КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1998 года по МПК B60C17/00 

Изобретение относится к колесам с пневматическими шинами, предназначенными для колесных тракторов, комбайнов, экскаваторов и других транспортных средств с безрессорными подвесками.

Известно колесо транспортного средства (Цукерберг С.М. и др. Пневматические шины. - М.: Химия, 1973), содержащее обод, закрепленный на нем вентиль, пневматическую шину с игольчатым клапаном, эластичную диафрагму, монтируемую на обод вместе с шиной и разделяющую внутреннее пространство шины на две полости, причем нижняя полость заполняется воздухом через вентиль, закрепленный на ободе, а верхняя - через игольчатый клапан. При проколе шины воздух выходит только из верхней полости и диафрагма под давлением воздуха из нижней полости растягивается, облегая внутреннюю полость шины, что позволяет автомобилю продолжить движение.

Недостатком данного колеса является слабое демпфирование вертикальных колебаний транспортного средства, поскольку оно осуществляется только за счет небольших потерь в материале шины, причем эти потери уменьшаются с увеличением скорости качения колеса, что приводит к раскачиванию транспортного средства, ухудшению его плавности хода и устойчивости при движении по неровным дорогам.

Наиболее близким к предлагаемому из известных технических решений является колесо транспортного средства (авт. св. N 1452713, кл. B 60 C 17/00), содержащее обод, пневматическую шину и вставку из упругого материала, расположенную внутри шины и охватывающую обод, причем вставка выполнена по крайней мере с одной внутренней полостью и включает в себя по крайней мере один впускной и один выпускной клапаны, установленные между внутренней полостью вставки и соответственно внешней средой и внутренней полостью шины. Данная конструкция позволяет повысить долговечность колеса при проколе шины за счет автоматической подкачки.

Данное колесо имеет низкий технический уровень, обусловленный его низкими виброзащитными свойствами, вследствие невозможности обеспечить эффективное гашение вертикальных колебаний транспортного средства, что ухудшает плавность и безопасность движения, снижает скорость, производительность и другие эксплуатационные качества транспортного средства.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции колеса, обеспечивающего эффективное гашение вертикальных колебаний транспортного средства в результате использования шины дополнительно еще в качестве насоса или компрессора, перекачивающего воздух через клапаны и дросселирующие отверстия при изменении деформации нижней части шины и тем самым преобразующего механическую энергию колебаний в тепловую, которая через обод и шину передается внешней среде.

Техническим результатом предлагаемого колеса транспортного средства является повышение его виброзащитных свойств за счет увеличения внутреннего демпфирования колебаний путем установки в шине с кольцевым зазором эластичной оболочки в виде полого тора, усеченного в нижней части, опирающейся на обод с возможностью осевого вращения, разделяющей полость шины на две полости, образуя в шине кольцевую рабочую полость, сообщающуюся с внутренней полостью эластичной оболочки через клапаны и дросселирующие отверстия, что повышает плавность хода и обеспечивает увеличение скорости и устойчивости движения транспортного средства. Это также открывает новые возможности упрощения конструкции различных транспортных средств путем исключения рессор.

Указанный технический результат достигается тем, что колесо транспортного средства содержит обод и пневматическую шину, в полости которой установлена с кольцевым зазором эластичная оболочка в виде полого тора, опирающаяся на обод и разделяющая полость шины на две полости, образуя в шине кольцевую рабочую полость, сообщающуюся с полостью шины через клапаны, а центр тяжести эластичной оболочки расположен ниже оси вращения колеса, при этом тор усечен в нижней части и опирается на обод с возможностью осевого вращения, причем объем кольцевой рабочей полости меньше объема внутренней эластичной оболочки и сообщаются они между собой помимо клапанов через дросселирующие отверстия, а в нижней части эластичной оболочки выполнен динамический гаситель крутильных колебаний в виде тороидальных секторов, замкнутые внутренние полости которых заполнены жидкостью и частично металлическими шарами, обеспечивающими устойчивое положение эластичной оболочки, при этом центры тороидальных секторов расположены ниже оси вращения колеса.

Вследствие того, что установленная в полости шины с кольцевым зазором эластичная оболочка выполнена в виде полого тора, который усечен в нижней части и опирается на обод с возможностью осевого вращения, и центр тяжести эластичной оболочки расположен ниже оси вращения колеса, при качении колеса эластичная оболочка не вращается относительно транспортного средства (она только поворачивается при разгоне и торможении), а нижняя часть шины может свободно деформироваться при наезде на неровности, не задевая усеченной нижней части эластичной оболочки.

Благодаря тому, что установленная в полости шины с кольцевым зазором эластичная оболочка в виде полого тора, усеченного в нижней части, занимает около 70%, а образованная эластичной оболочкой кольцевая рабочая полость занимает соответственно около 30% от полного внутреннего объема шины, при деформациях нижней части шины, связанных с низкочастотными резонансными колебаниями транспортного средства, происходит существенное изменение небольшого объема кольцевой рабочей полости шины, что обеспечивает перетекание воздуха из этой полости в полость эластичной оболочки через клапаны и дросселирующие отверстия при сжатии шины и обратное течение воздуха только через дросселирующие отверстия при расжатии шины. Таким образом, механическая энергия колебаний преобразуется в тепловую энергию воздуха, которая передается внешней среде через обод и шину.

Вследствие того, что при высокочастотных деформациях нижней части шины (наезд колеса с большой скоростью на короткие неровности) клапаны практически блокируются, наименее жесткая упругая усеченная часть эластичной оболочки прогибается, а перетекание воздуха через дросселирующие отверстия существенно уменьшается, обеспечивается уменьшение тепловыделения в шине и потерь на качение колеса.

Вследствие того, что при сжатии нижней части шины воздух из кольцевой рабочей полости перетекает в полость эластичной оболочки через клапаны с небольшим сопротивлением, а при расжатии нижней части шины воздух перетекает обратно через дросселирующие отверстия с большим сопротивлением, при периодических колебаниях среднее давление воздуха в кольцевой рабочей камере шины уменьшается, а статическая деформация нижней части шины несколько увеличивается. Это автоматически увеличивает эффективность демпфирования и стабильность контакта колеса с дорогой.

Благодаря эластичности оболочки ее работоспособность не нарушается при вращении вместе с колесом, например, при проколе шины, когда эластичная оболочка работает как ограничитель деформации шины, что способствует лучшей сохранности последней.

Благодаря выполнению в нижней части эластичной оболочки динамического гасителя крутильных колебаний в виде тороидальных секторов, замкнутые внутренние полости которых заполнены жидкостью и частично металлическими шарами, устраняется раскачивание и вращение эластичной оболочки при торможении и разгоне транспортного средства, так как за счет перетекания жидкости в зазоре между металлическими шарами и внутренней поверхностью тороидальных секторов энергия крутильных колебаний превращается в тепловую.

Благодаря размещению центров тороидальных секторов ниже оси вращения колеса обеспечивается устойчивое положение эластичной оболочки, усеченной частью вниз, так как при этом металлические шары имеют минимум потенциальной энергии.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, обнаружил аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений для выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображено предлагаемое колесо транспортного средства, продольный разрез; на фиг. 2 - то же; поперечный разрез; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1.

Колесо транспортного средства (фиг. 1 и 2) содержит обод 1 и смонтированную на нем пневматическую шину 2. В полости шины 2 установлена с кольцевым зазором охватывающая обод 1 эластичная оболочка 3 в виде полого тора с усеченной нижней частью 4, опирающаяся на обод 1 с возможностью осевого вращения. Для снижения трения эластичной оболочки 3 на обод 1 на ней закреплены ролики 5.

Эластичная оболочка 3 в части, прилежащей к ободу 1, имеет утолщение, что обеспечивает ей необходимую жесткость, а также возможность ограничивать деформацию шины 2.

Эластичная оболочка 3 имеет собственную полость А и разделяет полость шины 2 на две полости, образуя кольцевую рабочую полость шины Б. Полости А и Б сообщаются через клапаны 6 и дросселирующие отверстия 7 (фиг. 3). Для исключения засорения дросселирующих отверстий 7 и клапанов 6 на последних установлены фильтры 8.

Жесткость усеченной части 4 меньше, чем остальных частей эластичной оболочки 3, что обеспечивает ее прогиб при определенном перепаде давлений между полостями А и Б, как показано пунктирными линиями на фиг. 1.

Объем кольцевой полости Б значительно меньше объема эластичной оболочки А, что обеспечивает перетекание воздуха из полости Б в полость А при сжатии нижней части шины 2.

Центр тяжести эластичной оболочки 3 расположен ниже оси вращения колеса, что удерживает ее от вращения.

В нижней части эластичной оболочки 3 выполнен динамический гаситель крутильных колебаний в виде тороидальных секторов 9, замкнутые внутренние полости В которых заполнены жидкостью и частично металлическими шарами 10. Диаметр тороидальных секторов 9 больше диаметра металлических шаров 10, что обеспечивает возможность их перекатывания. Центры тороидальных секторов 9 расположены ниже оси вращения колеса, что создает устойчивое положение эластичной оболочки 3 усеченной частью 4 вниз.

Предлагаемое колесо транспортного средства работает следующим образом.

При прямолинейном качении колеса по ровной дороге эластичная оболочка 3 не вращается, а только отклоняется от статического положения под действием небольшого момента от трения в роликах 5 и от трения о воздух, вращающийся в шине 2, так как при отклонении эластичной оболочки 3 от положения равновесия возникает восстанавливающий момент, пропорциональный этому отклонению. Поскольку деформация нижней части шины постоянна, то объем кольцевой рабочей полости шины Б не изменяется и воздух не перетекает через клапаны 6 и дросселирующие отверстия 7, вследствие чего эксплуатационные характеристики коэффициента сопротивления качения колеса остаются неизменными.

При криволинейном качении колеса по ровной дороге осевые силы инерции, действующие на эластичную оболочку 3, воспринимаются роликами 5. Момент трения при этом увеличивается незначительно и эластичная оболочка 3 сохраняет свое устойчивое положение нижней частью 4 вниз.

При разгоне и торможении транспортного средства эластичная оболочка 3 поворачивается так, что ее вертикальная ось симметрии совпадает с направлением результирующего вектора ускорения.

При разгоне транспортного средства наибольшие горизонтальные ускорения, как правило, не превосходят 0,5 от ускорения свободного падения, и поэтому максимальный угол поворота эластичной оболочки 3 будет около 30^o.

При торможении транспортного средства с наибольшей интенсивностью горизонтальные ускорения достигают около 0,8 от ускорения свободного падения и угол поворота эластичной оболочки 3 будет до 40^o.

Вследствие скругления концов усеченной части 4 эластичной оболочки 3 она не касается деформированной статической нагрузкой нижней части шины при повороте на угол более 60^o. Поэтому "захват" эластичной оболочки 3 шиной 2 в режиме разгона маловероятен, а в режиме торможения также маловероятен, так как возникающая при касании шины 2 и эластичной оболочки 3 сила трения направлена против поворота эластичной оболочки 3 и способствует возвращению последней в устойчивое положение. Вероятность "захвата" эластичной оболочки 3 может быть уменьшена путем увеличения радиусов скругления концов усеченной части 4.

При движении транспортного средства по неровной дороге нижняя часть шины 2 сжимается и разжимается. При сжатии нижней части шины 2 с небольшой скоростью, соответствующей резонансным колебаниям транспортного средства, объем кольцевой рабочей полости шины Б уменьшается и воздух из нее перетекает через фильтры 8, дросселирующие отверстия 7 и клапаны 6 в полость А эластичной оболочки 3 с небольшим сопротивлением. При расжатии шины 2 объем кольцевой рабочей полости шины Б увеличивается, давление воздуха в ней понижается, вследствие чего воздух перетекает из полости А в полость Б через дросселирующие отверстия 7 с большим сопротивлением, что значительно уменьшает амплитуды резонансных колебаний транспортного средства. При этом воздух в шине нагревается и передает тепловую энергию через обод 1 и шину 2 во внешнюю среду.

При сжатии нижней части шины 2 с большой скоростью, соответствующей зарезонансным частотам, сопротивление клапанов 6 велико и наименее жесткая упругая усеченная часть 4 эластичной оболочки 3 прогибается вверх, ограничивая перепад давлений между полостями А и Б. Перетекание воздуха через дросселирующие отверстия 7 уменьшается, что обеспечивает повышение виброзащитных свойств колеса, уменьшение тепловыделения в шине и потерь на качение.

Вследствие того, что при сжатии нижней части шины 2 воздух из кольцевой рабочей полости Б перетекает в полость эластичной оболочки А через клапаны 6 и дросселирующие отверстия 7 с небольшим сопротивлением, а при расжатии шины 2 воздух перетекает обратно через дросселирующие отверстия 7 с большим сопротивлением, при периодических колебаниях среднее давление воздуха в кольцевой рабочей камере шины Б уменьшается, а статическая деформация нижней части шины несколько увеличивается. Это автоматически увеличивает эффективность демпфирования и стабильность контакта колеса с дорогой.

Крутильные колебания эластичной оболочки 3, которые могут возникать при разгоне и торможении транспортного средства или при чередовании указанных режимов, уменьшаются динамическим гасителем крутильных колебаний 9, поскольку при этом металлические шары 10 перекатываются внутри заполненных жидкостью полостей В тороидальных секторов 9 и жидкость перетекает в зазоре между внутренней поверхностью тороидальных секторов 9 и металлическими шарами 10, что обеспечивает преобразование механической энергии колебаний в тепловую.

При проколе шины 2 воздух из нее выходит, деформация нижней части шины 2 увеличивается и она "захватывает", т.е. начинает вращать эластичную оболочку 3, из которой воздух также выходит через дросселирующие отверстия 7. При этом нижняя часть шины 2 опирается на прилегающую к ободу 1 утолщенную часть эластичной оболочки 3, которая работает как ограничитель деформации шины 2, повышая ее сохранность.

Использование: для колесных тракторов, комбайнов, экскаваторов и других транспортных средств с безрессорными подвесками. Сущность изобретения: колесо транспортного средства содержит обод и пневматическую шину. В полости установлена с кольцевым зазором эластичная оболочка в виде полого тора, разделяющая полость шины на две полости, образуя в шине кольцевую рабочую полость, сообщающуюся с внутренней полостью эластичной оболочки через клапаны. Центр тяжести эластичной оболочки расположен ниже оси вращения колеса. Тор усечен в нижней части и опирается на обод с возможностью осевого вращения. Объем кольцевой рабочей полости меньше объема внутренней эластичной оболочки. Они сообщаются между собой помимо клапанов через дросселирующие отверстия. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Колесо транспортного средства, содержащее обод и пневматическую шину, в полости которой установлена с кольцевыми зазором эластичная оболочка в виде полого тора, разделяющая полость шины на две полости, образуя в шине кольцевую рабочую полость, сообщающуюся с внутренней полостью эластичной оболочки через клапаны, а центр тяжести эластичной оболочки расположен ниже оси вращения колеса, отличающееся тем, что тор усечен в нижней части и опирается на обод с возможностью осевого вращения, причем объем кольцевой рабочей полости меньше объема внутренней эластичной оболочки и сообщаются они между собой помимо клапанов через дросселирующие отверстия. 2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что в нижней части эластичной оболочки выполнен динамический гаситель крутильных колебаний в виде тороидальных секторов, замкнутые внутренние полости которых заполнены жидкостью и частично металлическими шарами, обеспечивающими устойчивое положение эластичной оболочки, при этом центры тороидальных секторов расположены ниже оси вращения колеса.