Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания (варианты)
Полезная модель преимущественно относится к устройствам, предотвращающим проскальзывание колес в условиях гололеда, а также к холодильной технике к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта. Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания состоит из размещенных на корпусе транспортного средства постоянных магнитов, выдвигающихся в сторону колеса, и оснащенных элементами качения, и внедренных в колесо элементов из материала с магнитокалорическим эффектом. В наиболее простом варианте исполнения внедренные элементы выполнены в виде гранул, при изготовлении внедренных в материал колеса (шины). Для обеспечения быстрой передачи тепла (холода) к поверхности колеса гранулы материала с магнитокалорическим эффектом в следующем варианте исполнения находятся в контакте с элементами из материала с высокой теплопроводностью (например - с медью или сталью). В другом варианте для повышения магнитной индукции в месте размещения магнитокалорического материала в конструкции внедренных элементов используется вставка из ферромагнитного материала (ферромагнитной закаленной стали), а магнитокалорический материал послойно чередуется с материалом с высокой теплопроводностью (например - с медью). Вставка из стали может использоваться в качестве сердечника шипа противоскольжения. При торможении в условиях гололеда постоянные магниты выдвигаются в сторону колеса, элементы из магнитокалорического вещества нагреваются и тепло отдается окружающему воздуху. После выхода из зоны действия магнитного поля внедренные элементы охлаждаются, а затем, вступив в тепловое взаимодействие с поверхностью льда через поверхность материала колеса или через вставки из высокотеплопроводного материала, или же через ферромагнитную вставку, обеспечивают частичное примораживание колеса, повышая коэффициент трения и предотвращая скольжение.
Полезная модель преимущественно относится к устройствам, предотвращающим проскальзывание колес, а также к холодильной технике к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта.
Известна автомобильная шина [1], элемент противоскольжения, используемый для автомобильной шины, и способ предотвращения скольжения шины.
Предотвращение скольжения автомобильной шины достигается путем создания отрицательного давления во внутреннем пространстве водовсасывающей выемки при расширении и изменении формы этой выемки, образованной в протекторе шины, во время ее соприкосновения с дорогой, всасывания воды, находящейся между поверхностью протектора и поверхностью дороги, под действием отрицательного давления, одновременного удерживания всосанной воды между множеством волосков, находящихся в водовсасывающей выемке, с тем, чтобы создавать силу сцепления шины с поверхностью дороги путем образования всасывающе-сцепляющей силы и силы примерзания между поверхностью протектора и поверхностью дороги, и выброса наружу воды, удерживаемой между волосками, в тот момент, когда водовсасывающая выемка выходит из соприкосновения с дорогой, под действием силы, восстанавливающей форму водовсасывающей выемки, и центробежной силы, создаваемой вращением шины.
В устройстве, реализованном по данному способу, не предусмотрено принудительное охлаждение поверхности шины, которая разогревается при движении и, особенно, при торможении. В результате при торможении в условиях гололеда поверхностный слой льда под шиной плавится, значительно уменьшая коэффициент трения, особенно при температуре окружающей среды, близкой к температуре таяния льда.
Известен магнитный рефрижератор [2], содержащий корпус с вращающимся колесом, которое жестко насажено на вал и выполнено из рабочего вещества, обладающего магнитокалорическим эффектом (МКЭ), в виде насаженных друг на друга коаксиальных колец с радиальными каналами для прохода теплого и холодного потоков теплоносителя и разделенных на сегменты непроницаемыми теплоизолирующими перегородками, магнит, охватывающий часть колеса в осевом направлении, газораспределительное устройство для подвода и отвода теплоносителя, размещенное в центральной части корпуса, и теплообменник нагрузки, выполненный в виде корпуса рефрижератора, жестко связанного с размещенным в нем колесом с возможностью вращения совместно с последним, при этом между корпусом и наружной поверхностью колеса выполнен зазор для прохода холодного потока теплоносителя.
Указанная конструкция не позволяет без существенной доработки конструкции рефрижератора применять данное устройство для охлаждения поверхности шины транспортного средства.
Известно устройство [3], где, согласно описанию, в магнитном холодильнике используется вращающаяся конструкция. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния а также мощного постоянного магнита.
Конструкция выполнена таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле, в гадолинии возникает магнитокалорический эффект - он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнитокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток используется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника.
Недостатком данной конструкции является то, что в ней для отвода тепла холодильного цикла теплоносителем является циркулирующая вода, что для колеса транспортного средства не приемлемо.
Известна конструкция (прототип) шины [4], предотвращающая скольжение по льду. Согласно описания, скользящее тело в виде шины. содержит металлические нагревательные элементы, внедренные в шину. Мощность поступает на нагревательные элементы, в результате чего нагревательные элементы растапливают граничный слой льда или снега. После растапливания граничного слоя льда он повторно замораживается под действием внешней температуры и обеспечивает связь между льдом/снегом и шиной. Мощность подается на нагревательные элементы несколькими способами. Скользящее тело использует в качестве источника питания, например, автомобильный аккумулятор.
В другом примере прототипа нагревательные элементы включают в себя тонкие металлические провода, способные принимать мощность и преобразовывать эту мощность в тепловую энергию для растапливания граничного слоя льда/снега, контактирующего с шиной. Согласно варианту осуществления пользователь активирует переключатель, что позволяет подавать мощность на нагревательные элементы, когда это необходимо для обеспечения дополнительного сцепления шины с поверхностью дороги, покрытой льдом и снегом. Когда пользователь переключает переключатель, нажимая специальную кнопку на панели управления автомобиля, переключатель проводит мощность от источника питания на нагревательные элементы для растапливания граничного слоя льда и снега и, таким образом, для изменения коэффициента трения между шиной и льдом и снегом, покрывающими поверхность дороги, когда граничный слой повторно замораживается и повышает сцепление шины на снегу/льду.
Недостатком конструкции является то, что при температуре воздуха около нуля градусов Цельсия, предыдущий нагрев не позволяет заморозить граничный слой льда, т.к. холода окружающего воздуха будет недостаточно.
Нагревательные элементы действуют как «импульсные тормоза», выдавая импульс нагрева на границу раздела между шиной и снегом/льдом. Например, когда необходимо торможение, граничный слой льда растапливается. Когда импульс прекращается, растопленные пятна на шине обычно повторно замораживаются за несколько миллисекунд под действием внешней температуры, обеспечивая сильные связи между шиной и льдом/снегом. Эти связи способствуют торможению движения шины относительно льда/снега. Для более быстрого охлаждения растопленного граничного слоя льда используется элемент Пельтье.
Элемент Пельтье при подаче тока требует отвода тепла со стороны, противоположной охлаждающейся стороне. Если охлаждающаяся сторона находится на поверхности колеса, то нагревающаяся сторона элемента Пельтье тепло будет передавать внутрь колеса, поэтому потребуется система отвода тепла изнутри колеса. Кроме того, недостатком элемента Пельтье в данном случае является необходимость подачи электроэнергии к движущемуся колесу, что снижает надежность системы.
В одном из вариантов реализации прототипа на этапе повторной заморозки прижимают холодный цилиндр к автомобильной шине, или используют автомобильный кондиционер.
Однако прижимающийся цилиндр имеет конечную тепловую емкость, после исчерпания которой охлаждение прекращается. Автомобильный кондиционер обычно не рассчитан на уровень отрицательных температур, т.к. в этом случае его тепловой КПД будет ниже, чем при обычном исполнении, кроме того, его мощность должна быть довольно большой.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание конструкции, позволяющей упростить эксплуатацию, повысить эффективность работы за счет повышения КПД холодильного цикла и усиления теплообмена рабочего тела, выполненного из материалов с магнитокалорическим эффектом, а также за счет устранения токоподводящих устройств, требующихся для элементов Пельтье.
Этот технический результат достигается тем, что на корпусе транспортного средства размещены с возможностью выдвижения в сторону колеса постоянные магниты, оснащенные со стороны колеса элементами качения, соприкасающимися с колесом при выдвижении, а в колесе (шине) транспортного средства имеются подвергаемые нагреву и охлаждению внедренные в колесо элементы, которые содержат материал с магнитокалорическим эффектом. Вся эта конструкция образует устройство предотвращения проскальзывания, которое повышает коэффициент трения между колесом и льдом за счет примораживания колеса.
Для того чтобы обеспечить высокую скорость передачи тепла от рабочего тела, которым является материал с магнитокалорическим эффектом, внедренные элементы выполняются состоящими из находящихся в контакте материалов с магнитокалорическим эффектом и металлических материалов с высокой теплопроводностью.
Для повышения КПД холодильного цикла за счет повышения величины магнитной индукции внедренные элементы выполняют из находящегося в контакте ферромагнитного материала и материала с магнитокалорическим эффектом. Ферромагнитный материал может быть металлическим.
Внедренные элементы могут также быть выполнены комбинированными из чередующихся слоев материалов с магнитокалорическим эффектом, металлических материалов с высокой теплопроводностью и ферромагнитных материалов.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечивать примораживание колеса даже при нулевой и небольшой положительной температуре окружающего воздуха, а также повышает надежность за счет исключения подвижных токоподводящих устройств, требующихся в прототипе.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где на Фиг.1 показан общий вид устройства в неактивном состоянии, когда постоянные магниты отведены от колеса;
на Фиг.2 показан общий вид устройства в активном состоянии, когда постоянные магниты соприкасаются с колесом своими элементами качения;
на Фиг.3 показан разрез А-А колеса (шины) с внедренными элементами из материала с магнитокалорическим эффектом;
на Фиг.4 показан разрез А-А колеса (шины) другого варианта исполнения, с внедренными элементами, состоящими из материала с магнитокалорическим эффектом, находящимися в контакте с металлическими материалами с высокой теплопроводностью;
на Фиг.5 изображен разрез А-А колеса (шины), в котором реализуется вариант исполнения внедренных элементов, состоящих из чередующихся слоев материалов: с магнитокалорическим эффектом, с высокой теплопроводностью и ферромагнитных материалов (ферромагнитной стали);
на Фиг.6 показан разрез Б-Б внедренного элемента с Фиг.5.
Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания (Фиг.1) состоит из размещенных на корпусе транспортного средства постоянных магнитов 1, оснащенных со стороны колеса элементами качения 2, причем постоянные магниты 1 имеют возможность выдвигаться в сторону колеса 3 (Фиг.2), и внедренных в колесо 3 элементов 4 (Фиг.3), выполненных из материала с магнитокалорическим эффектом. В наиболее простом варианте исполнения внедренные элементы выполнены в виде гранул 4, внедренных при изготовлении в выступ протектора 5 колеса (шины). При необходимости предотвращения проскальзывания, постоянные магниты выдвигаются в сторону колеса (Фиг.2) и упираются в него элементами качения 2.
Для того чтобы обеспечить достаточно быструю передачу тепла (холода) к поверхности колеса, гранулы материала 4 с магнитокалорическим эффектом находятся в контакте с внедренными элементами 6 (Фиг.4) из металлического материала с высокой теплопроводностью (например - с медью или сталью).
Для повышения магнитной индукции в месте размещения магнитокалорического материала, в одном из вариантов в конструкции внедренных элементов используется вставка 7 (Фиг.5) из ферромагнитного материала (ферромагнитной закаленной стали), а магнитокалорический материал 4 послойно (Фиг.6) чередуется с металлическим материалом с высокой теплопроводностью 6 (например - с медью). Вставка 7 из стали образует сердечник шипа противоскольжения. В таком варианте исполнения магнитокалорический материал может быть использован в виде порошка, запрессованного между слоями металла (меди).
Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания работает следующим образом: при отсутствии необходимости предотвращения проскальзывания размещенные на корпусе транспортного средства постоянные магниты 1 (Фиг.1) отведены от колеса 3 на расстояние, при котором магнитная индукция в теле колеса 3 минимальна.
При необходимости предотвращения проскальзывания, например, при торможении в условиях гололеда, постоянные магниты выдвигаются в сторону колеса (Фиг.2) и упираются в него элементами качения 2, позволяющими обеспечивать минимальный зазор между колесом и магнитами с минимальными потерями на трение. При этом внедренные элементы 4 из магнитокалорического вещества нагреваются за счет действия магнитного поля, тепло этого нагрева передается окружающему воздуху либо через материал выступа 5 протектора, либо через находящиеся в контакте с элементами 4 элементы 6 из высокотеплопроводного металла (меди или стали). В одном из вариантов исполнения магнитный поток через внедренные элементы усиливается за счет ферромагнитной вставки из стали 7, играющей роль шипа противоскольжения. Элементы качения 2 могут быть выполнены, например, в виде подшипников, или же в виде массивных цилиндров. В последнем случае данные цилиндры перед соприкосновением с колесом имеют запас холода, расходуемый на охлаждение внедренных элементов 2.
После того как, вследствие вращения колеса, внедренные элементы из магнитокалорического материала 4 выходят из зоны действия магнитного поля постоянных магнитов, они охлаждаются, а затем, вступив в тепловое взаимодействие с поверхностью льда, по которой катится колесо, через поверхность материала колеса (Фиг.3) или через вставки 6 из высокотеплопроводного материала (Фиг.4), или же через ферромагнитную 7 вставку (Фиг.5), обеспечивают частичное примораживание колеса, повышая коэффициент трения и предотвращая скольжение.
Зона действия магнитного поля при изготовлении полезной модели может быть увеличена путем увеличения длины охватывающей колесо дуги из постоянных магнитов 1 (Фиг.2). Такая дуга в предельном случае может занимать значительную часть окружности колеса, не соприкасающейся с поверхностью.
Такая конструкция полезной модели позволяет использовать широкий спектр рабочих тел из материалов с магнитокалорическим эффектом, в том числе существующих в порошкообразном виде, обеспечивает температуры охлаждения ниже, чем температура наружного воздуха, за счет использования магнитокалорического холодильного цикла. Кроме того, в предлагаемом техническом решении отсутствуют подвижные токоподводящие элементы, что повышает ее надежность и упрощает конструкцию
Источники информации.
1. Заявка на изобретение 95106677/11, 25.04.1995, кл. В60С 11/16. Автомобильная шина, элемент противоскольжения, используемый для автомобильной шины, и способ предотвращения скольжения шины.
2. А.с. 1668829, кл. F25B 2100. Роторный магнитный рефрижератор.
3. Магнитокалорический эффект (пресс-релиз лаборатории Эймса. Ames Laboratory). Группа компаний АМТ&С.(АМТ&С Group Ltd.) http://www.amtc.ru/publications/articles/2025/
4. Патент РФ RU 2289892, кл. Н05В 3/84. Системы и способы изменения границы раздела между льдом и объектом.
1. Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания, содержащее внедренные в колесо элементы с возможностью охлаждаться окружающим воздухом или элементами качения, отличающееся тем, что внедренные элементы содержат материал с магнитокалорическим эффектом, в корпусе транспортного средства размещены с возможностью выдвижения в сторону колеса постоянные магниты, оснащенные со стороны колеса элементами качения.
2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что внедренные элементы состоят из находящихся в контакте материала с магнитокалорическим эффектом и материала с высокой теплопроводностью.
3. Колесо по п.2, отличающееся тем, что в контакте находится ферромагнитный материал.
4. Колесо по любому из пп.2 и 3, отличающееся тем, что внедренные элементы выполнены из чередующихся слоев материалов.
