CN105599536B

CN105599536B - 一种可变直径车轮轮毂

Info

Publication number: CN105599536B
Application number: CN201610129873.1A
Authority: CN
Inventors: 刘志恩; 袁率; 李木; 李木一; 柳琼; 田小青; 夏婉杨; 熊欣; 魏晓旭; 颜伏伍
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2036-03-08
Also published as: CN105599536A

Abstract

本发明涉及一种可变直径车轮轮毂，包括中心控制舱以及多个相同的伸缩式轮毂块；各伸缩式轮毂块由伸缩式轮辐总成驱动径向变径；伸缩式轮辐总成由变阻尼式伸缩执行机构外壁套置一个伸长助力弹簧组成；变阻尼式伸缩执行机构主体为双活塞缸筒，浮动活塞与筒壁的端壁之间充有高压氮气，浮动活塞和筒壁的另一端壁之间充填磁流变液材料；工作活塞内埋设一圈电磁线圈和一圈节流孔；导线一端与电磁线圈连通，另一端与蓄电池连通。利用车身自重和车轮运转时的离心力实现变径，无需增加额外的驱动装置，仅需很小的电流来实现磁流变液粘度控制，能耗更小，响应更快。兼顾行驶平顺性和越障能力，可配合非充气式轮胎应用于普通车辆、摩托车、独轮车等。

Description

一种可变直径车轮轮毂

技术领域

本发明涉及一种车轮轮毂，具体地说，是一种可用于汽车、摩托车以及独轮车，适应多种路况的可变直径轮毂。

背景技术

汽车在人们生活中扮演着越来越重要的角色，随着生活水平的提高，人们对于汽车功能有了更高的要求。一般来说，普通轿车、跑车的车轮直径较小，可以降低车辆重心、增大车轮扭矩，但是对于路况较差的地段，小直径车轮的车辆通过性较差。相反，越野汽车、SUV车型的车轮较大，可以有效满足车辆在恶劣路况下的通过性能，但是这类车型在城市公路路面行驶时的操纵稳定性、加速性能不如小直径车轮的车辆。

在目前的可变直径车轮相关专利中，都需要一个直接的驱动力来改变直径，而在直径变大时，将车身抬高所需的驱动力较大，增加了能耗；并且已有的可变径车轮发明大多只能在静止状态下实现变径，不能在行驶过程中实时变径；其次，目前可变直径车轮大多为面向特种勘探车辆设计，不能够满足高速运动时的行驶平顺性，因此不能应用于普通乘用车、摩托车、独轮车。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可变直径车轮轮毂，使得车轮轮毂能够在运转过程中实现一定范围内的无级变径，以适应不同的路面情况。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种可变直径车轮轮毂，其特征在于：包括中心控制舱以及多个相同的伸缩式轮毂块；中心控制舱包括相互连接的蓄电池和电控单元；中心控制舱一端与车桥连接，在车桥与中心控制舱之间设置制动盘，制动盘外缘上连接制动片，车桥上套置车轮转角转速传感器；

各伸缩式轮毂块由锯齿形拼接式轮辋、和与锯齿形拼接式轮辋连接并用于控制锯齿形拼接式轮辋径向移动的伸缩式轮辐总成构成；

相邻两轮辋块之间采用锯齿形拼接的方式周向顺次首尾拼接形成周向轮毂环面，各轮毂块均与各自伸缩式轮辐总成连接而形成可径向移动的伸缩式轮毂；

伸缩式轮辐总成由变阻尼式伸缩执行机构外壁套置一个伸长助力弹簧组成；变阻尼式伸缩执行机构主体为一个带有双活塞的缸筒，缸筒的筒壁内由内至外依次设置浮动活塞和连接有活塞杆的工作活塞，浮动活塞与筒壁的端壁之间充有高压氮气，浮动活塞和筒壁的另一端壁之间充填磁流变液材料，工作活塞设置在磁流变液材料所在空间内；活塞杆从工作活塞的中心伸出并穿过筒壁的另一端壁而自由伸缩；工作活塞内沿纵向在活塞杆外围埋设一圈电磁线圈，在电磁线圈外侧间隔设定距离处，工作活塞内沿纵向在活塞杆外围设置一圈节流孔；活塞杆中心沿纵向设置导线通道，导线通道内设置导线，导线一端与电磁线圈连通，另一端与蓄电池连通。

上述技术方案中，在相邻两轮辋块的径向内侧设置一个轮辋滑片限位机构，包括设置在一个轮辋块上的与轮辋块弧度一致或接近的钢片以及固定在相邻轮辋块上的限位套，钢片能够插入限位套中将轮辋块沿车轮径向的转动自由度进行固定。

上述技术方案中，各伸长助力弹簧的径向内端固定一个内弹簧座，外端固定一个外弹簧座；各内弹簧座固定在中心控制舱上，各外弹簧座固定在各轮辋块的径向内壁上。

上述技术方案中，在活塞杆外部还设置一个防尘罩，防尘罩从变阻尼式伸缩执行机构主体筒壁外部将缸筒的一端封闭并固定在筒壁上，防尘罩的顶部端面中心设置一个纵向通孔；导线另一端穿过防尘罩的纵向通孔与蓄电池连通。

上述技术方案中，中心控制舱呈圆形，蓄电池设置在中心控制舱的中心。

上述技术方案中，车桥中心的半轴通过车桥壳体内的轴承支承并与中心控制舱连接；与制动盘邻近处的半轴上套置车轮转角转速传感器。

上述技术方案中，在筒壁的另一端壁中心设置导向座，活塞杆由导向座中心通孔伸出。

上述技术方案中，车轮直径改变工作步骤如下：(1)电控单元产生和控制电流信号；(2)电磁线圈中的电流产生磁场实现对磁流变液材料粘稠状态的改变；(3)磁流变液材料通过粘稠状态的变化，实现各轮辋块内伸缩式轮辐总成内阻尼力的变换；(4)通过改变阻尼力和车轮旋转过程中所受离心力，车轮模块和车身重力的差值正负，再结合伸长助力弹簧的弹力，实现车轮直径改变。

由此，本发明的轮毂包括1个中心控制舱与8个相同的车轮模块。在中设置有电子控制单元、蓄电池。每个车轮模块又包括锯齿形拼接式轮辋、两个部分。另外在车轴上安装车轮转角传感器、车轮转速传感器，负责向电控单元传递车轮转角与转速信号。相对于现有技术来说具体有以下特点：

1、锯齿形拼接式轮辋：车轮的轮辋被分割为8块或更多块，相邻两块之间采用锯齿形拼接的方式,此外，为了克服车轮侧向力对轮辋产生轮辐轴线方向的扭转力，在相邻两块轮辋的内侧设置一个滑片装置，限制两块轮辋在轮辐轴线方向的转动自由度。

2、伸缩式轮辐总成：该部分以磁流变液作为核心材料，由电磁线圈、变阻尼式伸缩执行机构、伸长助力弹簧组成。

3、变阻尼式伸缩执行机构：当电磁线圈中通有电流时，会在工作活塞上的节流孔处产生磁场，通过控制电流的大小来控制磁场的大小，基于磁流变特性，进而控制磁流变液的粘稠度，使得该伸缩装置拉伸和压缩时受到的阻尼力不同。

4、通过电控单元产生和控制电流信号使线圈中的电流产生磁场实现对磁流变液粘稠状态的改变，之后，磁流变液通过粘稠状态的变化，实现分块式轮胎轮辋总成内阻尼力的变换，再通过改变阻尼力和车轮旋转过程中所受离心力，车轮模块和车身重力的差值正负，结合伸长助力弹簧的弹力，实现车轮直径改变，由于车轮是高速旋转件，故旋转一周直径变化要求不高，通过车轮多次旋转累积，实现变径尺寸要求

本发明的有益效果是：本发明充分利用车轮运转时产生的离心力实现变径，无需增加额外的驱动装置，仅需要很小的电流来实现磁流变液的状态控制，能耗更小，响应更快。兼顾了行驶平顺性和越障能力，可以配合非充气式轮胎，应用于普通乘用车辆。当汽车在城市，高速公路行驶的时候，可以采用小直径的车轮，以获得较好的操纵稳定性、平顺性以及动力性、经济性。当汽车在越野工况下行驶在复杂凹凸路面上的时候，可以增大车轮的直径，以提高汽车的通过性，使其具有良好的越障能力。

附图说明

图1为本发明立体结构图；

图2为本发明的正视结构图；

图3为本发明的内部结构示意图；

图4为本发明的变阻尼式伸缩执行机构4的内部结构示意图(剖视图)；

图5为本发明在大小径状态下的轮辋圆度示意图；

图6为大直径状态下相邻轮辋接合处的示意图(图5的局部放大框31局部放大图)；

图7为本发明轮辋变径工作过程配图；

图8为滑片限位机构7的俯视图；

图9为滑片限位机构7的侧视图。

附图1-9中附图标记对应如下：

1、轮辋；2、制动盘；3、外弹簧座；4、变阻尼式伸缩执行机构；5、内弹簧座；6、伸长助力弹簧；7、轮辋滑片限位机构；8、中心控制舱；9、蓄电池；10、伸缩式轮辐总成；11、电控单元；12、制动片；13、车轮转角转速传感器；14、车桥壳体；15、半轴；16、轴承；17、防尘罩；18、导向座；19、活塞杆；20、导线通道；21、线圈端盖；22、节流孔；23、工作活塞；24、电磁线圈；25、筒壁；26、磁流变液材料；27、浮动活塞；28、高压氮气；29、钢片；30、限位套；31、局部放大框；32、正圆轮廓。

具体实施方式

本发明的可变直径车轮轮毂如图1-9所示，属于锯齿形拼接式车轮轮辋，如图1-3，车轮轮辋1沿周向被分割为8个伸缩式轮辐块，相邻两轮辋块之间采用锯齿形拼接的方式沿周向顺次首尾拼接形成周向轮毂面。各轮毂块沿轮辐径向通过一个伸缩式轮辐总成10与位于圆心处的中心控制舱8连接并能够在伸缩式轮辐总成10作用下沿径向伸缩移动。

伸缩式轮辐总成10为由变阻尼式伸缩执行机构4外壁套置一个伸长助力弹簧6组成的可伸缩机构(参见图3的虚线框所引出附图标记10)；各伸长助力弹簧6的内端与弹簧座5接触，外端与外弹簧座3接触；内弹簧座5与中心控制舱8及伸缩执行机构4内端固定连接，外弹簧座3与轮辋块1内壁及伸缩执行机构4外端固定连接。

如图4，变阻尼式伸缩执行机构4主体为一个带有双活塞的缸筒，缸筒的筒壁25内由内至外依次设置浮动活塞27和连接有活塞杆19的工作活塞23，浮动活塞27与筒壁25的端壁之间纵向空间内充有高压氮气28，浮动活塞27和筒壁25的另一端壁之间纵向空间内充填磁流变液材料26，工作活塞23设置在磁流变液材料26所在纵向空间内，活塞杆19从工作活塞23的中心伸出并穿过筒壁25的另一端壁而自由伸缩；在活塞杆19外部还设置一个防尘罩17，防尘罩17从筒壁25外部将缸筒的一端封闭并固定在筒壁25外壁上(防尘罩17的罩腔纵向长度大于活塞杆19的自由伸出长度)，防尘罩17的顶部端面中心设置一个纵向通孔；工作活塞23内沿纵向埋设一圈电磁线圈24，电磁线圈24埋设在活塞杆19所在中心外围；在电磁线圈24外侧间隔一定距离处，工作活塞23内沿纵向设置一圈节流孔22(优选节流孔是直通孔)，节流孔22同样周向埋设在活塞杆19所在中心外围；活塞杆19中心沿纵向设置导线通道20，所述导线通道20内设置导线，导线一端与电磁线圈24连通，另一端穿过防尘罩17的顶部端面通孔与蓄电池9连通。当电磁线圈24中通有电流时，会在工作活塞23上的节流孔22处产生磁场，电流大小的不同代表该磁场大小的不同，根据磁流变液材料26属性，磁场的变化也就导致了磁流变液材料粘稠度不同，进一步使得该伸缩装置拉伸和压缩时受到的阻尼力不同。

中心控制舱8包括相互连接的蓄电池9和电控单元11，中心控制舱8呈圆形，蓄电池9设置在中心控制舱8的中心；中心控制舱8一端与车桥连接，在车桥与中心控制舱8之间设置制动盘2，制动盘2外缘上连接制动片12。车桥中心的半轴15通过车桥壳体14内的轴承16支承并与中心控制舱8连接；与制动盘2邻近处的半轴15上套置车轮转角转速传感器13。

由于磁流变液材料26具有以下特性：(1)在外加磁场作用下，磁流变液材料26可在液态和固态之间可逆转换。(2)在外加磁场作用下，磁流变液材料26的屈服强度随磁场强度增大而增大，直至固体颗粒大到磁饱和后趋向于某一稳定值。(3)在外加磁场作用下，磁流变液材料26的粘度和屈服强度随磁场强度的变化是连续的、无级的和可控的。(4)磁流变效应的控制较简单，可以利用磁感应线圈通过调整电流大小来控制。(5)磁流变效应对磁场作用的响应十分灵敏，一般其响应时间为毫秒级。(6)控制磁流变效应的能量低。所以，由于磁流变液材料26粘稠度会因磁场大小而改变的特性，通过对电磁线圈电流大小进行控制，就间接地实现了对伸缩执行机构的阻尼控制。

此外，如图8-9，为了克服车轮侧向力对轮辋产生轮辐轴线方向的扭转力，在相邻两轮辋块的径向内侧设置一个轮辋滑片限位机构7，限制两轮辋块在车轮径向的转动自由度。机构7由钢片29和限位套30构成，限位套30焊接在轮辋内侧，钢片7一端被焊接到相邻轮辋内侧，另一端插入限位套内，如此便可实现轮辋径向约束。

为了使活塞杆19顺利自由伸缩，如图4，在筒壁25的另一端壁中心活塞杆19伸出通孔处设置导向座18，活塞杆19由导向座18中心通孔伸出。

如图5所示车轮轮辋1，各轮辋块在小直径d状态下周向拼接为一个正圆，可以充分保证在公路路面上行驶时的平顺性能，在大直径D状态下，各轮辋块沿轮辐的伸缩装置(伸缩式轮辐总成10)向外平移，由于在接合处采用锯齿拼接的设计，相邻两块轮辋块在与地面接触时存在同时受力的部分，可以对承载受力良好过渡。虽然在大直径D状态下，轮辋外轮廓不是正圆，但其与正圆相差小，如图6所示。经计算，当小直径d为15英寸(一般轿车轮毂直径)，大直径D为18英寸(一般SUV轮毂直径)时，大直径D状态下的轮辋外缘与正圆相差最大位置a为0.27英寸，约6.8mm。)另外，由于大直径D状态主要用于路况较差的情况，此时车速往往较低，而非正圆的车轮反而有利于增加车辆的通过性，在此工况下，略微牺牲平顺性是值得的。

本发明的工作原理如下：车轮转角转速传感器13将采集到的信号传递给电控单元11，电控单元11产生对变径执行系统的操作命令，即通过对蓄电池9电压进行控制，在8个伸缩式轮辐块中的电磁线圈24中导通不同大小的电流，使电磁线圈24周围磁流变液材料26形成一定磁场。磁场强度会随电磁线圈24中电流的变化而变化，而由于磁流变液材料26粘稠度会因磁场大小而改变的特性，通过对电流大小进行控制，就间接地实现了对伸缩执行机构的阻尼控制。通过阻尼大小的实时改变，即可以对车轮受到的离心力与地面压力的综合作用效果进行控制，最终实现车轮轮辋的轮辐伸缩变径。

本发明通过以下具体步骤实现伸缩执行机构的伸长和压缩：(1)电控单元产生和控制电流信号。(2)线圈中的电流产生磁场实现对磁流变液粘稠状态的改变。(3)磁流变液通过粘稠状态的变化，实现分块式轮胎轮辋总成内阻尼力的变换。(4)通过改变阻尼力和车轮旋转过程中所受离心力，车轮模块和车身重力的差值正负，再结合伸长助力弹簧的弹力，实现车轮直径改变。由于车轮是高速旋转件，故旋转一周直径变化要求不高，通过车轮多次旋转累积，实现变径尺寸要求。

为了便于理解，特选择其中一个轮毂块的圆周变径运动进行阐述，如图7所示。

直径变大工作过程：若要将直径变大，将某个轮毂块的整个圆周运动顺时针划分为-22.5°(337.5°)～22.5°；22.5°～90°；90°～270°；270°～337.5°(-22.5°)五个阶段。由于采用锯齿状拼接方式，并且路况不一定为平坦路面，车轮接触地面的角度范围实际上并不一定是-22.5°至22.5°(有微小误差),而应该通过车轮转角转速传感器13实时监控。这里为了表述方便，将车轮接触地面的角度范围理想化为-22.5°至22.5°。这五个阶段中的线圈电流、磁流变液粘度、整体效果情况如下表1所示。

直径减小工作过程：若要将直径减小，将某个轮毂块的整个圆周运动顺时针划分为-22.5°(337.5°)至22.5°和22.5°至-22.5°(337.5°)两个阶段，即与地面接触的角度范围和与地面分离的角度范围两个阶段。这两个阶段中的线圈电流、磁流变液粘度、整体效果情况如下表2所示。

表1：

表2：

Claims

1.一种可变直径车轮轮毂，其特征在于：包括中心控制舱以及多个相同的伸缩式轮毂块；中心控制舱包括相互连接的蓄电池和电控单元；中心控制舱一端与车桥连接，在车桥与中心控制舱之间设置制动盘，制动盘外缘上连接制动片，车桥上套置车轮转角转速传感器；

2.根据权利要求1所述的可变直径车轮轮毂，其特征在于：在相邻两轮辋块的径向内侧设置一个轮辋滑片限位机构，包括设置在一个轮辋块上的与轮辋块弧度一致或接近的钢片以及固定在相邻轮辋块上的限位套，钢片能够插入限位套中将轮辋块沿车轮径向的转动自由度进行固定。

3.根据权利要求1所述的可变直径车轮轮毂，其特征在于：各伸长助力弹簧的径向内端固定一个内弹簧座，外端固定一个外弹簧座；各内弹簧座固定在中心控制舱上，各外弹簧座固定在各轮辋块的径向内壁上。

4.根据权利要求1所述的可变直径车轮轮毂，其特征在于：在活塞杆外部还设置一个防尘罩，防尘罩从变阻尼式伸缩执行机构主体筒壁外部将缸筒的一端封闭并固定在筒壁上，防尘罩的顶部端面中心设置一个纵向通孔；导线另一端穿过防尘罩的纵向通孔与蓄电池连通。

5.根据权利要求1所述的可变直径车轮轮毂，其特征在于：中心控制舱呈圆形，蓄电池设置在中心控制舱的中心。

6.根据权利要求1所述的可变直径车轮轮毂，其特征在于：车桥中心的半轴通过车桥壳体内的轴承支承并与中心控制舱连接；与制动盘邻近处的半轴上套置车轮转角转速传感器。

7.根据权利要求1所述的可变直径车轮轮毂，其特征在于：在筒壁的另一端壁中心设置导向座，活塞杆由导向座中心通孔伸出。

8.根据权利要求1所述的可变直径车轮轮毂，其特征在于：车轮直径改变工作步骤如下：（1）电控单元产生和控制电流信号；（2）电磁线圈中的电流产生磁场实现对磁流变液材料粘稠状态的改变；（3）磁流变液材料通过粘稠状态的变化，实现各轮辋块内伸缩式轮辐总成内阻尼力的变换；（4）通过改变阻尼力和车轮旋转过程中所受离心力，车轮模块和车身重力的差值正负，再结合伸长助力弹簧的弹力，实现车轮直径改变。