БЕСКАМЕРНОЕ КОЛЕСО ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Российский патент 2023 года по МПК B60C7/12 B60C17/01 

Изобретение относится к автомобильной промышленности, в частности, к конструкциям колес транспортных средств (ТС), содержащих шины с воздушной полостью, установленные на ободах (дисках).

Известны колеса и шины ТС в которых принят ряд конструктивных мер по обеспечению безопасности в процессе движения при повреждениях шин (проколах, разрывах).

Так, в шине автомобильного колеса по патенту РФ №2139896 (МПК В60С 17/10, С0823 L23/22, С08К 5/09, 1999 г.) для герметизации шин при проколах используют клеящую композицию, которую наносят на внутреннюю поверхность бескамерных шин перед монтажом на обод. В связи с этим, обеспечивается автоматическое восстановление поврежденной шины. Следует отметить, что клеящие композиции эффективны только при незначительных повреждениях шин. Старение клея также снижает эффективность герметизации шин, а, значит, и безопасность ТС. Кроме того, при длительных стоянках ТС происходит стекание свежеприготовленных клеящих составов по внутренней поверхности шин, что может вызвать биения колеса при последующем движении.

Известно колесо безопасности с системой подкачки шин (патент РФ №2461467, МПК В60С 17/01, В60В 25/02, 2012 г.) В аварийных ситуациях подкачка поврежденной шины осуществляется через редукционный клапан герметичной полости с повышенным давлением газа, расположенной в сегментах опорной поверхности обода колеса. После полной утечки газа опорная поверхность обода прижимается к внутренней поверхности протектора шины, и качение происходит по этой поверхности шины. Таким образом, подкачка шины осуществляется кратковременно и существенно зависит от степени ее повреждения. Дальнейшая эксплуатация колеса и движение ТС при этом становятся не возможными.

Известно также бескамерное колесо (патент РФ №2390427, МПК В60С 7/12, 2010 г.), содержащее обод и смонтированную на нем шину, образующие полость, заполненную упругими шарами с диаметром, соизмеримым с поперечным размером тороидальной полости шины, и расположенными примыкающими друг к другу. Для увеличения точек соприкосновения с внутренней поверхностью шины вводятся дополнительно упругие шары меньших диаметров, примыкающих к шарам с большим диаметром.

Для таких колес требуется только специальные шины с внутренними тороидальными полостями, изготовленных под максимальные размеры заполненных упругих шаров, что ограничивает возможности их использования в серийно выпускаемых колесах ТС. Кроме того, монтаж таких шин со вставленными упругими шарами разных диаметров на обод колеса также представляется трудоемким процессом. При повреждениях шин ТС с колесами данного типа способно продолжить движение.

Наиболее близким к изобретению является колесо ТС (патент РФ №2019433, МПК В60С 17/01, 1994 г.), содержащее шину с размещенными в ней основной камерой с вентилем и дополнительной камерой, заполненной дискретными элементами и размещенной между основной камерой и протекторной частью покрышки. Данная конструкция колеса позволяет продолжить движение ТС после повреждения только протекторной части шины.

Следует отметить увеличение стоимости таких колес с шинами, содержащими две специальные камеры, а также сложность монтажа камеры с дискретными элементами строго симметрично внутренней поверхности протектора шины, так как в противном случае будут наблюдаться биение колеса ТС. В конструкции колеса используют надувную (основную) воздушную камеру. Это приводит к снижению надежности в процессе эксплуатации колеса при боковых порезах шины, сбоях в работе воздушного вентиля и т.п. Все выше перечисленное ограничивает эффективность применения данного устройства.

Перед заявленным изобретением поставлена задача - не только максимально упростить предложенную конструкцию колеса (патент РФ №2019433, МПК В60С 17/01, 1994 г.), а также исключить любое негативное воздействие на ТС, возникающее при движении ТС в процессе резкого сброса давления газа из любой используемой воздушной полости шины при авариях колес для всех известных типов/размеров шин, смонтированных на соответствующих ободах (дисках).

Для решения поставленной задачи в устройстве по патенту РФ №2019433, МПК В60С 17/01, 1994 г., содержащим шину с размещенными в ней основной камерой с вентилем и дополнительной камерой, заполненной дискретными элементами и расположенной между основной камерой и протекторной частью шины, в шине колеса повышенной безопасности исключаются обе камеры, а вся ее воздушная полость, целиком под давлением заполнена износостойкими и упругими дискретными наполнителями одинаковой формы и размеров через систему однонаправленных загрузочных клапанов равноудаленных друг от друга и установленных на ободе (диске) в плоскости осевой симметрии колеса или параллельных ей плоскостях. Избыточное воздушное давление в шине при этом отсутствует. Требуемое рабочее давление шины обеспечивается необходимым количеством загруженных в ее воздушную полость упругих наполнителей одинаковой формы и размеров, и может быть изменено в зависимости от условий эксплуатации ТС.

Таким образом, достигается технический результат, а именно исключается любое негативное влияние внезапного сброса давления газа из воздушной полости шины в аварийных ситуациях, при этом повышается надежность бескамерного колеса и безопасность движения самого ТС.

На фиг.1 представлена схема бескамерного колеса повышенной безопасности в плоскости осевой симметрии в ненагруженном состоянии для семи загрузочных клапанов радиального типа на ободе (диске), на фиг.2 - схема бескамерного колеса повышенной безопасности при недостаточном количестве загрузочных клапанов радиального типа, расположенных на ободе (диске), на фиг.3 - упрощенная технологическая схема загрузки наполнителями шаровой формы воздушной полости шины.

Представленное на фиг.1 схема бескамерного колеса повышенной безопасности в ненагруженном состоянии, содержит обод (диск) 1, шину 2, установленную на ободе 1, и систему из семи радиально ориентированных загрузочных клапанов 3-9, равномерно распределенных по ободу (диску) 1. Воздушная полость шины заполняется целиком дискретными износостойкими и упругими наполнителями шаровой формы 10 под заданным давлением загрузки. Клапан 3, например, обеспечивает загрузку зоны 11, соответственно через смежный с ним клапан 4 загружается зона 12, которые достаточно близки по своей геометрии к объему шаровой полусферы 13 (зоне свободного перемещения наполнителей без существенного трения о внутренний корпус воздушной полости шины и обода колеса). Для исключения влияния силы поля тяжести (особенно в первоначальной стадии загрузки наполнителями шины) колесо в процессе загрузки наполнителями шины размещают в горизонтальной плоскости. Обеспечивается синхронная работа загрузочных клапанов 3-9, чем и достигается равномерность загрузки всех воздушных зон шины. Окончание загрузки наполнителями шины осуществляется, например, по количеству наполнителей в шине с помощью которых обеспечивается допустимый изгиб шины под максимально допустимой нагрузкой ТС (в статике), а также и с учетом динамических свойств колеса.

Пространственное расположение радиально-ориентированных загрузочных клапанов 3 - 9 на фиг.1 может быть изменено на заданное угловое смещение в направлении (или против) вращения колеса в плоскости осевой симметрии. В этом случае заполнение наполнителями воздушной полости шины будет происходить с однонаправленным смещением по ориентации загрузочных клапанов.

Наполнители могут быть изготовлены, например, из износостойкой резины. При этом увеличивается полная масса колеса. Для ее снижения применяют аналогичные износостойкие материалы наполнителей с меньшим удельным весом, например, из полиуретана и т.д., а также применяют шины с меньшей высотой воздушного профиля (низкопрофильные). Кроме того, массу колеса с заполненной наполнителями шиной возможно снизить уменьшая коэффициент заполнения воздушной полости шины, который определяется как отношение суммарного объема занятого наполнителями к полному объему воздушной полости шины. При этом следует отметить, что коэффициент заполнения воздушной полости шины зависит от давления загрузки упругих наполнителей в шине.

В качестве основных форм наполнителей могут быть использованы кубы (острые грани и вершины которых под давлением сжимаются), что приближает их геометрическую форму к шаровой, шары сплошные или полого исполнения (заполненные газом без/с давлением). Использование полых наполнителей (фактически это мини-камеры) приводит к снижению общей массы колеса, хотя в эксплуатации и менее предпочтительно, т.к. при авариях шин (проколах наполнителей) из поврежденных дискретных элементов удаляется газ, что приводит к изменению распределения локальной удельной плотности наполнителей в воздушной полости шины.

Для правильного выбора дискретности наполнителей исходят из обеспечения заданных амортизационных и износостойких свойств колеса ТС, которые зависят от количества наполнителей, распределенных по высоте / ширине воздушного профиля шины. Не имеет смысла использовать наполнители, предназначенные для колес с шинами большего воздушного объема на колесах с шинами меньшего воздушного объема, т.к. на ободах (дисках) соответствующих колес необходимо устанавливать загрузочные клапана большего диаметра, что приводит к ослаблению механической прочности непосредственно самого обода (диска). Кроме того, при этом уменьшается количество соприкосновений (опорных контактов) наполнителей с внутренней поверхностью протектора шины, что может привести к преждевременному износу части протектора шины по его наружной части. И наоборот, размещение наполнителей, предназначенных для колес ТС с меньшим воздушным объемом шин на колеса ТС с большим воздушным объемом шин приводит к значительному увеличению технологического времени загрузки наполнителями конкретного колеса. А также, при неизменном давлении загрузки наполнителей, увеличивается коэффициент заполнения воздушной полости шины. При этом амортизационные свойства колеса ТС с шиной данного типа идентичны и приближаются по своим параметрам к амортизационным свойствам колеса с установленной сплошной (цельной резиновой) шиной. Поэтому, максимальный геометрический размер (дискретность) наполнителей целесообразно выбирать в диапазоне от долей сантиметра для легковых ТС и до нескольких сантиметров для грузовых ТС.

На фиг.2 приведена та же геометрия колеса, приведенная на фиг.1, с ободом 1, на который смонтирована шина 2, но для уменьшенного количества загрузочных клапанов (трех) 3-5 радиального расположения. Для смежных клапанов 3 и 4 между зонами свободного заполнения наполнителей (зонами полусфер 6, 7) расположена зона АВ в виде вытянутой внутренней воздушной полости шины. Заполнение наполнителями зоны АВ происходит с затруднением из-за дополнительного трения наполнителей о внутренние поверхности полостей шины и обода колеса (особенно при наличии избыточного давления), что приводит к неравномерному распределению плотности наполнителей внутри шины по всем секторам. Чтобы избежать этого, первоначальный (чисто конструкционный) выбор расположения между смежными клапанами загрузки соответствует расстоянию между зонам свободного заполнения (например, зоны полусфер 6, 7 на фиг.2), т.е. меньшим или равным двойной высоте воздушной полости, образованной между внутренней частью протектора шины и ободом (диском) колеса. В то же время, уменьшение количества загрузочных клапанов целесообразно. Эту проблему частично удается решить посредством использования дополнительной смазки поверхносто-активными веществами (ПАВ) внутренних воздушных полостей, образованных шиной и ободом (диском) колеса, а также непосредственно наружных поверхностей наполнителей перед загрузкой.

В тех случаях, когда использование смазки ПАВ нежелательны, для выравнивания распределения плотности наполнителей внутри шины по всему ее объему используют также и опрессовку по наружной стороне протектора шины по всей длине усилием, не превышающим максимально допустимую нагрузку колеса данного типа.

На фиг.3 представлена упрощенная технологическая схема загрузки наполнителями шаровой формы воздушной полости шины 1, посредством загрузочного однонаправленного клапана 2, размещенного на ободе 3 колеса. Остальные загрузочные клапаны на фиг.3 не показаны. Загрузочный клапан 2 обеспечивает также стравливание избыточного воздушного давления, которое может образоваться в шине в процессе загрузки наполнителями. Простейшая конструкция загрузочного клапана может быть выполнена в виде диафрагмы с диаметром меньшим, чем диаметр шаровых наполнителей. Шаровые наполнители 4 из накопительного бункера 5 подаются к штоку 6. Исходное положение штока 6 - А. Конечное положение штока 6 может находиться в воздушном пространстве шины - В. За один проход штока 6 можно осуществить подачу одного наполнителя, исходное положение которого фиксируется стопорным кольцом 7. Для ускорения загрузки воздушной полости шины возможно за один проход штока осуществить подачу одновременно сразу нескольких наполнителей (на упрощенной схеме фиг.3 не показано). Шток 6 размещен в направляющей 8, по пазам наружной поверхности которой вставлены опорные подшипники 9 скользящих кронштейнов 10, чем и достигается пространственная фиксация положения штока 6 при загрузке наполнителями. Автоматическое управление движением штока 6 производится всеми доступными для этого приводами 11 (например, электромеханическими, пневматическими и др.). Все остальные загрузочные клапана колеса повышенной безопасности управляются синхронно аналогично клапану 2 (фиг.3). Следует также отметить, что минимальный размер (дискретность) наполнителей по данному методу загрузки выбирают исходя из минимально возможного диаметра штока 6 фиг.3. для обеспечения стабильной работы механизма загрузки наполнителей. Одним из преимуществ данной схемы загрузки заключается в максимальном удалении механизма пространственной ориентации штока от самих дискретных наполнителей, при этом значительно снижается риск попадания машинной смазки механизмов непосредственно на поверхность наполнителей, что предотвращает временное разрушение (старение) наполнителей в процессе эксплуатации.

Кроме приведенного выше штокового метода заполнения наполнителями воздушной полости шины, могут применяться, например, непосредственно пневматические схемы загрузки, которые здесь не рассматриваются.

Использование колес повышенной безопасности обеспечивает снижение аварийных ситуаций при повреждениях шин (проколах протектора шин, боковых порезов и т.д.), особенно на высоких скоростях движения ТС, которые способны продолжить свое движение. При этом за весь срок службы колеса отпадает необходимость контроля воздушного давления в шине и ее периодичной подкачки. Из-за повышения веса колес за счет использования упругих твердотельных наполнителей в воздушной полости шин, колеса данного типа предпочтительно использовать на грузовых ТС.

В качестве примера, изготовлена физическая модель бескамерного колеса повышенной безопасности на базе шины 3.00-8 (13x3). Данная конструкция колеса предусматривает внутреннюю воздушную камеру, которая была удалена из конструкции. Радиус колеса 165 мм, высота профиля шины 55 мм при максимальной ширине 75 мм. Воздушная полость шины заполнялась резиновыми наполнителями в форме куба (5×5×5 мм) изготовленными из боковых поверхностей шин для грузовых ТС. Таким образом, максимальные геометрические размеры наполнителей выбраны равными 1/10 от высоты воздушного профиля шины. Использовалась смазка ПАВ для наружных поверхностей наполнителей и внутренней воздушной полости, образованной ободом (диском) и установленной на нем шиной. На ободе колеса равномерно установлены пять загрузочных клапанов, работа которых осуществлялась поочередно ручным методом с максимальным давлением на шток до 2кГ/см² в горизонтальной плоскости ориентации колеса.

В процессе заполнения наполнителями воздушной полости шины использовалась периодическая опрессовка по наружной части протектора шины усилиями от 10 кГс на начальной стадии и до 20 - 30 кГс на конечной стадии загрузки. Опрессовка выполнялась с использованием металлических роликов (диаметром 9 см, шириной 10 см), которые под заданными усилиями периодически вращались по наружной поверхности протектора шины в процессе ее заполнения наполнителями.

В результате загрузки под давлением упругими дискретными наполнителями воздушной полости шины, колесо данного типа, поднятое и свободно отпущенное в вертикальной плоскости на горизонтальную твердую поверхность совершало амортизационные колебания с затухающей амплитудой качественно подобные амортизационным колебаниям колеса с шиной, заполненной воздухом под давлением.

Следует также отметить, что избыточное давление воздуха в шине, заполненной дискретными упругими элементами под давлением, при этом полностью отсутствует.

Изобретение относится к транспортным средствам. Бескамерное колесо содержит обод и смонтированную на нем шину, образующие полость, которая под давлением целиком заполнена износостойкими и упругими дискретными наполнителями одинаковых форм и размеров через систему загрузочных клапанов, равномерно распределенных по ободу в плоскости осевой симметрии или параллельных ей плоскостях. Технический результат - повышение надежности и безопасности движения транспортных средств. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бескамерное колесо, содержащее обод (диск) и смонтированную на нем бескамерную шину, образующие полость, заполненную наполнителями, отличающееся тем, что вся полость целиком под давлением заполнена дискретными износостойкими и упругими наполнителями одинаковой формы и размеров через систему однонаправленных загрузочных клапанов равно удаленных друг от друга и радиально размещенных по ободу (диску) в плоскости осевой симметрии колеса или параллельных ей плоскостях.

2. Бескамерное колесо по п. 1, отличающееся тем, что геометрическая форма наполнителя может быть выполнена в виде куба, шара или других пространственных форм, близких к шаровой.

3. Бескамерное колесо по п. 1, отличающееся тем, что максимальный геометрический размер дискретных наполнителей выбирают в диапазоне от долей сантиметра для легковых транспортных средств и до нескольких сантиметров для грузовых транспортных средств.

4. Бескамерное колесо по п. 1, отличающееся тем, что первоначальное расстояние между смежными загрузочными клапанами определяют меньшим или равным удвоенной высоте воздушного профиля шины с возможностью последующего увеличения при нанесении поверхностно-активных веществ на дискретные наполнители и/или периодической опрессовки наружной поверхности протектора шины в процессе загрузки наполнителей.