Колесное транспортное средство и пневматическая шина для этого колесного транспортного средства

 

Использование: изобретение относится к колесным транспортным средствам высокой проходимости, а также к пневматическим шинам сверхнизкого давления для таких транспортных средств и может быть использовано в районах вечной мерзлоты, тундры, заболоченной местности, песчаных пустынь и других труднодоступных районах земли. Сущность изобретения: колесное транспортное средство содержит кузов и ходовую часть, включающую колеса с пневматическими шинами. Отношение полной массы транспортного средства к произведению из наружного диаметра шины, ширины ее профиля и количества колес составляет 0,005-0,007 МПа, а отношение массы каждой шины к ее внутреннему объему лежит в пределах 45-80 кг/м³. Пневматическая шина с шириной профиля, превышающей его высоту, содержит боковые стенки, беговую часть и борта. Толщина боковых стенок шины составляет 0,0025-0,0050 от величины наружного диаметра шины, а толщина ее беговой части равна 1,5-2,0 толщинам боковой стенки. Внутреннее давлением в шине составляет 0,005-0,05 МПа. Такая конструкция шины и транспортного средства обеспечивает его плавучесть без касания днищем поверхности воды и проходимость по грунтам с несущей способностью не менее 0,02 МПа без разрушения поверхностного почвенно-растительного слоя грунта. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к вездеходным транспортным средствам и колесным движителям для них, преимущественно к колесам с пневматическими шинами.

Известно колесное транспортное средство, содержащее кузов и ходовую часть, включающую колеса с пневматическими шинами, общее водоизмещение которых обеспечивает плавучесть транспортного средства без касания поверхности воды днищем кузова (RU N 2042560, кл. В 62 D 61/100, 1995).

Это транспортное средство благодаря плавучести успешно преодолевает водные преграды и участки заболоченной местности. Однако при движении по грунтам с несущей способностью меньше 0,05 МПа возникает проблема повышения проходимости и топливной экономичности транспортного средства, а также сохранности поверхностного почвенно-растительного слоя в связи со значительной деформацией грунта и образованием колеи.

Также известно колесное транспортное средство с кузовом и ходовой частью, включающей колеса с пневматическими шинами, общее водоизмещение которых обеспечивает его плавучесть, причем отношение массы каждой шины к ее внутреннему объему составляет 5,0-70,0 кг/м³ [2].

Давление на грунт этого транспортного средства снижено за счет уменьшения общей жесткости колес с шинами и массы шин, получаемого за счет выбора соотношения массы и внутреннего объема шины. Это позволяет такому транспортному средству двигаться по грунтам с несущей способностью более 0,03 МПа без разрушения поверхностного почвенно-растительного слоя, имея возможность преодоления водных преград за счет плавучести.

Однако на грунтах с несущей способностью меньше 0,03 МПа для таких транспортных средств сохраняется проблема повышения проходимости и сохранности поверхностного почвенно-растительного слоя.

Известна пневматическая шина, ширина профиля которой превышает его высоту, содержащая боковые стенки, беговую часть, борта и кордный каркас, у которой толщина боковых стенок и беговой части одинакова и составляет 0,010-0,015 от высоты профиля, или 0,0030-0,0046 от наружного диаметра шины, а углы наклона нитей корда к меридиальному направлению в слоях каркаса равны 45-60^o [1].

Указанные конструктивные особенности обеспечивают малую собственную жесткость шины, что позволяет при использовании ее на транспортном средстве получить в зоне контакта с грунтом давление около 0,02 МПа при внутреннем давлении в шине 0,01 МПа.

Однако при внутреннем давлении в шине меньше 0,01 МПа ее беговая часть оказывает на грунт неравномерное давление.

Поэтому движение транспортного средства на колесах с такими шинами по грунтам с несущей способностью меньше 0,03 МПа сопровождается значительными местными деформациями грунта и разрушением почвенно-растительного слоя в этих местах.

Задачей изобретения является создание плавающего колесного транспортного средства, экологичного в части механического воздействия на почвенно-растительный слой грунта и способного эффективно работать на грунтах с несущей способностью менее 0,03 МПа, а также пневматической шины для такого транспортного средства.

Эта задача решается путем выбора конструктивных соотношений и параметров колесного транспортного средства и пневматической шины для этого транспортного средства, обеспечивающих получение технических результатов в виде повышения проходимости и топливной экономичности транспортного средства на грунтах с несущей способностью не менее 0,02 МПа при сохранении почвенно-растительного слоя.

Для этого в колесном транспортном средстве, содержащем кузов и ходовую часть, включающую колеса с пневматическими шинами, общее водоизмещение которых обеспечивает его плавучесть, габаритные размеры шин связаны с полной массой транспортного средства соотношением.

[М_т.с/(ДВn]·10^-5 = 0,004-0,007 МПа, а отношение массы каждой шины к ее внутреннему объему составляет 45-80 кг/м³, где М_т.с - полная масса транспортного средства, кг; Д - наружный диаметр шины, м; В - ширина профиля шины, м; n - количество колес транспортного средства.

Указанное соотношение, связывающее габаритные размеры шин с массой транспортного средства обеспечивает его плавучесть без касания поверхности воды днищем кузова и определяет величину условного давления транспортного средства на грунт. Реальное давление на грунт зависит также от фактической поверхности контакта шины с грунтом, которая определяется наряду с массой транспортного средства и размерами шин еще и общей жесткостью колеса с пневматической шиной, характеризуемой отношением массы последней к ее внутреннему объему.

Таким образом, существенные признаки транспортного средства связывают в единое целое параметры, определяющие плавучесть, проходимость, топливную экономичность и экологичность транспортного средства. Под экологичностью понимается способность транспортного средства двигаться по различным грунтам без разрушения их поверхностного почвенно-растительного слоя.

Выбор указанных параметров в заявленных пределах позволяет получить давление на грунт в зоне контакта шин около 0,01 МПа, что обеспечивает повышение проходимости и топливной экономичности транспортного средства на грунтах с несущей способностью не более 0,02 МПа и сохранность поверхностного почвенно-растительного слоя.

Для решения поставленной задачи в пневматической шине, содержащей боковые стенки, беговую часть с протектором и борта, изготовленной из эластомерного материала с шириной профиля, превышающей его высоту, отношение массы шины к ее внутреннему объему составляет 45-80 кг/м³, а толщина боковых стенок и толщина беговой части шины соответственно равны а = (0,0025-0,0050)D, k = (1,5-2,0)а, где а - толщина боковой стенки шины в самом широком месте профиля, м; k - толщина беговой части на экваторе шины до основания выступов рисунка протектора, м; D - наружный диаметр шины, м.

При этом радиальный прогиб шины под действием ее собственного веса и веса колеса соответствующего транспортного средства при отсутствии в шине избыточного внутреннего давления составляет 0,15-0,45 от высоты профиля шины.

Рабочее внутреннее давление в шине составляет 0,005-0,050 МПа.

Шина изготовлена из олигомерного материала.

Протектор шины имеет рисунок, образованный из выступов и впадин, причем выступы распределены равномерно по всей поверхности беговой части и их высота не превышает 0,015 величины наружного диаметра шины, а коэффициент насыщенности рисунка составляет 0,1-0,2.

Шина допускает применение камеры.

Шина содержит каркас из слоев корда, нити которого в соседних слоях перекрещиваются и расположены в диапазоне углов 48-63^o к меридиану шины в точке его пересечения с экватором.

Корд изготовлен из полиамидного материала, но возможно использование других материалов.

Заявленные соотношения массы шины к ее внутреннему объему определяют общую жесткость колеса с шиной, включающую собственную жесткость шины и упругость воздуха, что позволяет получить в зоне контакта шины с грунтом среднее давление около 0,02 МПа при внутреннем давлении в шине 0,01 МПа.

При внутреннем давлении в шине меньше 0,01 МПа собственная жесткость шины становится решающей составляющей общей жесткости колеса с шиной. От распределения собственной жесткости шины по ее профилю зависят дальнейшие возможности снижения давления на грунт и равномерного распределения давления по поверхности контакта шины с грунтом. Общая величина собственной жесткости шины определяется отношением ее радиального прогиба под действием собственного веса колеса с шиной при отсутствии в ней избыточного внутреннего давления к высоте профиля шины.

Значения этого показателя в пределах 0,15-0,45 от высоты профиля шины обеспечивают при снижении внутреннего давления в шине до 0,005 МПа поверхность контакта с грунтом, достаточную для получения среднего давления на грунт около 0,01 МПа. Выполнение толщин боковых стенок шины, составляющими 0,0025-0,050 от величины наружного диаметра шины, а толщины беговой части, равной 1,5-2,0 от толщины боковых стенок, позволяет так распределить жесткость шины по ее профилю, что при внутреннем давлении в шине 0,005 МПа обеспечивается равномерное распределение давления в зоне контакта шины с грунтом.

Благодаря этому давление на грунт равномерно распределяется по зоне контакта, не превышая 0,01 МПа, а шина при качении плавно "обтекает" микронеровности грунта.

Толщина боковых стенок шины принимается в зависимости от наружного диаметра, так как величина последнего оказывает решающее влияние на проходимость.

Таким образом, предлагаемая конструкция шины обеспечивает возможность снижения давления на грунт в зоне контакта до 0,01 МПа при внутреннем давлении 0,005 МПа, что позволяет повысить проходимость и топливную экономичность транспортного средства на грунтах с несущей способностью не менее 0,02 МПа, а также сохранить поверхностный почвенно-растительный слой.

Выполнение шины из олигомерного материала позволяет упростить ее изготовление.

Рисунок протектора, образованный из впадин и выступов, распределенных равномерно по поверхности беговой части, с коэффициентом насыщенности 0,1-0,2 и высотой выступов, не превышающей 0,015 величины наружного диаметра шины, способствует равномерному уплотнению грунта в зоне контакта без его разрушения и повышению сцепления шин с грунтом.

Наличие в шине каркасных слоев корда, нити которого в соседних слоях перекрещиваются и расположены в диапазоне углов 48-63^o к меридиану в точке его пересечения с экватором, способствует сохранению устойчивости формы профиля шины при внутреннем давлении меньше 0,01 МПа, улучшению управляемости транспортного средства и снижению сопротивления движению.

На фиг. 1 изображена схема транспортного средства; на фиг. 2 - радиальное сечение профиля шины; на фиг. 3 - схема расположения нити корда в слое каркаса; на фиг. 4 - радиальное сечение профиля шины с камерой.

Колесное транспортное средство (фиг. 1) содержит кузов 1 с ходовой частью, включающей колеса 2 с пневматическими шинами 3.

Отношение полной массы транспортного средства к произведению из наружного диаметра D (фиг. 2) шины 3, ширины В ее профиля и количества колес 2 с шинами 3 в частном случае составляет 0,0055 МПа из указанного диапазона 0,004-0,007 МПа, а отношение массы каждой шины 3 к ее внутреннему объему в частном случае составляет 65 кг/м³ из указанного диапазона 45-80 кг/м³.

Заданные соотношения обеспечивают водоизмещение шин 3, достаточное для плавучести транспортного средства без касания поверхности воды днищем кузова 1. Это позволяет выполнять кузов 1 негерметичным.

При значениях отношения полной массы транспортного средства к произведению из наружного диаметра D шины 3, ширины В ее профиля и количества колес, меньших 0,004 МПа, усложняется компоновка транспортного средства из-за увеличения габаритных размеров шин 3.

При значениях этого отношения, больших 0,007 МПа, увеличивается давление на грунт, снижается проходимость и увеличивается расход топлива при движении по грунтам с несущей способностью меньше 0,03 МПа.

При значениях отношения массы шины 3 к ее внутреннему объему меньше 45 кг/м³ усложняется процесс изготовления шин и ухудшается управляемость транспортного средства при работе на грунтах с малой несущей способностью при внутренних давлениях в шинах меньше 0,01 МПа. При значениях этого отношения более 80 кг/м³ увеличиваются масса и жесткость шин и соответственно полная масса транспортного средства, что приводит к увеличению давления на грунт, снижению проходимости и повышению расхода топлива.

Пневматическая шина 3 (фиг. 2) содержит боковые стенки 4, беговую часть b, протектор 5 и борта 6, закрепленные на полках обода 7 колеса 2.

Ширина В профиля шины превышает его высоту Н.

Шина может быть изготовлена из резины, олигомерного или любого другого эластомерного материала.

Каркас шины состоит из слоев 10 корда, нити 11 (фиг. 3) которого в соседних слоях 10 перекрещиваются и расположены под углом с = 50-52 (из указанного диапазона 48-63)^o к меридиану 12 в точке его пересечения с экватором 13. Корд может быть изготовлен из полиамида, вискозы и т.п. материала.

Отношение массы шины к ее внутреннему объему составляет 65 кг/м³ из указанного диапазона 45-80 кг/м³. Под внутренним объемом шины понимается объем, ограниченный внутренней поверхностью шины 3 и обращенной к ней поверхностью обода 7.

Внутренний объем шины 3 может быть определен следующим образом. В ванну с водой последовательно погружаются колесо 2 с смонтированной на нем шиной 3, отдельно шина 3, колесо 2 с элементами обода 7 и каждый раз фиксируется объем вытесненной воды. Разность между объемом воды, вытесненной колесом 2 в сборе с шиной 3, и суммой объемов воды, вытесненной отдельно шиной 3 и колесом 2 с элементами обода 7, будет соответствовать внутреннему объему шины 3.

Толщина а боковых стенок 4 и толщина k беговой части b до основания выступов 8 рисунка протектора 5 составляют соответственно а = (0,0036-0,0038)D (из указанного диапазона 0,0025-0,0050) и k = 1,6а (из указанного диапазона 1,5-2,0).

При нагружении колеса 2 с шиной 3 радиальной нагрузкой, равной собственному весу колеса с шиной 3, без избыточного внутреннего давления в шине 3, ее радиальный прогиб составляет 0,15-0,45 от высоты Н профиля шины.

Выполнение толщины а боковых стенок 4 меньше, чем 0,0025 D, приводит к такому увеличению радиального прогиба шины 3 при внутреннем давлении в ней меньше 0,01 МПа, что на боковых стенках 4 возникают складки, способствующие резкому повышению сопротивления качению и ухудшению управляемости транспортного средства.

При толщине а боковых стенок 4 больше, чем 0,005 D радиальный прогиб шины 3 при внутреннем давлении в ней меньше 0,01 МПа остается практически постоянным, а давление на грунт в площади контакта остается выше 0,02 МПа. В этих условиях проходимость транспортного средства по грунтам с несущей способностью меньше 0,03 МПа снижается, а расход топлива увеличивается.

Выполнение толщины k беговой части b, меньше чем 1,5а способствует неравномерному распределению давления на грунт при внутреннем давлении в шине 3 меньше 0,01 МПа. В этом случае движение по грунтам с несущей способностью меньше 0,03 МПа сопровождается значительными деформациями грунта, разрушением почвенно-растительного слоя, снижением проходимости и увеличением расхода топлива.

Увеличение толщины k беговой части b шины 3 свыше 2,0а ухудшает способность шины 3 "обтекать" микронеровности грунта при внутреннем давлении воздуха меньше 0,01 МПа, что снижает проходимость по грунтам с малой несущей способностью. Вместе с тем при движении по дорогам с твердым покрытием в этом случае значительно увеличиваются гистерезисные потери в шине 3 из-за увеличения ее массы, и соответственно, увеличивается расход топлива транспортным средством.

Повышение собственной радиальной жесткости шины 3 за счет уменьшения величины ее радиального прогиба под действием собственного веса колеса 2 с шиной 3 при отсутствии в ней избыточного внутреннего давления менее 0,15 высоты профиля Н уменьшает площадь контакта шины 3 с грунтом при внутренних давлениях в шине 3 меньше 0,01 МПа и снижает проходимость транспортного средства по грунтам с несущей способностью меньше 0,03 МПа.

При увеличении этого показателя свыше 0,45 высоты профиля Н шина 3 при внутреннем давлении меньше 0,01 МПа теряет устойчивость формы поперечного сечения, что ухудшает управляемость транспортного средства в этих условиях.

Протектор 6 шины 3 имеет рисунок, состоящий из впадин 9 и выступов 8. Выступы равномерно распределены по беговой части b, а их высота m меньше 0,015D. Коэффициент насыщенности рисунка протектора составляет 0,15 из указанного диапазона 0,1-0,2. При коэффициенте насыщенности менее 0,1 увеличивается давление под выступами 8, что приводит к их повышенному износу на твердой дороге. Увеличение коэффициента насыщенности свыше 0,2 ухудшает сцепление шины 3 с грунтом.

Шина 3 может быть изготовлена как в бескамерном варианте, так и с камерой 14 (фиг. 4).

Колесное транспортное средство и предназначенная для него пневматическая шина сверхнизкого давления могут быть наиболее эффективно использованы в районах вечной мерзлоты, тундры, заболоченной местности, песчаных пустынь и других труднодоступных районах земли.

Формула изобретения

1. Колесное транспортное средство, содержащее кузов и ходовую часть, включающую колеса с пневматическими шинами, общее водоизмещение которых обеспечивает его плавучесть, отличающееся тем, что габаритные размеры шин связаны с полной массой транспортного средства соотношением
[M_т.с./(DBn)] · 10^-5 = 0,004 - 0,007 МПа,
а отношение массы каждой шины, м к ее внутреннему объему составляет 45 - 80 кг/м³,
где M_т.с. - полная масса транспортного средства, кг
D - наружный диаметр шины, м
B - ширина профиля шины, м
n - количество колес транспортного средства, б/разм.

2. Пневматическая шина для колесного транспортного средства, содержащая боковые стенки, беговую часть b с протектором и борта, изготовленная из эластомерного материала с шириной B профиля, превышающей его высоту H, отличающаяся тем, что отношение массы шины к ее внутреннему объему составляет 45 - 80 кг/м³, а толщина a боковых стенок и толщина k беговой части b шины равны соответственно
a = (0,0025 - 0,0050)D,
k = (1,5 - 2,0)a,
причем радиальный прогиб шины под действием ее собственного веса и веса колеса соответствующего транспортного средства при отсутствии в шине избыточного внутреннего давления составляет 0,15 - 0,45 от высоты H профиля шины 3,
где a - толщина боковой стенки шины в самом широком месте профиля, м
k - толщина беговой части на экваторе шины до основания выступов рисунка протектора, м
D - наружный диаметр шины, м.

3. Шина по п. 2, отличающаяся тем, что внутреннее давление в ней составляет 0,005 - 0,050 МПа.

4. Шина по п.3, отличающаяся тем, что она изготовлена из олигомерного материала.

5. Шина по п.3, отличающаяся тем, что протектор имеет рисунок из выступов и впадин, причем выступы равномерно распределены по поверхности беговой части b и их высота m не превышает 0,015 наружного диаметра D шины, а коэффициент насыщенности рисунка составляет 0,1 - 0,2.

6. Шина по п.3, отличающаяся тем, что она допускает размещение камеры.

7. Шина по п. 3, отличающаяся тем, что она содержит каркас из слоев корда, нити которого в соседних слоях перекрещиваются и расположены под углом 48 - 63 градусов к меридиану шины в точке его пересечения с экватором.

8. Шина по п.7, отличающаяся тем, что нити корда изготовлены из полиамидного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4