CN111605635A - 一种具有多行走模式的轮履复合行走装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有多行走模式的轮履复合行走装置，包括变档换速系统、变轴距传动系统、末端定轴传动系统、承载系统、外壳、车轮和履带。变档换速系统位于装置中心，用来切换行走模式。变轴距传动系统安装在变档换速系统与末端定轴传动系统之间，通过承载系统改变长度，从而改变主轴与末端从动轴的轴距，实现对履带的张紧。承载系统用于控制变轴距传动系统和末端定轴传动系统的位置以及通过电磁离合器使整个装置完成滚动前进。末端定轴传动系统用来驱动车轮或履带行走。优点在于，本发明能够实现三种行走模式，且切换简便，通过性良好，适用于机器人或工程机械等领域。

Description

一种具有多行走模式的轮履复合行走装置
技术领域
本发明涉及一种车辆多功能行走机构，具体涉及一种具有多行走模式的轮履复合行走装置。
背景技术
目前传统车辆均使用轮式或履带式单一行走装置，轮式行走机构应用最广，它能够达到较高的运动速度，效率高，转弯灵活，制造成本低，理论技术较成熟，控制简单，但对地面的依赖性较强，由于车轮与地面的接触面积小，接地比压大，易在湿滑和柔软地面上打滑和沉陷，因此，轮式行走机构虽有较高的机动性，但越障爬坡能力有限。履带式行走机构是一种自铺路面形式的行走机构，因此具有以下优点：地面接触面积大，接地比压小，牵引附着性和越野机动性好，最重要的是其越障爬坡能力要优于轮式行走机构，但机动性较差，另外钢制履带对水泥路面的破坏性大，且维修维护成本较高。因此，为了弥补轮式或履带式单一行走装置的缺点，设计将轮式结构、履带式结构优点相互融合的结构是理想之选。
发明内容
为此，本发明提供一种可以轻松切换轮式与履带式行走机构并拥有多种行走模式的新型轮履复合行走装置，以解决单一性能行走机构的缺陷。
本发明解决以上技术问题所采取的技术方案如下：一种具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：包括有变档换速系统、变轴距传动系统、末端定轴传动系统、承载系统、车轮和履带；
所述变档换速系统包括一根主轴，所述主轴由车辆系统驱动，所述主轴通过锥齿轮啮合连接三套呈星型布置的所述变轴距传动系统，所述主轴同时通过电磁离合器连接三套呈星型布置的所述承载系统；
所述变轴距传动系统末端通过锥齿轮啮合连接所述末端定轴传动系统；
所述变轴距传动系统包括有空心传动轴和花键轴，所述花键轴与空心传动轴通过花键连接，所述花键轴既可随空心传动轴旋转，又可在空心传动轴中伸缩；所述空心传动轴上安装有空心传动轴锥齿轮，所述空心传动轴锥齿轮与所述变档换速系统的主轴通过锥齿轮啮合连接；所述花键轴上安装有花键轴锥齿轮，所述花键轴锥齿轮与所述末端定轴传动系统通过锥齿轮啮合连接；所述花键轴上还安装有轴承套筒；
所述承载系统包括有气缸/液压缸，所述气缸/液压缸的活塞杆与所述花键轴上的轴承套筒连接，带动所述花键轴伸缩；
所述末端定轴传动系统包括有上阶梯轴和下阶梯轴，所述上阶梯轴上套设有上阶梯轴锥齿轮和主动齿轮，所述下阶梯轴上套设有从动齿轮以及联轴器、板孔齿轮、挡板；
所述上阶梯轴锥齿轮与所述花键轴锥齿轮啮合，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述联轴器上安装车轮，所述板孔齿轮上安装履带，所述挡板与所述承载系统的活塞杆端相连，所述挡板上支撑安装所述上阶梯轴和下阶梯轴；
当所述电磁离合器断开，且所述联轴器上安装车轮时，为轮式行走模式；当所述电磁离合器断开，且所述板孔齿轮上安装履带时，为履带式行走模式；当所述电磁离合器吸合，且所述板孔齿轮上安装履带时，为滚动越障模式。
进一步地，所述主轴上套设有基座，所述电磁离合器外圈和基座依靠电磁离合相连，所述基座上安装三个气缸/液压缸。
进一步地，所述主轴上套设有主轴锥齿轮，与所述空心传动轴锥齿轮啮合。
进一步地，所述花键轴为阶梯轴，轴肩两侧均放置有推力轴承和球轴承，所述轴承套筒对推力轴承和球轴承进行限位；所述轴承套筒上设置有连接板，所述连接板与所述承载系统的活塞杆通过连杆连接。
进一步地，所述末端定轴传动系统的下阶梯轴上，所述联轴器、板孔齿轮、挡板以所述从动齿轮为中心对称布置。
进一步地，所述下阶梯轴与板孔齿轮之间采用键连接。
进一步地，所述变轴距传动系统的星型布置角度与所述承载系统的星型布置角度相同。
进一步地，通过所述承载系统的气缸/液压缸的伸缩，带动所述末端定轴传动系统对所述履带实施张紧。
与现有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：
①本发明与现有技术相比能够实现三种行走方式，分别为轮式行进，履带式行进以及整体滚动行进。
②本发明结构下，功能切换简单便利，将两种传统行进方式相融合，趋避单一行走方式的缺点，融合两种行进方式优点；在平坦硬质路面选择轮式行走，提高行驶速度，降低功率消耗；在松软有障碍路面选择履带式行走，增大接地比压，通过障碍路段；在有较大障碍的路面，可采用整体滚动行进的方式。
③本发明通用性良好，可应用于机器人和工程机械等领域。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为根据本发明实施例示出的总体结构示意图，图中壳体5从变速换挡系统1上拆解下来，车轮6从末端定轴传动系统3上拆解下来，履带7从车轮6上拆解下来。
图2-1为根据本发明实施例示出的轮式行走机构示意图。
图2-2为根据本发明实施例示出的履带式行走机构示意图。
图3-1为根据本发明实施例示出的变档换速系统结构示意图。
图3-2为变档换速系统结构拆解图。
图4-1为根据本发明实施例示出的变轴距传动系统结构示意图。
图4-2为变轴距传动系统花键轴部分结构图，图中拆下下轴承套筒。
图4-3为变轴距传动系统花键轴部分结构拆解图。
图5-1为根据本发明实施例示出的末端定轴传动系统结构示意图。
图5-2为下阶梯轴部分结构拆解图。
图5-3为上阶梯轴部分结构拆解图。
图6为根据本发明实施例示出的承载负荷系统结构示意图。
图中：1-变速换挡系统；1.1-主轴；1.2-主轴轴承；1.3-主轴锥齿轮；1.4-主轴套筒；1.5-电磁离合器；1.6-气缸基座；
2-变轴距传动系统；2.1-空心传动轴锥齿轮；2.2-固定螺栓；2.3-空心传动轴；2.4-空心传动轴前轴承；2.5-空心传动轴后轴承；2.6-上轴承套筒；2.7-连接板；2.8-下轴承套筒；2.9-花键轴锥齿轮；2.10垫片；2.11-花键轴；2.12-推力轴承；2.13-花键轴球轴承；
3-末端定轴传动系统；3.1-固定螺栓；3.2-左挡圈；3.3-左联轴器；3.4-从动轴套筒a；3.5-板孔齿轮a；3.6-前挡板；3.7-下阶梯轴；3.8-从动齿轮；3.9-圆锥滚子轴承；3.10-后挡板；3.11-挡板螺栓；3-12右挡圈；3.13-右联轴器；3.14-从动轴套筒b；3.15板孔齿轮b；3.16-上阶梯轴球轴承；3.17-上阶梯轴；3.18-上阶梯轴锥齿轮；3.19-主动齿轮；
4-承载系统；4.1-气缸；4.2-连杆；4.3-连杆螺栓；
5-壳体；6-车轮；7-履带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种具有多行走模式的轮履复合行走装置，包括变档换速系统1、变轴距传动系统2、末端定轴传动系统3、承载系统4、外壳5、车轮6和履带7。
变档换速系统1位于装置中心，一端通过锥齿轮与变轴距传动系统2相连，另一端通过电磁离合器与承载系统4固连；变轴距传动系统2的系统长度随着承载系统4的系统长度同时增加或减小；变轴距传动系统2的首端与变档换速系统1相连，变轴距传动系统2的末端与末端轴传动系统3相连，末端定轴传动系统3上安装车轮6或者履带7；外壳5分为两部分，通过螺栓连接，两部分分别安装在变档换速系统1的主轴两端，分别保护在变轴距传动系统2的外侧和承载系统4的外侧。
该装置可以分为轮式行走和履带式行走两种机构，如果末端定轴传动系统3上装车轮6，不装履带7，则为轮式行走机构，如图2-1所示；如果不装车轮6而装履带7，则为履带式行走机构，如图2-2所示。
轮式行走时，变档换速系统1将动力通过锥齿轮经变轴距传动系统2传递至末端定轴传动系统3，末端定轴传动系统3通过联轴器驱动车轮6转动。
轮履切换时，将车轮6拆下，换上履带7，改变承载系统4和变轴距传动系统2的系统长度对履带进行张紧。
履带式行走时，变档换速系统1将动力通过锥齿轮经变轴距传动系统2传递至末端定轴传动系统3，末端定轴传动系统3通过齿轮组驱动履带7行走。
滚动越障时，变速换挡系统1将动力通过电磁离合器直接传递给承载系统4，在保留原有传动过程的情况下，使整个装置能够绕中心轴线转动，进行越障。
具体地，变档换速系统1、变轴距传动系统2、末端定轴传动系统3、承载系统4主体结构介绍如下：
一、变档换速系统1的结构：
如图3-1、3-2所示，变档换速系统1由主轴1.1、主轴轴承1.2、主轴锥齿轮1.3、主轴套筒1.4、电磁离合器1.5和气缸基座1.6组成。
主轴1.1是整个装置的动力源，主轴的驱动力来自于车辆驱动系统。主轴1.1上通过轴套固定主轴轴承1.2，用于对外壳5限位(外壳上有内阶梯孔，对轴承外圈固定)。主轴1.1上同时还固定主轴锥齿轮1.3和电磁离合器1.5，主轴1.1通过键连接带动主轴锥齿轮1.3和电磁离合器1.5内圈。主轴套筒1.4安装在主轴锥齿轮1.3与电磁离合器1.5之间进行限位。主轴锥齿轮1.3对外与变轴距传动系统2的锥齿轮进行啮合连接。电磁离合器1.5外圈通过销与气缸基座1.6相连，气缸基座1.6也套设在主轴1.1上，当电磁离合器1.5通电时，电磁离合器内圈与外圈相连接，使电磁离合器1.5外圈带动气缸基座1.6旋转，气缸基座1.6用于安装承载系统4的气缸。进一步说明，气缸基座1.6也可改为液压缸基座，用于安装气缸或液压缸，可通称为基座。
二、变轴距传动系统2的结构：
如图4-1、4-2、4-3所示，变轴距传动系统2由空心传动轴锥齿轮2.1、固定螺栓2.2、空心传动轴2.3、空心传动轴前轴承2.4、空心传动轴后轴承2.5、上轴承套筒2.6、连接板2.7、下轴承套筒2.8、花键轴锥齿轮2.9、垫片2.10、花键轴2.11、推力轴承2.12、花键轴球轴承2.13组成。
空心传动轴锥齿轮2.1通过固定螺栓2.2与空心传动轴2.3相连；空心传动轴锥齿轮2.1与变档换速系统1的主轴锥齿轮1.3啮合。空心传动轴2.3通过固定在轴上的空心传动轴前轴承2.4和空心传动轴后轴承2.5对外壳5进行限位(同样，外壳上有内阶梯孔，对轴承外圈固定)。
空心传动轴2.3通过花键与花键轴2.11连接，空心传动轴2.3和花键轴2.11构成可伸缩旋转轴，两轴既可以一同旋转，花键轴2.11也可以沿轴向伸缩；花键轴2.11为阶梯轴，轴肩两侧均放置了推力轴承2.12和花键轴球轴承2.13，同时由上轴承套筒2.6和下轴承套筒2.8对推力轴承2.12、花键轴球轴承2.13进行限位固定，花键轴2.11既可以在轴承内转动传递扭矩，又可以在套筒外力作用下沿轴向移动，改变总体长度。上轴承套筒2.6和下轴承套筒2.8对接端设置有连接板2.7，可以通过螺柱连接，进一步，在两连接板中间夹设垫片2.10用以连接密封。花键轴2.11端部安装花键轴锥齿轮2.9，花键轴锥齿轮2.9对外用于与末端定轴传动系统3的锥齿轮啮合。
连接板2.7通过螺柱与承载系统4固连，所以变轴距传动系统2的系统长度可以由承载系统4决定，花键轴2.11可以在承载系统4的带动下伸缩于空心传动轴2.3中；空心传动轴2.3在空心传动轴锥齿轮2.1的啮合传动作用下可以旋转；花键轴2.11与空心传动轴2.3连接，既可以在空心传动轴2.3中轴向运动，又可以在空心传动轴2.3的带动下旋转；花键轴2.11端部连接花键轴锥齿轮2.9，花键轴锥齿轮2.9可以啮合末端定轴传动系统3的锥齿轮传动，动力从变档换速系统1传向变轴距传动系统2，再传向末端定轴传动系统3。
三、末端定轴传动系统3的结构：
如图5-1、5-2、5-3所示，末端定轴传动系统3由固定螺栓3.1、左挡圈3.2、左联轴器3.3、从动轴套筒a 3.4、板孔齿轮a 3.5、前挡板3.6、下阶梯轴3.7、从动齿轮3.8、圆锥滚子轴承3.9、后挡板3.10、挡板螺柱3.11、右挡圈3.12、右联轴器3.13、从动轴套筒b 3.14、板孔齿轮b 3.15、上阶梯轴球轴承3.16、上阶梯轴3.17、上阶梯轴锥齿轮3.18和主动齿轮3.19组成。
下阶梯轴3.7上套设有左挡圈3.2、左联轴器3.3、从动轴套筒a 3.4、板孔齿轮a3.5、前挡板3.6、从动齿轮3.8、圆锥滚子轴承3.9、后挡板3.10、右挡圈3.12、右联轴器3.13、从动轴套筒b 3.14、板孔齿轮b 3.15这些件。上阶梯轴3.17上套设有上阶梯轴锥齿轮3.18和主动齿轮3.19。
下阶梯轴3.7上的结构为对称结构，以从动齿轮3.8为中心，就左侧结构为例来讲，固定螺栓3.1从轴端固定左挡圈3.2，利用左挡圈3.2和从动轴套筒a 3.4从两侧对左联轴器3.3进行限位，左联轴器3.3内侧安装从动轴套筒a 3.4，利用轴肩和从动轴套筒a 3.4对板孔齿轮a 3.5进行限位。右侧结构一样。从动齿轮3.8利用两侧的圆锥滚子轴承3.9限位；前挡板3.6和后挡板3.10通过挡板螺柱3.11连接，整体用于连接上阶梯轴3.17，上阶梯轴3.17通过安装在前挡板3.6和后挡板3.10里的球轴承进行定位。上阶梯轴锥齿轮3.18用于啮合连接轴距传动系统2的花键轴锥齿轮2.9；主动齿轮3.19啮合连接从动齿轮3.8。上阶梯轴锥齿轮3.18与轴距传动系统2的花键轴锥齿轮2.9啮合连接，将动力传递至上阶梯轴3.17；上阶梯轴3.17通过主动齿轮3.19和从动齿轮3.8的啮合带动下阶梯轴3.7转动。下阶梯轴3.7与板孔齿轮a 3.5、板孔齿轮b 3.15之间采用键连接；在履带式行走时，用板孔齿轮a 3.5和板孔齿轮b 3.15带动履带7运行。左联轴器3.3和右联轴器3.13安装在下阶梯轴3.7两端，通过左挡圈3.2、右挡圈3.12和固定螺栓3.1固定，在轮式行走时，由联轴器带动车轮6转动。
前挡板3.6通过螺栓与承载系统4连接，使末端定轴传动系统3能够固定在承载系统4上。末端定轴传动系统3可以随着承载系统长度的增加或减小调整与主轴1.1的中心距。
四、承载系统4的结构：
如图6所示，承载系统4由气缸4.1(或液压缸)、连杆4.2和连杆螺栓4.3组成。本发明承载系统4采用气缸或液压缸均可，此处采用气缸。气缸4.1安装在变档换速系统1的气缸基座1.6上。连杆4.2焊接在气缸4.1的活塞杆伸出端，通过连杆螺栓4.3与连接板2.7连接，使变轴距传动系统2能够与气缸4.1一起运动。活塞杆尾部通过螺纹连接与末端定轴传动系统3的前挡板3.6上螺纹柱固连，使末端定轴传动系统3能够与气缸4.1一起运动。
该装置的变轴距传动系统2和承载系统4都呈星型结构布局。以主轴1.1为轴心，沿主轴锥齿轮1.3周向呈120°均匀啮合三个空心传动轴锥齿轮2.1，沿气缸基座1.6周向呈120°均匀布置三个气缸4.1，也就是，在主轴锥齿轮1.3上连接三个呈星型布局的变轴距传动系统2，在气缸基座1.6上连接三个呈星型布局的承载系统4；每一组并排设置的变轴距传动系统2和承载系统4都对应连接一套末端定轴传动系统3。因此在装置上会安装有三组车轮6或者一根由三套末端定轴传动系统3支撑的履带7。
轮式行走时，变档换速系统1将动力通过主轴锥齿轮1.3经变轴距传动系统2传递至末端定轴传动系统3，末端定轴传动系统3通过左联轴器3.3、右联轴器3.13及轮毂驱动车轮6转动，其中有两组车轮着地行走。
由轮式行走状态切换至履带式行走状态时，拆卸固定螺栓3.1和左、右挡圈3.2、3.12，再拆卸车轮6之后，重新安装好固定螺栓和挡圈，放置履带7。沿气缸基座1.6周向呈120°均匀布置的三个气缸4.1的活塞杆伸出，通过与活塞杆固连的连接板2.7和前挡板3.6使变轴距传动系统2和末端定轴传动系统3与承载系统4一起伸长，实现对履带7的张紧。
履带式行走时，变档换速系统1将动力通过主轴锥齿轮1.3经变轴距传动系统2传递至末端定轴传动系统3，末端定轴传动系统3通过板孔齿轮组驱动履带7行走。
本装置还可以滚动越障，滚动越障时，变速换挡系统1将动力通过电磁离合器1.5直接传递给承载系统4，使承载系统4随轴一起转动，在保留原有传动过程的情况下，使整个装置能够绕中心轴转动，进行越障。

Claims (8)

1.一种具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：包括有变档换速系统、变轴距传动系统、末端定轴传动系统、承载系统、车轮和履带；
所述变档换速系统包括一根主轴，所述主轴由车辆系统驱动，所述主轴通过锥齿轮啮合连接三套呈星型布置的所述变轴距传动系统，所述主轴同时通过电磁离合器连接三套呈星型布置的所述承载系统；
所述变轴距传动系统末端通过锥齿轮啮合连接所述末端定轴传动系统；
所述变轴距传动系统包括有空心传动轴和花键轴，所述花键轴与空心传动轴通过花键连接，所述花键轴既可随空心传动轴旋转，又可在空心传动轴中伸缩；所述空心传动轴上安装有空心传动轴锥齿轮，所述空心传动轴锥齿轮与所述变档换速系统的主轴通过锥齿轮啮合连接；所述花键轴上安装有花键轴锥齿轮，所述花键轴锥齿轮与所述末端定轴传动系统通过锥齿轮啮合连接；所述花键轴上还安装有轴承套筒；
所述承载系统包括有气缸/液压缸，所述气缸/液压缸的活塞杆与所述花键轴上的轴承套筒连接，带动所述花键轴伸缩；
所述末端定轴传动系统包括有上阶梯轴和下阶梯轴，所述上阶梯轴上套设有上阶梯轴锥齿轮和主动齿轮，所述下阶梯轴上套设有从动齿轮以及联轴器、板孔齿轮、挡板；
所述上阶梯轴锥齿轮与所述花键轴锥齿轮啮合，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述联轴器上安装车轮，所述板孔齿轮上安装履带，所述挡板与所述承载系统的活塞杆端相连，所述挡板上支撑安装所述上阶梯轴和下阶梯轴；
当所述电磁离合器断开，且所述联轴器上安装车轮时，为轮式行走模式；当所述电磁离合器断开，且所述板孔齿轮上安装履带时，为履带式行走模式；当所述电磁离合器吸合，且所述板孔齿轮上安装履带时，为滚动越障模式。
2.根据权利要求1所述的具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：所述主轴上套设有基座，所述电磁离合器外圈和基座依靠电磁离合相连，所述基座上安装三个气缸/液压缸。
3.根据权利要求1或2所述的具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：所述主轴上套设有主轴锥齿轮，与所述空心传动轴锥齿轮啮合。
4.根据权利要求1所述的具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：所述花键轴为阶梯轴，轴肩两侧均放置有推力轴承和球轴承，所述轴承套筒对推力轴承和球轴承进行限位；所述轴承套筒上设置有连接板，所述连接板与所述承载系统的活塞杆通过连杆连接。
5.根据权利要求1所述的具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：所述末端定轴传动系统的下阶梯轴上，所述联轴器、板孔齿轮、挡板以所述从动齿轮为中心对称布置。
6.根据权利要求1或5所述的具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：所述下阶梯轴与板孔齿轮之间采用键连接。
7.根据权利要求1所述的具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：所述变轴距传动系统的星型布置角度与所述承载系统的星型布置角度相同。
8.根据权利要求1所述的具有多行走模式的轮履复合行走装置，其特征在于：通过所述承载系统的气缸/液压缸的伸缩，带动所述末端定轴传动系统对所述履带实施张紧。
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