колесо транспортного средства повышенной проходимости

Формула изобретения

1. КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ, содержащее ступицу, упругий обод, закрепленные на его внешней поверхности грунтозацепы и расположенные между ободом и ступицей пластинчатые дугообразные упругие спицы, изогнутые в плоскости продольного сечения колеса и жестко закрепленные на ступице, отличающееся тем, что спицы и грунтозацепы расположены в виде четного числа параллельных рядов, при этом угол между касательными к ободу и к каждой спице в точке их пересечения составляет 35 45^o, ряды спиц закреплены на ободе жестко со смещением относительно друг друга и грунтозацепов в шахматном порядке с размещением мест крепления к ступице и ободу на одном радиусе.

2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что спицы и обод выполнены из одного материала, а отношение толщины обода к толщине спицы составляет 0,6 1,25.

3. Колесо по п. 1, отличающееся тем, что спицы смежных рядов изогнуты одна навстречу другой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к устройству колес для транспортных средств повышенной проходимости, и может использоваться в конструкции мобильных роботов, планетоходов и других транспортных средствах для передвижения по сложному пересеченному рельефу местности на грунтах с пониженной несущей способностью по Земле и поверхности других планет Солнечной системы.

К устройству колес этого назначения предъявляется ряд требований, связанных как с характеристиками грунтов, по которым передвигается транспортное средство, так и проектными параметрами самого транспортного средства космического назначения. Важнейшими из них является высокая надежность работы в условиях сложного рельефа местности и при передвижении по грунтам со слабой несущей способностью, компактность, относительно небольшая масса.

В ряде технических решений, относящихся к концу 19 началу 20 века (патенты Германии N 136458, N 71139, кл. 63d-28), в конструкции колеса использованы дугообразные спицы, выполненные из проволоки круглого сечения, и обод типа резиновой шины. Слабые упругие свойства системы обод шина обуславливают невысокую несущую способность колес этого типа на слабых грунтах, то есть невысокую их надежность работы в аппаратах типа планетоходов.

Большая надежность работы колеса обеспечивается в технических решениях, в которых система спиц выполнена в виде многожильного металлического троса (авт.св. N 981019, кл. В 60 В 9/00), арочных дугообразных пружин, выгнутых в плоскости, перпендикулярной плоскости колеса (авт.св. N 906728, кл. В 60 В 1/00), системы переплетенных упругих ленточных спиц, плоскости которых выгнуты в плоскости, перпендикулярной плоскости колеса (пат. Германии N 732326, кл. 63 d 15), либо комбинации упругих арочных пружин, выгнутых в плоскости, перпендикулярной плоскости колеса и системы спиц из проволоки (авт.св. N 416265, кл. В 60 В 1/00).

Общим недостатком этих технических решений является большая упругость колеса в направлении, перпендикулярном плоскости колеса, (вдоль его оси) при большой жесткости колеса в плоскости колеса, что обуславливает невысокую надежность конструкций колес этого типа при движении по пересеченной местности, по склонам и на поворотах. Велики массы и габариты колес таких конструкций.

Эти недостатки частично устраняются в устройстве колеса (патент США N 3182705, кл. 152-12), которое имеет наибольшее количество сходных признаков с заявленным техническим решением и выбрано в качестве прототипа. Это колесо содержит ступицу, упругий обод и расположенные между ними пластинчатые дугообразные упругие спицы, изогнутые в плоскости продольного сечения колеса и жестко закрепленные на ступице. На внешней поверхности обода закреплены грунтозацепы. При движении по слабым грунтам за счет упругости комбинации спиц и обода в продольной плоскости колеса колесо деформируется, при этом увеличивается площадь контакта с грунтом. За счет этого улучшаются тяговые характеристики колеса.

Недостатком данной конструкции колеса является его недостаточно высокая надежность при движении транспортного средства по сложному рельефу местности и по слабым грунтам. Это объясняется рядом факторов. Так колесо имеет различные тяговые характеристики при движении вперед и назад: несимметричность конструкции спиц относительно оси обуславливает различную его жесткость при движении вперед и назад. Это ведет к тому, что возможна ситуация, когда планетоход с таким колесом, двигаясь вперед по грунту с низкими несущими свойствами (при этом жесткость колеса при движении вперед мала), при встрече с непреодолимым препятствием не может двигаться назад: при попытке движения назад жесткость колеса резко возрастает и слабый грунт, проходимый при движении вперед, становится для планетохода непреодолимым препятствием.

При движении планетохода по песчаным грунтам, грунтам с мелкими камнями, что характерно, например, для марсианского и лунного рельефа, возможна такая ситуация, когда мелкие частицы грунта будут накапливаться в узкой пазухе между спицей и ободом. За счет клинового эффекта, который обусловлен тем, что спица подходит к ободу по касательной, грунт в этом месте будет уплотняться, что в конечном итоге приведет к деформации спицы и отрыву спицы от обода и разрушению колеса.

Использование колеса такого типа для транспортных средств повышенной массы ведет к усугублению этих недостатков.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является повышение надежности работы колеса в условиях массовых и габаритных ограничений, предъявляемых к колесам транспортных средств космического назначения.

Для решения этой задачи колесо транспортного средства повышенной проходимости, так же как и прототип, содержит ступицу, упругий обод, на внешней поверхности которого закреплены грунтозацепы, пластинчатые дугообразные спицы, изогнутые в плоскости продольного сечения колеса, жестко закрепленные на ступице и размещенные между ободом и ступицей. В отличие от прототипа спицы расположены в виде четного числа параллельных рядов, при этом спицы смежных рядов изогнуты навстречу друг другу, смещены относительно друг друга в шахматном порядке и жестко закреплены на ступице. Угол между касательными к ободу и спице составляет при этом 35-45^о, места крепления спиц на ободе и ступице расположены на одном радиусе. Грунтозацепы расположены на ободе в виде параллельных рядов и смещены относительно друг друга и спиц в шахматном порядке. Спицы, обод и ступица выполнены из одного материала, а толщина спиц и обода выбраны из соотношения

_об / _сп= 0,6.1,25, где _об / _сп толщины обода и спицы.

Расположение идентичных друг другу пластинчатых дугообразных спиц в виде параллельных рядов четного числа, так что спицы смежных рядов изогнуты навстречу друг другу, обеспечивает идентичность жесткостных характеристик колеса при движении вперед и назад, что повышает надежность работы колеса на слабонесущем грунте.

Заявляемый диапазон углов между касательными к спице и ободу 35-45^о и жесткое закрепление спицы на ободе также повышает надежность работы колеса. Экспериментальные наблюдения работы колес такого типа на земных аналогах слабонесущих грунтов Марса и Луны показывают, что при углах, меньших 35^о, высока вероятность разрушения спицы вследствие накапливания грунта в пазухе между спицей и ободом, при повышении этого угла величины 45^о резко уменьшаются эластичные упругие свойства колеса, что снижает несущие свойства колеса на слабом грунте.

Повышению вероятности безотказной работы колеса способствует и размещение мест крепления дугообразных спиц на ободе и ступице на одном радиусе. При этом спица испытывает симметричное нагружение, ликвидируется пластическая деформация концов спиц, выходящих за границы радиуса, проведенного от оси колеса.

Размещение грунтозацепов на гибком ободе в виде отдельных параллельных рядов, смещение грунтозацепов смежных рядов относительно друг друга на половину шага между спицами одного ряда, смещение грунтозацепов относительно спиц также на половину шага (в шахматном порядке относительно друг друга и спиц) также повышает надежность работы колеса.

Это обеспечивает равномерную жесткость колеса по окружности, что снижает динамические нагрузки на колесо, улучшаются тяговые характеристики колеса. При движении по слабому грунту увеличивается поверхность среза грунта, что увеличивает тяговые характеристики колеса на уклонах. Увеличивается вероятность зацепления за мелкие элементы рельефа местности.

Существенно и влияние заявляемого соотношения толщин обода и ступицы. При увеличении отношения _об / _сп, _об толщина обода, _сп толщина спицы выше 1,25 упругие свойства колеса уменьшаются, при значении этого отношения менее 0,6 жесткость обода становится незначительной по отношению к жесткости спицы характеристики колеса приближаются к устройствам передвижения шагающего типа. Выполнение спиц, обода и ступицы из одного материала дополнительно делает конструкцию более технологичной.

На фиг. 1 показано колесо, общий вид; на фиг. 2 узел соединения ступицы и обода; на фиг. 3 аксонометрическое изображение части обода с грунтозацепами при выполнении колеса из четырех рядов спиц и грунтозацепов.

На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения: 1 ступица, 2 спицы, дуга прогиба которых направлена по часовой стрелке, 3 спицы, дуга прогиба которых направлена против часовой стрелки, 4 обод, 5,6 грунтозацепы, угол между касательными к спице и ободу, угол между хордами, проведенными к дугам смежных спиц ряда.

Колесо транспортного средства содержит ступицу 1, спицы 2,3, обод 4 и грунтозацепы 5,6. Ступица 1 колеса имеет цилиндрическую форму, внутри ступицы 1 размещен электропривод (не показан), его ротор соединен со ступицей, а статор с осью транспортного средства. Спицы 2 и 3 выполнены в форме дугообразных тонких удлиненных пластин из упругого материала. Спицы 2 и 3 размещены между ободом и ступицей в виде параллельных рядов, число рядов четно. В смежных рядах спицы имеют противоположные направления прогиба: если в первом ряду стрела прогиба спиц направлена по часовой стрелке, то во втором против часовой стрелки, в третьем по часовой стрелке и так далее. Все спицы имеют одинаковую форму, во всех рядах число спиц одинаково. Спицы 2 и 3 смежных рядов смещены относительно друг друга в шахматном порядке, то есть, если шаг между спицами одного ряда равен углу ,то спицы следующего ряда закреплены на ободе и ступице под углом /2 относительно спиц первого ряда. Спицы выгнуты в виде дуг окружностей, места крепления спиц на ободе и ступице лежат на продолжении одного радиуса, проведенного из центра колеса. Угол между касательными к спице и ободу составляет от 35 до 45^о.

Обод 4 колеса выполнен из упругой замкнутой ленты, на внешней поверхности обода размещены грунтозацепы 5 и 6. Грунтозацепы 5 и 6 по ободу размещены в виде параллельных рядов. Размещение грунтозацепов одного ряда определенным образом соотносится с размещением рядов спиц на внутренней поверхности обода и размещением грунтозацепов смежных рядов.

Ряды грунтозацепов совпадают с рядами спиц. При этом грунтозацепы на внешней поверхности обода смещены относительно спиц соответствующего ряда на внутренней поверхности обода на угол /2, на этот же угол смещены и грунтозацепы смежных рядов. Спицы 2,3, обод 4 и ступица 1 выполняются из одного материала, и в качестве которого может быть выбран, например, титан.

Толщина спицы (_сп) и толщина обода (_об) находится в пределах

_об / _сп 0,6.1,25

Радиус гиба спицы составляет

R (0,6 0,8)(D_об d_сп)/2, где D_об диаметр обода, d_сп диаметр спицы. Распределенная жесткость (С_к) при этом выражается соотношением

С_к К N E_{сп сп}³ В_сп/D_об R³, [na] где _сп, В_сп, Е_сп, R толщина, ширина, модуль упругости материала и радиус гиба спицы,

D_об диаметр обода колеса,

N число спиц,

К эмпирический коэффициент, его значение лежит в пределах от 2 10^-4 до 5 10^-4 и зависит от формы спицы и угла .

При включении привода, расположенного в ступице колеса, крутящий момент передается по спицам к ободу. За счет небольшой жесткости колеса в плоскости колеса обод принимает форму рельефа местности, при этом увеличивается площадь контакта колеса с грунтом, что в сочетании симметричными тяговыми характеристиками колеса при движении вперед и назад обеспечивает высокую надежность работы колеса на слабых грунтах и сложном рельефе местности.

Особенно эффективно использовать колесо этого типа в конструкциях планетоходов и мобильных роторов, предназначенных для перемещения по грунтам Луны и Марса.