Колесно-шагающий движитель

 

Использование: изобретение относится к движителям транспортных средств, а именно к устройству для передвижения инвалидных и грузовых колясок по ступенькам лестниц и выступам. Сущность изобретения: в основу изобретения положена задача обеспечения высокой проходимости движителя на выступах и лестничных маршах независимо от направления движения при меньших материало- и энергоемкости, а также конструктивной простоты и технологичности устройства, содержащего закрепленную на ведущем валу 1 ступицу 2, на которой симметрично центру по окружности через 120° размещены шарниры 3 - 5, связывающие ступицу с средними частями двуплечих рычагов 6 - 8, причем ось шарнира 3 установлена подвижно в радиальном направлении ступицы. Первый рычаг 6 одним концом связан с задней частью башмака 13, другим концом - с передней частью башмака 11, задняя часть которого связана шарнирно с одним концом последующего рычага 7, другой конец которого шарнирно связан с передней частью башмака 12, а рычаг 8 аналогично связывает башмаки 12 и 13. Шарниры 10 на каждом башмаке равноудалены от его концов, а расстояние между ними меньше расстояния между шарнирами на ступице, связывающими рычаги, соединенные с башмаком. 5 з.п. ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к движителям транспортных средств, а именно к устройству для передвижения инвалидных и грузовых колясок по ступенькам лестниц и выступам.

Известен колесно-шагающий движитель, содержащий ступицу с закрепленной на ней крестовиной, в радиальных лучах (рычагах) которой шарнирно на осях установлены опоры (опорные башмаки) в виде усеченных сегментов цилиндра, и механизм поворота опор в виде одинаковых зубчатых колес, попарно расположенных на ступице напротив шлицевых концов осей башмаков, одно из которых соединено со ступицей неподвижно, а другое поворотно, и шестерен, установленных на каждом конце оси с возможностью их осевого передвижения посредством силового привода для синхронного попеременного зацепления с неподвижными поворотными зубчатыми колесами (см. авт.св. СССР N 455876, кл. В 60 В 19/00, 1979).

Существенным недостатком известного движителя при реализации шагающего хода является наличие существенных энергозатрат на синхронизацию положения опорных башмаков, связанных с наличием открытых зубчатых пар, подверженных загрязнению и повышению трения в зацеплении; значительная материалоемкость ввиду использования однофункциональных элементов: рычагов только для передачи силы тяжести от ступицы к башмакам, зубчатых колес только для синхронизации вращения последних. К тому же устройство практически неработоспособно, если башмак устанавливается на выступ концом, так как при попытке отрыва от опоры нижнего башмака провернется и соскользнет с выступа башмак, взаимодействующий с ним.

Известен также движитель для преодоления препятствий, содержащий два внутренних звена (рычага), установленных на валу серединами с возможностью поворота, на каждом конце которых установлено шарнирно наружное звено, свободные концы каждой их пары имеют общий шарнир, на котором установлен ролик и свободно поворачивающийся опорный башмак, причем не менее двух роликов одновременно взаимодействуют с направляющей, а привод внутренних звеньев осуществляется цепной передачей (см. патент США N 2292298, кл. Н.Кл.305-1, 1940).

Существенным недостатком этого движителя является значительная энергоемкость в связи с потерями на трение в открытой паре ролик направляющая и большая собственная масса ввиду многоэлементности: не менее четырех башмаков, десяти рычагов, четырех роликов, направляющей. К тому же известный движитель имеет недостаточную проходимость, обусловленную программным (задаваемым направляющей) изменением положения башмаков, так как случайная его пробуксовка на ступеньках приведет к накоплению отставания от шага лестничного марша и срыву со ступенек. Наличие свободно установленных на осях башмаков также снижает проходимость ввиду возможности поворота и срыва со ступеньки башмака, установленного на нее носочной частью.

В последние годы разработан колесно-шагающий движитель, содержащий два внутренних звена (рычага), установленных серединами на ведущем валу с возможностью поворота, на каждом конце рычага установлен шарнирно опорный башмак, связанный средней частью шарнирной тягой с другим рычагом, причем рычаги связаны с валом посредством дифференциала.

Существенным отличием рабочего процесса этого движителя является способность чередовать шаговую и колесную фазы движения в зависимости от силы сопротивления, что позволяет получить при подъеме по лестнице (в одном из направлений вращения вала) траекторию центра, близкую к прямой линии, параллельной вершинами ступенек, при этом значительный вынос конца башмака за кромку ступеньки гарантирует ход без соскальзывания.

Существенным недостатком известного движителя является конструктивная сложность и материалоемкость, что обусловлено значительным числом элементов: четыре опорных башмака, детали дифференциального механизма изменения формы, двенадцать шарниров, четыре тяги. Большое число пар трения (двенадцать в шарнирах, две- в сопряжении рычагов с валом, две в дифференциале) снижает КПД движителя, т. е. делает его энергоемким. К тому же, плавность хода и проходимость при движении по лестнице зависит от направления вращения движителя, в частности, если он начинает взаимодействовать со ступенькой носком башмака, то траектория центра вала близка к прямой, если пяточной частью то траектория существенно нелинейна, а также значительно ниже при этом высота преодолеваемого выступа. Необходимо упомянуть, что сравнительно сложная конструкция обуславливает использование дорогостоящих материалов и оборудования при изготовлении, что повышает себестоимость товара, предназначенного для малообеспеченных потребителей хронических больных и инвалидов, госбюджетных организаций: больниц, домов престарелых и инвалидов, пансионатов.

Известно также устройство, которое может быть использовано по прямому назначению в качестве колесно-шагающего движителя. Устройство содержит ротор (ступицу) с прикрепленными радиально кривошипами (рычагами), каждый из которых концом шарнирно связан с серединой шатуна (опорного башмака), а также механизм изменения положения опорных башмаков, выполненный в виде ротора, установленного эксцентрично ступице и связанного с концом каждого башмака шарнирно рычагом (см. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М. Машиностроение, 1987, с.301).

Существенным недостатком устройства является конструктивная сложность и значительная материалоемкость, обусловленные значительным числом элементов: четыре опорных башмака, детали эксцентричного механизма управления положением башмаков, 13 шарниров, 8 рычагов. Большое число пар трения (сопряжения шарниров, рычагов, ротора) снижает КПД устройства, а плавность хода и проходимость зависят от направления вращения: если он начинает взаимодействовать со ступенькой носком башмака, то траектория центра близка к прямой, если пяточной частью то траектория существенно нелинейна и при этом ниже высота преодолеваемого выступа.

Цель изобретения обеспечение высокой проходимости движителя на выступах и лестничных маршах независимо от направления движения при меньших материало- и энергоемкости, а также конструктивной и технологической простоте устройства.

Для этого колесно-шагающий движитель, содержащий установленную на валу ступицу и по меньшей мере два расположенных симметрично относительно центра опорных башмака, каждый из которых связан шарнирно с двумя рычагами, имеет количество рычагов, равное количеству опорных башмаков, причем первый рычаг одним концом связан с задней частью по направлению вращения движителя первого башмака, другим концом с передней частью последующего башмака, задняя часть которого связана шарнирно с одним концом последующего рычага, другой конец которого шарнирно связан с передней частью последующего башмака, причем рычаги установлены средней частью на ступице с возможностью поворота в плоскости вращения движителя посредством шарниров, размещенных на ступице равномерно по окружности, к тому же шарниры на каждом башмаке равноудалены от его концов, а расстояние между ними меньше расстояния между шарнирами на ступице, связывающими рычаги, соединенные с башмаком. Кроме того, по меньшей мере один рычаг выполнен с возможностью поступательного однонаправленного движения его концов относительно ступицы. По первому варианту исполнения средний шарнир этого рычага установлен подвижно в радиальном направлении ступицы, по второму варианту он выполнен упругим в плоскости вращения движителя, по третьему варианту он выполнен в виде шарнирного двухзвенника, звенья которого одним концом установлены с возможностью поворота на оси ступицы, по пятому варианту этот рычаг, выполненный по первому варианту, подпружинен упругим линейным элементом, установленным радиально на ступице, один конец которого размещен в ее пазу, другой в пазу рычага. По шестому варианту исполнения движителя подошвы башмаков образованы прикрепленной к ним кольцевой эластичной лентой, имеющей прогиб между ними.

Преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что благодаря трапециевидной шарнирной связи каждого башмака со ступицей, где большим основанием трапеции является ступица, а меньшим башмак, вращающий момент от приводного вала распределяется в заданном соотношении между всеми башмаками. В сочетании с наличием консолей на каждом башмаке (т.е. концов, выступающих за пределы шарниров, связывающих его с рычагами), движитель реализует колесно-шагающий ход, эффективный по проходимости и плавности при движении по ступенькам и бездорожью, без специальных дифференциальных механизмов управления положением башмаков. К тому же, предлагаемый движитель эффективно работает при наличии только двух, установленных диаметрально противоположно, башмаков, двух рычагов и шести шарниров, т.е. имеет на десять пар трения меньше, а значит выше КПД в сравнении с прототипом и преодолевает (как показали сравнительные испытания) ступеньки большей высоты. Использование подпружиненного рычага или выполнение его упругим позволяет получить дополнительный эффект: стабилизировать момент сопротивления шаговой фазе движения, уменьшив максимальное его значение в начальный период, что снижает крутящий момент, необходимый для движения, т.е. позволяет использовать привод меньшей мощности. Использование в качестве подошвы башмаков кольцевой эластичной ленты упрощает технологию изготовления и замены изношенных протекторов, увеличивает площадь контакта, а значит снижает глубину колеи при движении по слабонесущим поверхностям, к тому же защищает механизм от попадания в межрычажное пространство и заклинивания посторонними предметами (комки грунта, ветки, мусор) при движении по неподготовленным поверхностям.

На фиг. 1 изображен движитель, вид сбоку; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 пример выполнения подошвы опорных башмаков; на фиг.4 вариант установки рычага на ступице; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.6 вариант движителя с двумя опорными башмаками; на фиг.7 выполнение рычага движителя; на фиг.8 сечение В-В на фиг.7; на фиг.9 схема движения по плоскости устройства с тремя опорными башмаками; на фиг.10 схема движения по плоскости устройства с двумя опорными башмаками; на фиг.11 схема движения устройства с тремя опорными башмаками по лестнице; на фиг.12 схема движения устройства с двумя опорными башмаками по лестнице; на фиг.13-15 фотофрагменты лабораторных испытаний движителя с тремя опорными башмаками; на фиг.16-18 фотофрагменты лабораторных испытаний движителя с двумя опорными башмаками.

Колесно-шагающий движитель содержит (фиг.1 и 2) закрепленную на ведущем валу 1 ступицу 2, на которой симметрично относительно центра, т.е. по окружности через 120^о, размещены шарниры 3-5, связывающие ступицу 2 со средними частями двуплечих рычагов 6-8, причем ось шарнира 3 размещена в радиальном пазу 9 ступицы, а угол поворота рычагов относительно ступицы 2 ограничен высотой ее проушин. Правый конец рычага 6 связан шарниром 10 с передней частью (при вращении движителя на фиг.1 против часовой стрелки) башмака 11, а левый конец с задней частью башмака 13, рычаг 7 концами связан с задней частью башмака 11 и передней частью 12, а рычаг 8 аналогично связан концами с башмаками 12 и 13. Расстояние между шарнирами на каждом башмаке, например на башмаке 12, меньше расстояния между шарнирами на ступице 2, в частности между шарнирами 4 и 5, т.е. каждый башмак связан со ступицей шарнирной равнобокой трапецией с образованием тупых углов α с примыкающими к ним рычагами. Кроме того, расстояние между шарнирами башмака меньше его длины, а установлены они симметрично относительно середины башмака. На примере исполнения по фиг.1 расстояние между шарнирами 10 равно 1/3 длины башмака. Каждый башмак снабжен подошвой с протектором, а вариант исполнения подошвы по фиг.3 предусматривает использование кольцевой эластичной ленты 14 с протектором, длина которой обеспечивает свободный прогиб в радиальном направлении к центру движителя. Для корректировки момента сопротивления шаганию движитель снабжен упругим элементом, который по фиг. 4 и 5 выполнен в виде рессоры 15, одним концом установленной в пазу ступицы 2, а другим в пазу рычага 6, ось шарнира которого размещена в пазу 9 ступицы. По варианту исполнения, показанному на фиг. 6, упругим элементом является рычаг 16, при этом оба шарнира ступицы 2 обеспечивают рычагам только вращательную степень свободы. Вариант исполнения рычага (фиг.7 и 8) в виде шарнирного двухзвенника, составленного из звеньев 17 и 18, исключает, как и по фиг.6, необходимость использования дополнительной степени свободы шарнира 3 посредством паза 9, показанного на фиг.1. Подвижность шарнира 3 в пазу 9 (фиг.1,2); использование одного упругого рычага 16 (фиг. 6); выполнение одного рычага двухзвенным (фиг.7,8) это технические эквиваленты, обеспечивающие возможность поступательного однонаправленного движения концов по меньшей мере одного рычага относительно ступицы. Поэтому в первый пункт формулы и введено это обобщающее понятие признак, обуславливающий возможность синхронного поворота рычагов относительно среднего положения, показанного на фиг.1 и 6. Необходимость этого признака наглядно поясняет средняя схема на фиг.10. При неизменном расстоянии b между шарнирами 10 опорных башмаков 11 и 12 и жестких рычагах движителя поворот звеньев из пунктирного положения в положение средней схемы возможно лишь при уменьшении расстояния с между шарнирами ступицы 2, так как уменьшается до значения b₁ расстояние между осями, соединяющими шарниры 10 звеньев 11 и 12. Эта особенность предлагаемого движителя характерна для движителей с любым количеством опорных башмаков, поэтому поворот рычагов 6-8 на шарнирах 3-5 (фиг. 1), а значит и поворот опорных башмаков относительно центрально-симметричного положения на фиг.1 реализуется только при наличии возможности однонаправленного движения концов хотя бы одного рычага, компенсирующего изменение упомянутого расстояния b₁. Поворот каждого опорного башмака на шарнирах 10 реализуется в пределах ограничения: угол α между плоскостью башмака и осями рычагов, связанных с ним, не должен быть меньше 90^о, с учетом чего подбирается и необходимый угол поворота каждого рычага в проушинах на ступице.

Движитель работает следующим образом.

На фиг. 10, слева, показана сплошными линиями схема сил, действующих на движитель с минимальным числом опорных башмаков и без упругого элемента в схеме. Сила P_z, действующая на ведущий вал со стороны транспортного средства, раскладывается на две равные составляющие Р_z1/Р_z2, действующие со стороны ступицы 2 соответственно на левый и правый рычаги. При этом к левому рычагу приложен момент относительно шарнира 10, направленный против часовой стрелки: М_с1=Р_z1˙l₁, который фиксирует рычаг в крайнем левом положении. При подведении к ступице 2 от вала вращающего момента М_В, составляющая Р_В1 окружной силы Р_В, действующей на левый рычаг со стороны ступицы, дает момент относительно шарнира 10: М_В1=Р_В1˙l₁, направленный по часовой стрелке. Если сила Р_В1 больше Р_z1, то момент М_В1 начнет вращать левый рычаг относительно шарнира 10 по часовой стрелке, перемещая ступицу 2 и башмак 11 вправо относительно неподвижного нижнего башмака 12. При этом отрыву от опорной поверхности левого конца башмака 12 препятствует момент М_с2=Р_z2˙l₃, направленный против часовой стрелки и превышающий противоположный по направлению момент М_В2= Р_В2˙l₄ ввиду малости силы Р_В2 (составляющей Р_В), направленной вдоль нижней части левого рычага. По мере преобразования движителя в форму, показанную пунктирными линиями, угол α увеличивается в пределах тупого, а значит повышается и момент силы Р_z2 относительно правого шарнира башмака 12, вращающий правый рычаг также по часовой стрелке. В итоге движитель примет форму по средней схеме фиг.10, т.е. реализует шаговую фазу движения, при этом длина шага определится углом поворота рычагов на ступице. В этом положении момент сопротивления качению М_ск=Р_z˙l_с (в масштабе схем фиг.10) в три раза снизился за счет уменьшения плеча l_с относительно левой схемы и движитель, сохранив эту форму, перекатится под действием вращающего момента со стороны ведущего вала в положение, показанное на левой схеме, т.е. установится с опорой на концы башмаков. В данном положении момент сопротивления качению М_ск=Р_z˙l_с значительно больше момента сопротивления шаганию М_сш=Р_z˙l_ш, поэтому движитель под действием моментов М от сил, направленных вдоль верхнего рычага и являющихся составляющими окружной вращающей силы Р_В, повернет по часовой стрелке башмаки 11 и 12 относительно нижних шарниров, т.е. реализует шаговую составляющую движения в пределах углов поворота рычагов на ступице, после чего повторится фаза качения. Таким образом, трапециевидная двухрычажная связь каждого опорного башмака со ступицей и наличие концов, выступающих за предел межшарнирного расстояния (например, конец l₃ на левой схеме фиг.10) обеспечивают колесно-шагающий режим движения, который сопровождается периодическим выносом вперед (по ходу движения) конца башмака, не взаимодействующего с опорной поверхностью, что обуславливает возможность преодоления движителем ступенчатого выступа. При использовании в устройстве упругого элемента, выполненного по фиг.4 или 6, работа, связанная с перемещением ступицы относительно опорного башмака в шаговой фазе, уменьшается в начальный период и увеличивается в конечный, что позволяет уменьшить максимальную величину вращающего момента М_В, необходимого для начала шага. В частности, при переходе движителя (фиг.10) из левого положения в положение пунктирного контура, работа сдеформированного в предыдующей фазе движения упругого элемента будет направлена на восстановление центросимметричной формы, что обусловит меньшее значение силы Р_В1, а значит и вращающего момента М_В, необходимого для реализации шага в пределах левой схемы. При дальнейшем движении (переход к средней схеме фиг.10) вращать рычаги по часовой стрелке будет также и момент от вертикальной силы Р_z, который компенсирует момент сопротивления изменению формы движителя, задаваемый жесткостью упругого элемента. Подъем по лестнице движитель также осуществляет последовательной реализацией колесной и шагающей фаз движения. Схема преодоления ступеньки движителем с двумя опорными башмаками показана на фиг.12, из которой следует, что при реализации шага приводной вал по пологой траектории существенно приближается к выступу, уменьшая плечо момента сопротивления качению до значения l_с, после чего в фазе качения поднимается на ступеньку с опорой на башмак, выделенный двойной линией. Описанный характер движения подтверждают фотографии движения лабораторного образца (фиг.16), полученные при открытом затворе камеры и пульсирующим освещении (фиг.17 и 18).

На основании результатов лабораторных испытаний движителей с двумя, тремя и четырьмя опорными башмаками можно заключить, что лучшим вариантом осуществления является трехопорный движитель по фиг.1 как с радиальным пазом в ступице, так и при выполнении одного рычага упругим. В частности, его движение по горизонтальной поверхности характеризуется минимальными вертикальными колебаниями приводного вала (фиг.9 и 15), причем чередование фаз по фиг.9 реализуется во всем диапазоне нагрузок на тяговом крюке, включая режим полного буксования. Ввиду аналогичности рабочих процессов устройств по фиг. 10 и 9 трехопорный движитель в этом плане не комментируется.

Испытания устройства с тремя башмаками и кольцевой подошвой по фиг.3 показали, что последняя не ухудшает проходимость на лестничных маршах (характер движения полностью соответствовал фиг.11 и 14), но значительно повышает сцепные свойства и проходимость при движении по сыпучим и болотистым поверхностям.

Предлагаемое изобретение наилучшим образом может быть использовано для передвижения по лестницам и пороговым препятствиям инвалидных колясок и кресел, включая возможность хода по неблагоустроенным площадкам у подъездов зданий, а также грузовых тележек при обслуживании многоэтажных помещений, не имеющих подъемников.

Формула изобретения

1. КОЛЕСНО-ШАГАЮЩИЙ ДВИЖИТЕЛЬ, содержащий установленную на валу ступицу и по меньшей мере два расположенных симметрично относительно ее центра опорных башмака, каждый из которых связан шарнирно с двумя рычагами, отличающийся тем, что количество рычагов равно количеству опорных башмаков, причем первый рычаг одним концом связан с задней часть по направлению вращения движителя, первого башмака, другим концом с передней частью последующего башмака, задняя часть которого связана шарнирно с одним концом последующего рычага, другой конец которого шарнирно связан с передней частью последующего башмака, причем рычаги установлены средней частью на ступице с возможностью поворота в плоскости вращения движителя посредством шарниров, размещенных на ступице равномерно по окружности, шарниры на каждом башмаке равноудалены от его концов, а расстояние между ними меньше расстояния между шарнирами на ступице, связывающими рычаги, соединенные с башмаком, причем по меньшей мере один рычаг смонтирован с возможностью поступательного однонаправленного движения его концов относительно ступицы.

2. Движитель по п.1, отличающийся тем, что для поступательного однонаправленного движения концов рычага шарнир его крепления к ступице установлен подвижно в радиальном направлении относительно ступицы.

3. Движитель по п.1, отличающийся тем, что для поступательного однонаправленного движения концов рычага последний выполнен упругим в плоскости вращения движителя.

4. Движитель по п.1, отличающийся тем, что для поступательного однонаправленного движения концов рычага последний выполнен в виде шарнирного двухзвенника, звенья которого одним концом установлены с возможностью поворота на оси шарнира его крепления к ступице.

5. Движитель по п. 2, отличающийся тем, что снабжен упругим линейным элементом, установленным радиально на ступице, один конец которого размещен в ее пазу, другой в пазу рычага.

6. Движитель по п.1, отличающийся тем, что подошвы башмаков образованы прикрепленной к ним кольцевой эластичной лентой, имеющий прогиб между башмаками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18