном перемещении вала 6 по горизонтальной оси при равномерном вращении входного вала 1. Основная задача гасителя колебаний заключается в том, чтобы положение входного вала 1 , а соответственного и корпуса гасителя колебаний при вращении выходного вала изменялось значительно меньше вертикальной амплитуды колебаний выходного вала 6 при любом угловом повороте входного вала 1. И также минимально должна изменяться скорость перемещения входного вала и корпуса гасителя колебаний при вращении выходного вала 6. Размер кривошипа 2 подбирается таким образом, чтобы расстояние от центра вращения кривошипа 2 до центра оси 4 было равно 1 вертикальной амплитуды колебания выходного вала 6. При этом под треугольной шестерней 11 понимается шестерня особой формы, напоминающей треугольник со скругленными углами. При этом стороны такого треугольника могут быть как выпуклыми, так и вогнутыми. А эллиптическая шестерня 3 может быть овальной формы. Описываемый механизм и способ и правильно подобранные кривизны эллиптической и треугольной шестерен позволяют существенно сгладить остаточные колебания входного вала 1 и обеспечивают решение поставленных задач.

В альтернативном варианте механизма гасителя колебаний предполагает замену ведомой шестерни 8 и промежуточной круглой шестерни 10 на гибкую трансмиссию 13 (фиг. 3), которая может быть выполнена из гибкой пружины. Один конец гибкой трансмиссии 13 соединен с треугольной шестерней 11, а другой конец соединен с выходным валом 6.

В случае использования на выходном валу не трех, а четырех опор 9 вместо треугольной шестерни 11 необходимо использовать шестерню квадратной формы. Под квадратной формой в данном случае понимается квадрат со скругленными углами и с выпуклыми либо вогнутыми сторонами. А размеры эллиптической и квадратной шестерен подбираются таким образом, чтобы полный оборот эллиптической шестерни проворачивал квадратную шестерню на ! .

Способ компенсации колебаний реализуется следующим образом, одинаковом для вышеперечисленных вариантов устройства: входной вал 1 (фиг.2) вращает кривошип 2. В свою очередь кривошип 2 вращает один конец шатуна 5 и за б счет собственного вращения кривошип 2 поворачивает жестко закрепленную на нем эллиптическую ведущую шестерню 3. В свою очередь эллиптическая ведущая шестерня 3 вращает в противоположном направлении треугольную шестерню 11 , так как входит с ней в непрерывное зацепление за счет того, что ось 4 эллиптической ведущей шестерни 3 и ось 12 треугольной шестерни 11 закреплены на общем шатуне 5. Далее треугольная шестерня 11 передает одним из двух вариантов вращение в противоположном направлении на выходной вал 6: в первом варианте через зубчатые колеса 8 и 10 равного диаметра, а во втором варианте через гибкую трансмиссию 13.

При этом выходной вал 6 закреплен на втором конце шатуна 5 и выполнен с возможностью перемещения вдоль направляющей 7, являющейся частью корпуса гасителя колебаний. Таким образом, механизм и описанный способ позволяют одновременно вращать выходной вал 6 и перемещать его перпендикулярно оси вращения так, чтобы выходной вал 6 оказался в высшей точке в тот момент, когда одна из опор 9 находится в вертикальном положении и касается земли, и оказался в нижней точке, когда две любые опоры 9 одновременно касаются земли. А паразитные колебания сглаживаются за счет переменного радиуса эллиптической ведущей шестерни 3 и переменного радиуса треугольная шестерня 11, а также за счет того, что ось 12 треугольной шестерни 11 закрепляется на шатуне 5.

Данный способ и все вышеперечисленные варианты механизмов устройства гасителя колебаний позволяют существенно снизить паразитные колебания: пространственные, силовые и скоростные.

Claims

Формула изобретения

1. Гаситель колебаний для колесно-шагового движителя, состоящего из нескольких опор, симметрично закрепленных на выходном валу, подвижном в поперечном направлении, отличающийся тем, что механизм гасителя колебаний содержит: кривошип, приводимый во вращение входным валом, эллиптическую ведущую шестерню, эксцентрично закрепленную на конце кривошипа, шатун, один конец которого соосно закреплен с концом кривошипа, а на втором конце шатуна закреплен выходной вал, причем перемещение вала и второго конца шатуна ограничено направляющей, на выходном валу зафиксирована ведомая круглая шестерня, входящая в непрерывное зацепление с промежуточной круглой шестерней, промежуточная круглая шестерня зафиксирована с треугольной шестерней и закреплена с ней на шатуне, на общем валу, при этом треугольная шестерня входит в непрерывное зацепление с эллиптической ведущей шестерней.

2. Гаситель колебаний по п. 1, отличающийся тем, что ведомая и промежуточная круглые шестерни выполнены одного диаметра.

3. Гаситель колебаний по п. 1, отличающийся тем, что при использовании 3-х опор размеры эллиптической ведущей и треугольной шестерен подобраны так, чтобы за один полный оборот эллиптической ведущей шестерни - треугольная шестерня проворачивалась ровно на 1/3.

4. Гаситель колебаний по п. 1, отличающийся тем, что направляющая, является частью корпуса гасителя колебаний.

5. Гаситель колебаний по п. 1, отличающийся тем, что ведомая шестерня и промежуточная круглая шестерня заменены гибкой трансмиссией, один конец которой соединен с треугольной шестерней, а другой конец соединен с выходным валом.