CN109094671A - 一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统及轮式车辆 - Google Patents

Abstract

一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统及轮式车辆，包括车轮正逆转变换器、履带行走部件和轮履连接组件。需要履带行驶时，将履带行走装置和轮履连接组件安装在车轮下部，利用车辆重力将履带压紧，通过车轮反转机构使车轮反转，轮胎驱动履带外表面以后，履带行走部件后部的履带段将不断被收卷、前部的履带将不断被放出，在卷绕力的作用下，车辆向前行驶。所述的车轮正逆转变换器，由一组行星齿轮系组成，包括太阳轮，行星轮、齿圈和行星架。本发明可以显著减小车轮接地压力，同时避免了用中间惰轮传动的轮式车辆附加履带容易出现传动应力集中、体积较大等缺点，使用便利，通用性强，制造成本低。

Description

一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统及轮式车辆

技术领域

本发明属于轮式和履带两用车辆技术领域，具体涉及一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统及轮式车辆。

背景技术

在沙地、冰雪等困难路况行驶时，人们希望给轮式车辆加装履带系统，以提高其越野能力。现有将皮卡、轿车、SUV等轮式车辆转换成履带行驶状态的技术，可以归纳成两种类型：一种是驱动力在履带内表面作用，以美国Mattracks公司的三角履带为代表，使用时将原车轮拆除，以三角履带取代车轮；这种类型的附加履带笨重且安装和拆除十分不便。另一种是驱动力在履带外表面发生作用，以美国专利US8776931和中国专利CN107650595所记载的方案为代表；不用拆除原车轮，但经过一次外啮合传动后主动轮与从动轮的旋转方向必然相反，所以要在车轮和履带之间加入中间惰轮，通过中间惰轮传动再次反转旋转方向，实现履带卷绕与车轮旋转的同向；这种方案，虽然不需要拆除原车轮，但车轮跟中间惰轮的接触面积很小，履带在惰轮上的包角也小于120度，只有1到3齿参与驱动，应力集中严重，很容易撕坏胎面及履带。要缓解这一问题，现有技术选择把中间惰轮的直径尽可能设计大(通常大于25cm)，导致装置的体积和质量增大，仅大型皮卡能够随车携带，便利性不高。

为此，本发明改变了现有驱动力在履带外表面发生作用的附加式履带的驱动方法：用车轮不经过中间惰轮直接在外表面驱动履带，同时给车辆增加车轮正逆转变换器，以实现履带收卷方向与车辆行驶方向的正确匹配。这样不仅增加了履带与主动轮之间的包角和接触面积，避免了应力集中；还能简化结构，实现紧凑化和轻量化，降低了制造和使用成本，从而解决了现有方案的不足。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统及轮式车辆，以便在困难路况下能减小车辆的接地压力，提高车辆的全地形通行能力。

本发明的第一个目的是提供这样一种附加履带系统，可以减小轮式车辆接地压力，同时轮胎驱动部位不易发生应力集中，以减少使用中撕坏轮胎的几率。

本发明的第二个目的是提供这样一种附加履带部件，可以实现附加履带组件紧凑化和轻量化。

本发明的第三个可选目的是提供这样一种附加履带部件，使用轮胎面摩擦力直接驱动履带，履带仅设计附着力增大花纹，不设置履带驱动齿或驱动孔，以简化履带制造工艺，降低制造成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，具有1到n个车轮正逆转变换器安装到轮式车辆的传动系里、n个履带行走部件和轮履连接组件安装到对应的车轮上，n为车轮的数量。

所述的车轮正逆转变换器，由一组行星齿轮系组成，包括太阳轮，行星轮、齿圈和行星架，需要履带行驶时，将现有技术车辆传动系从中间断开，正逆转变换器的太阳轮和齿圈分别作为输入齿轮和输出齿轮连接到这两个断面的远车轮面和近车轮面上，行星架固定连接到车辆底盘。按照行星齿轮系的传动原理，这种情况下太阳轮和齿圈旋转方向相反，车轮将逆转驱动履带，保证了履带行驶方向的正确。需要轮式行驶时，用锁定装置将太阳轮、行星轮、齿圈和行星架四个元件中的任意两个连接锁定为一体，行星齿轮系的输入与输出零件将同速、同转向转动，恢复了车轮的正常旋转方向。

可选的：车辆正逆转变换器中的太阳轮、行星轮、齿圈设计成锥形齿轮，组成锥齿行星齿轮系，安装在车轮轮毂外端，方便布置和使用控制。

优选的：锁定机构使用一空心花键套插入太阳轮和齿圈之间的空隙将二者锁定。

所述的履带行走部件，包括履带、负重轮，导向轮、支撑轮、支撑轮调距机构和履带架；与常见的四轮一带履带行走机构相比，该部件不专门设置驱动轮和张紧轮，履带行驶状态下，该部件通过轮履连接组件安装到车轮下部，车辆重力会通过车轮自动压紧履带，履带组件上部支撑轮之间的履带段将下凹环绕车轮下部形成的圆弧形的接面，车轮胎面可以直接通过摩擦力或花纹凹凸附着力驱动履带。在本发明中，履带的驱动力和张紧力都由车轮提供。

优选的，仅在车辆驱动车轮相关的驱动路线上安装车轮正逆转变换器；非驱动轮上仅安装履带行走部件，在地面摩擦力作用下作随动运转。

优选的，履带行走部件设置支撑轮调距机构，用来调整支撑轮轴线之间的距离大小，以便在一定范围内匹配不同大小的车轮。

所述的轮履连接组件包括刚性杆、板、轴承或滚轮等零件。用于将履带行走部件约束在车轮下部。连接组件上部通过一个带轴承的悬臂安装在车轮轴心位置，能在车轮径向和轴向给履带行走部件提供约束，同时让车轮可以相对于轮履连接组件自由转动。必要时轮履连接组件还包括防倾转连接杆件或防倾转连接链，连接于履带架与车身之间，用以防止履带行走部件整体绕车轮轴倾转。

优选的，履带行走部件用刚性轮履连接组件通过带轴承的悬臂连接到轮心外端，车辆转向时，轮毂通过刚性构件将转向力传递给履带行驶部件；以克服使用转向轮使用带侧位滚轮爪式侧板连接组件通过充气轮胎传递转向力给履带行驶部件，因变形较大而易出现转向不精准的问题。

可选的，使用带侧位滚轮的爪式侧板连接履带行驶部件和车轮，以简化安装和拆卸。

所述的带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，其履带驱动方法是：利用车辆重力将车轮压紧在履带行走部件上面，通过车轮正逆转变换器使车轮反转，前进状态下车轮圆周最下部一点的线速度将与车辆前进方向相同，在摩擦力或花纹附着力的作用下接轮段履带线速度也将与车辆前进方向相同，履带行走部件后部的履带段将不断的被收卷、前部的履带将不断被放出，在后部履带的卷绕力的作用下，车辆将在履带带动下向前行驶。

所述的带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，其使用操作方法是：需要轮式行驶时，将履带行走装置和轮履连接组件从车辆上拆除，将车辆轮正逆转变换器设定为正转状态，车辆将用车轮式正常行驶。需要履带行驶时，将履带行走部件和轮履连接组件安装在车轮上，将车辆正逆转变换器设定为逆转状态，车轮将逆向旋转，并驱动履带部件向正常方向行驶。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明取消了现有技术为保证履带卷绕方向正确而设置于车轮和履带之间的惰轮，由车轮表面直接驱动履带外表面，使得轮胎与履带的接触包角能够大于120°，解决了现有技术中驱动接触面积小、应力集中严重、容易撕坏胎面和履带的缺点，增加了传动的可靠性。在紧凑化和轻量化方面，由于取消了中间惰轮，能将附加式履带的高度降低40％以上，能显著缩小装置体积；利用车辆自身重量张紧履带，可以不设张紧机构；综合以上两项有利因素，在传递功率等同条件下能减轻装置重量35％以上，便于小型车辆随车携带。在制造便利性方面，由于车轮直接驱动履带，履带不需要专门开驱动孔或制造驱动齿，无需专用模具，用常规的平带制造工艺即可生产；据市场调查，同等条件下能降低成本50％以上。使用效果方面，普通轮式车辆安装本附加履带后，接地比压能降低80％以上，通过增加履带面积的办法，有进一步降低接地比压的潜力，使加装本附加履带的轿车、SUV和商用轮式车辆具有全地形通行能力。通过设置行星齿轮系不同的齿数比，可以实现减速增扭，增加车轮最大扭矩；附加履带行走部件还可以将底盘最小离地间隙垫高15cm到40cm，使普通轿车、SUV和商用车辆在通过性和扭矩性能上均有大幅提高。

附图说明

图1本发明的主要组成部分及动力传动原理示意图；

图2履带行走部件结构示意图；

图3履带行驶部件组成及旋转方向示意图；

图4实施例1动力传动路线与旋转方向示意图；

图5行星齿轮式车轮正逆转变换器转速分析示意图；

图6实施例3车轮正逆转变换器与车轮、履带行驶部件位置关系示意图；

图7实施例3行星架、轮履连接组件、防倾转链示意图

图8实施例3太阳轮、车轮与履带旋转方向关系图；

图中：1-车轮正逆转变换器，2-履带行走部件，3-轮履连接组件，4-原动机；5-传动系，6-车轮，7-履带，8-承重轮，9-导向轮，10-支撑轮，11-履带架，12-支撑轮调距机构，13-变速箱，14-轮毂，15-半轴轴头外端，16-太阳轮，17-齿圈，18-行星轮，19-行星架，20-防倾转链。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，具有1到n个车轮正逆转变换器、n个履带行走部件、n个轮履连接组件，n为车轮数量。

参见图1至图7，车轮正逆转变换器1，由一组行星轮系组成，包括太阳轮16，行星轮18、齿圈17和行星架19。现有技术条件下，车辆原动机4产生的动力，经过传动系5传递到车轮，车轮的扭矩驱动车辆行驶。困难路况下，将现有技术的车辆传动系统断开，断开处近车轮面为5b、远车轮面为5a。将车轮正逆转变换器1布置在5a和5b之间，车轮正逆转变换器的太阳轮16和齿圈17分别连接到5a和5b，行星架19固定连接到车身。按照行星轮系的传动原理，太阳轮和齿圈旋转方向将相反，车轮6将逆转直接驱动履带7，履带行驶部件2将驱动车辆按正确的方向行驶。传动路径及各部分的旋转方向，如图中箭头线所示。

需要轮式行驶时，用锁定装置将太阳轮、行星轮、齿圈和行星架四个元件中的任意两个锁定成一体，行星轮系将整体处于锁定状态，输入转向与输出转向相同，恢复车轮正转状态。

参见图2、图3，履带行走部件包括履带7、承重轮8，导向轮9、支撑轮10、履带架11和支撑轮调距机构12。履带行驶状态下，将履带行驶部件2通过轮履连接组件3安装于车轮6下部，两个支撑轮之间的履带段将下凹环绕到车轮下部形成圆弧形的接触面，车辆重力把车轮压紧在履带上，车轮胎面可以直接用摩擦力或履带花纹附着力驱动履带。可见，在本发明中履带的驱动力和张紧力都由车轮直接提供，与常规的四轮一带履带行走机构相比不需要专门设置驱动轮和张紧轮。

参见图3，所述的轮履连接组件，用于连接履带行驶部件和车轮，其上部通过带轴承的悬臂与车轮同轴线连接于其轮心外端，可以绕车轮轴线自由转动，但径向和轴向被约束，其下部固定连接到履带架。

实施例1：参见图4，将车轮正逆转变换器1布置在原动机4输出轴和变速箱13之间，车轮正逆转变换器的太阳轮连接到原动机的输出轴，齿圈连接于变速箱的输入轴，齿圈固定连接到车辆底盘。

参见图5，图中三个圆分别为太阳轮、行星轮、齿圈的节圆；a-太阳轮节圆直径；b-行星轮节圆直径；c-齿圈节圆直径。显然作用于太阳轮上的力矩M₁＝F₁r₁；作用于齿圈上的力矩M₃＝F₃r₃；作用于行星架H上的力矩M_H＝F_Hr_H。

定义齿圈与太阳轮的齿数比为α，即α＝Z/Z＝r/r。

由齿轮几何关系：r₃＝αr₁、r_H＝(r₁+r₃)/2＝r₁(1+α)/2。

匀速转动时，行星轮处于力平衡状态：F₁＝F₃、F_H＝-2F₁。

因此，太阳轮、内齿圈和行星架H上的力矩分别为：

根据能量守恒定律，三基本构件上输入和输出功率的代数和应等于零。

即：M₁ω₁+M_Hω_H+M₃ω₃＝0……………………(2)

(1)式代入(2)式就可得到行星轮机构运动规律的特性方程：

ω₁-(1-α)ω_H+ω₃＝0...............(3)

本发明中，车轮正逆转变换器的行星架固接在车辆上不能自由转动(ω_H＝0)，太阳轮和齿圈可以绕中心轴转动，根据(3)式可得：

ω₁＝-αω₃

负号表明齿圈的转动方向与太阳轮转动方向相反，即车轮旋转方向将与正常旋转方向相反。经车轮与履带之间的一次外啮合传动后，履带收卷方向将正确匹配到车辆行驶方向上。

这种方案的优点是不管车辆有几个驱动轮，全车只需要1个车轮正逆转变换器，可以降低制造成本。但存在布置困难、车辆结构改动幅度大的缺点。

实施例2：将车轮正逆转变换器布置在变速箱之后，差速器之前，优缺点与实施例1类同。

实施例3：将车轮正逆转变换器嵌装于车辆驱动轮的轮毂部位，参见图6、图7。通过上部带有行星架19的轮履连接组件3将车轮正逆转器与履带行走部件连接起来。轮履连接组件是总体呈三角形布局的杆板桁架结构，其顶端加工有圆环，在圆环上开有安装行星轮轴的轴孔，起到行星架的作用。连接组件底部与履带架固定连接。车轮正逆转器中的太阳轮16与车辆传动半轴15固定连接，齿圈17与轮辋固定连接，履带架通过金属链与车辆底盘连接，履带行走部件倾转超过一定角度后，金属链将绷紧限制进一步倾转，起到防倾转机构得作用。这种实施例布置简单，可以用于现有车辆的改装，但需要较多的车轮正逆转转换器。

实施例4：对于原动机机是电动机的车辆，只需增加一改变驱动输出极性和相位的电子开关，让电动机反转的方式兼做车轮正逆转变换器。

Claims (6)

1.一种带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，其特征在于：具有1到n个车轮正逆转变换器(1)、n个履带行走部件(2)、n个轮履连接组件(3)，n为车轮数量；所述的车轮正逆转变换器(1)由一组行星轮系组成，包括太阳轮(16)、行星轮(18)、齿圈(17)和行星架(19)；行星架与车身固定连接后，太阳轮和行星轮转变了传动方向，车轮(6)将逆向旋转直接驱动履带，车辆按正确的方向由履带驱动行驶；需要恢复轮式行驶时，卸除履带行走部件及轮履连接组件，用锁定装置将太阳轮、行星轮、齿圈和行星架四个元件中的两个以上元件锁定，恢复车轮的正常转动方向。

2.根据权利要求1所述带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，其特征在于：履带(7)环抱在轮胎(6)下部，车轮不经过其它传动元件，使用摩擦力或花纹附着力在履带外表面直接驱动履带。

3.根据权利要求1所述带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，其特征在于：履带(7)与轮胎(6)贴合的部分向下凹陷，形成环抱式结构，由车辆车轮承担驱动轮和张紧轮的功能。

4.根据权利要求1所述带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，其特征在于：履带行驶部件通过回转连接组件安装在车轮下部，约束履带在车轮径向和轴向的活动。

5.根据权利要求4所述带有车轮正逆转变换器的附加履带系统，其特征在于：所述的回转连接组件包括防倾转链(20)，防倾转链(20)两端分别与履带架和车身连接。

6.一种使用权利要求1-4中任意一项所述带有车轮正逆转变换器的附加履带系统制造的轮式车辆。