Исследование работы колесно-шагающего движителя и двигателя для передвижения по лестничным маршам (стр. 2 из 4)
По 3 степени проходимости движитель должен преодолевать рельефную поверхность высотой до 0,25 радиуса колеса.
По 4 степени проходимости движитель не рассчитан на преодоление рельефных неровностей и фрикционной сопротивляемости дороги.
5. Универсальность хода. Универсальным ходом обладают движители, способные передвигаться одинаково, без скольжения как в ведущем режиме, так и в прицепном режиме. Предусмотрены два вида движителя: 1 вид – движители с универсальным ходом и 2 вид – движители, передвигающиеся только в ведущем режиме.
6. Устойчивость движения. Устойчивость движителя определяется по расположению центра масс движителя относительно опорной площадки, образующейся между контактными точками опор. Для каждой конструкции движителя существует определенный угол подъема и опускания, когда направление вектора силы веса выходит из области опорной площадки, т.е. наступает предельная устойчивость. Поэтому установлены 4 шкалы устойчивости, которые не доходят до предела устойчивости:
- 1 шкала устойчивости – 45°;
- 2 шкала устойчивости – 40°;
- 3 шкала устойчивости – 30°;
- 4 шкала устойчивости – 20°.
Шкала устойчивости как угол определяется из треугольника, основанием которого является прямая, соединяющая точки передней и задней опоры движителя. Вершина этого треугольника совпадает с центром масс движителя. Угол шкалы устойчивости отсчитывается от вертикальной прямой, проходящей через точку центра масс до одной из сторон треугольника. Этот угол показывает предельную устойчивость движителя. Чем выше расположен центр масс относительно опорной плоскости, тем меньше угол устойчивости, тем хуже конструкция.
7. Автономность движителя.Автономность движителя определяется тем, что движитель имеет свой привод и свой источник питания. Для передвижения и маневрирования не нуждается в посторонней помощи. Ходовая часть универсальная, т.е. передвигается одинаково по ровной поверхности и по рельефной, и по податливой поверхности опоры.
Установлено два вида: 1 вид – автономный и 2 вид – неавтономный.
Определение качества конструкции движителя по степени соответствия к установленным требованиям
Сегодняшний потребительский спрос проходимости транспортных средств соответствует выполнению указанных семи требований, каждый из которых имеет четыре шкалы соответствия. Это есть стандарт проходимости транспортных средств. Дальнейший рост потребительского спроса может быть другой, т.е. более ужесточенным. Соответственно с этим и может изменяться стандарт по качеству проходимости транспортных средств.
В данной работе для сравнения качества конструкции своей разработки автор сравнивает ее со всеми известными на сегодня конструкциями движителей, предназначенных для передвижения по лестничным маршам гражданских зданий.
Экраном сравнения является квадратно-координатная сетка, разработанная профессором А. Муратовым.
Из сравнения конструктивных решений, известных до 2007 года движителей, предназначенных для передвижения по лестничным маршам, как в странах постсоветского пространства, так и в дальнем зарубежье, на квадратно-координатной сетке (рисунок 1) видно, что все известные решения основываются на использовании крайне сложных конструктивных элементов, таких как прецизионные механизмы, планетарные зубчатые механизмы, требующие высокой точности изготовления. Как правило, рекомендуются многозвенные механизмы с низким коэффициентом полезного действия. Все это увеличивает мощность двигателя привода движителя. Тогда как источником энергии на таких движителях могут быть только аккумуляторные батарейки.
Рисунок 1 – Квадратно-координатная сетка
Устройство и принцип работы нового предлагаемого движителя для передвижения по лестничным маршам
Предлагаемый движитель, оснащенный шагающим колесом, является самым простым по конструкции движителем, предназначенным для передвижения по лестницам (рисунок 2). Шагающим колесом названо колесо без обода, опирающееся к опоре своими спицами. Опорное устройство с крестовиной, сочлененной несколькими колесами, является известным устройством, также предназначенным для передвижения по лестницам.
Движитель состоит из рамы 1, имеющей кулачковые направляющие 2, и сквозной направляющей 4, выполненный вдоль вертикальной оси симметрии кулачкового направляющего, шагающего колеса, жестко выполненного своей ступицей 5 и снабженного роликовыми опорами 3 в каждой спице. Для обеспечения устойчивости движителя раме на 1 установлено опорное устройство, состоящее из крестовины 6, сочлененной с четырьмя опорными колесами 7. Движитель работает следующим образом: вращение от рычага управления (при ручном приводе) или от привода (при электрическом приводе) передается к шагающему колесу со ступицей 5 и от ступицы 5 передается к раме 1 через направляющий паз 4 рамы.
Рисунок 2 – Движитель, оснащенный шагающими колесами
Роликовые опоры 3 шагающего колеса, удерживая рамы, перекатываются по кулачковой направляющей рамы 2.
Взаимодействие лестницы жилых зданий с колесом при подъеме и опускании по лестничным маршам
Рассмотрим процесс взаимодействия шагающего колеса с лестницей (рисунок 3). Для того чтобы при движении по лестнице, спицы шагающего колеса все время наступали на полки лестницы на одинаковом расстоянии от ее кромки, необходимо, чтобы величина радиуса колеса и количество спиц шагающего колеса должны быть взаимосвязанными. Принимаем в расчет общепринятые стандартные размеры полки лестницы. Длина полки L = 300 мм, высота полки – h = 150 мм. Шаг шагающего колеса равен хорде «ab» окружности. Эту хорду обозначим через S, а дугу окружности, огибающую эту хорду, обозначим соответственно через «D».
Длина хорды:
. (1)Из треугольника aob (рисунок 3, a) можно определить величину радиуса r шагающего колеса так:
, (2) 
. (3)Величину угла можно задавать с учетом устойчивости хода шагающего колеса, передвигающегося по лестнице. Этот угол, согласно указанному ограничению, может быть задан меньше чем 90º от линии наклона лестницы (то же самое от хорды S). Число спиц определяется исходя из условия:
, (4)т.е. длина дуги окружности равна произведению радиуса окружности и растягивающего эту дугу угла из aob.
а) 
б)Рисунок 3 – Взаимодействие шагающего колеса с лестницей
Тогда число спиц равно:
. (5)Если задаться углом:
, (6) 
.Аналогично определяются параметры опорной части движения, состоящей из крестовины и опорных колесников, исходя из условия взаимодействия лестницы опорным устройством движителя.
Диаметры опорных колес могут быть определены исходя из других условий, т.к. этот параметр не зависит от взаимодействующих параметров лестницы. При проектировании ведущего шагающего колеса стараются закладывать в проект большое количество спиц, т.к. с уменьшением количества спиц, увеличивается амплитуда вертикального колебания колеса при передвижении по ровной дороге.
А при проектировании опорного устройства стараются закладывать в проект как можно меньшее количество спиц крестовины, т.к. опорное устройство при передвижении по ровной поверхности дороги перекатывается с помощью опорных колес. Принято выполнять конструкции крестовины из трех или из четырех спиц. Центр ступицы трехспицевой крестовины располагается ниже четырехспицевой крестовины. Поэтому требуется приложить относительно больше усилий для перешагивания на следующую ступеньку лестницы. Количество спиц также определяется путем задания угла γ из равенства:
. (7)Если задаться
то 
.Если задаться
то 
.Взаимодействие шагающего колеса с поверхностью дороги
Колеса транспортных средств и опорная поверхность дороги всегда должны быть в контакте и взаимодействовать в зависимости от веса экипажной части. В точке контакта возникает реакция «действие и противодействие взаимодействующих тел». Поэтому возникает и сила трения, и сила сцепления. Величина этих сил будет зависеть от величины внешней силы, осуществляющей замыкание двух тел.
Кроме того, при взаимодействии двух тел всегда возникает деформация самих взаимодействующих тел. Это существенно меняет картину взаимодействия.
Учет всех этих факторов необходим для определения силы сопротивления к качению колеса относительно своей оси вращения. В свою очередь для определения величины движущей силы привода необходимо знать величину силы сцепления, т. е. силы сопротивления, так как в момент трогания с места величина движущей силы равна величине силы сопротивления качению (сила сцепления).