Колесо (варианты) и способ его изготовления
Изобретение относится к транспортному машиностроению. Колесо имеет обод с парой бортов, имеющих периферическую потенциальную поверхность качения по меньшей мере на одном борту, для входа в контакт с землей в случае разрушения шины. Выпуклый контур поверхности качения с конечным радиусом кривизны в поперечном сечении у самого большого радиуса колеса обеспечивает оптимальную форму контактной поверхности и увеличенную площадь контакта, без введения любых плоских участков в контактную область. Поверхность качения имеет конечный радиус кривизны на всем протяжении потенциальной поверхности качения. Радиус кривизны поверхности качения образует в поперечном сечении центральный круговой сегмент, плавно сопряженный на своих концах с двумя круговыми сегментами меньших радиусов, или образует в поперечном сечении участок эллипса, имеющего малую полуось, идущую главным образом радиально вдоль соответствующего участка кольцевого обода. В результате снижается риск повреждения обода колеса в случае разрушения шины. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию колес для транспортных средств, имеющих обод для поддержки пневматических шин, а более конкретно имеет отношение к усовершенствованной конфигурации (конструкции) обода, позволяющей снизить риск повреждения обода в случае разрушения шины.
2. Известное состояние техники
В том случае, когда происходит повреждение шины транспортного средства при его движении, в некоторых случаях шина разрушается и транспортное средство продолжает движение на катящемся ободе. В таких случаях важно, чтобы целостность обода была сохранена до тех пор, пока не произойдет безопасная остановка транспортного средства. Колеса летательного аппарата должны проходить испытание качения на ободе как часть их квалификационных испытаний. Это испытание предусматривает качение на ободе без шины с заданной скоростью и нагрузкой на заданном расстоянии, без разрушения колеса. На практике оказалось, что это испытание пройти трудно, отчасти за счет интенсивности циклических напряжений в той области, где борт (фланец) обода входит в контакт с динамометром или со взлетно-посадочной полосой. Местные напряжения в контактной области могут быть снижены за счет снижения нагрузки на борта обода. Обычно нагрузка бортов обода определяется полной приложенной нагрузкой и распределением жесткости по оси и колесу. В случае консольно установленного колеса внутренний борт обода обычно несет большую долю приложенной нагрузки, чем внешний борт обода, в результате изгиба оси. Эта доля нагрузки может быть изменена в определенных пределах за счет использования различной высоты бортов обода, то есть некоторой комбинации пониженной высоты внутреннего борта и/или увеличенной высоты внешнего борта. Это техническое решение описано в патенте США No.4275932, и его часто используют. Объединение производителей шин и ободов (США) установило стандарты на геометрию обода и ограничило пределы, в которых может изменяться высота бортов обода. Таким образом, существует предел нагрузки, который может быть перераспределен от внутреннего борта к внешнему борту.
В указанном патенте также предлагается увеличение момента сопротивления сечения обода за счет увеличения ширины борта и создания более широкой контактной поверхности. Однако большие изменения геометрии борта, которые позволяют увеличить момент сопротивления сечения (например, увеличенная ширина борта), оказывают относительно малое влияние на местные напряжения. Увеличенная ширина борта также нежелательным образом увеличивает вес колеса.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение основано на признании на том факте, что форма борта обода в точке контакта имеет существенное влияние на местные напряжения. Для заданной величины нагрузки борта геометрия обода борта может быть оптимизирована для снижения местных напряжений в борте.
Настоящее изобретение обеспечивает решение указанных выше проблем за счет создания поверхности качения, которая входит в контакт с поверхностью земли при отсутствии или в случае повреждения шины, которая (поверхность качения) не имеет плоских поверхностей и углов и имеет благоприятный радиус кривизны в точке контакта между ободом и землей или испытательным динамометром, что существенно снижает местные напряжения в контактной области. Эта кривизна может быть получена в виде простого радиуса, сложного радиуса, эллиптической формы или другой гладкой кривой. Эта местная кривизна может быть оптимизирована по радиусу кривизны и местоположению контакта для того, чтобы снизить до минимума местные напряжения и максимально повысить число циклов до выхода из строя. Эта характеристика может быть применена как к внутренним, так и к внешним бортам обода колеса, и может быть использована совместно с изменением высоты бортов обода.
Настоящее изобретение, в одной из его форм, предусматривает создание колеса, имеющего кольцевой участок обода главным образом U-образного поперечного сечения для приема шины и содержащего периферический край обода, функционирующий в качестве потенциальной поверхности качения при контакте с землей в случае разрушения шины. Указанный край имеет выпуклую кольцевую поверхность, поперечное сечение которой образовано гладкой кривой с ограниченным (конечным) повсюду (на всем протяжении) радиусом кривизны. Указанная кольцевая поверхность может иметь поперечное сечение, образованное участком эллипса, малая полуось которого идет главным образом радиально вдоль кольцевого участка обода. Указанная кольцевая поверхность также может иметь поперечное сечение в виде центрального кругового сегмента, плавно переходящего в два круговых сегмента с меньшими радиусами по краям центрального кругового сегмента.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что снижение интенсивности местных напряжений борта обода в области контакта позволяет увеличить испытательное расстояние качения и снизить вероятность повреждения обода при повреждении шины, без увеличения веса колеса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показано поперечное сечение колеса и смонтированной шины, где использована усовершенствованная геометрия борта обода в соответствии с одной из форм настоящего изобретения.
На фиг.2 показано с увеличением сечение борта обода, имеющего геометрию в соответствии с фиг.1.
На фиг.3 показано с увеличением сечение борта обода колеса, имеющего известную ранее геометрию.
На фиг.4 показан контакт между бортом обода колеса фиг.3 и опорной поверхностью.
На фиг.5 показан контакт между бортом обода колеса фиг.2 и опорной поверхностью.
На фиг.6 показано с увеличением сечение одного из вариантов образования короны обода фиг.1 и 2.
На фиг.7 показано с увеличением сечение альтернативного варианта образования короны обода фиг.1 и 2.
На различных чертежах одинаковые позиционные обозначения использованы для аналогичных деталей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показано примерное колесо 11 летательного аппарата, которое имеет кольцевой участок обода 12 с главным образом U-образным поперечным сечением для приема пневматической шины 13. Колесо имеет центральную ступицу 15, которая выполнена с возможностью вращения на валу (не показан) вокруг оси 16. Участок обода 12 колеса 11, который сопрягается с шиной 13, имеет выступающие радиально наружу борта, такие как 17 и 19, идущие радиально до самой крайней точки колеса. При отсутствии шины или в случае катастрофического разрушения шины эта область борта обода отвечает за поддержку транспортного средства. Колесо 11 может быть отлито или отштамповано из алюминиевого сплава в виде двух сопрягаемых половин колеса, таких как 18 и 20, причем каждая половина содержит один из самых радиально крайних периферических участков обода 17 или 19. Две половины колеса обычно не являются идентичными и соединяются при помощи болтов или других средств крепления для образования полного колеса. Последующая механическая обработка может предусматривать такое формирование каждого из периферических участков, таких как участок 33, чтобы они имели конечный радиус кривизны на всем протяжении (повсюду). Эта выпуклая область образует потенциальную поверхность качения в случае разрушения шины. Наибольший радиус периферического участка обода 17 показан как R.max. Радиусы участков двух ободов могут быть сделаны различными для того, чтобы более равномерно распределять нагрузку между двумя участками ободов в случае разрушения шины, что уже предлагалось ранее. Контур корончатого борта обода, такого как 19, показан более подробно на фиг.2.
Упомянутые здесь ранее стандарты Объединения производителей шин и ободов (США) ограничивают контур поперечного сечения борта на минимальном диаметре обода кривой 21 и на максимальном диаметре обода кривой 23. В соответствии с указанными стандартами контуры обода должны лежать посредине между двумя указанными кривыми. Кривая 23 образована дугой 90 градусов с центром в точке 25, соединенной при помощи прямолинейного участка (образующего периферически самую дальнюю от центра поверхность максимального обода) с другим дуговым сегментом с углом около 90 градусов и с центром в точке 27. Кривая 21 образована дуговыми участками с меньшими радиусами, имеющими центры в точках 29 и 25, соединенными при помощи прямолинейного участка, образующего периферически самую дальнюю от центра поверхность минимального обода. Сравнение фиг.2 и 6 показывает, что контур обода 33 в соответствии с настоящим изобретением представляет собой куполообразную или выпуклую область кольцевой поверхности, в которой нет плоских участков контуров 21 и 23. Края преимущественно образованы в поперечном сечении как гладкая кривая, имеющая радиус кривизны, который является конечным на всем их протяжении. Например, контур 33 может быть образован как центральная дуга большого радиуса в поперечном сечении, в виде центрального кольцевого сегмента 40 с радиусом 42, гладко сопряженным на своих краях с двумя кольцевыми сегментами 44 и 50, имеющими соответственно меньшие радиусы 46 и 48, как это показано на фиг.6. На других концах дуги меньшего радиуса контур обода гладко сопряжен с дугой радиуса 31, имеющей центр в точке 25, а на другом конце - со стандартным контуром обода. В одном из примерных вариантов R.max был несколько меньше 12 дюймов, радиус 42 составлял около 3 дюймов, радиус 31 составлял около 1 дюйма, радиус 46 составлял около 0.5 дюйма и радиус 48 составлял около 0.2 дюйма.
На фиг.3 показано поперечное сечение типичного известного контура борта 35, который расположен посредине между стандартными кривыми 21 и 23 Объединения производителей шин и ободов (США). Аналогично этим стандартным кривым контур 35 содержит прямолинейный сегмент, идущий от точки 37 до точки 39, соединенный по касательной с двумя дуговыми сегментами, один из которых имеет центр в точке 36, а другой, который является участком стандартного контура обода, имеет центр в точке 29. На фиг.4 показан этот контур, контактирующий с опорной поверхностью, такой как взлетно-посадочная полоса.
На первый взгляд кажется, что плоская взлетно-посадочная полоса и плоская кольцевая поверхность на периферически самом дальнем от центра участке обода будут хорошо поддерживать транспортное средство в случае разрушения шины. Однако следует иметь в виду, что две плоские поверхности почти никогда не являются точно параллельными, причем в действительности поверхность взлетно-посадочной полосы никогда не бывает идеально плоской. Кроме того, как колесо, так и опорная поверхность в некоторой степени деформируются под весом большого летательного аппарата. Более того, на опорных поверхностях используют различные материалы, так что состояние взлетно-посадочной полосы и ее поверхности может быть различным в зависимости от различных окружающих условий. Например, асфальт деформируется под воздействием нагрузки на разную величину в зависимости от температуры. В результате получают такой контакт известного колеса с поверхностью взлетно-посадочной полосы 41, который показан на фиг.4, где ширина зоны контакта показана как d2. Само собой разумеется, что относительное неточное совмещение колеса и взлетно-посадочной полосы может быть обратным, при этом скорее точка касания 39, а не 37 входит в контакт с поверхностью. В отличие от этого, если самая дальняя от центра поверхность обода образована при помощи куполообразного контура фиг.1 и 2, ширина контактной поверхности будет d1, как это показано на фиг.5, которая увеличена, несмотря на неидеальность и вариации поверхности, что снижает напряжения под нагрузкой обода и увеличивает расстояние качения в случае разрушения шины. Эта выпуклая поверхность образует потенциальную поверхность качения, которая входит в контакт с землей в случае разрушения шины.
На фиг.6 и 7 показано, каким образом может быть образован куполообразный участок борта обода колеса. На фиг.6 показано, что контур обода образован в виде дугового сегмента круга с центром в точке 43, имеющего на одном конце плавное сопряжение по касательной с дуговым сегментом круга меньшего радиуса с центром в точке 45 и плавное сопряжение по касательной также с дуговым сегментом круга еще меньшего радиуса с центром в точке 47 на противоположном конце. Радиус 42 центрального дугового сегмента круга 40 в несколько раз превышает радиусы 46 и 48 любого из двух концевых дуговых сегментов меньшего радиуса. Дуговой сегмент 49 с центром в точке 51, прямолинейный сегмент 53 и дуговой сегмент 55 с центром в точке 25 являются частями стандартной конфигурации обода, показанного на фиг.2, однако сегмент 55 в данном случае меньше, чем 90 градусов.
На фиг.7 контур поверхности обода образован в виде участка, несколько меньшего чем половина эллипса, с центром в точке 59. Большая и малая полуоси эллипса показаны соответственно пунктирными линиями 61 и 63. Эллипс сопряжен по касательной с прямолинейным участком 53 на одном конце и с сегментом дуги окружности 55 на другом конце. По всей длине эллиптического участка контура радиус кривизны монотонно возрастает вместе с возрастанием радиусов кольцевого участка обода. Прямая линия имеет неопределенный или бесконечный радиус кривизны, однако в соответствии с настоящим изобретением радиус кривизны остается конечным (ограниченным) по всей длине. Эллиптический центральный участок может быть также сопряжен по касательной с двумя дугами окружности, аналогично показанному на фиг.6. Другие конические сечения являются менее пригодными, так как в них отсутствует область с самым большим радиусом кривизны, соединенная с областями меньших радиусов кривизны, однако могут быть использованы многие другие конфигурации кривых поперечного сечения. Такие кривые являются подходящими в том случае, когда изогнутый или корончатый участок обода имеет протяженность по меньшей мере на всей длине потенциальной поверхности качения, которая может входить в контакт с опорной поверхностью в случае разрушения шины, причем радиус кривизны является наибольшим, но конечным, поблизости от периферического самого удаленного от центра участка борта и уменьшается поблизости от концов потенциальной поверхности качения. Это увеличивает площадь контакта области без введения любых плоских участков в контактную область.
1. Колесо (11), имеющее кольцевой участок обода с главным образом U-образной конфигурацией для установки шины (13), причем по меньшей мере один из периферических концов обода (19) имеет выпуклую кольцевую поверхность (33), образованную в поперечном сечении как центральный кольцевой сегмент (40), плавно сопряженный на своих двух концах с двумя круговыми сегментами (44, 50) меньших радиусов.
2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что центральный кольцевой сегмент (40) на своих противоположных концах сопряжен по касательной с сегментами меньшего радиуса (44, 50).
3. Колесо по п.1, отличающееся тем, что радиус (42) центрального кольцевого сегмента (40) в несколько раз больше, чем радиусы (46, 48) каждого из двух кольцевых сегментов меньшего радиуса.
4. Колесо (11), имеющее участок кольцевого обода (12) с главным образом U-образной конфигурацией для установки шины (13), причем по меньшей мере один из периферических концов обода (19) имеет выпуклую кольцевую поверхность (33), образованную в поперечном сечении как участок эллипса (57), имеющего малую полуось (63), идущую главным образом радиально вдоль участка кольцевого обода.
5. Колесо по п.5, отличающееся тем, что эллиптический участок заканчивается поблизости от концов большой оси.
6. Колесо (11), имеющее участок кольцевого обода (12) с главным образом U-образной конфигурацией для установки шины, причем по меньшей мере один из периферических концов обода (19) образует потенциальную поверхность качения, которая входит в контакт с землей в случае разрушения шины, при этом указанный конец имеет выпуклую кольцевую поверхность, образованную в поперечном сечении в виде гладкой кривой, имеющей радиус кривизны, который является конечным на всем ее протяжении.
7. Колесо по п.6, отличающееся тем, что радиус кривизны монотонно возрастает при увеличении радиусов кольцевого участка обода.
8. Способ изготовления колеса (11), предусматривающий создание потенциальной периферической поверхности качения (33) по меньшей мере на одном периферическом участке обода для входа в контакт с землей в случае разрушения шины, в том числе создание выпуклого контура поверхности качения с конечным радиусом кривизны поперечного сечения у самого удаленного от центра радиуса колеса для того, чтобы увеличить площадь контакта без введения любых плоских участков в контактную область.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что поверхность качения имеет конечный радиус кривизны на всем протяжении потенциальной поверхности качения.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что кривизна поверхности качения монотонно возрастает при увеличении радиусов кольцевого участка обода.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что колесо изготавливают штамповкой пары сопрягаемых половин колеса (18, 20) из алюминиевого сплава, причем каждая половина имеет радиально самый удаленный от центра участок обода (17, 19), причем каждая поверхность качения имеет конечный радиус кривизны на всем протяжении потенциальной поверхности качения.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что каждый радиус кривизны поверхности качения образует в поперечном сечении центральный круговой сегмент (40), плавно сопряженный на своих концах с двумя круговыми сегментами (44, 50) меньших радиусов.
13. Способ по п.11, отличающийся тем, что каждый радиус кривизны поверхности качения образует в поперечном сечении участок эллипса (57), имеющего малую полуось (63), идущую главным образом радиально вдоль соответствующего участка кольцевого обода.
14. Способ по п.11, отличающийся тем, что наибольшие радиусы двух периферических участков обода являются различными для того, чтобы более равномерно распределить нагрузку между двумя участками обода в случае разрушения шины.
