Универсальное транспортное средство для перемещения в пространстве
Изобретение относится к транспортным средствам, способным направленно перемещаться в различной среде, и может быть использовано для передвижения по земле, по воде и под водой. Универсальное транспортное средство содержит корпус, в котором размещена силовая установка с валом вращения к устройству преобразования кинетической энергии в управляемое поступательное движение корпуса по контактной с ним поверхности. Устройство преобразования кинетической энергии в управляемое поступательное движение выполнено в виде инерционного механизма. Инерционный механизм включает в себя рычаг с прорезью, один конец которого жестко закреплен на валу вращения, а на другом в прорези установлен груз, и пульсатор, укрепленный на конце управляемой пластины. На валу вращения, грузе и пульсаторе выполнены выточки с размещенной в них гибкой связью, а их оси расположены параллельно. Второй конец управляемой пластины жестко соединен с осью ведомой шестерни, входящей в зацепление с ведущей шестерней. На оси ведущей шестерни в фиксаторе размещена подпружиненная рукоятка с ручкой. Устройство преобразования кинетической энергии в управляемое поступательное движение неподвижно укреплено на корпусе универсального транспортного средства. Достигается создание транспортного средства, способного направленно перемещаться в различной среде. 8 з.п. ф-лы, 23 ил., 13 табл.
Изобретение относится к транспортным средствам, способным направленно перемещаться в различной среде, и может быть использовано для передвижения по земле, по воде и под водой.
Известны многие транспортные средства, способные перемещаться в различных средах. Так, например, известна амфибия-вездеход [1], способная передвигаться как по водной поверхности, так и по земле. При передвижении по воде амфибия-вездеход использует шнековые движители, а при движении по земле специальное устройство поднимает шнековые движители, и амфибия-вездеход переходит в режим движения на колесах. Эти виды движения основаны на использовании опорной среды, в рассматриваемом случае - воды или твердой поверхности.
Известно также транспортное средство [2], которое может передвигаться, как автомобиль, по земле и, как самолет, в воздухе. Для передвижения в воздухе на корпусе этого транспортного средства расположено складное крыло. И это транспортное средство использует для своего движения опорную среду - твердую поверхность и воздушную среду.
Известно и транспортное средство [3], сочетающее устройство вертолета и подводной лодки. Как и в предыдущем примере, и это транспортное средство использует для своего движения опорную среду - воздушное и водное пространство.
По мнению заявителя наиболее близким аналогом заявленному изобретению и принятым за прототип является транспортное устройство [4], которое может ездить и летать, используя только одну опорную среду - воздух. Впереди транспортного средства установлена кабина управления, а сзади нее расположен вал с пропеллером и большим числом маленьких крыльев по окружности. В зависимости от изменения угла атаки синхронно поворачивающихся малых крыльев транспортное средство может либо двигаться по земле на колесах, либо летать. Двигатель, который вращает вал с пропеллером, установлен в задней части транспортного устройства. Как и описанные выше аналоги, опорной средой для придания движения транспортному средству является воздушная среда. Именно воздушную среду пропеллер захватывает своим вращением и вследствие этого создает тяговое усилие для транспортного средства. А в зависимости от угла атаки малых крыльев транспортное устройство направленно движется по земле на колесах или поднимается в воздух и летает.
Перед создателем изобретения стояла техническая задача создать такое транспортное средство, которое было бы способно направленно перемещаться в различных средах: на воде, под водой, по твердой поверхности, по болотам, бездорожью. Для этого надо было создать такой двигательный аппарат транспортного средства, движение которого не зависело бы от среды, в которой оно находится. Иными словами, движение должно осуществляться за счет инерционных сил, образуемых в самом транспортном средстве. И при этом корпус транспортного средства должен быть приспособлен для перемещения в различных средах.
Заявленное универсальное транспортное средство предназначено для перемещения по земле, по воде и под водой.
Сущность заявленного универсального транспортного средства представлена на графических материалах и фотографиях.
На фиг.1 представлен общий вид универсального транспортного средства; на фиг.2 - кинематическая схема универсального транспортного средства; на фиг.3 - устройство, преобразующее кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства; на фиг.4 - схема работы взаимосвязанных частей устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства; на фиг.5 - кинематическая схема работы устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства; на фиг.5-а - схема сил, действующих на пульсатор во время работы устройства; на фиг.5-б - схема сил, действующих на груз и вал вращения во время работы устройства; на фиг.6 - схема сил, действующих на гибкую связь, груз и вал вращения силовой установки; на фиг.7 - схема положения векторов сил в пространстве, действующих на груз и вал вращения; на фиг.8 - диаграмма изменения коэффициента преобразования силы, действующей на корпус универсального транспортного средства; на фиг.9 - диаграмма изменения силы тяги устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства, на фиг.10 - эпюра центробежной силы Fu, действующей на устройство, преобразующее кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства; на фиг.11 - схема одного из вариантов уравновешивания боковых составляющих центробежной силы Fu устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства с двумя параллельными валами разнонаправленного вращения; на фиг.12 - схема одного из вариантов уравновешивания боковых составляющих центробежной силы Fu устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства с двумя соосными рычагами, вращающимися разнонаправленно; на фиг.13 - схема уравновешивания балансиром m2 действия продольных центробежных сил устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства; на фиг.14 - схема одного из вариантов уравновешивания двумя гибкими связями продольных центробежных сил устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства; на фиг.15 - схема ограничения движения груза (m1) при малых оборотах (ω<ωmin); на фиг.16 - схема управления универсальным транспортным средством с двумя устройствами, преобразующими кинетическую энергию вращающегося вала силовой установки в управляемое поступательное движение корпуса универсального транспортного средства; на фиг.17 - рабочее место оператора (водителя); на фиг.18 - действующая модель универсального транспортного средства с корпусом, имеющим плоское днище, и закрытым фонарем кабины; на фиг.19 - действующая модель универсального транспортного средства с корпусом, имеющим плоское днище, и открытым фонарем кабины; на фиг.20 - действующая модель универсального транспортного средства с корпусом на трех лыжных опорах; на фиг.21 - действующая модель универсального транспортного средства с корпусом на одной гладкой опоре; на фиг.22 - действующая модель универсального транспортного средства с корпусом на колесно-лыжной опоре с прицепом; на фиг.23 - действующая модель универсального транспортного средства с корпусом на трех гладких опорах.
Представленное на фиг.1 универсальное транспортное средство содержит корпус 1, обтекаемой формы с прозрачной верхней частью, выполненный герметично и с усиленным днищем с антифрикционным покрытием, устройство 2, преобразующее кинетическую энергию вала вращения 3 силовой установки 4 в управляемое поступательное движение корпуса 1 универсального транспортного средства, топливный бак 5, место для оператора 6, место для пассажира (пассажиров) 7 и пульт управления 8.
Представленная на фиг.2 кинематическая схема универсального транспортного средства показывает процесс передачи кинетической энергии вала вращения 3 силовой установки 4 устройству 2, через редуктор 9.
Представленное на фиг.3 устройство 2, преобразующее кинетическую энергию вращающегося вала 3 силовой установки 4 в управляемое поступательное движение корпуса 1 универсального транспортного средства, содержит корпус 2, вал вращения 3 силовой установки 4 (не показан), рычаг 10, жестко закрепленный на валу вращения 3, груз 11, свободно перемещающийся в прорези 12 рычага 10, ведомую шестерню 13, жестко посаженную на ось вращения 14, которая размещена в корпусе. К другому концу оси вращения 14 ведомой шестерни 13 жестко прикреплена управляемая пластина 15, второй конец которой неподвижно соединен с пульсатором 16. Ведомая шестерня 13 входит в зацепление с ведущей шестерней 17, ось вращения 18 которой одним концом расположена в корпусе, а другим - жестко связана с рукояткой 19, подпружиненной пружиной 20. Ведущая шестерня 17 имеет опорную площадку 21, на которую одним концом упирается пружина 20, а ее второй конец подпружинивает рукоятку 19. Последняя перемещается в фиксаторе 22 с возможностью фиксации в каком-либо положении. На конце рукоятки 19 укреплена ручка 23. Вал вращения 3, груз 11 и пульсатор 16 имеют выточки соответственно 24, 25, 26, в которых размещена гибкая связь 27. Причем выточки 24, 25, 26 расположены в одной плоскости, а оси вала вращения 3, груза 11 и пульсатора 16 - параллельно.
Представленная на фиг.4 схема работы взаимосвязанных частей устройства 2 раскрывает процесс преобразования кинетической энергии вала вращения 3 в поступательное движение корпуса 1.
Представленная на фиг.5 кинематическая схема работы устройства 2 раскрывает процесс преобразования кинетической энергии вала вращения 3 в поступательное движение корпуса 1.
Представленная на фиг.5-а схема показывает, какие силы действуют на пульсатор 16 во время работы устройства 2.
Представленная на фиг.5-б схема показывает, какие силы действуют на груз 11 и вал вращения 3 во время работы устройства 2.
Представленная на фиг.6 схема показывает, какие силы действуют на груз 11, гибкую связь 27 и вал вращения 3 силовой установки 4 во время ее работы.
Представленная на фиг.7 схема показывает положение векторов сил в пространстве, действующих на груз 11 и вал вращения 3.
Представленная на фиг.8 диаграмма изменения коэффициента преобразования силы, действующей на корпус 1 универсального транспортного средства, показывает изменение значения коэффициента преобразования fa в зависимости от значения угла α.
Представленная на фиг.9 диаграмма изменения силы тяги устройства, преобразующего кинетическую энергию вращающегося вала 3 силовой установки 4 в управляемое поступательное движение корпуса 1, показывает, как изменяется сила тяги от угловой скорости вала вращения 3 устройства.
Представленная на фиг.10 эпюра центробежной силы Fu, действующей на устройство 2, характеризует возникающие силы во время работы устройства 2.
Представленная на фиг.11 схема одного из вариантов уравновешивания боковых составляющих центробежной силы Fu устройства 2 показывает, как можно уравновесить боковые составляющие центробежной силы Fu двумя параллельными валами 3 разнонаправленного вращения.
Представленная на фиг.12 схема одного из вариантов уравновешивания боковых составляющих центробежной силы Fu устройства 2 раскрывает уравновешивания центробежной силы Fu двумя соосными рычагами, вращающимися разнонаправленно, приводимыми в движение от одного вала вращения 3.
Представленная на фиг.13 схема показывает, как можно уравновесить балансиром m2 действия продольных центробежных сил устройства 2.
Представленная на фиг.14 схема показывает, как можно уравновесить продольные центробежные силы устройства 2 двумя гибкими связями 27.
Представленная на фиг.15 схема показывает, как можно ограничить движение груза 11 (m1) при малых оборотах (ω<ωmin) вала вращения 3.
Представленная на фиг.16 схема раскрывает процесс управления универсальным транспортным средством двумя устройствами 2, преобразующими кинетическую энергию вращающегося вала 3 силовой установки 4 в управляемое поступательное движение корпуса 1 универсального транспортного средства. При этом на щитке приборов 28 могут быть представлены приборы указателя суммарного вектора тяги 29, указателя вектора тяги 30 левого устройства 2, указателя вектора тяги 31 правого устройства 2 и различные индикаторы 32.
Представленный на фиг.17 вид показывает, как может выглядеть рабочее место оператора (водителя).
Представленный на фиг.18 вид действующей модели показывает, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1, имеющим плоское днище, и закрытым фонарем кабины.
Представленный на фиг.19 вид действующей модели показывает, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1, имеющим плоское днище, и открытым фонарем кабины.
Представленный на фиг.20 вид действующей модели показывает, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на трех лыжных опорах.
Представленный на фиг.21 вид действующей модели показывает, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на одной гладкой опоре.
Представленный на фиг.22 вид действующей модели показывает, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на колесно-лыжной опоре с прицепом.
Представленный на фиг.23 вид действующей модели показывает, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на трех гладких опорах.
Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде работает следующим образом. Направленное перемещение корпуса 1 этого транспортного средства достигается вследствие того, что при работе силовой установки 4 (фиг.1) приводится во вращение вал 3 (фиг.2), который через редуктор 9 вращает вал устройства 2 (фиг.3), преобразующего кинетическую энергию вала вращения 3 в управляемое поступательное движение корпуса 1. Для вращения вала 3 могут быть использованы различные силовые установки, например двигатели внутреннего сгорания, а также силовые установки, работающие на ядерном топливе, от аккумуляторов солнечных батарей и т.п. При этом управляемое поступательное движение корпуса 1 может происходить по земле (по дорогам, по бездорожью, по болотам и тому подобных условиях), по воде, под водой. В зависимости от используемой силовой установки и сферы применения заявляемого транспортного средства определяется его форма и компоновочная схема. Перемещение в пространстве заявляемого транспортного средства обеспечивается устройством 2, представленным на фиг.3. К валу вращения 3 жестко прикреплен рычаг 10, на котором перемещается груз 11 в прорези 12 рычага 10. Кроме того, имеется пульсатор 16, который закреплен на одном конце управляемой пластины 15. На конце вала вращения 3, а также на грузе 11 и пульсаторе 16 имеются расположенные в одной плоскости выточки соответственно 24, 25, 26, в которых размещена гибкая связь 27. При вращении вала 3 вращается рычаг 10, а вместе с ним груз 11. Груз 11 свободно перемещается в прорези 12 рычага 10 и натягивает гибкую связь 27, которая и передает импульсы силы от вращающегося груза 10 пульсатору 16. Так как последний закреплен на управляемой пластине 15, то импульсы силы через эту пластину передаются всему устройству 2. Вследствие того что устройство 2 установлено в корпусе 1, импульсы силы передаются всему транспортному средству. Для подачи импульсов силы в нужном направлении управляемая пластина 15 вращается на оси вращения 14 ведомой шестерни 13, входящей в зацепление с ведущей шестерней 17. Управление ведущей шестерней 17 осуществляется рукояткой 19 с ручкой 23. Рукоятка 19 неподвижно укреплена на оси вращения 18 ведущей шестерни 17, а кроме того, размещена в фиксаторе 22 и подпружинена одним концом пружины 20. Второй конец пружины 20 закреплен на опорной площадке 21 ведущей шестерни 17. Передвижение ручки 23 с рукояткой 19 по цепочке - ведущая шестерня 17, ведомая шестерня 13, ось вращения 14, управляемая пластина 15 - передается пульсатору 16, и этим изменяется направление возникающих импульсов силы, а следовательно, и направление движения универсального транспортного средства. Представленная на фиг.4 схема работы взаимосвязанных частей устройства 2 показывает, как на груз 11 массой m1 действует сила инерции Fu, а в ветвях гибкой связи 27 - силы Та и Тв. Причем к корпусу 1 приложена сила сопротивления Rc, а вал вращения 3 имеет угловую скорость ω. Расстояние между валом вращения 3 и пульсатором 16 имеет обозначение d, а между валом вращения 3 и грузом 11 - R. Вследствие свободного перемещения груза 11 на рычаге 10 происходит натяжение гибкой связи 27 и передача по ней кинетической энергии вращающихся рычага 10 и груза 11. На фиг.5, где представлена кинематическая схема работы устройства, раскрывается процесс преобразования кинетической энергии вала вращения 3 в поступательное движение корпуса 1 универсального транспортного средства. При каждом обороте рычага 10 с грузом 11 гибкая связь 27 будет передавать импульс силы валу вращения 3 и через него на корпус 1. Если силы действия гибкой связи 27 на корпус 1 будут превышать силу сопротивления (Та>Rc), а в точке размещения груза 11 не превышать силу инерции (Тв<Fu), то в результате такого взаимодействия возникает движущая сила устройства 2, равная F=Ta-Rc. Гибкая связь 27 выполняет роль преобразователя сил и обеспечивает заданную траекторию движения груза 11 с массой m1. Подвижной груз 11 под действием вала вращения 3 и гибкой связи 27 совершает сложное движение по эллипсу. Уравнение траектории движения груза 11 с массой m1 в полярных координатах имеет вид:
,
где: е - эксцентриситет, равный OD/OВ;
р - параметр эллипса - длина отрезка перпендикуляра,
восстановленного в фокусе эллипса к его большой оси, до его пересечения с траекторией.
По условиям эллипса р=а(1-е2), где а - большая полуось эллипса, т.е.
a=AO1=BO1=R-0,5d.
Тогда:
P=(R-0,5d)(1-e2).
После подстановки значений эксцентриситета и параметра эллипса в уравнение траектории и простых алгебраических преобразований получим:
,
где: R - радиус рычага 10;
d - плечо пульсатора 16 - расстояние от оси вала вращения 3 до упора;
φ - полярный угол, φ=180°+α, где
α - угол эффективного импульса сил.
Так как по условиям эллипса алгебраическая сумма радиус-векторов r1 и r2 равна большой оси, то r1+r2=2R-d.
Тогда:
r2=2R-d-r1.
Последние формулы определяют основные геометрические параметры устройства 2 и являются основой для дальнейшего расчета его динамических характеристик.
Гибкая связь 27 является одним из основных элементов устройства 2. Ее назначение заключается в преобразовании действующей на нее внешней силы Р и передаче импульсов сил как грузу 11 с массой m1, так и корпусу 1 универсального транспортного средства для перемещения в пространстве с массой М в заданном направлении. При вращении рычага 10 гибкая связь 27 постоянно взаимодействует с подвижной массой m1 и при каждом обороте кратковременно воспринимает силу реакции пульсатора 16, сталкиваясь с ним набегающей ветвью в точке D, как это представлено на схеме сил на фиг.5-а.
где: Мкр - крутящий момент;
d - плечо - расстояние от оси вращения до точки D.
Для определения сил натяжения гибкой связи 27 разложим силу Р на две составляющие T1 и Т2 вдоль ветвей нити OD и CD и определим их проекции на координатные оси Х и Y.
Проведем через точку D линию ML параллельно оси Y. Так как ∠MDK=∠COD=∠EDS=α и ∠LDN=∠OCD=β, то проекции сил на оси Х и Y составят:
| Рх=РCosα | Ру=-РSinα |
| T1x=T1Sinα | T1y=T1Cosα |
| Т2х=Т2Sinβ | Т2y=-Т2Cosβ |
По теореме о сложении сил имеем:
Pх=T1x+Т2х; Ру=T1y+T2y,
РCosα=T1Sinα+T2Sinβ,
PSinα=T2Cosβ-T1Cosα.
Решая полученную систему уравнений относительно T1 и Т2, находим:
,
Выражая силу Р через крутящий момент Мкр и плечо d пульсатора 16, получим:
Зная силы натяжения гибкой связи 27, определим ее действие на подвижную массу m1 и М. Для этого перенесем силы T1 и Т2 вдоль линии их действия в точки А и В соответственно, как это представлено на схеме сил, действующих на груз 11 и вал вращения 3 устройства 2 (фиг.5-б).
Материальные точки А и В являются шарнирными опорами, и в момент действия импульса силы Р гибкая связь 27 действует также, как трос в подвижных блоках, стремясь их сблизить. Таким образом, в момент столкновения гибкой связи 27 с пульсатором 16 на точки А и В действуют векторные суммы сил T1 и Т2, значения которых определяют по правилу параллелограмма:
Для определения положений векторов Та и Тв в пространстве проведем координатную ось Х вдоль линии вектора Та, как это представлено на фиг.6. Через ось вала вращения 3 (точка А) и подвижную массу m1 (точка В) проведем подвижную координатную ось X', связанную с вращающимся рычагом 10. Тогда положение вектора Та определится углом γ1 между осями Х и X', а вектора Тв - углом γ2 между вектором Тв и осью X'. Угол γ1 определится из условия равенства сумм проекций сил T1 и Т2 и проекций их равнодействующей Та на ось X':
ТАCosγ1=T1Cosα+Т2,
Аналогично находим угол γ2:
ТBCosγ2=T1+T2Cosβ,
Силы натяжения гибкой связи 27 T1 и Т2 не являются постоянными величинами, действуют импульсивно и с поворотом рычага 10 изменяются в больших пределах в течение малого промежутка времени τ. При равномерном вращении рычага 10 (ω=const, ε=0) в момент столкновения гибкой связи 27 с пульсатором 16 сила Р всегда постоянна и по величине, и по направлению. Но ее составляющие T1 и Т2 изменяются в зависимости от положения ветвей гибкой связи 27. С увеличением угла α силы T1 и Т2 уменьшаются до нуля (α=180°). Поэтому эффективным углом действия импульса силы Р следует считать наибольшее значение угла α, при котором гибкая связь 27 преобразует силу Р на входе в равную ей по величине силу действия Та на корпус 1. Эта зависимость представлена на диаграмме на фиг.8. В этом случае коэффициент преобразования fa должен быть равным единице.
Такое положение гибкой связи 27 происходит при каждом обороте рычага 10, когда малый радиус-вектор r2 совпадает с параметром эллипса р (r2=p) и составляющая Т2 становится равной силе Р, а Т1=0. Предельное значение угла α зависит от конструктивной схемы параметров устройства (R и d) и в общем случае определяется по формуле:
где: р - параметр траектории;
d - плечо пульсатора 16.
Угол β определяется из треугольника ABD по заданному углу α по теореме синусов:
Малые значения угла α (α<0,1°), когда коэффициент стремится к бесконечности, а переменные силы действуют мгновенно, учитывать в практических расчетах очень сложно. Этот вопрос специального исследования на уровне микро- и нанотехнологий. Поэтому при определении основных характеристик заявленного изобретения следует принимать средние значения сил T1 и Т2, действующих в секторе предельного угла α, a поэтому и средние значения коэффициентов преобразования равными:
Условия равновесия активных сил, действующих на заявленное техническое решение, целенаправленное изменение которых приводит корпус 1 в поступательное движение, графически представлены на фиг.6. Выделим из системы движущиеся материальные точки А (ось вала вращения 3) и В (груз 11 с массой m1) и по принципу Даламбера представим уравнение их равновесия в проекциях на координатные оси Х и X' при равномерном вращении вала 3 и вместе с ним рычага 10 (ω=const, ε=0).
Так как Fu=m1 ω2 R=Тв Cos γ2, то пороговое значение угловой скорости вала вращения 3 выражается формулой:
Пороговая частота вращения соответственно:
Следовательно, для уравновешивания сил в точке В необходимо приложить со стороны гибкой связи 27 такую силу Тв, проекция которой на ось Х была бы равна центробежной силе инерции Fu. Это условие имеет важное значение для дальнейшего расчета заявленного технического устройства, так как позволяет определить минимальную (пороговую) угловую скорость вращения рычага 10, при которой устанавливается динамическое равновесие подвижной массы m1.
Присоединим к действующим на точку В внешним силам T1 и Т2 силу инерции подвижной массы Fu и определим сумму проекций этих сил на подвижную ось X':
Fи-T1-T2Cosβ=0.
Отсюда:
Fи=ТBCosγ2,
так как
Fи x'=Fи, T1x'=-T1, T2x'=-T2Cosβ,
TBX'=T1x'+T2x'=-ТвCosγ2.
Условие динамического равновесия точки А, взаимодействующей непосредственно с корпусом 1, определяется равенством силы действия Та гибкой связи 27 и силы инерции покоя Rc корпуса 1 устройства 2 (силы сопротивления движению). Линии действия этих сил проходят по оси Х и поэтому:
ТA-RC=0,
ТA=RC.
Следовательно, динамическое равновесие установки относительно координатной оси X, совпадающей с направлением движения корпуса 1, достигается при условиях:
Fи=ТBCosγ2,
ТA=RC.
Пороговое значение окружной силы Р, соответствующей пороговой угловой скорости рычага 10, можно определить по коэффициентам преобразования и силам Та и Тв:
Преобразовывая вышеприведенные уравнения, имеем:
Так как Та=Rc, то
Отсюда находим взаимосвязь силы сопротивления движению корпуса 1 с основными параметрами заявленного устройства 2:
С увеличением оборотов рычага 10 (ω>ωп) условие равновесия будет нарушено и корпус 1 устройства изменит свое положение, так как получит поступательное движение в пространстве:
Fи≥TBCosγ2,
ТA>RC.
На фиг.7 представлена схема положения векторов сил в пространстве, действующих на груз 11 и вал вращения 3. Вектор тяги силы Fт является равнодействующей составляющих сил Fu, Тв и Та, действующих в направлении оси X.
Перенесем силу Fв=Fu-Твх' вдоль линии ее действия в точку А и разложим на составляющие по осям Х и Y.
Тогда:
FBX=FBCosγ1
или
FBX=(FИ-TBCosγ2)Cosγ1.
Суммируя силы ТА и FВХ, получим уравнение силы тяги устройства:
FT=ТА+FBX.
FT=TA+(FИ-TBCosγ2)Cosγ1.
Последняя формула связывает все основные параметры устройства 2 и является основным уравнением при расчете динамических характеристик.
Сила тяги Fт зависит от угловой скорости ω вращающегося рычага 10, и эта зависимость представлена на диаграмме на фиг.9. Сила тяги при соответствующей мощности, передаваемой валу вращения 3, может достигать значительных величин. Если сила тяги превышает силу сопротивления движению корпуса 1 устройства 2 (Fт>Rс), то создается движущая сила F, которая и приводит корпус 1 в поступательное движение:
F=TA+(FИ-TBCosγ2)Cosγ1-RC.
Сила сопротивления Rс определяется известными методами в зависимости от назначения устройства 2 и сферы его применения. При трогании с места по поверхности следует определять силу трения покоя, применяя статический коэффициент трения. При движении по поверхности земли, воды или под водой необходимо учитывать также силу аэродинамического или гидродинамического сопротивления, так как в этом случае сила сопротивления зависит от скорости движения устройства.
При определении динамических характеристик заявленного изобретения следует учитывать, что движущая сила действует на установку импульсивно в зависимости от частоты вращения рычага 10. Интенсивность действия движущей силы (k) определяется числом столкновений гибкой связи 27 с пульсатором 16 в единицу времени по зависимости:
Продолжительность действия импульса зависит от угла α и частоты вращения:
Тогда элементарный импульс движущей силы составит:
ΔS=Fτ,
который при равномерном вращении рычага 10 (ω=const, ε=0) является величиной постоянной. Поэтому суммарный импульс за некоторый промежуток времени t определится как произведение элементарного импульса ΔS на число столкновений гибкой связи 27 с пульсатором 16:
ΣS=ΔSkt.
Скорость движения транспортного средства определяется согласно теореме об изменении количества движения по зависимости:
M(V-VO)=ΣS,
где: М - масса транспортного средства,
Vo - начальная скорость,
V - конечная скорость,
∑S - суммарный импульс.
Потребная мощность заявляемого транспортного средства при максимальной угловой скорости рычага 10 и соответствующей ей значением окружной силы составит:
N=Pмахdωмах.
При вращении вала 3 с подвижным грузом 11 (m1) вектор центробежной силы инерции Fu постоянно меняет свое направление и величину (фиг.10). Возникающие при этом боковые силы могут вызывать нежелательные вибрации или толчки. Для исключения этого явления боковые силы следует уравновешивать, например, установкой двух валов вращения 3, вращающихся синхронно с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях, как это представлено на схеме одного из вариантов уравновешивания боковых составляющих центробежной силы Fu устройства 2 с двумя параллельными валами 3 разнонаправленного вращения (фиг.11) или с двумя соосными рычагами 10 разнонаправленного вращения (фиг.12). Отрицательное действие продольных сил может быть исключено, например, установкой на рычаг 10 неподвижного груза (балансира) с массой m2, как это представлено на схеме (фиг.13).
Расстояние от оси вращения до центра тяжести балансира определяется из условия равенства сил инерции масс m1 и m2 при R=Ro:
m1ω2RO=m2ω2Rб,
m1RO= m2Rб,
Масса m2 определяется по формуле:
При Rб=Ro массы равны между собой (m1=m2).
Эффективным способом уравновешивания продольных сил, действующих в отрицательном направлении оси X, является применение систем с двумя гибкими связями, как это представлено на схеме (фиг.14). В этой схеме балансировки влияние продольных сил исключается полностью, так как сила инерции подвижной массы m1 в точке В всегда превышает силу инерции подвижной массы m1 в точке A (FВ>FA). При этом достигается увеличение в два раза частоты импульсов тяги k.
При запуске заявляемого устройства, когда подвижная масса m1 (груз 11) может находиться в любом положении по отношению к оси вала вращения 3, вывод груза на траекторию вращения может осуществляться, например, при помощи специального защитного ограничителя, представленного на схеме (фиг.15) ограничения движения груза 11 (m1) при малых оборотах (ω<ωmin) вала вращения 3.
Направление движения заявленного транспортного средства определяется вектором тяги устройства 2 (фиг.3) и не зависит от внешней среды перемещения.
Управление вектором тяги F заключается в перемещении пульсатора 16 относительно оси вала вращения 3 в положение, соответствующее заданному направлению движения устройства 2 (фиг.3). Поворот пульсатора 16 осуществляется ручкой 23 через рукоятку 19. При нажатии ручкой 23 подпружиненной рукоятки 19 она выходит из зацепления в фиксаторе 22 и при дальнейшем повороте ручкой 23 рукоятки 19 поворачивается на оси вращения 18 ведущей шестерни 17, так как рукоятка 19 неподвижно соединена с осью вращения 18 ведущей шестерни 17. Одновременно поворачивается ведомая шестерня 13 на своей оси вращения 14, а вместе с осью вращения 14 поворачивается управляемая пластина 15 вместе с пульсатором 16. Пульсатор 16 занимает заданное положение, а рукоятка 19 под действием пружины 20 закрепляется в фиксаторе 22. Этим исключается самопроизвольное перемещение рукоятки 19. После этого устройство 2 изменяет свое движение в пространстве. Если иметь соотношение количества зубьев ведущей шестерни 17 к ведомой шестерне 13 как 3:1, то при повороте рукоятки 19 на 60° пульсатор 16 перемещается на 180°, и вектор тяги меняет свое направление на противоположное. Это приводит к торможению или обратному (заднему) ходу (реверсу).
При установке на заявленное транспортное средство двух устройств 2, преобразующих кинетическую энергию вала/валов вращения 3 силовой установки 4 в управляемое поступательное движение корпуса 1, управление осуществляется каждым устройством 2 (фиг.16), что значительно расширяет возможности управления. Контроль положения вектора тяги производится по прибору 29, показывающему суммарный вектор тяги, а также по приборам 30 и 31 векторов тяги соответственно левого и правого устройств 2. Положение пульсаторов может определяться световым индикатором 32 на щитке приборов 28.
Рабочее место оператора 6 выполняется с соблюдением всех эргономических требований и, в зависимости от конкретного назначения и сферы применения транспортного средства, оснащается необходимыми средствами жизнеобеспечения (фиг.17).
Величина силы тяги Fт регулируется оборотами вала вращения 3 (фиг.3), который может приводится во вращение от различных двигателей (например, от двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных установок, электродвигателей, питающихся от аккумуляторных устройств солнечных батарей, и других устройств), которые в заявленном транспортном средстве не рассматриваются.
Управление работой силовой установки 4 осуществляется (фиг.17) педалью 34 и сводится к контролю оборотов вала вращения 3 по прибору 33.
Для наглядности ниже приводится в виде таблицы зависимость направления векторов тяги от положения рукояток 19 на устройствах 2 (фиг.16).
| N опер | ПОЛОЖЕНИЕ РУ | ОПЕРАЦИЯ | НАПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРА ТЯГИ | |||
| лев | прав | лев | главн | прав | ||
| 1 | I | I | Нейтраль | ← | • | → |
| 2 | II | II | Вперед | ↑ | ↑ | ↑ |
| 3 | I | III | Поворот левый | ← | ← | ← |
| 4 | III | I | Поворот правый | → | → | → |
| 5 | IV | IV | Тормоз | ↓ | ↓ | ↓ |
| 6 | IV | IV | Задний ход | ↓ | ↓ | ↓ |
| 7 | IV | II | Вращение левое | ↓ | • | ↑ |
| 8 | II | IV | Вращение правое | ↑ | • | ↓ |
| 9 | I | II | Вираж левый | ← |
|
↑ |
| 10 | II | I | Вираж правый | ↑ |
|
→ |
Также приводится номограмма, которая связывает (теоретически обоснованные) четыре основных параметра устройства 2: обороты вала вращения 3 (n), скорость заявленного транспортного средства (V), мощность устройства 2 (N) и время разгона t.
| N л.с. | n, об/мин | V, м/с | |||||||||
| 152 | 900 | 5,3 | 10,6 | 15,9 | 21,2 | 26,5 | 31,8 | 37,1 | 42,4 | 47,7 | 53 |
| 106 | 800 | 4 | 8 | 12 | 16 | 20 | 24 | 28 | 32 | 36 | 40 |
| 72 | 700 | 3,2 | 6,3 | 9,5 | 12,7 | 15,9 | 19 | 22,2 | 25,4 | 28,5 | 31,7 |
| 45 | 600 | 2,2 | 4,3 | 6,5 | 8,6 | 10,8 | 12,9 | 15,1 | 17,3 | 19,4 | 21,6 |
| 26 | 500 | 1,3 | 2,7 | 3,9 | 5,3 | 6,6 | 7,9 | 9,3 | 10,6 | 11,9 | 13,8 |
| 13 | 400 | 0,8 | 1,6 | 2,3 | 3,1 | 3,9 | 4,7 | 5,5 | 6,2 | 7 | 7,8 |
| 6 | 300 | 0,2 | 0,5 | 0,7 | 1,0 | 1,2 | 1,5 | 1,7 | 2 | 2,2 | 2,5 |
| 3 | 232 | Порог | - | - | - | - | - | - | - | 0 | |
| t, c | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
На основе теоретического обоснования заявленного транспортного средства разработана методика проектных расчетов для выбора оптимальных вариантов конструкций. Содержание методики раскрывается на примере расчета условного транспортного средства, у которого масса М=500 кг, радиус рычага с грузом R=0,8 м, плечо пульсатора d=0,6 м, подвижная масса m1=4 кг. Движение предполагается по твердой поверхности с коэффициентом трения скольжения µ=0,5, причем без учета сопротивления воздуха.
Расчет проводится в следующей последовательности:
1. Определяются коэффициенты натяжения гибкой связи 27 f1 и f2:
где α=0,1°:-28°, 
r2=2R-d-r1,
Результаты расчетов сводим в таблицу 1 и определяем средние значения коэффициентов:
f1=9,11,
f2=9,65.
2. Коэффициенты преобразования fA и fB:
Результаты сводим в таблицу 1, получаем:
fA=18,63,
fB=18,67.
3. Сила сопротивления RC:
RC=µCT N=µCT Mg=0,5·500·9,8=2450 Н.
4. Пороговая окружная сила Рп при TA=Rc:
5. Силы натяжения нити гибкой связи 27 T1 и Т2 при пороговом значении Рп:
T1=f1PП=9,11·131,5=1198 Н,
Т2=f2РП=9,65·131,5=1269 Н.
6. Равнодействующая TA и ТВ сил T1 и Т2:
ТA=fAРП=18,63·131,5=2450 Н,
ТВ=fВРП=18,67·131,5=2455 Н.
7. Направление векторов сил TA и ТВ:
8. Пороговое значение угловой скорости рычага 10 ωп:
9. Пороговая частота вращения рычага 10 nп:
10. Потребная мощность для обеспечения порогового значения ωп:
Nп=Рпdωп=131,5·0,6·24,3=1917 Вт=2,6 л.с.
11. Угловая скорость рычага 10:
где: n=232-3000 об/мин. Результаты расчетов сводим в таблицу 2.
12. Окружная сила Р в зависимости от угловой скорости:
13. Значения сил TA и ТB:
ТA=fAР; ТВ=fВР.
14. Сила инерции подвижной массы m1 в зависимости от угловой скорости рычага 10:
Fи=ω2m1R.
15. Проекция силы ТB на подвижную ось X':
ТВХ=ТBCosγ2.
16. Сила тяги устройства 2 FT:
FT=TA+(Fи-ТBCosγ2)Cosγ1.
17. Движущая сила:
F=FT-RC.
18. Потребная мощность:
N=Р d ω.
Результаты расчетов по пунктам 11-18 приведены в таблице 2.
19. Число столкновений гибкой связи 27 в секунду:
Полученные результаты сводим в таблицу 3.
20. Продолжительность столкновения гибкой связи с пульсатором:
21. Элементарный импульс движущей силы:
ΔS=Fτ.
22. Суммарный импульс движущей силы за время t:
ΣS=ΔS k t.
23. Скорость машины в зависимости от оборотов рычага 10 и продолжительности разгона:
M(V-Vo)=ΣS.
Принимаем начальную скорость Vo=0, время t=1-30 с.
Результаты сводим в таблицу 4.
Как следует из расчетов, при оборотах вала вращения 3 устройства 2 в диапазоне n=230-1000 об/мин рассматриваемое условное транспортное средство за 10 секунд может развить скорость 245 км/час (68 м/с), за 30 секунд - 734 км/час (204 м/с). При этом потребуется максимальная мощность силовой установки, равная 150 кВт (207 л.с.)
Для достижения более высоких скоростей потребуется увеличение мощности транспортного средства. При оборотах вала вращения 3 n=3000 об/мин скорость заявленного транспортного средства может достигать 6825 км/час (1896 м/с) за 30 секунд разгона. При этом затрачиваемая мощность составит 4 тыс. кВт (5600 л.с.). При снижении уровня
максимальных оборотов до n=900 об/мин транспортное средство за 10 секунд набирает скорость 190 км/час (53 м/с), за 30 секунд - 576 км/час (160 м/с). Для этого потребуется мощность 111 кВт (152 л.с.). Такой вариант транспортного средства может вызвать определенный интерес потребителя.
Результаты расчетов других вариантов конструкций заявленного транспортного средства при М=500 кг, R=0,5 м, d=0,35 м, m=3 кг, n=1600 об/мин, µ=0,9 с двумя преобразователями без учета сил аэродинамического и гидравлического сопротивления представлены в следующей таблице.
Полный расчет основных параметров данного варианта представлен в следующей таблице и в прилагаемых к ней таблицах I, II, III, IV, V.
Заявленное транспортное средство является универсальным. Оно предназначается для движения в различных природных средах. Это достигается установкой средства 2, создающего необходимую силу тяги за счет преобразования кинетической энергии вала вращения 3 с грузом 11 в управляемое поступательное движение корпуса 1. Поэтому целесообразность оснащения его теми или иными опорными устройствами (колесами, лыжами, поплавками и т.п.) определяется исходя из прямого назначения конкретного транспортного средства и сферы его эксплуатации.
Прогрессивный вариант - отсутствие каких-либо опор, так как устройство 2 позволяет управлять направлением вектора тяги, выполнять сложные маневры и торможение независимо от контактной окружающей среды. Функции опорных устройств может выполнять высокопрочный корпус с антифрикционным покрытием.
На фиг.18 представлен общий вид действующей модели универсального транспортного средства с безопорным корпусом.
На фиг.19 представлен общий вид действующей модели универсального транспортного средства с безопорным корпусом и открытым фонарем кабины.
На фиг.20 представлен вид действующей модели, показывающий, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на трех лыжных опорах.
На фиг.21 представлен вид действующей модели, показывающий, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на одной гладкой опоре.
На фиг.22 представлен вид действующей модели, показывающий, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на колесно-лыжной опоре с прицепом.
На фиг.23 представлен вид действующей модели, показывающий, как может выглядеть универсальное транспортное средство с корпусом 1 на трех гладких опорах.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 304176, MКИ B60F 5/00.
2. FR 2896728 A1, МКИ В60F 5/02.
3. RU 000230541 C2, МКИ В60F 5/00.
4. FR 2848147 A1, МКИ В60F 5/00.
Принятые обозначения
1. Корпус.
2. Устройство, преобразующее кинетическую энергию.
3. Вал вращения.
4. Силовая установка.
5. Топливный бак.
6. Место оператора.
7. Место пассажира.
8. Пульт оператора.
9. Редуктор.
10. Рычаг.
11. Груз.
12. Прорезь в рычаге 10.
13. Ведомая шестерня.
14. Ось вращения ведомой шестерни.
15. Управляемая пластина.
16. Пульсатор.
17. Ведущая шестерня.
18. Ось вращения ведущей шестерни.
19. Рукоятка.
20. Пружина.
21. Опорная площадка для пружины.
22. Фиксатор.
23. Ручка.
24, 25, 26. Выточки соответственно на валу вращения 3, грузе 11 и пульсаторе 16.
27. Гибкая связь.
28. Щиток приборов.
29. Прибор указателя суммарного вектора тяги.
30. Прибор указателя вектора тяги левого устройства 2.
31. Прибор указателя вектора тяги правого устройства 2.
32. Световой индикатор.
33. Прибор, отражающий работу силовой установки 4.
34. Педаль управления.
1. Универсальное транспортное средство для перемещения по земле, по воде и под водой, содержащее корпус с размещенной в нем силовой установкой с валом вращения к устройству преобразования кинетической энергии в управляемое поступательное движение корпуса по контактной с ним поверхности, отличающееся тем, что устройство преобразования кинетической энергии в управляемое поступательное движение выполнено в виде инерционного механизма, включающего размещенные в нем рычаг с прорезью, один конец которого жестко закреплен на валу вращения, а на другом в прорези установлен груз, пульсатор, укрепленный на конце управляемой пластины, причем на валу вращения, грузе и пульсаторе выполнены выточки с размещенной в них гибкой связью, а их оси расположены параллельно, при этом второй конец управляемой пластины жестко соединен с осью ведомой шестерни, входящей в зацепление с ведущей шестерней, на оси последней в фиксаторе размещена подпружиненная рукоятка с ручкой, а устройство преобразования кинетической энергии в управляемое поступательное движение неподвижно укреплено на корпусе универсального транспортного средства.
2. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен обтекаемым со всех сторон, герметичным, а в верхней его части - с прозрачным фонарем с возможностью открывания последнего.
3. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что на корпусе неподвижно укреплено два инерционных механизма с разнонаправленными валами вращения.
4. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что инерционный механизм снабжен двумя соосными рычагами разнонаправленного вращения с грузом.
5. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что рычаг инерционного механизма снабжен балансирным грузом.
6. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что инерционный механизм снабжен двумя гибкими связями.
7. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что инерционный механизм снабжен ограничителем гибкой связи для малых оборотов вала вращения.
8. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен с плоским усиленным днищем и имеет антифрикционное покрытие.
9. Универсальное транспортное средство для перемещения в различной среде по п.1, отличающееся тем, что корпус размещен на гладкой опоре, или на колесно-лыжной опоре, или на трех гладких опорах.
