ДЕФОРМИРУЕМОЕ КОЛЕСО С НЕПНЕВМАТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ И ПОВОРОТНЫМ УПОРНЫМ ДИСКОМ ДЛЯ ЛУННЫХ И МАРСИАНСКИХ УСЛОВИЙ Российский патент 2025 года по МПК B60B9/26 

Область техники

Изобретение относится к деформируемому колесу с непневматической несущей способностью. Более конкретно, изобретение относится к колесу, которое несет нагрузку посредством своих конструктивных компонентов и которое, благодаря своим эксплуатационным характеристикам, пригодно для установки на транспортном средстве, предназначенном для перемещения в экстремальных условиях, таких как условия Луны и Марса.

Уровень техники

Пневматическое колесо выполняет функции несения нагрузки, амортизации ударов от неровностей дороги, а также передачи усилия (ускорение, остановка и изменение направления движения), которые очень важны для многих транспортных средств, включая велосипеды, мотоциклы, легковые автомобили и грузовики. Амортизирующие свойства пневматических шин полезны и для других целей, например, для случая тележек, перевозящих медицинское оборудование или чувствительное электронное оборудование.

Но существуют и альтернативы пневматическим колесам. Среди них можно упомянуть, например, сплошные шины и подпружиненные шины. Однако эти альтернативы не обладают эксплуатационными преимуществами пневматических колес. В частности, при несении нагрузки сплошной шиной происходит сжатие той ее части, которая контактирует с грунтом. Шины этого типа могут быть тяжелыми и жесткими и соответственно они не будут обладать амортизирующими свойствами пневматических колес. Если же известные из уровня техники непневматические колеса выполнены более эластичными, то они не обладают несущей способностью и долговечностью, свойственными пневматическим колесам.

Для преодоления этих недостатков в патенте США 7,418,988 была предложена шина с конструктивной поддержкой, содержащая наружный кольцевой обод и группу спиц, которые проходят поперечно и радиально внутрь от кольцевого обода к ступице колеса и обеспечивают в напряженном состоянии передачу усилий нагрузки между указанными кольцевым ободом и ступицей.

В этом колесе с конструктивной поддержкой по упомянутому изобретению нет полости, заполняемой сжатым воздухом, а следовательно, его не требуется герметизировать в области колесного обода для сохранения неизменным внутреннего давления воздуха. Соответственно, для такого конструктивно поддерживаемого колеса не требуется шина в стандартном понимании этого термина.

Спицы данного колеса действуют на растяжение, передавая усилия нагрузки между колесом и кольцевым ободом, что, помимо прочего, позволяет поддерживать вес транспортного средства. Несущие усилия создаются за счет натяжения спиц, которые не соединены с частью кольцевого обода, контактирующей с грунтом. Спицы также передают усилия, необходимые для совершения ускорения, остановки и прохождения поворотов.

Независимо от конкретного известного из уровня техники варианта исполнения непневматических колес, все эти колеса, как правило, не являются полностью удовлетворительными, особенно если они предназначены для эксплуатации в экстремальных условиях, таких как условия на Луне и Марсе. Действительно, в таких условиях необходимо, чтобы колесо могло значительно деформироваться при прохождении препятствия, создавая при этом низкое и равномерное контактное давление, позволяющее транспортному средству сохранять подвижность на мягком грунте, таком как грунт Луны или Марса.

В заявке ЕР 22192685 на изобретение, поданной 29 августа 2022 г. заявителем настоящей заявки, раскрыто колесо, которое удовлетворяет указанным требованиям, в частности, благодаря наличию многослойной кольцевой полосы, содержащей группу концентрических ободьев, соединенных друг с другом с использованием расположенных между ними промежуточных слоев, каждый из которых выполнен из материала, модуль Юнга которого в 600000-1000 раз ниже, чем у указанных ободьев, изготовленных, например, из эластомерного материала. Под действием нагрузки, приложенной снаружи, часть многослойной полосы, контактирующая с грунтом, деформируется, приобретая не круглую форму, а форму, соответствующую поверхности грунта, при сохранении по существу постоянной длины ободьев. Таким образом, колесо, раскрытое в указанной заявке, позволяет создавать низкое и равномерное контактное давление на грунт. Это значит, что транспортное средство, оснащенное такими колесами, может оставаться мобильным (т.е. не застревать в песке) даже на мягком грунте (например, песке), встречающемся на Луне и Марсе.

Колесо, описанное в указанной заявке, также содержит сплошные диски ступицы, выступающие от нее радиально наружу, образуя упоры, которые могут ограничивать перемещение протекторного слоя колеса. Более конкретно, в случае неровностей соответствующего размера, по которым проходит колесо, внутренняя поверхность многослойной полосы может входить в соприкосновение с этими дисками, установленным на ступице, ограничивая тем самым деформации, которым подвергается многослойная полоса.

Кроме того, в некоторых случаях использования транспортного средства может быть предпочтительным предусмотреть такую возможность перемещения на короткие расстояния с пониженной скоростью при транспортировке грузов, при которой внутренняя поверхность многослойной полосы будет постоянно прилегать к дискам, удерживаемым ступицей, даже при отсутствии неровностей.

Однако в такой ситуации, из-за существенной разницы в тангенциальной скорости между протекторным слоем и упорными дисками, протекторный слой будет скользить по дискам, что может привести к повреждению упоров и к значительному изменению внутренней поверхности протекторного слоя. В результате, целостность колеса окажется под угрозой.

Цели и сущность изобретения

Таким образом, основная цель изобретения заключается в преодолении упомянутых недостатков путем предложения такого деформируемого колеса с непневматической несущей способностью, который включает в себя средство, позволяющее избежать каких-либо изменений в протекторном слое, когда он в него упирается.

Согласно изобретению, эта цель достигается посредством деформируемого колеса с не пневматической несущей способностью, предназначенного для оснащения транспортного средства для езды в экстремальных условиях, таких как на Луне и Марсе, содержащего:

ступицу, удерживающую по меньшей мере один упорный диск, радиально выступающий в направлении наружу;

кольцевой протекторный слой, расположенный вокруг ступицы и имеющий внешнюю поверхность, которая предназначена для контакта с грунтом и способна деформироваться под действием приложенной снаружи нагрузки, адаптируясь к поверхности грунта, и внутреннюю поверхность, которая выполнена с возможностью упираться в упорный диск, ограничивая тем самым деформацию протекторного слоя в радиальном направлении,

и множество радиальных средств усиления, соединяющих протекторный слой со ступицей, при этом, согласно изобретению, упорный диск установлен на ступице с возможностью вращения таким образом, что он обладает возможностью вращения, когда внутренняя поверхность протекторного слоя упирается в упорный диск.

Предложенное колесо характеризуется тем, что упорный диск установлен на ступице с возможностью вращения, что позволяет ему "крутиться", когда протекторный слой в него упирается, и это несмотря на разницу в скорости. Таким образом, данная система представляет собой устройство шарикоподшипникового типа, которое приводится в действие только тогда, когда протекторный слой входит в оприкосновение с упором. Благодаря такой возможности вращения упорного диска, риск изменения протекторного слоя, а следовательно и колеса, значительно снижается.

В предпочтительном случае упорный диск установлен на внешней поверхности ступицы с помощью роликового подшипника.

В этом случае роликовый подшипник может содержать множество цилиндрических роликов, расположенных между внешней поверхностью ступицы и внутренней кольцевой полосы упорного диска.

Упорный диск может содержать внешнюю кольцевую полосу, которая установлена вокруг внутренней полосы при помощи множества пружинных соединений.

В этом случае каждое пружинное соединение может быть образовано деформируемым кольцом.

Указанное деформируемое кольцо пружинных соединений предпочтительно состоит из витков полосы из нержавеющей стали.

Согласно предпочтительному варианту изобретения, каждое пружинное соединение дополнительно содержит втулку, образующую жесткий упор, установленный внутри кольца.

Цилиндрические ролики предпочтительно равномерно распределены по внешней поверхности ступицы вокруг оси вращения колеса.

В предпочтительном случае внешняя полоса упорного диска имеет внешнее защитное покрытие, выполненное из кожи.

Ступица может удерживать два упорных диска, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль оси вращения колеса.

Протекторный слой может представлять собой металлическую срезную полосу, содержащую металлическую сердцевину, которая включает в себя гофры, размещенные между ободом и множеством кольцевых пружин, придающих протекторному слою способность деформироваться при изгибе.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже описанием, изложенным со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют примерный вариант изобретения, не ограничивая объем его притязаний. При этом из указанных чертежей:

на фиг. 1 представлен схематичный вид колеса спереди, соответствующего одному из вариантов изобретения;

на фиг. 2 показан аксонометрический вид с разрезом колеса, изображенного на фиг. 1;

и на фиг. 3 показан вид изображенного на фиг. 1 колеса в поперечном разрезе.

Осуществление изобретения

Изобретение относится к деформируемому колесу с непневматической несущей способностью, такому как изображено на фиг. 1. Это колесо подходит для оснащения транспортного средства, предназначенного для эксплуатации в экстремальных условиях, подобных условиям Луны и Марса.

Показанное на фиг. 1 колесо 2 содержит, главным образом: ступицу 4; кольцевой протекторный слой 6, внешняя поверхность которого предназначена для соприкосновения с грунтом и способна деформироваться под действием приложенной снаружи нагрузки, адаптируясь к поверхности грунта; и множество радиальных средств усиления (в данном случае металлических тросов 8), соединяющих в радиальном направлении ступицу и протекторный слой.

В этом варианте изобретения протекторный слой 6 представляет собой гибкую полосу, содержащую металлическую сердцевину 10, которая включает в себя множество гофров 12, расположенных между ободом 14 и множеством кольцевых пружин 16, придающих протекторному слою способность деформироваться при изгибе.

Более конкретно, как показано на фиг. 2 и 3, гофры 12 сердцевины 10 протекторного слоя образованы из металлических листов, согнутых в форме буквы V в продольном направлении (другими словами, параллельно продольной оси вращения Х-Х колеса 2).

Необходимо отметить, что V-образные формы металлических листов, образующих гофры 12, направлены своими вершинами внутрь колеса (другими словами, к его оси вращения Х-Х), а расширяются в направлении внешней стороны колеса.

Также следует указать, что каждый гофр 12 сердцевины протекторного слоя симметричен относительно плоскости Р, радиальной по отношению к колесу (и проходящей через вершину V-образного гофра).

Далее можно заметить, что металлические листы, образующие гофры, предпочтительно имеют отверстия 18, распределенные по всей их длине, которые уменьшают вес колеса.

В соответствии сданным вариантом изобретения, обод 14 протекторного слоя 6 колеса выполнен из металла или композитного материала (например, из стекловолокна или углеродных волокон).

Наконец, протекторный слой 6 колеса, соответствующего этому варианту изобретения, содержит множество кольцевых пружин 16, придающих протекторному слою способность деформироваться при изгибе.

Как указано ранее, используемые в данном варианте изобретения радиальные средства усиления, которые соединяют в радиальном направлении ступицу 4 колеса и протекторный слой 6, состоят из металлических тросов 8.

Следует также отметить, что вместо металлических тросов радиальные средства усиления, радиально соединяющие ступицу 4 колеса с протекторным слоем 6, могут быть выполнены из пружин (этот вариант на фигурах не показан).

Аналогичным образом, в другом варианте изобретения (тоже не показан на фигурах) протекторный слой представляет собой многослойную кольцевую полосу, содержащую множество концентрических ободьев, соединенных друг с другом с размещением между ними промежуточных слоев, каждый из которых состоит из материала, модуль Юнга которого в 600000-1000 раз меньше модуля Юнга ободьев.

Ободья такой многослойной полосы могут быть выполнены из металла или композитного материала, тогда как промежуточные слои могут состоять из сверхупругого эластомера, имеющего температуру стеклования ниже 120°С.

Здесь можно привести ссылку на заявку ЕР 22192685 на изобретение, поданную заявителем настоящей заявки 29 августа 2022 года, в которой описана архитектура такого колеса с многослойным протекторным слоем.

Между тем, при любом варианте изобретения, ступица 4 колеса удерживает на себе по меньшей мере один упорный диск 20, радиально выступающий в направлении наружной поверхности колеса.

Если поверхность грунта, по которой катится колесо 2, имеет значительную неровность (например, камень), то часть протекторного слоя 6, соприкасающаяся с грунтом, деформируется и тем самым адаптируется к профилю неровности. В этой ситуации, при соответствующем размере неровности, внутренняя поверхность протекторного слоя может упираться во внешний диаметр упорного диска 20, удерживаемого ступицей 4, ограничивая тем самым деформации, которым подвергается протекторный слой. Аналогичная ситуация возможна в случаях низкоскоростного качения или при большой перегрузке.

Согласно изобретению, упорный диск 20 установлен на ступице 4 с возможностью вращения таким образом, что он может вращаться вокруг оси Х-Х колеса, когда внутренняя поверхность протекторного слоя 6 упирается в упорный диск.

Говоря более конкретно, как показано в варианте на фиг. 1-3, упорный диск 20 установлен на внешней поверхности ступицы 4 при помощи роликового подшипника 22.

Этот роликовый подшипник 22 предпочтительно содержит множество цилиндрических роликов 24, располагаемых между внешней поверхностью ступицы 4 и внутренней кольцевой полосой 26 упорного диска. Цилиндрические ролики 24 равномерно распределены вокруг оси вращения Х-Х колеса.

Таким образом, когда внутренняя поверхность протекторного слоя 6 упирается во внешний диаметр упорного диска 20 (в частности, когда колесо наезжает на существенную неровность), он может вращаться вокруг ступицы, и это несмотря на разницу в скоростях вращения ступицы и протекторного слоя.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, упорный диск 20 дополнительно содержит внешнюю кольцевую полосу 28, установленную вокруг внутренней полосы 26 при помощи множества пружинных соединений 30.

В показанном на фиг.1-3 варианте изобретения каждое пружинное соединение образовано деформируемым кольцом 30, предпочтительно состоящим из множества витков полосы из нержавеющей стали (например, двенадцати витков полосы толщиной 0,15 мм). В альтернативном варианте эти кольца могут быть изготовлены из композитных материалов типа стекловолокна и смолы.

Следует отметить, что в предпочтительном случае деформируемые кольца 30 равномерно распределены вокруг оси вращения Х-Х колеса.

В другом предпочтительном варианте, каждое пружинное соединение дополнительно содержит втулку 32, образующую жесткий упор, размещенный внутри кольца 30.

Указанная втулка 32 может быть закреплена с внутренней стороны 26 упорного диска или с внешней стороны 28 упорного диска. Она может предотвращать чрезмерную деформацию деформируемых колец 30 в случае сильной деформации протекторного слоя.

Согласно еще одному предпочтительному варианту изобретения, внешняя полоса 28 упорного диска имеет внешнее защитное покрытие 34, выполненное, например, из кожи.

В другом варианте изобретения (не показан), ступица колеса удерживает два упорных диска, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль оси вращения Х-Х колеса.

Колесо содержит ступицу (4), удерживающую по меньшей мере один упорный диск (20), который радиально выступает в направлении наружу, протекторный слой (6), имеющий внешнюю поверхность, которая предназначена для контакта с грунтом и способна деформироваться под действием приложенной снаружи нагрузки, адаптируясь к поверхности грунта, и внутреннюю поверхность, которая выполнена с возможностью упираться в упорный диск, ограничивая деформацию протекторного слоя в радиальном направлении, и множество радиальных средств (8) усиления, соединяющих протекторный слой со ступицей. Упорный диск установлен на ступице с возможностью вращения таким образом, что он обладает возможностью вращения, когда внутренняя поверхность протекторного слоя упирается в упорный диск. Технический результат – улучшение эксплуатационных характеристик колеса в экстремальных условиях эксплуатации. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Деформируемое колесо (2) с непневматической несущей способностью, предназначенное для оснащения транспортного средства для езды в экстремальных условиях, таких как на Луне и Марсе, содержащее:

ступицу (4), удерживающую по меньшей мере один упорный диск (20), радиально выступающий в направлении наружу,

кольцевой протекторный слой (6), расположенный вокруг ступицы и имеющий внешнюю поверхность, которая предназначена для контакта с грунтом и способна деформироваться под действием приложенной снаружи нагрузки, адаптируясь к поверхности грунта, и внутреннюю поверхность, которая выполнена с возможностью упираться в упорный диск, ограничивая деформацию протекторного слоя в радиальном направлении,

и множество радиальных средств усиления (8), соединяющих протекторный слой со ступицей,

отличающееся тем, что упорный диск (20) установлен на ступице с возможностью вращения таким образом, что он обладает возможностью вращения, когда внутренняя поверхность протекторного слоя упирается в упорный диск.

2. Колесо по п. 1, отличающееся тем, что упорный диск (20) установлен на внешней поверхности ступицы (4) при помощи роликового подшипника (22).

3. Колесо по п. 2, отличающееся тем, что роликовый подшипник (22) содержит множество цилиндрических роликов (24), расположенных между внешней поверхностью ступицы и внутренней кольцевой полосой (26) упорного диска (20).

4. Колесо по п. 3, отличающееся тем, что упорный диск (20) содержит внешнюю кольцевую полосу (28), которая установлена вокруг внутренней полосы (26) при помощи множества пружинных соединений (30).

5. Колесо по п. 4, отличающееся тем, что каждое из указанных пружинных соединений образовано деформируемым кольцом (30).

6. Колесо по п. 5, отличающееся тем, что деформируемое кольцо (30) пружинных соединений выполнено из витков полосы из нержавеющей стали.

7. Колесо по любому из пп. 5 и 6, отличающееся тем, что каждое пружинное соединение дополнительно содержит втулку (32), образующую жесткий упор, установленный внутри кольца (30).

8. Колесо по любому из пп. 3-7, отличающееся тем, что цилиндрические ролики (24) равномерно распределены по внешней поверхности ступицы (4) вокруг оси вращения (Х-Х) колеса.

9. Колесо по любому из пп. 3-8, отличающееся тем, что внешняя полоса (28) упорного диска (20) имеет внешнее защитное покрытие (34), выполненное из кожи.

10. Колесо по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что ступица (4) удерживает два упорных диска, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль оси вращения (Х-Х) колеса.

11. Колесо по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что протекторный слой (6) представляет собой металлическую срезную полосу, содержащую металлическую сердцевину (10), которая включает в себя гофры (12), размещенные между ободом (14) и множеством кольцевых пружин (16), придающих протекторному слою способность деформироваться при изгибе.