КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2002 года по МПК B60C17/01 

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

Известно колесо транспортного средства, 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 (а. с. 1452713, кл. 3 В 60 С 17/00, 1989г. ).

Недостатком этого колеса являются, низкие виброзащитные свойства. вследствие большой жесткости и слабого гашения вертикальных колебаний транспортного средства, поскольку оно осуществляется практически только за счет небольших потерь энергии колебаний в материале шины. которые уменьшаются при увеличении скорости качения колеса, что ухудшает плавность хода. снижает скорость, производительность и другие эксплуатационные качества транспортного средства.

Наиболее близким из известных технических решений является колесо транспортного средства, содержащее обод и пневматическую шину, в полости которой установлена с кольцевым зазором эластичная оболочка в виде полого тора. разделяющая полость шины па 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, при этом тор усечен в нижней части и опирается на обод с возможностью осевого вращения, причем объем кольцевой рабочей полости меньше объема внутренней полости 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. (Пат. РФ 2108240, МКИ 6 В 60 С 17/00, 1998 г. ).

Недостатком данного колеса является низкая надежность из-за возможности вращения эластичной оболочки вместе с шиной, например, при перезде короткой неровности большой высоты. При этом демпфирующие свойства колеса резко снижаются, а вращающаяся эластичная оболочка, центр тяжести которой не совпадает с осью колеса будет создавать периодическую силу, вызывающую колебания транспортного средства.

Данное колесо имеет низкий технический уровень, обусловленный также практически линейной упругой характеристикой шины, вследствие чего реализовать малую радиальную жесткость, необходимую для повышения плавности хода транспортного средства, можно только при больших статических деформациях шины, которые снижают ресурс шины, увеличивают потери на качение и ухудшают топливную экономичность транспортного средства. Кроме того, данное колесо не обладает сухим трением, а воздушное демпфирование имеет низкую эффективность при небольших амплитудах колебаний, вследствие чего при движении транспортного средства по неровной дороге будут происходить периодические резонансные колебания транспортного средства с небольшой амплитудой. При работе воздушной демпфирующей системы быстро увеличивается температура воздуха в шине из-за его малой теплоемкости, вследствие чего повышается давление воздуха, жесткость и температура шины, что ухудшает виброзащитные свойства и уменьшает ресурс колеса.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции колеса с новой структурной схемой выполнения кольцевой рабочей полости, содержащей компенсирующий объем сжатия в виде пневмобаллонов, установленных по наружной поверхности эластичной оболочки, неподвижной относительно обода, сообщающейся с полостью эластичной оболочки посредством клапанов и дросселирующих отверстий, который компенсирует изменение объема, заполненной жидкостью кольцевой рабочей полости шины при ее радиальной деформации и обеспечивает за счет регулирующих звеньев в виде валиков с цилиндрическими кулачками, связанными гибкими связями с пневмобаллонами и пружинами растяжения, нелинейную упругую характеристику шины с мягким участком в зоне статической деформации, а также сухое трение, эффективно гасящее колебания с малой амплитудой, и воздушное демпфирование, эффективно гасящее колебания с большой амплитудой.

Техническим результатом заявленного колеса транспортного средства является повышение его виброзащитных свойств без увеличения сопротивления качению путем снижения жесткости в зоне статической деформации шины и повышения эффективности демпфирования колебаний, что повышает плавность хода и другие эксплуатационные свойства транспортного средства, а также открывает новые возможности по расширению применения безрессорных транспортных средств.

Указанный технический результат достигается тем, что в колесе транспортного средства, содержащем обод и пневматическую шину. в полости которой установлена с кольцевым зазором эластичная оболочка в виде полого тора, разделяющая полость шины на две полости, образуя в шине кольцевую рабочую полость, последняя снабжена дополнительными эластичными камерами в виде пневмобаллонов, установленными по наружной поверхности эластичной оболочки, каждый из которых выполнен в виде герметичной камеры, внутренние и наружные торцевые поверхности которой выполнены в виде жестких пластин, соединенных гибкой связью, проходящей через центральное отверстие внутренней пластины с регулирующим звеном в виде валика с центральным и крайними цилиндрическими кулачками, установленного на внутренней поверхности эластичной оболочки параллельно оси колеса, и крайними цилиндрическими кулачками, связанными посредством гибкой связи и пружин растяжения с эластичной оболочкой, и образующих компенсирующий объем сжатия, обеспечивающий снижение радиальной жесткости колеса, а регулирующие звенья каждого пневмобаллона соединены между собой кольцевой гибкой связью, обеспечивающей синхронную работу заполненной жидкостью кольцевой рабочей полости, причем полости пневмобаллонов. сообщающиеся с полостью эластичной оболочки посредством клапанов и дросселирующих отверстий, образуют воздушную демпфирующую систему колеса.

Вследствие того, что кольцевая рабочая полость, заполненная жидкостью, снабжена дополнительными эластичными камерами в виде пневмобаллонов, установленных по наружной поверхности эластичной оболочки, каждый из которых выполнен в виде герметичной камеры, сообщающейся с полостью эластичной оболочки посредством клапанов и дросселирующих отверстий, при радиальном сжатии и разжатии шины будут сжиматься и разжиматься пневмобаллоны, перекачивая воздух через клапаны и дросселирующие отверстия в полость эластичной оболочки и обратно, обеспечивая воздушное демпфирование колебаний, высокая эффективность которого определяется тем, что объем пневмобаллонов составляет 15-20% от объема эластичной оболочки.

Благодаря тому, что жидкость, заправляемая в кольцевую рабочую полость шины, обладает большой теплоемкостью и хорошей теплопередачей, тепло, выделяющееся при работе воздушной демпфирующей системы и деформации элементов шины, поглощается жидкостью, что снижает температуру шины, повышает стабильность ее упругой характеристики и ресурс.

Благодаря тому, что пневмобаллоны выполнены в виде герметичных камер, внутренние и наружные торцевые поверхности которых представляют собой жесткие пластины, соединенные гибкими связями, с регулирующими звеньями в виде валиков, установленных на внутренней поверхности эластичной оболочки параллельно оси колеса, в кольцевой рабочей полости шины из совокупности пневмобаллонов образуется компенсирующий объем сжатия, воспринимающий изменение объема кольцевой рабочей полости шины при ее деформации и обеспечивающий снижение радиальной жесткости колеса, поскольку центральный и крайние цилиндрические кулачки регулирующих звеньев, передающие и преобразующие усилие пружин растяжения, спрофилированы таким образом, что обеспечивают увеличение сил натяжения гибких связей, закрепленных на наружных жестких пластинах пневмобаллонов по мере их сжатия. Таким образом, по мере сжатия шины давление жидкости в кольцевой рабочей полости шины сначала постоянно (шина меняет форму), затем уменьшается, а после сжатия пневмобаллонов увеличивается, чем достигается наличие мягкого участка на упругой характеристике колеса.

Вследствие действия пружин растяжения, стремящихся через регулирующие звенья сжать пневмобаллоны, давление воздуха в эластичной оболочке всегда больше давления жидкости в кольцевой рабочей полости шины, что обеспечивает устойчивость эластичной оболочки в зоне наиболее вероятных деформаций шины. При больших деформациях шины (больше чем на половину высоты профиля), пневмобаллоны оказываются полностью сжатыми, а давление жидкости в кольцевой рабочей полости становится больше давления воздуха в эластичной оболочке. При этом сжимается по боковинам сама эластичная оболочка, а жесткость шины значительно возрастает, что увеличивает энергоемкость шины и повышает сохранность обода колеса.

Вследствие наличия сухого трения в подшипниках валиков и других элементах регулирующих звеньев обеспечивается эффективное гашение колебаний транспортного средства с небольшой амплитудой.

Вследствие того, что регулирующие звенья каждого пневмобаллона соединены между собой кольцевой гибкой связью, проходящей по внутренней цилиндрической поверхности эластичной оболочки, при сжатии шины обеспечивается одновременное сжатие на одинаковую величину всех пневмобаллонов, т. е. синхронная работа заполненной жидкостью кольцевой рабочей полости, вследствие чего повышается стабильность упругой характеристики шины и уменьшается дисбаланс колеса.

Вследствие того, что при прямолинейном качении колеса по ровной дороге деформация нижней части шины постоянна, объем кольцевой рабочей полости шины и пневмобаллонов не изменяется, поэтому сухое трение в регулирующих звеньях не совершает работу, воздух не перетекает через клапаны и дросселирующие отверстия. При этом коэффициент сопротивления качения колеса увеличивается незначительно, только за счет энергии, затрачиваемой на относительное движение слоев жидкости.

Вследствие того, что наружные жесткие пластины пневмобаллонов находятся дальше от оси вращения колеса, чем жидкость, при вращении колеса на них будет действовать гидростатическое давление рабочей жидкости, обусловленное центробежной силой, которое уравновешивает центробежные силы, действующие на сами жесткие пластины. Если увеличить массу жестких наружных пластин, то с увеличением скорости качения статическая деформация шины и сопротивление качению будут уменьшаться, а топливная экономичность транспортного средства повысится.

Благодаря тому, что давление воздуха в эластичной оболочке больше, чем в обычном колесе при той же статической деформации, снижается вероятность поворота шины относительно обода, особенно при проколе шины.

Благодаря снижению жесткости и повышению эффективности демпфирования колес колебания транспортного средства на неровных дорогах уменьшаются, вследствие чего коэффициент сопротивления качения и интенсивность износа шин также уменьшаются, что повышает топливную экономичность транспортного средства и ресурс шин.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен 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 с целью 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 чертеже изображено предлагаемое колесо транспортного средства: фиг. 1 - продольный разрез, фиг. 2 - поперечный разрез, фиг. 3 - вид А на фиг. 1.

Колесо транспортного средства (фиг. 1, 2) содержит обод 1 и смонтированную на нем шину 2. В полости шины 2 установлена с кольцевым зазором охватывающая обод 1 эластичная оболочка 3 в виде полого тора, выполненная, например, из обрезиненного корда, причем эластичная оболочка 3 по боковым поверхностям прижата к шине давлением воздуха, а ее высота равна, примерно, половине высоты профиля шины.

Эластичная оболочка 3 имеет собственную полость А и разделяет полость шины 2 на две полости, образуя кольцевую рабочую полость шины Б, заполняемую жидкостью через игольчатый клапан 4.

Кольцевая рабочая полость Б снабжена дополнительными эластичными камерами 5 в виде пневмобаллонов, установленных по наружной поверхности эластичной оболочки 3. Каждый из пневмобаллонов 5 выполнен в виде герметичной камеры, наружные 6 и внутренние 7 торцевые поверхности которой представляют собой жесткие пластины, причем последние закреплены на эластичной оболочке 3.

Пластины 6 и 7 соединены гибкой связью 8, закрепленной в центре наружной пластины 6, проходящей через отверстие 9 внутренней пластины 7 и эластичной оболочки 3 с регулирующим звеном в виде валика 10 (фиг. 3). Гибкая связь 8 закреплена на центральном цилиндрическом кулачке 11 валика 10. Валик 10 установлен на подшипниках в корпусах 12, закрепленных на внутренней поверхности эластичной оболочки 3. Ось валика 10 параллельна оси вращения колеса. На валике 10 закреплены также два крайних цилиндрических кулачка 13 одинакового профиля и шкив 14. На крайних цилиндрических кулачках 13 закреплены концы гибких связей 15 и 16, другие концы которых закреплены на подвижной планке 17 с роликами 18 на концах. Планка 17 посредством пружин растяжения 19 соединена с неподвижной планкой 20, закрепленной на эластичной оболочке 3 посредством корпусов 12 следующего пневмобаллона 5. Ролики 18, опирающиеся на эластичную оболочку 3, служат для исключения колебаний подвижной планки 17. Все цилиндрические кулачки и шкив 14 имеют бурты, исключающие сползание гибкой связи.

Пневмобаллоны 5 в совокупности образуют компенсирующий объем сжатия, воспринимающий изменение объема кольцевой рабочей полости Б шины 2 при ее деформации и обеспечивающий снижение радиальной жесткости шины, за счет регулирующих звеньев 10, поскольку центральные 11 и крайние 13 цилиндрические кулачки, преобразующие усилие пружин растяжения 19 посредством гибких связей 8, 15 и 16, увеличивают силы натяжения гибких связей 8 по мере сжатия пневмобаллонов 5 и таким образом снижают давление жидкости в кольцевой рабочей полости Б шины 2 по мере ее сжатия.

Регулирующие звенья 10 каждого пневмобаллона 5 соединены между собой кольцевой гибкой связью 21, охватывающей на один оборот шкивы 14 валиков 10 и закрепленной на каждом из шкивов 14 прижимной планкой 22, что обеспечивает синхронный поворот всех валиков 10 и одновременное сжатие на одинаковую величину всех пневмобаллонов 5, т. е. синхронную работу заполненной жидкостью кольцевой рабочей полости Б. Это повышает стабильность упругой характеристики шины 2 и уменьшает дисбаланс колеса. Гибкая связь 21 поддерживается скобками 23, закрепленными на эластичной оболочке 3.

Пружины растяжения 19, стремящиеся посредством гибких связей 8, 15 и 16 и peгулирующих звенев 10 сжать пневмобаллоны 5, уменьшают давление жидкости в кольцевой рабочей полости Б шины 2 по сравнению с давлением воздуха в эластичной оболочке, что обеспечивает устойчивость эластичной оболочки 3 до момента сжатия пневмобаллонов 5 на полный ход. При больших деформациях шины 2 (больше чем на половину высоты профиля), когда пневмобаллоны 5 оказываются полностью сжатыми, давление жидкости в кольцевой рабочей полости Б становится больше давления воздуха в полости А и сжимается по боковинам сама эластичная оболочка, а жесткость шины значительно возрастает, что увеличивает энергоемкость шины и повышает сохранность обода колеса.

Полости пневмобаллонов 5, сообщающиеся с полостью Б эластичной оболочки 3 посредством дросселирующих отверстий 9 и клапанов 24, образуют воздушную демпфирующую систему колеса. Клапаны 24 с малым сопротивлением пропускают воздух из полости пневмобаллонов 5 в полость Б эластичной оболочки 3 при сжатии шины 2. При разжатии шины 2 воздух течет в обратном направлении только через дросселирующие отверстия 9, поскольку клапаны 24 закрываются. Высокая эффективность воздушного демпфирования определяется тем, что объем пневмобаллонов 5 составляет 15-20% от объема А эластичной оболочки 3.

Предлагаемое колесо транспортного средства работает следующим образом.

При нагружении обода 1 колеса статической нагрузкой нижняя часть шины 2 сжимается примерно на 10-15% от высоты профиля шины, а объем кольцевой рабочей полости Б уменьшается на 2-4%. Поскольку объем полости А эластичной оболочки 3 не изменяется, а жидкость, заправленная в полость Б через игольчатый клапан 4, несжимаема, то объем пневмобаллонов 5 уменьшится на ту же величину. При этом наружные жесткие пластины 6 пневмобаллонов 5 синхронно переместятся к внутренним жестким пластинам 7, т. е. к центру колеса (примерно на 15-25% от их полного хода), гибкие связи 8 накрутятся на центральные кулачки 11 регулирующих звеньев 10, а гибкие связи 15 и 16 несколько скрутятся с крайних кулачков 13, а валик 10 повернется в подшипниках 12 на некоторый угол. Синхронность сжатия пневмобаллонов обеспечивает гибкая связь 21, закрепленная на шкивах 14 планкой 22. Максимально растянутые пружины растяжения 19, установленные на неподвижной планке 20 и подвижной планке 17 с роликами 18, несколько сожмутся и переместят подвижную планку 17. При этом сила натяжения гибких связей 15 и 16 несколько уменьшится, а сила натяжения гибких связей 8 несколько увеличится вследствие преобразующих свойств кулачков 11 и 13, так как радиус центрального кулачка 11 уменьшается, крайних кулачков 13 - увеличивается, а эффективная площадь пневмобаллонов 5 изменяется незначительно или уменьшается. Поэтому давление жидкости в кольцевой рабочей полости Б несколько уменьшится и снизится жесткость шины, несмотря на то, что давление воздуха в полостях пневмобаллонов 5 и полости А эластичной оболочки 3 немного увеличится.

При качении колеса по ровной дороге деформация нижней части шины 2 постоянна, объемы кольцевой рабочей полости Б и пневмобаллонов не изменяются и воздух не перетекает через клапаны 24 и дросселирующие отверстия 9. Жидкость вращается вместе с полостью Б и перемешивается из-за деформации нижней части шины, вследствие чего уменьшается неравномерность температурного поля шины, а эксплуатационные характеристики коэффициента сопротивления качения колеса остаются практически неизменными.

При качении колеса по неровной дороге нижняя часть шины 2 сжимается и разжимается.

При сжатии нижней части шины 2 колесо работает так же, как при статическом нагружении, описанном выше. При этом воздух из пневмобаллонов 5 перетекает в полость А эластичной оболочки 3 через клапаны 24 и дросселирующие отверстия 9 с небольшим сопротивлением. При больших деформациях шины (больше чем на половину высоты профиля), пневмобаллоны 5 оказываются полностью сжатыми, а давление жидкости в кольцевой рабочей полости Б становится больше давления воздуха в полости А эластичной оболочки 3. При этом сжимается по боковинам сама эластичная оболочка 3, а жесткость шины 2 значительно возрастает, что повышает энергоемкость шины 2 и сохранность обода колеса.

При разжатии нижней части шины 2 объем пневмобаллонов 5 увеличивается и воздух из полости А эластичной оболочки 3 перетекает в полости пневмобаллонов 5 только через дросселирующие отверстия 9 с большим сопротивлением, что обеспечивает гашение колебаний транспортного средства. Выделяющееся при этом тепло от воздуха передается через стенки пневмобаллонов 5 и эластичной оболочки 3 жидкости кольцевой рабочей полости Б, которая поглощает его вследствие большой теплоемкости.

Сухое трение в подшипниках валиков 10, роликах 18 и скобках 23 обеспечивает быстрое затухание колебаний транспортного средства с небольшой амплитудой. Однако сухое трение недостаточно для гашения колебаний с большой амплитудой. Они гасятся воздушным демпфированием, высокая эффективность которого определяется тем, что суммарный объем пневмобаллонов 5 составляет 15-20% от объема полости А эластичной оболочки 3.

Так как при сжатии нижней части шины 2 воздух перетекает из пневмобаллонов в полость А эластичной оболочки 3 через клапаны 24 и дросселирующие отверстия 9 с небольшим сопротивлением, а при разжатии шины 2 воздух течет в обратном направлении только через дросселирующие отверстия 9 с большим сопротивлением, то при периодических колебаниях статическая деформация нижней части шины несколько увеличивается, что повышает стабильность контакта колеса с дорогой.

Вследствие уменьшения колебаний транспортного средства на неровных дорогах коэффициент сопротивления качения и интенсивность износа протектора шины 2 также уменьшаются.

При проколе шины 2 через него жидкость из кольцевой рабочей полости Б вытекает, статическая деформация шины 2 увеличивается и нагрузка воспринимается пневмобаллонами 5 и эластичной оболочкой 3, заполненными сжатым воздухом, что позволяет продолжить движение.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- колесо транспортного средства, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для колесных тракторов, комбайнов, экскаваторов, кранов и других транспортных средств преимущественно безрессорных и обеспечивает снижение частоты собственных колебаний и эффективное гашение колебаний транспортного средства за счет сухого трения и воздушного демпфирования без увеличения коэффициента сопротивления качения, а также снижение температуры и неравномерности температурного поля шины, что повышает плавность хода транспортного средства и ресурс шины;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемым чертежом;
- колесо транспортного средства, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем результата.

Следовательно заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Колесо содержит обод и пневматическую шину, в полости которой установлена с кольцевым зазором эластичная оболочка в виде полого тора, разделяющая полость шины на две полости. Кольцевая рабочая полость снабжена дополнительными эластичными камерами в виде пневмобаллонов, установленных на наружной поверхности эластичной оболочки. Каждый из пневмобаллонов выполнен в виде герметичной камеры, внутренние и наружные торцевые поверхности которой выполнены в виде жестких пластин, соединенных гибкой связью. Последняя проходит через центральное отверстие внутренней жесткой пластины и закреплена на центральном цилиндрическом кулачке регулирующего звена, выполненного в виде валика с центральным и крайними цилиндрическими кулачками. Крайние цилиндрические кулачки связаны через гибкую связь и пружины растяжения с эластичной оболочкой. Регулирующие звенья каждого пневмобаллона соединены между собой кольцевой гибкой связью. В результате повышается плавность хода транспортного средства. 3 ил.

Колесо транспортного средства, содержащее обод и пневматическую шину, в полости которой установлена с кольцевым зазором эластичная оболочка в виде полого тора, разделяющая полость шины на две полости, образуя в шине кольцевую рабочую полость, отличающееся тем, что кольцевая рабочая полость снабжена дополнительными эластичными камерами в виде пневмобаллонов, установленных на наружной поверхности эластичной оболочки, каждый из которых выполнен в виде герметичной камеры, внутренние и наружные торцевые поверхности которой выполнены в виде жестких пластин, соединенных гибкой связью, проходящей через центральное отверстие внутренней жесткой пластины и закрепленной на центральном цилиндрическом кулачке регулирующего звена, выполненного в виде валика с центральным и крайними цилиндрическими кулачками, установленного параллельно оси колеса, причем крайние цилиндрические кулачки связаны через гибкую связь и пружины растяжения с эластичной оболочкой, при этом совокупность пневмобаллонов образует компенсирующий объем сжатия, обеспечивающий снижение радиальной жесткости колеса, а регулирующие звенья каждого пневмобаллона соединены между собой кольцевой гибкой связью, обеспечивающей синхронную работу заполненной жидкостью кольцевой рабочей полости, при этом полости пневмобаллонов, сообщающиеся с полостью эластичной оболочки посредством клапанов и дросселирующих отверстий, образуют воздушную демпфирующую систему колеса.