Использование амортизированных колес в конструкциях ходовой части инвалидных колясок с мотор-колесом как электродвигателем

USE OF DAMPED WHEELS IN WHEELCHAIR UNDERCARRIAGE STRUCTURES WITH A MOTOR-WHEEL AS AN ELECTRIC MOTOR

Elena Chubenko

Candidate of Engineering Sciences, Vladivostok State University of Economics and Service, Russia, Vladivostok

Denis Starostin

Bachelor student, Vladivostok State University of Economics and Service, Russia, Vladivostok

Mihail Kundishev

Bachelor student, Vladivostok State University of Economics and Service, Russia, Vladivostok

Ivan Velichko

Bachelor student, Vladivostok State University of Economics and Service, Russia, Vladivostok

Аннотация. В настоящее время на рынке услуг отсутствуют образцы инвалидных колясок с мотор-колесом и амортизированными колесами отечественно производства по не дорогой цене с достойным качеством. В данной статье представлена разработка отечественной инвалидной коляски с мотор-колесом и амортизированными колесами. Также представлены теоретические результаты и натурные испытание инвалидных колясок в различных комплектациях, в которых показано преимущество вышеупомянутой комплектации инвалидной коляски.

Abstract. Currently, there are no samples of wheelchairs with a motor-wheel and damped wheels of domestic production on the market of services at an inexpensive price with decent quality. This article presents the development of a domestic wheelchair with a motor-wheel and shock-absorbed wheels. Also presented are theoretical results and full-scale tests of wheelchairs in various configurations, which show the advantage of the above wheelchair configuration.

Ключевые слова: инвалидные коляски; мотор-колесо; амортизированные колеса; помощь людям с ОВЗ.

Keywords: wheelchairs; wheel motor; damped wheels; help for people with disabilities.

В данной работе представлены результаты теоретических и натурных испытаний инвалидных колясок как базовой комплектации, т.е. несамоходных, в том числе оборудованных исключительно амортизированными колесами без электрического двигателя, так и самоходных с модернизированной ходовой частью, оборудованных только мотор-колесами, а также, в качестве перспективного варианта, самоходных, оборудованных одновременно амортизированными и мотор-колесами.

Для несамоходных инвалидных колясок базовой комплектации приведены технические и эксплуатационные показатели работы для сравнения с конструкциями, оборудованными дополнительными устройствами, существенно повышающими качество жизни пользователей с ОВЗ.

Особое внимание уделено типовой конструкции и принципу работы ступичного современного мотор-колеса Bikight. Показаны его технические и эксплуатационные характеристики, позволяющие обеспечивать передвижение инвалидной коляски без применения физической силы рук пользователя, что в ряде случаев существенно повышает эксплуатационные возможности инвалидных колясок.

Оборудование инвалидной коляски амортизированными  колесами открывает новые возможности для маломобильных лиц и с ограниченными возможностями здоровья совершать комфортные перемещения не только по оборудованному дорожному полотну, но и по грунтовым, грейдерным и парковым дорогам с неоднородным рельефом со значительным колебанием неровностей по высоте, что приводит к ощутимым толчкам и вибрациям для пользователя, требующим применения особых работоспособных конструкций, таких как  амортизированные колеса, для улучшения качества передвижений.

Наиболее перспективным и современным с точки зрения повышения эксплуатационных характеристик и комфортности перемещений представляется вариант конструкции ходовой части инвалидной коляски с совместным применением амортизированного и ступичного мотор-колеса.

Вопрос о повышении качества жизни маломобильных групп граждан на сегодняшний день является актуальным, так как они испытывают затруднения при передвижении с помощью несамоходных инвалидных колясок, получении услуг, участии в производственных процессах, общественной и социальной жизни и т. д. [1, с. 167].

Зачастую под термином “маломобильные группы населения” подразумевают инвалидов-колясочников. Организовать помощь таким людям можно с помощью специально оборудованной техники, такой техникой на протяжении долгого времени являлась инвалидная коляска, имеющая множество недостатков. Одним из главных недостатков является несамоходность, пользователям приходится приводить коляску в движение, прилагая большую физическую силу рук.

В настоящее время с развитием техники на рынке появились мотор-колеса, которые способны, функционально являясь движителями и обладая небольшими габаритами, простотой конструкции, эксплуатационной надежностью и высоким коэффициентом полезного действия, облегчить передвижения пользователей без применения физической силы [2, с. 10]. Легкость в управлении, обслуживании и высокая техническая надежность делают их актуальными и остро-социально значимыми для маломобильных групп населения.

Техническое решение, связанное с применением амортизированных колес в конструкциях ходовой части инвалидных колясок с мотор-колесами, имеет особое значение и новизну, т.к. способствует выполнению транспортной работы на необорудованном дорожном полотне с большим количеством препятствий. Такой подход к развитию конструкций ходовой части способствует расширению возможностей к перемещению маломобильных лиц и повышению их качества жизни.

Для создания 3D моделей использована программа Rhinoceros 3D, которая предназначена для передачи геометрии NURBS [3, с. 127]. Также данная программа используется для работы с твердотельными объектами при помощи промышленного моделирования [4, с. 2].

В процессе выполнения представленной работы проводились натурные испытания, заключающиеся в фиксации конкретных условий и показателей дорожной эксплуатации инвалидной коляски, происходящих в течение календарного 2019 года. Изучение технических и эксплуатационных характеристик разработанных конструкций производилось с учетом пространственно-временных параметров движения. Также применялось обобщение опыта передовой практики проектирования инвалидных колясок, теоретический анализ и синтез, системно-структурный анализ, 3D моделирование, конкретизация, сбор независимых характеристик и статистическая обработка данных с планированием экспериментов.

Основным элементом конструкции является ступичное мотор-колесо (рис. 1), которое исполняет роль как электродвигателя, так и электродвижителя всего транспортного средства [5, с. 41]. Собственно, мотор-колесо представляет собой электродвигатель внутри обычного колеса, в котором не используется дополнительный механизм передачи мощности. Важным преимуществом мотор-колеса является пониженное трение деталей, что приводит к существенному повышению КПД.

В данной конструкции используется модель ступичного мотор-колеса – Bikight. По центру ступицы располагается отверстие, в котором установлен вал для соединения со стойкой управления, в самой ступице находятся основные элементы мотор-колеса, а именно: статор, ротор и обмотка (рис. 2).

Рисунок 1. 3D модель ступичного мотор-колеса Bikight

Принцип работы мотор-колеса заключается в следующем – встаторе создается вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами ротора, что заставляет колесо вращаться. Статор имеет форму многолучевой звезды, на лучах которой выполнены обмотки.

В момент прохождения по обмотке электрического тока лучи обретают электромагнитные свой­ства и притягивают к себе магниты, расположенные на роторе. Обмоток на статоре большое количество – это обеспечивает плавность вращения и достаточную мощность. Для постоянного вращения мотор-колеса на обмотку подаются импульсы напряжения, что активирует их магнитные свойства при приближении к нужному магниту. Магниты расположены на роторе на небольшом расстоянии, что позволяет обеспечить плавность работы устройства.

Ниже приведены технические характеристики мотор-колеса, использованного для усовершенствования ходовой части инвалидной коляски (табл. 1).

Таблица 1.

Технические характеристики ступичного мотор-колеса Bikight

Амортизированные колеса – это инновационная система подвески, встроенная в пассивное транспортное колесо. Главное преимущество данной системы – подвеска внутри колеса, которая имеет свойство амортизировать толчки и вибрации в нескольких направлениях, улучшая отклик, управляемость и эффективность работы подвески [6, с. 3].

Амортизированные колеса разработаны специально для велосипедов и инвалидных колясок (рис. 3).

Амортизированное колесо способно поглощать до 50% энергии во время движения по неровностям: бордюрам, ступенькам и т.д. Кроме того, подвеска внутри колеса активируется только в случае контакта с неровностью, а значит, при езде по ровным дорогам колесо такое колесо работает как обычное пассивное.

По сравнению с обычными колесами амортизированные обладают преимуществами:

- поглощают вибрацию и удары при преодолении препятствий и неровностей во время движения;

- легко снимаются и устанавливаются на транспорт за счет быстросъемной оси;

- доступны в различных вариантах жесткости амортизаторов;

- возможно изготовление как в самом экономичном трех-амортизационном варианте, так и в многозвенной конструкции с целью улучшения качества движения.

а) амортизированное колесо                              б) амортизатор

Рисунок 2. Конструкции пассивного амортизированного колеса и амортизатора

В системе амортизированного колеса стандартной конструкции минимум три поршня сжимаются для поглощения ударов, чтобы обеспечить повышение качества безвибрационного передвижения.

Обод колеса изготавливается жесткий и прочный, в то время как рычаги подвески и ступица обеспечивают амортизацию.

При преодолении препятствий пружина амортизатора автоматически сжимается, а при езде на ровной дороге становится жесткой.

Рычаги подвески расположены на одинаковом расстоянии вокруг центральной ступицы и приводятся в действие только при наличии препятствия или пересеченной местности (рис. 4).

Данные колеса идеально подходят по характеристикам для конструкции инвалидной коляски, представленной в работе, в условиях настоящего состояния дорог.

Рисунок 3. 3D модель ходовой части инвалидной коляски с мотор-колесом тянущего типа и пассивными амортизированными колесами

Инвалидная коляска оборудована стойкой управления, которая находится спереди при всех вариантах конструкции коляски, кроме базовой комплектации [7, с. 130]. Данная стойка подает сигналы начала движения и торможения на мотор-колесо, также на стойке расположен дисплей со спидометром. Сцепление осуществляет специальное устройство, которое крепится с одной стороны к стойке, а с другой к трубчатой конструкции коляски [8, с. 217]. Под сиденьем располагается стальной барабан, от которого идут стержни на сцепление с коляской, а также стержень, который осуществляет сцепление со стойкой управления. Стальные стержни изготовлены телескопическими и благодаря шарнирам в барабане, могут менять угол от 55 градусов до 90, что позволяет сцепному устройству быть универсальным для разных конструкций колясок. Сцепление со стойкой происходит следующем образом: стойку у основания охватывает по наружному диаметру втулочное сцепное устройство и закрепляется по посадке с натягом. При необходимости сцепное устройство можно отсоединить как со стойки, так и с коляски.

Рисунок 4. 3D модель инвалидного транспортного средства

Ниже (табл. 2) представлены некоторые технические характеристики четырех вариантов комплектации инвалидных колясок – базовая комплектация (отсутствие мотор-колеса и амортизированных колес); комплектация инвалидной коляски только мотор-колесом; комплектация инвалидной коляски только амортизированными колесами; комплектация совместно мотор-колесом в качестве движителя и амортизированными колесами (комбинированная комплектация).

Таблица 2.

Некоторые технические характеристики инвалидных колясок

На рис. 5 показаны зависимости величин радиусов поворота и тормозного пути от вида комплектаций инвалидных колясок, где в вертикальном положении приведены значения в метрах, а в горизонтальном положении приведены комплектации колясок: 1- базовая, 2 – комплектация с мотор-колесом, 3 – комплектация с амортизированными колесами, 4 – комбинированная комплектация с мотор-колесом и амортизированными колесами.

Рисунок 5. Радиус поворота и тормозной путь инвалидных колясок различных комплектаций

В (табл. 3) представлены некоторые эксплуатационные характеристики четырех вариантов комплектации инвалидных колясок, аналогично (табл. 2).

Таблица 3.

 Эксплуатационные характеристики инвалидных колясок

На рис. 6 представлены экспериментальные кривые эксплуатационных характеристик инвалидных колясок, где приведены комплектации колясок.

Рисунок 6. Экспериментальные эксплуатационные характеристики инвалидных колясок

Выводы

Рассмотрение полученных результатов с использованием натурных экспериментов и выполнение анализа показало следующее:

1) разработаны и частично изготовлены 3D модели конструкций, узлов и деталей ходовых частей инвалидных колясок со ступичным мотор-колесом, с амортизированными колесами и с их совместным применением;

2) наиболее высокими техническими и эксплуатационными характеристиками обладают конструкции с совместным применением мотор-колеса и амортизированных колес;

3) конструкции с совместным применением мотор-колес и амортизированных колес обладают возможностью дальнейшей модернизации;

4) В настоящие время по инициативе компании softwheel (Израиль) устанавливаются деловые отношения с автором данной работы

5) полученные выводы в ходе теоретических и натурных испытаний отражают как теоретическую, так и практическую значимость.

Перспективы работы

1) актуальным представляется разработка высокоэффективного тормозного устройства для инвалидной коляски комбинированной комплектации;

2) для территории Приморского края и северных района Дальнего Востока в соответствие государственной программой целесообразным является разработка конструкции инвалидной коляски для перемещений по снежным и ледяным покрытиям дорожного полотна.