CN103223820B - 一种高通过性仿生越沙轮面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通过性仿生越沙轮面结构，其是在基准车轮的表面形成有数个相同的轮面结构，所述的轮面结构是以七条圆弧段光滑搭接的曲线段沿车轮宽度拉伸而成，本发明与相同尺寸的光滑轮面结构的越沙轮相比，基于该种高通过性仿生越沙轮面结构制造的仿生越沙轮，挂钩牵引力提高了3.2%-6.5%，牵引效率提高了3.9%-7.1%；本发明有效增大了轮下沙土应力场分布范围，增强了轮面对沙土的作用力；另外也降低了轮面下沙土的相对流动速度，与光滑轮面相比，仿生轮面下沙土侧向流动速度降低了11.1%-13.7%，体现了仿生越沙轮面优越的固沙限流效果。<!--1-->

Description

一种高通过性仿生越沙轮面结构

技术领域

本发明涉及一种工程仿生结构，特别涉及一种高通过性仿生越沙轮面结构，本发明提高了车辆在沙漠、戈壁、月球、火星等松软介质环境运行时的牵引通过性。本发明通过研究鸵鸟越沙过程中鸵鸟足底触沙部位曲面形貌，根据工程仿生学原理，基于越沙轮面与沙土的作用关系，通过参数优化，发明一种高通过性仿生越沙轮面结构。

背景技术

随着科技进步和社会发展，人们对资源尤其是能源需求的不断加剧，常规地区的资源储量已经开始日益匮乏，人们逐渐将开采地域转向恶劣极端环境（如沙漠、戈壁），甚至再次掀起全球性的月球及火星探测热潮。我国石油工作者遵循“稳定东部，发展西部”的战略方针，在塔里木盆地和土哈盆地展开了向沙漠要油的夺油大战。这些地区的石油勘探和开发是今后国民经济建设的重点工程，对保证我国石油工业持续稳定发展，乃至今后十年至下个世纪的经济建设与社会发展都具有十分重要的战略意义。另外，经探测发现，月球和火星富含矿藏资源和珍贵能源，因此进行深空探测也已经成为中国乃至全球未来开发资源的重要方向。无论是地球极端环境的沙漠和戈壁，还是深空复杂环境的月球和火星，它们的共同特点是具有松散沙土（月壤和火星的土物理力学特性类似于松散沙土）工作环境。作为在松散沙土工作环境中完成探测、运输及开采任务的重要装备，车辆的基本功能是松散沙土表面的通过能力。由于车辆通过性能在很大程度上取决于直接与地面发生作用的车轮，因此越沙（壤）车轮研究已经成为重要的地（月）面车辆系统研究领域。在松散沙土工作环境中，由于沙土的承载能力和抗剪强度较差，导致普通车轮的牵引通过性非常不理想。安装普通光滑轮面车轮的轮式车辆在沙地上行驶时，由于车轮滑转下陷，严重影响了车辆的通过性能，限制了对松散沙土工作环境中矿藏资源及能源的勘探与开采。

发明内容

本发明的目的是提供一种高通过性仿生越沙轮面结构，本发明提高了车辆在沙漠、戈壁、月球、火星等松软介质环境运行时的牵引通过性。本发明通过研究鸵鸟越沙过程中鸵鸟足底触沙部位曲面形貌，根据工程仿生学原理，基于越沙轮面与沙土的作用关系，通过参数优化，发明一种高通过性仿生越沙轮面结构。

非洲鸵鸟（以下简称鸵鸟）原产于非洲和阿拉伯温差较大的沙漠地区，主要生活在空旷的沙漠地带和干燥无树的大草原。鸵鸟属于平胸类鸟，胸骨扁平不具龙骨突起，锁骨退化，前肢演化成翅膀，已经退化不能飞翔，但后肢强壮而有力，在沙地环境中具有神奇的稳健、持久和高速奔跑能力，持续奔跑速度约50~60公里/小时，并可维持约30分钟而不感觉累，冲刺速度可达70公里/小时以上，是当之无愧的沙地奔跑健将。鸵鸟足承载鸵鸟体重，直接与沙地接触并参与运动，在鸵鸟越沙性能中起到至关重要作用。由于自然进化优化，鸵鸟足仅剩下两个足趾，分别为第Ⅲ趾（内趾）和第Ⅳ趾（外趾），第Ⅲ趾粗壮较为发达，朝向正前方，趾末端具有发达而坚硬的趾甲。第Ⅳ趾较小，长度仅为第三趾的1/2，足趾甲已经退化。在鸵鸟运动过程中，鸵鸟足第Ⅲ趾与沙土主要接触，起到固沙、限流和增大推力作用，而鸵鸟足第Ⅳ趾仅起到辅助支撑作用。在鸵鸟行走过程中，鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面与沙面接触而足趾甲不着沙，第Ⅳ趾足底曲面着沙支撑；在鸵鸟奔跑过程中，鸵鸟足第Ⅳ趾足底曲面完全不着沙，只有鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面和足趾甲与沙土接触。因此，无论鸵鸟行走还是奔跑过程中，鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面始终与沙土接触，而且鸵鸟都能够在沙地中自如通行。因此，鸵鸟在沙地环境的越沙特性与鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面形貌密切相关。如果能将鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面的超强越沙能力应用于越沙轮面结构设计，将有助于明显提高越沙轮的牵引通过性。本发明通过深入研究鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面形貌，采用逆向工程技术，根据工程仿生学原理，经优化简化，并基于越沙轮面与沙土的作用关系，设计出一种高通过性仿生越沙轮面结构。

本发明是在基准车轮的表面形成有数个相同的轮面结构，所述的轮面结构是以七条圆弧段光滑搭接的曲线段沿车轮宽度拉伸而成，以基准车轮尺度为基础，所述七条圆弧段相关尺度数据如下；长度单位均为mm：

基准车轮：O=(0，0)，R=150；O是圆心，R是半径；

第一条圆弧段：O₁=(0，-159.2)，R₁=9.2，θ₁ =47.473°；O₁是第一条圆弧段的圆心，R₁是第一条圆弧段的半径，θ₁是第一条圆弧段的夹角；

第二条圆弧段：O₂=(-21.372，-139.598)，R₂=19.8，θ₂=101.65°；O₂是第二条圆弧段的圆心，R₂是第二条圆弧段的半径，θ₂是第二条圆弧段的夹角；

第三条圆弧段：O₃=(-60.292，-167.69)，R₃=28.2，θ₃=34.403°；O₃是第三条圆弧段的圆心，R₃是第三条圆弧段的半径，θ₃是第三条圆弧段的夹角；

第四条圆弧段：O₄=(-61.07，-169.855)，R₄=30.5，θ₄=24.785°；O₄是第四条圆弧段的圆心，R₄是第一圆弧段的半径，θ₄是第四条圆弧段的夹角；

第五条圆弧段：O₅=(-65.27，-121.938)，R₅=17.6，θ₅=30.8°；O₅是第五条圆弧段的圆心，R₅是第五条圆弧段的半径，θ₅是第五条圆弧段的夹角；

第六条圆弧段：O₆=(-22.762，-33.971)，R₆=115.3，θ₆=19.052°；O₆是第六条圆弧段的圆心，R₆是第六条圆弧段的半径，θ₆是第六条圆弧段的夹角；

第七条圆弧段：O₇=(-95.536，-107.144)，R₇=12.1，θ₇=56.691°；O₇是第七条圆弧段的圆心，R₇是第七条圆弧段的半径，θ₇是第七条圆弧段的夹角；

七条圆弧光滑搭接的曲线段的起点为A=（0，-150），终点为B=(-107.391，-104.724)。

本发明的有益效果：

1、与相同尺寸的光滑轮面结构的越沙轮相比，基于该种高通过性仿生越沙轮面结构制造的仿生越沙轮，挂钩牵引力提高了3.2%-6.5%，牵引效率提高了3.9%-7.1%。

2、本发明有效增大了轮下沙土应力场分布范围，增强了轮面对沙土的作用力；另外也降低了轮面下沙土的相对流动速度，与光滑轮面相比，仿生轮面下沙土侧向流动速度降低了11.1%-13.7%，体现了仿生越沙轮面优越的固沙限流效果。

附图说明

图1为本发明之七条圆弧段的坐标图。

图2为本发明之七条圆弧段光滑搭接的曲线段示意图。

图3为本发明之轮面结构示意图。

图4为使用本发明之轮面结构的仿生越沙轮立体示意图。

具体实施方

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明是在基准车轮1的表面形成有数个相同的轮面结构2，所述的轮面结构2是以七条圆弧段光滑搭接的曲线段3沿车轮1宽度拉伸而成，以基准车轮1尺度为基础，所述七条圆弧段相关尺度数据如下；长度单位均为mm：如图1所示；

基准车轮：O=(0，0)，R=150；O是圆心，R是半径；

第一条圆弧段：O₁=(0，-159.2)，R₁=9.2，θ₁ =47.473°；O₁是第一条圆弧段的圆心，R₁是第一条圆弧段的半径，θ₁是第一条圆弧段的夹角；

第二条圆弧段：O₂=(-21.372，-139.598)，R₂=19.8，θ₂=101.65°；O₂是第二条圆弧段的圆心，R₂是第二条圆弧段的半径，θ₂是第二条圆弧段的夹角；

第三条圆弧段：O₃=(-60.292，-167.69)，R₃=28.2，θ₃=34.403°；O₃是第三条圆弧段的圆心，R₃是第三条圆弧段的半径，θ₃是第三条圆弧段的夹角；

第四条圆弧段：O₄=(-61.07，-169.855)，R₄=30.5，θ₄=24.785°；O₄是第四条圆弧段的圆心，R₄是第一圆弧段的半径，θ₄是第四条圆弧段的夹角；

第五条圆弧段：O₅=(-65.27，-121.938)，R₅=17.6，θ₅=30.8°；O₅是第五条圆弧段的圆心，R₅是第五条圆弧段的半径，θ₅是第五条圆弧段的夹角；

第六条圆弧段：O₆=(-22.762，-33.971)，R₆=115.3，θ₆=19.052°；O₆是第六条圆弧段的圆心，R₆是第六条圆弧段的半径，θ₆是第六条圆弧段的夹角；

第七条圆弧段：O₇=(-95.536，-107.144)，R₇=12.1，θ₇=56.691°；O₇是第七条圆弧段的圆心，R₇是第七条圆弧段的半径，θ₇是第七条圆弧段的夹角；

七条圆弧光滑搭接的曲线段的起点为A=（0，-150），终点为B=(-107.391，-104.724)。

Claims (1)

1.一种高通过性仿生越沙轮面结构，其特征在于：是在基准车轮的表面形成有数个相同的轮面结构，所述的轮面结构是以七条圆弧段光滑搭接的曲线段沿车轮宽度拉伸而成，以基准车轮尺度为基础，所述七条圆弧段相关尺度数据如下，长度单位均为mm：

基准车轮：O=(0，0)，R=150；O是圆心，R是半径；

第一条圆弧段：O₁=(0，-159.2)，R₁=9.2，θ₁ =47.473°；O₁是第一条圆弧段的圆心，R₁是第一条圆弧段的半径，θ₁是第一条圆弧段的夹角；

第二条圆弧段：O₂=(-21.372，-139.598)，R₂=19.8，θ₂=101.65°；O₂是第二条圆弧段的圆心，R₂是第二条圆弧段的半径，θ₂是第二条圆弧段的夹角；

第三条圆弧段：O₃=(-60.292，-167.69)，R₃=28.2，θ₃=34.403°；O₃是第三条圆弧段的圆心，R₃是第三条圆弧段的半径，θ₃是第三条圆弧段的夹角；

第四条圆弧段：O₄=(-61.07，-169.855)，R₄=30.5，θ₄=24.785°；O₄是第四条圆弧段的圆心，R₄是第一圆弧段的半径，θ₄是第四条圆弧段的夹角；

第五条圆弧段：O₅=(-65.27，-121.938)，R₅=17.6，θ₅=30.8°；O₅是第五条圆弧段的圆心，R₅是第五条圆弧段的半径，θ₅是第五条圆弧段的夹角；

第六条圆弧段：O₆=(-22.762，-33.971)，R₆=115.3，θ₆=19.052°；O₆是第六条圆弧段的圆心，R₆是第六条圆弧段的半径，θ₆是第六条圆弧段的夹角；

第七条圆弧段：O₇=(-95.536，-107.144)，R₇=12.1，θ₇=56.691°；O₇是第七条圆弧段的圆心，R₇是第七条圆弧段的半径，θ₇是第七条圆弧段的夹角；

七条圆弧光滑搭接的曲线段的起点为A=（0，-150），终点为B=(-107.391，-104.724)。