Колесо и способ его приведения во вращение
Колесо (10) содержит наружный обод (20), ступицу (30) и по меньшей мере одно опорное устройство, посредством которого наружный обод (20) колеса опирается на ступицу (30); при этом в указанном колесе предусмотрено регулировочное устройство (48), посредством которого регулируется положение ступицы (30) относительно наружного обода (20) колеса. Опорное устройство (40) содержит множество опорных элементов (42), располагаемых между ступицей (30) и наружным ободом (20) колеса; при этом опорные элементы (42) располагаются по трехмерной схеме таким образом, что положение ступицы (30) относительно наружного обода (20) колеса может регулироваться с пятью степенями свободы. Технический результат – расширение арсенала технических средств. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к колесу, которое характеризуется наличием наружного обода, ступицы и, по меньшей мере, одного опорного устройства, посредством которого наружный обод колеса опирается на ступицу. Настоящее изобретение также относится к способу приведения во вращение колеса указанного типа.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
На известном уровне техники для приведения колеса во вращение используются двигатели внутреннего сгорания или, к примеру, электродвигатели. Передача механической энергии от двигателя к колесу осуществляется через так называемую трансмиссию, например коробку передач с валами, цепями, ремнями и иными элементами подобного рода. На известном уровне техники используются также двигатели с пневматическим или гидравлическим приводом. Для приведения колеса во вращение используется также мышечная сила, энергия ветра и сила инерции при спусках.
Подвеска и рулевое управление обычно реализуются с использованием подвижных и/или поворотных монтажных узлов, которые, соответственно, не жестко соединены с транспортным средством, обеспечивая свободное вращение ступицы колеса.
В случае с двигателями внутреннего сгорания торможение обычно осуществляется за счет преобразования кинетической энергии в тепло с помощью тормозных дисков или барабанов, а также тормозных колодок. В случае с электродвигателями торможение частично осуществляется за счет изменения направления энергетического потока на обратное и, соответственно, регенерации (рекуперации) электрической энергии. Кроме того, известны и иные способы рекуперации энергии, например с использованием компрессоров или замедлителей.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить колесо и способ приведения такого колеса во вращение; при этом предложенное колесо и предложенный способ его приведения во вращение позволяют реализовать альтернативное приводное действие.
Цель настоящего изобретения достигается за счет колеса, отличающегося признаками по пункту 1 формулы изобретения, а также способа приведения во вращение такого колеса, предусматривающего признаки по пункту 12 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Колесо согласно настоящему изобретению отличается тем, что в нем предусмотрено регулировочное устройство (регулировочный механизм), с помощью которого регулируется положение ступицы относительно наружного обода колеса, в частности в непрерывном режиме, в частности во время вращения колеса.
Способ приведения колеса во вращение согласно настоящему изобретению отличается тем, что с целью приведения колеса во вращение регулируется положение ступицы относительно наружного обода колеса, что осуществляется, в частности, в непрерывном режиме.
Основная идея заявленного изобретения заключается в использовании ступицы, не жестко соединенной с ободом колеса; при этом перемещение указанной ступицы относительно наружного обода колеса в разных направлениях может регулироваться. С этой целью предусмотрен регулировочный механизм или регулировочное устройство, которое активно перемещает ступицу относительно наружного обода колеса, в частности в разных радиальных направлениях. Наружный обод колеса предпочтительно представляет собой колесный диск, возможно вместе с шиной. Обод колеса характеризуется наличием наружной поверхности качения, образованной, например, самим ободом или шиной. Регулировочное устройство в предпочтительном варианте является частью опорного устройства, которое обеспечивает опирание наружного обода колеса на ступицу. Регулировочное устройство, таким образом, предпочтительно располагается между ступицей и наружным ободом колеса. С помощью регулировочного устройства ступица активно перемещается относительно наружного обода колеса, а/или наружный обод колеса активно перемещается относительно ступицы, в частности, для того, чтобы привести колесо во вращение за счет указанного перемещения или движения. Таким образом, регулировочное устройство выполнено с возможностью генерирования силы в области между ступицей и ободом колеса, вызывающей прогиб ступицы и/или обода колеса (или его части). Сила, действующая между ступицей и ободом колеса, может быть использована для приведения во вращение колеса. Регулировочное устройство воздействует на опорные элементы; при этом оно может также являться частью опорного устройства.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения регулировочное устройство выполнено с возможностью смещения ступицы, в частности в непрерывном режиме в разных направлениях (в частности, в радиальных направлениях) относительно геометрического центра колеса, в частности во время его вращения. За счет отклонения от геометрического центра, как это происходит, в частности, если прогиб идет под углом к вектору силы, воздействующей на колесо, возникает усилие рычага, которое приводит колесо во вращение. Обеспечивая непрерывное вращение колеса, ступица постоянно смещается в разных радиальных направлениях, вследствие чего усилие рычага действует в непрерывном режиме. В предпочтительном варианте регулировочное устройство выполнено с возможностью как смещать ступицу в разных радиальных направлениях относительно обода колеса, так и регулировать расстояние, на которое смещается ступица в радиальном направлении, в режиме непрерывного плавного изменения. Геометрический центр предпочтительно представляет собой геометрическую центральную точку или геометрический центр тяжести, в частности той области колеса, которая идет перпендикулярно оси колеса. В случае с колесом круглой формы геометрическим центром будет центр круга. Математически центр тяжести или центральная точка определяется путем усреднения всех точек области колеса, ограниченной ободом.
В предпочтительном варианте регулировочное устройство выполнено с возможностью возбуждения движения ступицы колеса относительно геометрического центра наружного обода по орбитальной траектории. Регулировочное устройство предпочтительно выполнено с возможностью возбуждения движения ступицы колеса относительно геометрического центра по круговой траектории в статической системе координат вращающегося колеса.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения опорное устройство характеризуется наличием нескольких - предпочтительно, по меньшей мере, трех - опорных элементов, соединяющих ступицу с наружным ободом колеса. Регулировочное устройство предпочтительно выполнено с возможностью изменения длины опорных элементов, расположенных между ступицей и ободом колеса. Особенно предпочтительно, чтобы обод колеса опирался на ступицу также и через регулировочное устройство или чтобы регулировочное устройство, по меньшей мере, содействовало опиранию обода колеса на ступицу, вследствие чего его можно было бы рассматривать как часть опорного устройства. Соответственно, в предпочтительном варианте каждый опорный элемент содержит регулировочное устройство; при этом регулировочное устройство выполнено с возможностью регулирования длины опорных элементов между ступицей и ободом колеса. Суть заключается в том, что в предпочтительном варианте каждый опорный элемент всегда активируется в индивидуальном порядке так, что можно задать любое требуемое положение ступицы в пределах определенной области плоскости колеса. Таким образом, за счет изменения длины отдельных опорных элементов обеспечивается требуемое смещение ступицы или регулировка ее положения - в частности в режиме непрерывного плавного изменения - в определенной области плоскости колеса.
С помощью регулируемых по длине опорных элементов (например, спиц или распорок) можно направленно и активно смещать ступицу относительно геометрического центра колеса таким образом, чтобы во взаимодействии с силой, воздействующей на колесо (например, силой тяжести транспортного средства), на колесе возникал крутящий момент. Регулировочное устройство может представлять собой, например, телескопическое устройство. К примеру, могут быть предусмотрены телескопические спицы или распорки, которые могут отводиться или выдвигаться с помощью цилиндра, выполняющего тактовые движения. Однако, в общем, возможны любые иные варианты реализации регулировочного устройства, обеспечивающие перемещение ступицы в плоскости колеса за счет изменения длины опорных элементов. Например, могут быть предусмотрены распорки в виде диска или спицы изменяемой формы, располагаемые между ступицей и ободом колеса; при этом их форма может активно изменяться таким образом, чтобы ступица перемещалась относительно обода колеса.
Регулировочное устройство может иметь, например, электромеханический, и/или гидравлический, и/или пневматический привод. Важно, чтобы было обеспечено не только свободное подвешивание или упругое крепление ступицы, но и чтобы ступица могла активно перемещаться относительно обода колеса (и наоборот). Например, с этой целью спицы колеса могут содержать электромеханические, гидравлические и/или пневматические цилиндры, выполняющие тактовые движения. Для регулировки, в частности для регулировки длины и/или формы опорных элементов, используется регулировочное устройство с электромеханическим, гидравлическим и/или пневматическим приводом.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения опорное устройство снабжено множеством деформируемых опорных элементов (предпочтительно, тремя), которые располагаются между ступицей и ободом колеса. Способность к деформации, в частности упругость опорных элементов, обеспечивает возможность их относительного перемещения между ступицей и ободом колеса. С целью обеспечения автоматической коррекции ступицы регулировочное устройство в предпочтительном варианте выполнено, в частности, с возможностью регулирования формы, и/или упругих свойств, и/или предварительной нагрузки опорных элементов независимо друг от друга. Таким образом, форма, и/или упругие свойства, и/или предварительная нагрузка каждого отдельного опорного элемента может быть изменена в индивидуальном порядке таким образом, чтобы, например за счет разных упругих свойств отдельных опорных элементов, можно было обеспечить смещение ступицы относительно обода колеса. В этом контексте, например, первый опорный элемент толкает ступицу в направлении противоположной стороны обода с большей силой, чем второй опорный элемент. За счет непрерывного изменения формы, упругих свойств и/или предварительной нагрузки опорного элемента может быть обеспечено «блуждающее перемещение» ступицы в пределах обода колеса.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения обод колеса представляет собой в техническом смысле размерно-устойчивый или жесткий обод. Соответственно, существенное изменение его формы не предусмотрено. Само собой разумеется, что в данном случае не исключены небольшие деформации, обусловленные действующими нагрузками (например, силой тяжести транспортного средства), Таким образом, указанный обод колеса может представлять собой обод, обычно используемый, например, в автомобилях или мотоциклах. В этой ситуации предпочтительно, чтобы регулировочное устройство было выполнено с возможностью коррекции положения ступицы с сохранением формы обода колеса. Следовательно, ступица будет перемещаться в пределах размерно-устойчивого обода колеса. В этом смысле можно, например, утверждать, что опорные элементы (спицы, распорки в виде диска и пр.) регулируются или корректируются таким образом, что обод колеса не деформируется в результате регулировки опорных элементов, несмотря на перемещение ступицы.
В еще одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрено регулировочное устройство, которое выполнено с возможностью деформирования наружного обода колеса - предпочтительно в непрерывном режиме - во время вращения колеса. Эта функция регулировочного механизма или регулировочного устройства может быть реализована, например, за счет большего сокращения расстояния между ступицей и соответствующей окружностью колеса в первом поперечном направлении (направление первого диаметра, первая полуось), чем во втором поперечном направлении (направление второго диаметра, вторая полуось). Соответственно, колесный диск может деформироваться так, что наружный обод будет двигаться по овальной, в частности эллиптической орбитальной, траектории вокруг центральной оси. Таким образом, в предпочтительном варианте обод колеса испытывает локальные деформации, величина которых варьируется по окружности колеса. В принципе, деформация может также возникать независимо от опорных элементов между ступицей и ободом колеса, например за счет деформирования шины, надетой на обод колеса. Для этого в шине могут быть предусмотрены соответствующие деформирующиеся элементы.
За счет деформации колесного диска (обода колеса и/или шины) поверхность качения может подгоняться, например, под форму или профиль подстилающей поверхности, по которой катится колесо. Это может, например, облегчить преодоление неровностей дороги (таких как бордюры, ступеньки и т.п.). Для этого в области преодолеваемого препятствия, например в области бровки или ступеньки, которую следует преодолеть, образуются локальные вмятости.
Согласно настоящему изобретению особенно предпочтительно, чтобы было предусмотрено управляющее устройство, с помощью которого можно управлять регулировочным механизмом регулировочного устройства для приведения во вращение колеса. В предпочтительном варианте управляющее устройство выполнено с возможностью непрерывного регулирования положения ступицы в плоскости колеса и/или непрерывного изменения профиля обода колеса. В предпочтительном варианте относительное перемещение ступицы и обода колеса реализовано таким образом, что сила, воздействующая на ступицу (например, сила тяжести транспортного средства), вызывает вращение колеса.
Колесо согласно настоящему изобретению называется также активным колесом или колесом с установленным приводным механизмом; при этом указанный приводной механизм является частью колеса, вращающейся вместе с колесом. Таким образом, колесо приводится во вращение за счет изменения положения ступицы относительно обода колеса и/или вследствие локальной деформации обода колеса. В результате создается усилие рычага, которое вызывает вращение колеса. При этом положение ступицы и обода колеса относительно друг друга корректируются таким образом, чтобы колесо приводилось во вращение за счет усилия рычага, воздействующего на ступицу. В предпочтительном варианте ступица активно перемещается по орбитальной траектории вокруг геометрического центра колесного диска. Дополнительно или в качестве альтернативного варианта обод колеса может подвергаться деформированию в непрерывном режиме, в частности так, чтобы он оборачивался вокруг ступицы по эллиптической орбитальной траектории.
Регулировочное устройство, корректирующее положение ступицы и обода колеса относительно друг друга и/или деформирующее обод колеса, представляет собой, соответственно, приводное устройство колеса. Привод реализуется за счет активного отклонения ступицы от геометрического центра колеса и/или активного деформирования обода колеса, вследствие чего сила, воздействующая на ступицу, оказывается направленной под углом к воображаемой линии, соединяющей ступицу с точкой соприкосновения колеса с землей.
Настоящее изобретение может быть также описано следующим образом.
Колесо характеризуется наличием обода на его внешнем радиусе, возможно с шиной или зубчатым венцом или ременным шкивом (обод колеса является внешним элементом). Указанный обод колеса в предпочтительном варианте характеризуется круглой формой и жесткой конструкцией, хотя он может представлять собой упругий элемент с изменяемой геометрической формой. Ступица (внутренний элемент) колеса свободно вращается на валу или оси. Ступица, по меньшей мере, периодически отклоняется от геометрического центра колеса. Могут быть предусмотрены устройства или средства передачи электрической, пневматической или гидравлической энергии от предпочтительно неподвижного вала на вращающуюся ступицу или вращающееся колесо. Кроме того, может быть предусмотрено управляющее устройство, регулирующее передаваемую энергию.
Между ступицей (внутренним элементом) и внешним элементом могут быть предусмотрены соединительные элементы, например три и более спицы или распорки в виде диска или соединительные элементы подобной формы. Указанные соединительные элементы могут располагаться в один ряд или в несколько рядов (в осевом направлении). Кроме того, эти соединительные элементы могут изгибаться по дуге или перекрещиваться или же иметь конфигурацию в виде ножниц (подобно автопогрузчику), а также могут быть выполнены в виде сфер или цилиндров. Соединительные элементы согласно настоящему изобретению могут быть упругими или жесткими.
Важнейшим аспектом заявленного изобретения является то, что соединительные элементы представляют собой исполнительные органы или «активные элементы». Соединительные элементы могут характеризоваться жесткой конструкцией или изменяемой (например, с помощью электромеханического, магнитного или гидравлического привода) конфигурацией в части длины или формы. Кроме того, соединительные элементы могут быть упругими или характеризоваться изменяемой (например, с помощью пневматических средств, к примеру пневматических мышц, или электрических средств: активных элементов, таких как пьезометаллические композиты) конфигурацией в части их предварительного нагружения и жесткости.
Соединительные элементы оказывают воздействие на область между ступицей и внешним элементом и таким образом вызывают их перемещение. За счет непрерывного движения энергия, которая подается на соединительные элементы, может быть преобразована в движущую силу колеса. Это реализуется, в частности, за счет смещения ступицы - с помощью активных элементов - относительно геометрического центра внешнего элемента (обода колеса). После этого, если сила, например сила тяжести транспортного средства, оказывает вертикальное воздействие сверху на ступицу колеса, а ступица смещена по горизонтали, возникает крутящий момент, поскольку точка приложения реакции - в данном случае точка соприкосновения колеса с землей - оказывается смещенной назад относительно центра ступицы, вследствие чего транспортное средство приводится в движение. Если исполнительные органы (с подачей энергии) активируются таким образом, что центр ступицы во вращающейся несинхронно системе координат всегда сохраняет одно и то же положение относительно начала вращающейся системы координат колеса или его внешнего элемента, то указанный крутящий момент будет сохраняться даже при вращении колеса, вне зависимости от его скорости. Таким образом, в ровной горизонтальной плоскости транспортное средство будет как будто «катиться с горы». В синхронно вращающейся системе координат колеса или его внешнего элемента (обода колеса) ступица описывала бы круговую траекторию, но сама бы не вращалась. Этот принцип верен и для обратной ситуации, т.е. если ступица смещена назад относительно точки соприкосновения колеса с землей, то происходит торможение; при этом также возможна рекуперация энергии.
За счет соответствующей трехмерной схемы расположения опорных (активных) элементов (например, 2×3 элемента в двух плоскостях) обеспечивается возможность регулирования ступицы относительно вращающегося наружного элемента с несколькими - в частности пятью - степенями свободы, благодаря чему (помимо приводного действия) можно также обеспечить коррекцию угла схождения, развала и/или поворота и/или обеспечить своего рода подвеску. С учетом такой подвески и соответствующей регулировки становится возможным и активное демпфирование.
Дополнительной, шестой, степенью свободы является вращение вала, на котором установлена ступица, вокруг своей оси. Указанная степень свободы, в общем, может также регулироваться приводным валом или двигателем. Однако благодаря настоящему изобретению это больше не является необходимым условием для приведения колеса во вращение.
При использовании колеса согласно настоящему изобретению основной предпосылкой для преобразования энергии в движение служит сила, которая действует снаружи на окружность колеса и которая полностью не уравновешивается силой противодействия ступицы (и наоборот), так как векторы обеих сил не направлены в одну точку или не параллельны друг другу, в результате чего возникает дополнительный крутящий момент или дополнительная сила, в качестве которой может выступать, например, сила инерции транспортного средства при ускорении или сила трения (аэродинамическое сопротивление и/или сопротивление качению) транспортного средства при движении на большой скорости. При установке такого колеса на транспортном средстве это может быть сила притяжения массы, действующая на ось или вал, и сила противодействия в точке соприкосновения колеса с дорожным покрытием. При вождении машины указанные силы могут порождаться, например, ремнем или цепью, проходящей по наружной окружности, или радиальной силой, которая прижимает зубцы шестерни к наружной окружности другой шестерни.
В ситуации, когда колесо согласно настоящему изобретению используется на транспортном средстве в качестве ведущего и приводного колеса, движущая сила находится в пропорциональной зависимости от расстояния, на которое смещается центр ступицы относительно центра колеса (и, соответственно, точки соприкосновения колеса с землей). Таким образом, максимальная движущая сила ограничена значением, которое может быть получено при максимальном смещении. Кроме того, движущая сила пропорциональна воздействующей на ось силе тяжести так, что достижимое ускорение не зависит от состояния нагрузки транспортного средства (если исходить из того, что исполнительные органы/активные элементы способны передавать соответственно требуемые усилия). Кроме того, достижимое ускорение остается неизменным во всем диапазоне значений угловой скорости (если исходить из того, что исполнительные органы/активные элементы способны реализовывать вырабатываемый объем энергии, потребный для этой цели при соответствующих рабочих частотах). Однако предпочтительно задать верхний предел используемой угловой скорости или рабочих частот исполнительных органов, который может быть относительно высок в случае использования металлопьезокерамических элементов.
В части технических характеристик идея привода согласно настоящему изобретению лежит в пределах между электродвигателем (максимальный крутящий момент наблюдается в состоянии покоя; при этом выходная мощность остается практически неизменной в диапазоне используемых значений угловой скорости) и двигателем внутреннего сгорания (крутящий момент возрастает с увеличением числа оборотов двигателя; при этом выходная мощность возрастает скачкообразно).
Максимальное значение силы/ускорения, в частности, зависит от отношения максимального установочного перемещения ступицы к радиусу колеса, т.е. от диаметра колеса. В идеальном случае верхний предел ускорения теоретически может составить 1 G (макс. значение силы М * 1 G).
Выходная мощность или преобразование энергии возрастает линейно при увеличении частоты вращения и ускорении массы (при воздействии на колесо, а, например, не на прицепную тележку с «пассивными колесами»).
Наружный профиль колеса не обязательно должен быть жестким и иметь строго круглую форму. Может быть предусмотрена, например, возможность деформирования наружного профиля колеса по всей окружности, в результате которого оно принимает вид, например, наклонного эллипса; при этом колесу также сообщается движение вперед, как и в случае, описанном выше. С другой стороны, предусмотрена возможность лишь локального изменения наружного профиля колеса, например с помощью соответствующих активных элементов в брекере шины с тем, чтобы напряженное состояние, например в поле зацепления шины, изменялось таким образом, чтобы вектор прилагаемого усилия смещался назад или вперед относительно центра колеса. Таким способом можно, например, компенсировать сопротивление качению шины. В этом случае энергия, потребная для преодоления сопротивления качению, передается активным элементам в брекере шины. Таким образом, может быть реализована система, которая даже под нагрузкой и при относительно высокой гибкости шины может откатываться вперед и назад без явного трения. В еще одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения можно также обеспечить адаптацию профиля шины или колеса к форме препятствий, таких как, например, ступеньки или бордюры, с помощью активных элементов за счет определенной схемы расположения сенсоров, сканирующих окружающую обстановку по ходу движения транспортного средства. Благодаря этому можно без труда преодолевать такие препятствия.
Кроме того, при приведении в действие исполнительных органов соответствующим образом можно также обеспечить преобразование энергии в движущую или тяговую силу за счет колебаний вала или оси, на которой вращается ступица и которая жестко или подвижно соединена с транспортным средством или каким-либо элементом машины.
Благодаря настоящему изобретению появилась возможность объединить функции подвески, демпфирования, ручного управления, приведения в движение и/или рекуперации в одной системе, располагаемой - в виде исполнительных органов - между наружным ободом колеса и/или колесного диска с шиной и свободно вращающейся ступицей. В этом случае можно обойтись без дополнительных приводов в системе (таких как, например, электродвигатель). Например, может быть предусмотрена приводная система, которая обходится вообще без вращающихся частей (помимо установки ступицы с возможностью вращения).
Активные элементы или исполнительные органы могут быть реализованы, например, в виде серповидных спиц. Эти спицы могут быть выполнены, например, из рессорной стали, покрытой с двух сторон пьезокерамикой, с тем чтобы указанные спицы могли увеличивать или уменьшать радиус своего изгиба в зависимости от напряжения, подаваемого на пьезоэлектрические элементы.
Краткое описание фигур
Настоящее изобретение будет подробно описано ниже на примере предпочтительных вариантов его осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых схематических чертежах, где:
на фиг. 1 проиллюстрирован первый вариант реализации колеса согласно настоящему изобретению в положении покоя;
на фиг. 2 изображено колесо по фиг. 1 в положении движения;
на фиг. 3 проиллюстрирован второй вариант реализации колеса согласно настоящему изобретению в положении покоя;
на фиг. 4 изображено колесо по фиг. 3 в положении движения; а
на фиг. 5 проиллюстрирован третий вариант реализации колеса согласно настоящему изобретению.
Идентичные компоненты или компоненты с идентичными функциями обозначены на всех чертежах одинаковыми номерами ссылочных позиций. Признаки, описанные в привязке к отдельным фигурам или вариантам реализации настоящего изобретения, могут комбинироваться в тех случаях, если это технически возможно.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Первый вариант реализации колеса (10) согласно настоящему изобретению показан на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 проиллюстрированное колесо (10) находится в положении покоя, а на фиг. 2 - в положении движения. Колесо (10) содержит наружный обод (20), например колесный диск, на который может быть надета шина. Обод (20) колеса имеет круглую форму и в предпочтительном варианте характеризуется жесткой конструкцией. Проиллюстрированное колесо (10) располагается на поверхности (2) земли, входя в контакт с указанной поверхностью в точке (14) соприкосновения колеса с землей. Во внутренней области колеса (10) расположена ступица (30), в которой выполнено отверстие (32) для приема вала или оси. Вал или ось может быть соединена со ступицей (30) с возможностью вращения заодно с указанной ступицей или же она может располагаться с возможностью вращения в указанной ступице. Опорное устройство (40) располагается между ступицей (30) и ободом (20) колеса; при этом опорное устройство в проиллюстрированном варианте реализации настоящего изобретения характеризуется наличием множества - в частности пяти - отдельных опорных элементов (42). Опорные элементы (42) выполнены в виде серповидных спиц, изгибающихся по дуге от наружной окружности ступицы (30) к внутренней окружности обода (20) колеса. В альтернативном варианте может быть предусмотрено иное количество опорных элементов (42). Опорные элементы (42) могут также располагаться в осевом направлении со смещением относительно друг друга или же располагаться в несколько рядов или в нескольких плоскостях.
Геометрическая центральная точка колеса (10), в частности обода (20) колеса, обозначена ссылочной позицией (12). На колесо (10) действует сила тяжести, передаваемая осью или валом, расположенным в ступице (30); при этом указанная сила тяжести направлена вертикально вниз от центра ступицы (30). Сила тяжести обозначается FG.
В положении, показанном на фиг. 2, ступица (30) активно отклоняется от центра колеса (10), т.е. от геометрического центра (12), с помощью опорных элементов (42). Таким образом, сила тяжести FG больше не действует в направлении точки (14) соприкосновения колеса с землей, а выполняет функцию рычага, придавая колесу (10) вращательное движение вправо. Для приведения в движение колеса (10) в непрерывном режиме настоящим изобретением предусмотрено следующее: с помощью опорных элементов (42) ступица (30) активно смещается таким образом, чтобы постоянно сохранялось соответствующее усилие рычага. Таким образом, ступица (30) может активно перемещаться в пределах обода (20) колеса, описывая кольцеобразную или круговую траекторию относительно обода (20) колеса. Орбитальная кольцеобразная или круговая траектория отображена на фиг. 2 штрихпунктирной линией и обозначена ссылочной позицией (18).
В варианте осуществления заявленного изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 1 и 2, активное смещение ступицы (30) относительно обода (20) колеса реализуется путем активного воздействия на отдельные опорные элементы (42) опорного устройства (40) за счет изменения предварительной нагрузки и/или упругости отдельных опорных элементов (42). Это может быть реализовано, например, за счет использования опорных элементов (42), покрытых с обеих сторон пьезокерамикой с тем, чтобы предварительную нагрузку можно было увеличивать или уменьшать в зависимости от прилагаемого напряжения электрического тока. Предварительная нагрузка регулируется управляющим устройством (50), которое лишь схематически обозначена на фиг. 1.
Колесо (10), проиллюстрированное на фиг. 3 и 4, практически совпадает с колесом (10) по фиг. 1 и 2. Поэтому ссылка дается на описание, относящееся к фиг. 1 и 2. В отличие от указанных фигур, опорные элементы (42) имеют вид телескопических спиц, которые могут активно отводиться и выдвигаться. Для этого опорные элементы (42) выполнены в виде цилиндров, выполняющих тактовые движения, и содержат цилиндр (44), в котором перемещается поршень (36), снабженный штоком. Цилиндр, выполняющий тактовые движения, например, пневматический или гидравлический цилиндр, устанавливается с возможностью вращения на ступице (30) и/или ободе (20) колеса. В предпочтительном варианте рабочая среда поступает изнутри, иначе говоря через ступицу (30). Цилиндр, выполняющий тактовые движения, служит одним из примеров регулировочного устройства (48) согласно настоящему изобретению, которое предназначено для регулирования длины опорных элементов (42) между ступицей (30) и ободом (20) колес.
На фиг. 4 показано колесо (10), соответствующее колесу по фиг. 2, в положении движения, в котором на колесо (10) воздействует крутящий момент. Ступица (30) смещена относительно геометрического центра (12) за счет соответствующей коррекции отдельных опорных элементов (42). Вектор силы тяжести FG направлен в сторону от точки (14) соприкосновения колеса с землей, благодаря чему на колесо (10) воздействует крутящий момент.
На фиг. 5 показан еще один вариант реализации колеса (10) согласно настоящему изобретению. В отличие от вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на фиг. 1-4, обод (20) колеса характеризуется деформируемой конструкцией, вследствие чего наружный профиль колеса (10) может принимать, например, овальную или эллиптическую форму. Опорное устройство (40) с опорными элементами (42), не показанное на фиг. 5, может иметь такую же конструкцию, что и варианты его реализации, представленные на фиг. 1-4. За счет деформирования наружного обода (20) колеса ступица (30), даже если она расположена в геометрическом центре колеса (10) или обода (20) колеса, может смещаться в направлении движения так, что сила тяжести будет направлена не в сторону точки (14) соприкосновения колеса с землей. В этом случае наружный обод (20) колеса вытягивается под углом к вертикали, что реализуется с помощью опорных элементов (42).
Таким образом, настоящим изобретением предложено колесо и идея приведения этого колеса во вращение путем активного регулирования положения ступицы относительно обода колеса и/или деформирования обода колеса. Благодаря колесу согласно заявленному изобретению можно обойтись, например, без электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания для приведения колеса в движение. В данном случае привод реализуется за счет варьирующегося усилия, которое оказывают опорные элементы, расположенные между ступицей и ободом колеса, вследствие чего - за счет силы, воздействующей на ступицу - возникает усилие рычага и образуется крутящий момент.
Перечень ссылочных позиций
2 Поверхность земли
10 Колесо
12 Геометрический центр
14 Точка соприкосновения с землей
18 Орбитальная траектория
20 Обод колеса
30 Ступица
32 Отверстие в ступице
40 Опорное устройство
42 Опорный элемент
44 Цилиндр
46 Поршень
48 Регулировочное устройство
50 Управляющее устройство
1. Колесо, содержащее следующие элементы:
наружный обод (20) колеса;
ступицу (30); и
по меньшей мере одно опорное устройство (40), посредством которого наружный обод (20) колеса опирается на ступицу (30);
при этом предусмотрено регулировочное устройство (48), с помощью которого регулируется положение ступицы (30) относительно наружного обода (20) колеса; при этом опорное устройство (40) содержит множество опорных элементов (42), располагаемых между ступицей (30) и наружным ободом (20) колеса; при этом опорные элементы (42) располагаются по трехмерной схеме таким образом, что положение ступицы (30) относительно наружного обода (20) колеса может регулироваться с пятью степенями свободы.
2. Колесо по п. 1, в котором регулировочное устройство (48) выполнено с возможностью смещения ступицы (30), в частности в непрерывном режиме в разных направлениях относительно геометрического центра (12) колеса (10).
3. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором регулировочное устройство (48) выполнено с возможностью перемещения ступицы (30) по орбитальной траектории (18) вокруг геометрического центра (12) наружного обода (20) колеса.
4. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором регулировочное устройство (48) выполнено с возможностью изменения длины опорных элементов (42) между ступицей (30) и ободом (20) колеса.
5. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором регулировочное устройство (48) выполнено в виде телескопического устройства.
6. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором регулировочное устройство (48) имеет электромеханический, и/или гидравлический, и/или пневматический привод.
7. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором опорное устройство (40) содержит множество деформируемых опорных элементов (42), располагаемых между ступицей (30) и наружным ободом (20) колеса, и в котором регулировочное устройство (48) выполнено с возможностью коррекции упругости и/или предварительного нагружения опорных элементов (42) независимо друг от друга.
8. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором регулировочное устройство (48) выполнено с возможностью регулирования положения ступицы (30) с сохранением формы обода (20) колеса и в котором, в частности, обод (20) колеса выполнен в виде размерно-устойчивого или жесткого диска.
9. Колесо по любому из пп. 1-7, в котором регулировочное устройство (48) выполнено с возможностью деформирования наружного обода (20) колеса, предпочтительно в непрерывном режиме, во время вращения колеса (10).
10. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором предусмотрено управляющее устройство (50), с помощью которого может активироваться регулировочное устройство (48) с целью приведения во вращение колеса (10).
11. Колесо по любому из предшествующих пунктов, в котором регулировочное устройство (48) выполнено с возможностью приложения крутящего момента и/или оказания регенерирующего воздействия на наружный обод (20) колеса.
12. Способ приведения во вращение колеса (10), в частности по одному из пп. 1-11, в котором колесо (10) характеризуется наличием наружного обода (20) колеса, ступицы (30) и по меньшей мере одного опорного устройства (40), посредством которого наружный обод (20) колеса опирается на ступицу (30); при этом:
положение ступицы (30) регулируется относительно наружного обода (20) для приведения во вращение колеса (10); и
положение ступицы (30) относительно наружного обода (20) колеса может регулироваться с пятью степенями свободы.
