ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО Российский патент 2005 года по МПК B60F3/00 B60V1/14 

Изобретение относится к области транспортных средств - амфибиям, используемым для выполнения транспортных работ на разных поверхностях движения (грунт, болото, вода).

Известен аналог транспортного средства (ТС), содержащий герметичный корпус, включающий в себя три секции, которые соединяются между собой торцевыми полыми элементами с возможностью поворота крайних секций относительно средней на 180° от привода и снабжены фиксаторами их относительного положения, моторную установку, агрегаты трансмиссий, связанные с колесными движителями и водяной движитель [1].

К недостаткам аналога следует отнести сложность конструкции корпуса, который необходимо перекомпоновывать для движения по воде, что предусматривает подвижные уплотнения, поскольку передняя и задняя части корпуса поворачиваются относительно средней секции на 180°, что конструктивно трудно выполнимо с учетом размещения внутри него силовой установки и агрегатов трансмиссии, связанных с колесными движителями.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности следует отнести транспортное средство, включающее водоизмещающий корпус, гусеничный движитель с блокировочными устройствами средних и задних опорных катков, водоотражательный щит, передний гидродинамический щиток, кормовую гидродинамическую решетку, изолирующий кожух, бортовую гидродинамическую решетку [2].

К недостаткам этого транспортного средства следует отнести низкий КПД движителя, особенно при движении по воде, а также необходимость установления гидродинамических щитков, блокировочных устройств, усложняющих конструкцию шасси, и, как следствие, снижение надежности работы движителя и увеличение стоимости изделия.

Техническим результатом изобретения является создание универсального транспортного средства за счет применения бестрансмиссионной системы с индивидуальным приводом опорных колес перекатывающегося типа, реализующих схему подведения силового потока с “отрицательным” трением и принудительной синхронизацией (эффект захватывания), гребных водоходных колес и вентиляторов нагнетателей, создающих совместно с корпусом ТС воздушную подушку, комплексное применение которых позволяет достигнуть высокого общего КПД транспортного средства и эффективности его работы на разных поверхностях движения (грунт, болото, вода).

Это достигается тем, что транспортное средство, содержащее водоизмещающий корпус типа “тримаран”, в днищевой части которого выполнен перегиб с двумя щелевидными отверстиями, разделенными килевой балкой (килем) для выхода воздуха от вентиляторов- нагнетателей, создающих в подднищевом пространстве воздушную подушку, а колесный движитель перекатывающегося типа, включающий в себя опорно-приводное устройство [3], выполненное в виде цилиндрического корпуса, на внешней поверхности которого установлены упругие элементы с возможностью поворачиваться на величину угла выкатывания (из колеи) колеса, образуя при этом совместно с внутренним зацеплением опорно-приводного устройства механизм с тремя степенями свободы, реализующим схему перекатывания с “отрицательным” трением, а при движении по воде при необходимости может осуществляться принудительная синхронизация или эффект “захватывания” ободов колес (схема фиг.7).

Схема с индивидуальным приводом колес перекатывающегося типа и гребных колес водоходного движителя позволяет снизить массу ТС, компоновать движители исходя из соображений минимизации циркуляции “паразитной” мощности, а также повысить надежность, долговечность и общий КПД.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция транспортного средства позволяет эффективно использовать его на разных поверхностях движения за счет применения движителя перекатывающегося типа, водоходного движителя, а также вентиляторов-нагнетателей, создающих воздушную подушку в подднищевом пространстве и имеющих возможность настраиваться на максимальный КПД при их совместной и раздельной работе.

На фиг.1. представлен общий вид транспортного средства с изображением нагнетательной камеры и вентиляторов; на фиг.2 - разрез А-А колеса перекатывающегося типа, на фиг.3 - разрез гребного колеса водоходного движителя; на фиг.4 - вид слева гребного колеса с изображением устройства его вертикального перемещения; на фиг.5 - схема работы колеса перекатывающегося типа на воде в режиме “захватывания”; на фиг.6 - схема работы колеса перекатывающегося типа на грунте.

Транспортное средство (фиг.1) содержит корпус 1, в носовой части которого выполнены две нагнетательные камеры 2 с вентиляторами 3, днищевая часть корпуса имеет перегиб с двумя щелевидными отверстиями 4 для выхода потоков воздуха от вентиляторов, создающих в подднищевом пространстве воздушную подушку.

По бортам транспортного средства, в нижней его части, крепятся колеса 5. Обод 6 колес 5 состоит из двух типов упругих элементов 7 и поддерживающих 8, которые своими проушинами устанавливаются в поперечных пазах круглой формы, выполненных на внешней поверхности цилиндрического корпуса 11 фиг.2 и соединенных с ним пальцами 9, образуют кинематическую пару первого рода - цилиндрический шарнир, позволяющий осуществлять их относительное движение (поворот на угол ϕ/2), образуя при этом механизм с тремя степенями свободы. Это дает возможность хорошо адаптироваться ободу 6 к изменяющимся условиям движения.

Упругие элементы 8, располагаясь под опорными элементами 7 (фиг.1, 6) (внутри внешнего обода), с одной стороны, являются поддерживающими элементами внешнего обода (элементов 7), а с другой стороны, - увеличивающими его жесткость и гасящими колебания корпуса при наезде на препятствия. Упругие элементы 8 крепятся в пазах круглой формы, на внешней поверхности цилиндрического корпуса 11, аналогично элементам 7.

Реборды 10 являются конструктивными элементами цилиндрического корпуса 11, в том числе опорно-приводного устройства 12 (фиг.2), во внутренней поверхности которого закреплены зубчатые колеса 13, образующие совместно с вал-шестерней 14, установленной в опорах 15 корпуса ТС 1, шестеренчатое зацепление, реализующее крутящий момент мотор-редуктора 16. Опорные ролики 17, установленные на вал-шестерне 14, поддерживают корпус ТС и осуществляют смещение центра масс (мгновенных центров давления) - вперед - вверх (назад - вверх), реализуя схему перекатывания колеса с "отрицательным" трением, и вызывают поступательное движение ТС путем накопления уровня полной механической энергии до величины сопротивления перекатыванию равную опрокидывающему моменту М_опр.

Боковые крышки 18 (фиг.2), соединенные между собой шпильками 19, обеспечивают устойчивость внутреннего зацепления опорно-приводного устройства 12 при больших углах обкатывания опорных роликов 17 вал-шестерни 14, а также верхними поясками фиксируют оси 20, удерживающие упругие элементы 7 и 8 обода 6 от выпадения, обеспечивают жесткость конструкции подвижной части опорно-приводного устройства при поворотах ТС и защищают внутреннюю полость зацепления от попадания посторонних предметов при движении.

Конец верхней шпильки 19, обращенный к борту ТС, выполнен в виде цилиндра с фаской, который входит в выдвижной захват 21, установленный в верхней части корпуса (фиг.2), и тем самым создается возможность изменения режима работы колеса.

В промежутках между колесами перекатывающегося типа 5 устанавливаются вертикальные стойки 22 фиг.3, 4 с пазами, в которых вертикально перемещаются направляющие корпусов мотор-редукторов 23 гребных колес 24, водоходного движителя, содержащего цилиндрический корпус 25, установленный в подшипниках на валу 26. На внешней поверхности цилиндрического корпуса 25 внутри вентиляторных дисков 27 по периметру крепятся гребные лопатки 28.

Гребное колесо 24 вместе с мотор-редуктором 23 при помощи толкающего механизма 29, верхней проушиной прикрепленного к кронштейну 30, установленному на борту ТС, может вертикально перемещаться, настраиваясь на нужный режим работы в зависимости от поверхности движения (вода, болото).

Принципы и варианты работы транспортного средства могут быть представлены следующим образом.

Движение по грунту осуществляется путем подведения крутящего момента М_кр от мотор-редуктора 16 к опорно-приводному устройству 12 посредством вал-шестерни 14, опорные ролики 17, которые перекатываясь по внутренней поверхности опорно-приводного устройства 12 смещают центр масс вперед - вверх (назад - вверх). Создается опрокидывающий момент М_опр на ободе колеса, состоящего из упругих опорных элементов (схема, фиг.6) и образующих механическую систему с тремя степенями свободы, реализующую схему с “отрицательным” трением, суть которой состоит в следующем.

Величина подводимого крутящего момента М_кр и соответственно уровень расходуемой энергии на трение качения определяется коэффициентом трения b>0, который больше нуля и при этом дифференциальное уравнение движения имеет вид:

преобразование которого дает следующий результат:

откуда видно, что слева стоящие члены выражают изменение кинетической и потенциальной энергии системы (“каток - грунт”) за время τ. Поскольку b>0, то интеграл справа положителен и изменение полной энергии отрицательно, т.е. происходят затраты общей энергии на трение качения, что характерно для обычного вращающегося колеса, не обладающего свойством накапливания полной энергии.

В рассматриваемой конструкции движителя транспортного средства система обладает свойством накапливания полной энергии за счет смещения центра масс (мгновенного центра давления) вперед-вверх относительно устойчивого положения равновесия и, следовательно, мы имеем коэффициенты b<0 и h<0, где h=b/2m.

Тогда уравнение движения системы “каток - грунт” можно записать в виде:

где - функция, характеризующая зависимость силы трения от относительной скорости u и является характеристикой трения.

При значительно меньше v₀ (большая скорость), разложив функцию F в ряд, получим уравнение движения, имеющее вид:

где член после знака равенства обозначает только смещение системы от положения равновесия на величину F(ν₀)/k в направлении движения колеса.

Коэффициент b+F'(ν₀) при и его знак определяет вид и характеристику трения и соответственно свойства контактирующих поверхностей.

Величина F'(ν₀) представляет собой угол наклона характеристики трения для данного ν₀, что для круто падающей характеристики (b+F'(ν₀)<0), характерной для перекатывающегося колеса, представляет систему с “отрицательным” трением [уравнение (4)].

Таким образом, движение ТС по грунту, схема фиг.6, с учетом вышеизложенного осуществляется с высоким общим КПД.

Движение транспортного средства по болоту предполагает одновременное использование движителя перекатывающегося типа и водоходного движителя и, при необходимости, включаются вентиляторы-нагнетатели воздушной подушки.

Движение транспортного средства по болоту осуществляется с использованием как движителя перекатывающегося типа, так и водоходного движителя, настроенного по высоте и кинематическим параметрам. При необходимости могут включаться вентиляторы-нагнетатели, создающие воздушную подушку.

Движение по воде может осуществляться в разных режимах, в частности в водоизмещающем режиме обвод колесного движителя займет положение в соответствии со схемой фиг.5 и, при подведении крутящего момента, образует автоколебательную систему по типу маятника Фроуда. В случае достаточно малой разности между частотой вращения обвода и частотой вращения силового фактора (крутящего момента М_кр) устойчивое периодическое движение автоколебательной системы приобретает частоту внешнего силового фактора (М_кр). При этом наступает принудительная синхронизация или эффект захватывания, при котором обод колеса будет осуществлять движение в соответствии со схемой фиг.5.

Для осуществления движения транспортного средства в глиссирующем режиме обод колеса фиксируется верхним фиксатором-упором в верхнем положении, при этом мы получаем передачу с внутренним зацеплением. Движение осуществляется за счет вращения обода и работы вентиляторов-нагнетателей создающих воздушную подушку. При больших нагрузках в работу может включаться и водоходный движитель, однако здесь необходимо будет решать вопрос синхронизации их работы, включая в работу средства регулирования (датчики угловых скоростей, продольных сил и др.).

Рассмотренные выше конструктивные особенности исполнения, использующие принцип работы движителя перекатывающегося типа, эффект “отрицательного” трения, а при работе на воде эффект “захватывания”, обеспечивают высокую проходимость и эффективность работы ТС на разных поверхностях движения.

Движение по грунту, создаваемое опорно-приводным устройством с поворачивающимися опорными элементами, в значительной мере уменьшают отрицательное воздействие на почву (за счет практического отсутствия тангенциальной составляющей напряжения при формировании колеи), что с экологической точки зрения очень важно.

Экономическая эффективность достигается за счет снижения металлоемкости конструкции (бестрансмиссионная схема с индивидуальным приводом движителей) и применения движителя перекатывающегося типа с эффектом “отрицательного” трения при движении по грунту и эффекта “захватывания” при движении по воде, а также комплексного применения воздушной подушки, самонастраивающегося водоходного и движителя перекатывающегося типа.

Литературные источники

1. Авторское свидетельство СССР №1159806, кл. В 60 F 3/00, 1985.

2. Многоцелевые гусеничные шасси, В.В.Платонов, В.С.Кожевников и др. Под ред. В.Ф.Платонова. - М.: Машиностроение, 1998, 342 с.

3. Авторское свидетельство РФ №2038218, МПК В 60 В 19/00, ВК 17/32, 1995 г.

Изобретение относится к транспорту и касается создания амфибийных транспортных средств. Транспортное средство имеет водоизмещающий корпус типа “тримаран”, колесный движитель и водоходный движитель. В носовой части корпуса расположены две нагнетательные камеры с вентиляторами. Поверхность днищевой части корпуса выполнена с перегибом, в котором выполнены два щелевидных отверстия, соединенных с нагнетательными камерами для выхода воздушных потоков, создаваемых вентиляторами и образующих воздушную подушку в подднищевом пространстве. Колесный движитель выполнен перекатывающегося типа с индвивидуальным приводом от мотор-редукторов. Колеса движителя выполнены в виде цилиндрического корпуса с ребордами, на внешней поверхности которого профрезерованы поперечные пазы круглой формы по числу поддерживающих и опорных гибких элементов обода, закрепленных пальцами в отверстиях реборд и имеющих возможность поворота на угол выкатывания, образуя при этом совместно с ободом колеса и внутренним зацеплением опорно-приводного устройства, которым снабжено транспортное средство, механизм с тремя степенями свободы, реализующий схему перекатывания с “отрицательным” трением, вызывающую поступательное движение транспортного средства за счет смещения центра масс транспортного средства вверх-вперед (назад-вверх). Опорно-приводное устройство может быть выполнено с крышками, соединенными между собой шпильками. Конец верхней шпильки может быть выполнен в виде цилиндра с возможностью его вхождения в выдвижной захват, установленный в верхней части корпуса транспортного средства на его борту для изменения режима работы колеса. Водоходный движитель может быть выполнен в виде гребных колес, установленных на вертикальных стойках с возможностью вертикального перемещения и содержащих цилиндрический корпус, установленный в подшипниках на оси, и гребные лопатки прямоугольной формы или со скосами для создания дополнительной силы тяги и повышения общего КПД при движении по воде и болоту. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эксплуатационных качеств амфибийного транспортного средства. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Транспортное средство, содержащее водоизмещающий корпус типа “тримаран”, колесный движитель и водоходный движитель, отличающееся тем, что в носовой части корпуса расположены две нагнетательные камеры с вентиляторами, поверхность днищевой части корпуса выполнена с перегибом, в котором выполнены два щелевидных отверстия, соединенных с нагнетательными камерами для выхода воздушных потоков, создаваемых вентиляторами и образующих воздушную подушку в подднищевом пространстве, колесный движитель выполнен перекатывающегося типа с индивидуальным приводом от мотор-редукторов, его колеса выполнены в виде цилиндрического корпуса с ребордами, на внешней поверхности которого профрезерованы поперечные пазы круглой формы по числу поддерживающих и опорных гибких элементов обода, закрепленных пальцами в отверстиях реборд и имеющих возможность поворота на угол выкатывания, образуя при этом совместно с ободом колеса и внутренним зацеплением опорно-приводного устройства, которым снабжено транспортное средство, механизм с тремя степенями свободы, реализующий схему перекатывания с “отрицательным” трением, вызывающую поступательное движение транспортного средства за счет смещения центра масс транспортного средства вверх-вперед (назад-вверх).2. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что опорно-приводное устройство выполнено с крышками, соединенными между собой шпильками, при этом конец верхней шпильки выполнен в виде цилиндра с возможностью его вхождения в выдвижной захват, установленный в верхней части корпуса транспортного средства на его борту для изменения режима работы колеса.3. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что водоходный движитель выполнен в виде гребных колес, установленных на вертикальных стойках с возможностью вертикального перемещения и содержащих цилиндрический корпус, установленный в подшипниках на оси, и гребные лопатки прямоугольной формы или со скосами для создания дополнительной силы тяги и повышения общего КПД при движении по воде и болоту.