CN111674197A - 一种接地面积可变的非充气车轮及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种接地面积可变的非充气车轮及其工作方法。本发明涉及非充气车轮技术领域。提出了一种接地面积可变的非充气车轮及其工作方法，使车辆能够在多种道路工况和行驶工况下安全稳定的行驶。包括轮毂、减震器、弹性支撑组件和硫化橡胶；所述减震器具有若干个，所述减震器沿轮毂的径向设置、且减震器的一端固定连接在轮毂的外壁上；所述弹性支撑组件包括环形弹性钢板、若干支撑件、若干对钢板组；所述钢板组中都设有多个螺线管，所述螺线管在通电后朝向或远离与其对应的永磁体运动，从而带动钢板组在环形弹性钢板的两侧弯折或伸直。本发明通过自适应控制器控制螺线管的电流大小和方向，以此通过控制磁场强度来控制轮胎接地面积，无需复杂的机械结构。

Description

一种接地面积可变的非充气车轮及其工作方法

技术领域

本发明涉及非充气车轮技术领域，特别涉及一种接地面积可变的非充气车轮。

背景技术

目前，传统的充气轮胎以及新兴的非充气车轮在行驶过程中，轮胎的接地面积绝大 部分都不能根据行驶工况和路面条件的不同，自由进行改变。例如，过大的接地面积会增加车辆的滚动阻力，增加车辆的燃油消耗；过小的接地面积会导致车辆接地压力过大，增加车辆爆胎的危险，且当车辆行驶在松软路面时，会使车辆下陷过深，无法正常行驶。 因此车辆行驶过程中需要轮胎根据不同工况自动调整轮胎的接地面积，以达到最理想的 行驶效果，然而传统的充气轮胎以及非充气轮胎绝大部分均无法实现上述功能。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种接地面积可变的非充气车轮及其工作方法，使得 车辆在行驶过程中可以根据路面和行驶工况的不同，自动调整轮胎的接地面积，使车辆能够在多种道路工况和行驶工况下安全稳定的行驶。

本发明的技术方案为：包括轮毂1、减震器2、弹性支撑组件3和硫化橡胶6；所述 减震器2具有若干个，所述减震器2沿轮毂1的径向设置、且减震器2的一端固定连接 在轮毂1的外壁上；

所述弹性支撑组件3包括环形弹性钢板31、若干支撑件32、若干对钢板组33；

所述支撑件32与减震器2一一对应，所述支撑件32沿轮毂1的径向设置、且固定 连接在减震器2远离轮毂1的一端；所述支撑件32中开设有空腔，所述空腔中设有永 磁体4；

若干所述支撑件32远离轮毂1的一端都固定连接环形弹性钢板31的内壁；一个所述支撑件32对应一对对称铰接在环形弹性钢板31的两侧的钢板组33；若干对所述钢板 组33沿环形弹性钢板31的周向均匀的布置在环形弹性钢板31的两侧；

所述钢板组33中都设有多个螺线管5，所述螺线管5在通电后朝向或远离与其对应的永磁体4运动，从而带动钢板组33在环形弹性钢板的两侧弯折或伸直；

所述硫化橡胶6固定连接在弹性支撑钢板3背向轮毂1的一侧表面上。

每一个所述螺线管5中均连接有独立的通电导线，每根通电导线中的电流大小和方 向均由自适应控制器进行控制；

通过信号感知单元感知路面环境和车辆状态信息，车辆状态信息包括速度传感器、 横摆角速度传感器、加速度传感器、车轮转速传感器；

所述信号转换单元包括A/D信号转换器；

所述自适应控制器与所述信号转换单元相连接，内部设置有具有自适应控制算法的 单片机，通过单片机对经过信号转换单元转换后的数字信号进行分析计算；所述信号转换单元与所述信号感知单元相连接，A/D信号转换器将信号感知单元中各个传感器的物 理信号转换为数字信号，并传输到所述自适应控制器中进行分析计算，得到所需的电流 的数字控制信号，然后通过A/D转换器将数字控制信号转换为电流信号，控制螺线管通 电电流大小和方向，产生不同强弱程度和不同方向的磁场，从而在永磁体的磁场作用下， 控制弹性钢板单元产生不同角度和不同方向的偏转。

所述支撑件32具有M个，M为自然数、且8≤M≤36；

所述钢板组33具有M对，所述钢板组33包括N+1个弹性钢板单元7，N为自然数、 且3≤N≤20，所述弹性钢板单元7分为普通单元71和外侧单元72，一个钢板组33具 有N个普通单元71和一个外侧单元72；

所述钢板组33中的相邻普通单元71之间通过转轴铰接，所述钢板组33中最接近环形弹性钢板31的普通单元71通过转轴与环形弹性钢板31铰接，所述钢板组33中最远 离环形弹性钢板33的普通单元71通过转轴与外侧单元72铰接；所有的转轴都与其对 应的支撑件32垂直。

所述弹性钢板单元7呈弧形块状。

所述弹性钢板单元7中都开设有容置腔，每个所述容置腔中都设有一个螺线管5。

所述钢板组与其两侧相邻的两个钢板组之间留有间隙。

所述硫化橡胶6包括整体橡胶体61和若干单元橡胶体62，所述整体橡胶体61呈圆环状、且固定连接在环形弹性钢板31背向轮毂的表面上；

所述单元橡胶体62呈与弹性钢板单元7适配的弧形块状，所有所述弹性钢板单元7背向轮毂1的表面上都固定连接有单元橡胶体62。

一种接地面积可变的非充气车轮的工作方法，包含以下步骤：

步骤1)，将所述信号感知单元中的速度传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器以及自适应控制器、信号转换单元安装在车身上；将所述信号感知单元中的车轮转速传 感器安装在车轮上；

步骤2)，所述信号感知单元通过速度传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器、车轮转速传感器感知车辆速度信号、横摆角速度信号、角速度信号以及车轮转速信号；

步骤3)，所述信号转换单元将步骤2)所述的传感器感知的信号转换为数字信号并传输给所述自适应控制器；

步骤4)，所述自适应控制器对数字信号进行分析计算，得到此时车轮所需的接地面 积，进而得到各个所述弹性钢板单元所需的偏转角度和偏转方向，从而计算出所需的空间磁场的强度和方向以及各个螺线管所需要的电流大小和方向；

步骤5)，将步骤4)计算得到的各个所述螺线管所需电流大小和方向的数字控制信号通过所述信号转换单元转换为电流信号，控制所述通电导线的电流大小和方向，以此 控制所述螺线管的电流大小和方向，产生不同强弱程度和方向的磁场，进而控制车轮的 接地面积。

步骤4)所述计算车轮所需接地面积包含以下步骤：

步骤4.1)，根据步骤3)所获取到车辆速度v，车轮转速ω，计算出车轮的滑移(转)率λ：

式中，r为车轮滚动半径。

步骤4.2)，根据步骤4.1)所求出的滑移(转)率，由侧向力系数

曲线图得到此时的侧向力系数φ_l；

步骤4.3)，由公式

得到此时车轮的侧向力F_y；

步骤4.4)，根据步骤3)所获取的车辆侧向速度v，求得此时轮胎所需的侧向力F_yy；

步骤4.4)，若车轮的侧向力较小，则以不断增加车辆接地面积直到车轮侧向力 F_y≥F_yy，即可求得所需的接地面积。

与现有技术相比，以上技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明在车辆行驶过程中可以根据实时的路面工况和行驶工况自动调整车轮接 地面积，提高车辆的行驶稳定性和操纵性，使得车辆在转弯时可以有效防止侧滑和侧翻；

(2)本发明通过自适应控制器控制螺线管的电流大小和方向，以此通过控制磁场强 度来控制轮胎接地面积，无需复杂的机械结构；

(3)本发明可以通过控制轮胎接地面积，可以有效地控制车辆行驶过程中的滚动阻 力，降低燃油消耗率；

(4)本发明通过自适应控制轮胎接地面积，可以实现多种复杂路面工况下稳定安全 行驶，具有较好的路面适应能力；

(5)本发明所述车轮为非充气车轮，可以防止车辆行驶过程中发生爆胎等安全事故 的发生，行驶安全性能好。

附图说明

图1是本案的结构示意图，

图2是图1的C-C向剖视图，

图3是图2中A处局部放大图，

图4是图2中B处局部放大图，

图5是本案中环形弹性钢板的结构示意图，

图6a是本案中普通单元的结构示意图，

图6b是本案中外侧单元的结构示意图，

图7是本案中弹性支撑组件的结构示意图，

图8a是本案中整体橡胶体的结构示意图，

图8b是本案中单元橡胶体的结构示意图，

图9a是本案的使用状态参考图一，

图9b是本案的使用状态参考图二；

图中1是轮毂，2是减震器，3是弹性支撑组件，31是弹性钢板，32是支撑件，33 是钢板组，4是永磁体，5是螺线管，6是硫化橡胶，61是整体橡胶体，62是单元橡胶 体，7是弹性钢板单元，71是普通单元，72是外侧单元。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本发明如图1-5所示，包括轮毂1、减震器2、弹性支撑组件3和硫化橡胶6；所述 减震器2具有若干个，所述减震器2沿轮毂1的径向设置、且减震器2的一端固定连接 在轮毂1的外壁上；

所述弹性支撑组件3包括环形弹性钢板31、若干支撑件32、若干对钢板组33；

所述支撑件32与减震器2一一对应，所述支撑件32沿轮毂1的径向设置、且固定 连接在减震器2远离轮毂1的一端；所述支撑件32中开设有空腔，所述空腔中设有永 磁体4；

若干所述支撑件32远离轮毂1的一端都固定连接环形弹性钢板31的内壁；一个所述支撑件32对应一对对称铰接在环形弹性钢板31的两侧的钢板组33；若干对所述钢板 组33沿环形弹性钢板31的周向均匀的布置在环形弹性钢板31的两侧；

所述钢板组33中都设有多个螺线管5，所述螺线管5在通电后朝向或远离与其对应的永磁体4运动，从而带动钢板组33在环形弹性钢板的两侧弯折或伸直；

所述硫化橡胶6固定连接在弹性支撑钢板3背向轮毂1的一侧表面上。

每一个所述螺线管5中均连接有独立的通电导线，每根通电导线中的电流大小和方 向均由自适应控制器进行控制；

通过信号感知单元感知路面环境和车辆状态信息，车辆状态信息包括速度传感器、 横摆角速度传感器、加速度传感器、车轮转速传感器；

所述信号转换单元包括A/D信号转换器；

所述自适应控制器与所述信号转换单元相连接，内部设置有具有自适应控制算法的 单片机，通过单片机对经过信号转换单元转换后的数字信号进行分析计算；所述信号转换单元与所述信号感知单元相连接，A/D信号转换器将信号感知单元中各个传感器的物 理信号转换为数字信号，并传输到所述自适应控制器中进行分析计算，得到所需的电流 的数字控制信号，然后通过A/D转换器将数字控制信号转换为电流信号，控制螺线管通 电电流大小和方向，产生不同强弱程度和不同方向的磁场，从而在永磁体的磁场作用下， 控制弹性钢板单元产生不同角度和不同方向的偏转。

如图7所示，所述支撑件32具有M个，M为自然数、且8≤M≤36；

所述钢板组33具有M对，所述钢板组33包括N+1个弹性钢板单元7，N为自然数、 且3≤N≤20，所述弹性钢板单元7分为普通单元71和外侧单元72，一个钢板组33具 有N个普通单元71和一个外侧单元72；

所述钢板组33中的相邻普通单元71之间通过转轴铰接，所述钢板组33中最接近环形弹性钢板31的普通单元71通过转轴与环形弹性钢板31铰接，所述钢板组33中最远 离环形弹性钢板33的普通单元71通过转轴与外侧单元72铰接；所有的转轴都与其对 应的支撑件32垂直。

所述弹性钢板单元7呈弧形块状。

所述弹性钢板单元7中都开设有容置腔，每个所述容置腔中都设有一个螺线管5。

所述钢板组与其两侧相邻的两个钢板组之间留有间隙。从而给钢板组的翻转留出一 定的动作空间。

如图6a、图6b所示，所述弹性钢板单元7为截面为矩形，侧面呈圆心角为20°的圆弧形，其设有内部空间，用于放置螺线管5；其中图6b所示的外侧单元只有一侧的中部 设有凹形铰接部，图6a所示的普通单元两侧的中部均设有铰接部，即一侧为凸形铰接 部、且另一侧为凹形铰接部，所述外侧单元仅一侧的中部设有凹形铰接部；

凸形铰接部以及凹形铰接部上均设有与转轴适配的圆形铰接孔；通过转轴实现一个 普通单元的凸形铰接部和另一个普通单元的凹形铰接部的铰接，并实现最远离环形弹性 钢板的普通单元的凸形铰接部与外侧单元的凹形铰接部的铰接，使得N个普通单元7 和一个外侧单元依次铰接形成如图7所示的钢板组。

环形弹性钢板的两侧端面设有沿其轴向均匀分布的若干凸形铰接部，环形弹性钢板 两侧的每一个凸形铰接部都与一个钢板组中最接近环形弹性钢板的普通单元的的凹形铰接部进行铰接，环形弹性钢板两侧铰接部铰接方式均相同，使得环形弹性钢板、M个 支撑件以及M对钢板组构成呈左右对称结构的弹性支撑钢板12；环形弹性钢板上每一 个凸形铰接部依次连接4个弹性钢板单元和1个外侧单元。

如图8a、图8b所示，硫化橡胶6包含整体橡胶体和单元橡胶体，图8a所示的整体 橡胶体用于固结在环形弹性钢板上，形状为360度的圆环形；图8b所示的单元橡胶体 用于固结在弹性钢板单元7或外侧单元上，形状为圆心角呈20°的圆弧形；单元橡胶体 和整体橡胶体之间以及单元橡胶体和整体橡胶体之间相同独立，没有连接关系。

所述硫化橡胶6包括整体橡胶体61和若干单元橡胶体62，所述整体橡胶体61呈圆环状、且固定连接在环形弹性钢板31背向轮毂的表面上；

所述单元橡胶体62呈与弹性钢板单元7适配的弧形块状，所有所述弹性钢板单元7背向轮毂1的表面上都固定连接有单元橡胶体62。

非充气车轮的工作方法包含以下步骤：

步骤1)，将所述信号感知单元中的速度传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器以及自适应控制器、信号转换单元安装在车身上；将所述信号感知单元中的车轮转速传 感器安装在车轮上；

步骤2)，所述信号感知单元通过速度传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器、车轮转速传感器感知车辆速度信号、横摆角速度信号、角速度信号以及车轮转速信号；

步骤3)，所述信号转换单元将步骤2)所述的传感器感知的信号转换为数字信号并传输给所述自适应控制器；

步骤4)，所述自适应控制器对数字信号进行分析计算，得到此时车轮所需的接地面 积，进而得到各个所述弹性钢板单元所需的偏转角度和偏转方向，从而计算出所需的空间磁场的强度和方向以及各个螺线管所需要的电流大小和方向；

步骤5)，将步骤4)计算得到的各个所述螺线管所需电流大小和方向的数字控制信号通过所述信号转换单元转换为电流信号，控制所述通电导线的电流大小和方向，以此 控制所述螺线管的电流大小和方向，产生不同强弱程度和方向的磁场，进而控制车轮的 接地面积。

步骤4)所述计算车轮所需接地面积包含以下步骤：

步骤4.1)，根据步骤3)所获取到车辆速度v，车轮转速ω，计算出车轮的滑移(转)率λ：

式中，r为车轮滚动半径。

步骤4.2)，根据步骤4.1)所求出的滑移(转)率，由侧向力系数

曲线图得到此时的侧向力系数φ_l；

步骤4.3)，由公式

得到此时车轮的侧向力F_y；

步骤4.4)，根据步骤3)所获取的车辆侧向速度v，求得此时轮胎所需的侧向力F_yy；

步骤4.4)，若车轮的侧向力较小，则以不断增加车辆接地面积直到车轮侧向力 F_y≥F_yy，即可求得所需的接地面积。

本发明可以使车辆在行驶过程中根据当前的路面工况和行驶状态自动调整车轮的接 地面积。需要说明的是，由于各个所述弹性钢板单元翻转角度时刻在变化，因此无需对 其位置进行固定，而是需要其根据不同工况随时进行改变，如图9a所示，当车辆需要 进行高速转向时，信号感知单元会将传感器获得的传感信号经过信号转换后传输给自适 应控制器，自适应控制器对获取的信号进行分析计算，控制螺线管中的电流，以此控制 弹性钢板单元的偏转角和偏转方向，增大车轮的接地面积，防止车辆转向过程中出现侧 滑等危险情况；如图9b所示，当车辆需要降低轮胎的滚动阻力时，自适应控制器重新 分析计算，并控制螺旋管中电流，使得弹性钢板单元发生偏转，减小车轮的接地面积， 以此减小轮胎的滚动阻力。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种接地面积可变的非充气车轮，其特征在于，包括轮毂(1)、减震器(2)、弹性支撑组件(3)和硫化橡胶(6)；所述减震器(2)具有若干个，所述减震器(2)沿轮毂(1)的径向设置、且减震器(2)的一端固定连接在轮毂(1)的外壁上；

所述弹性支撑组件(3)包括环形弹性钢板(31)、若干支撑件(32)、若干对钢板组(33)；

所述支撑件(32)与减震器(2)一一对应，所述支撑件(32)沿轮毂(1)的径向设置、且固定连接在减震器(2)远离轮毂(1)的一端；所述支撑件(32)中开设有空腔，所述空腔中设有永磁体(4)；

若干所述支撑件(32)远离轮毂(1)的一端都固定连接环形弹性钢板(31)的内壁；一个所述支撑件(32对应一对对称铰接在环形弹性钢板(31)的两侧的钢板组(33)；若干对所述钢板组(33)沿环形弹性钢板(31)的周向均匀的布置在环形弹性钢板(31)的两侧；

所述钢板组(33)中都设有多个螺线管(5)，所述螺线管(5)在通电后朝向或远离与其对应的永磁体(4)运动，从而带动钢板组(33)在环形弹性钢板的两侧弯折或伸直；

所述硫化橡胶(6)固定连接在弹性支撑钢板(3)背向轮毂(1)的一侧表面上。

2.根据权利要求1所述的一种接地面积可变的非充气车轮，其特征在于，每一个所述螺线管(5)中均连接有独立的通电导线，每根通电导线中的电流大小和方向均由自适应控制器进行控制；

通过信号感知单元感知路面环境和车辆状态信息，车辆状态信息包括速度传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器、车轮转速传感器；

所述信号转换单元包括A/D信号转换器；

所述自适应控制器与所述信号转换单元相连接，内部设置有具有自适应控制算法的单片机，通过单片机对经过信号转换单元转换后的数字信号进行分析计算；所述信号转换单元与所述信号感知单元相连接，A/D信号转换器将信号感知单元中各个传感器的物理信号转换为数字信号，并传输到所述自适应控制器中进行分析计算，得到所需的电流的数字控制信号，然后通过A/D转换器将数字控制信号转换为电流信号，控制螺线管通电电流大小和方向，产生不同强弱程度和不同方向的磁场，从而在永磁体的磁场作用下，控制弹性钢板单元产生不同角度和不同方向的偏转。

3.根据权利要求1所述的一种接地面积可变的非充气车轮，其特征在于，所述支撑件(32)具有M个，M为自然数、且8≤M≤36；

所述钢板组(33)具有M对，所述钢板组(33)包括N+1个弹性钢板单元(7)，N为自然数、且3≤N≤20，所述弹性钢板单元(7)分为普通单元(71)和外侧单元(72)，一个钢板组(33)具有N个普通单元(71)和一个外侧单元(72)；

所述钢板组(33)中的相邻普通单元(71)之间通过转轴铰接，所述钢板组(33)中最接近环形弹性钢板(31)的普通单元(71)通过转轴与环形弹性钢板(31)铰接，所述钢板组(33)中最远离环形弹性钢板(33)的普通单元(71)通过转轴与外侧单元(72)铰接；所有的转轴都与其对应的支撑件(32)垂直。

4.根据权利要求3所述的一种接地面积可变的非充气车轮，其特征在于，所述弹性钢板单元(7)呈弧形块状。

5.根据权利要求3所述的一种接地面积可变的非充气车轮，其特征在于，所述弹性钢板单元(7)中都开设有容置腔，每个所述容置腔中都设有一个螺线管5。

6.根据权利要求3所述的一种接地面积可变的非充气车轮，其特征在于，所述钢板组与其两侧相邻的两个钢板组之间留有间隙。

7.根据权利要求3所述的一种接地面积可变的非充气车轮，其特征在于，所述硫化橡胶(6)包括整体橡胶体(61)和若干单元橡胶体(62)，所述整体橡胶体(61)呈圆环状、且固定连接在环形弹性钢板(31)背向轮毂的表面上；

所述单元橡胶体(62)呈与弹性钢板单元(7)适配的弧形块状，所有所述弹性钢板单元(7)背向轮毂(1)的表面上都固定连接有单元橡胶体(62)。

8.一种权利要求1所述的接地面积可变的非充气车轮的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，将所述信号感知单元中的速度传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器以及自适应控制器、信号转换单元安装在车身上；将所述信号感知单元中的车轮转速传感器安装在车轮上；

步骤2)，所述信号感知单元通过速度传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器、车轮转速传感器感知车辆速度信号、横摆角速度信号、角速度信号以及车轮转速信号；

步骤3)，所述信号转换单元将步骤2)所述的传感器感知的信号转换为数字信号并传输给所述自适应控制器；

步骤4)，所述自适应控制器对数字信号进行分析计算，得到此时车轮所需的接地面积，进而得到各个所述弹性钢板单元所需的偏转角度和偏转方向，从而计算出所需的空间磁场的强度和方向以及各个螺线管所需要的电流大小和方向；

步骤5)，将步骤4)计算得到的各个所述螺线管所需电流大小和方向的数字控制信号通过所述信号转换单元转换为电流信号，控制所述通电导线的电流大小和方向，以此控制所述螺线管的电流大小和方向，产生不同强弱程度和方向的磁场，进而控制车轮的接地面积。

9.根据权利要求8所述的一种接地面积可变的非充气车轮的工作方法，其特征在于，步骤4)所述计算车轮所需接地面积包含以下步骤：

步骤4.1)，根据步骤3)所获取到车辆速度v，车轮转速ω，计算出车轮的滑移(转)率λ：

式中，r为车轮滚动半径。

步骤4.2)，根据步骤4.1)所求出的滑移(转)率，由侧向力系数

曲线图得到此时的侧向力系数φ_l；

步骤4.3)，由公式

得到此时车轮的侧向力F_y；

步骤4.4)，根据步骤3)所获取的车辆侧向速度v，求得此时轮胎所需的侧向力F_yy；步骤4.4)，若车轮的侧向力较小，则以不断增加车辆接地面积直到车轮侧向力F_y≥F_yy，即可求得所需的接地面积。

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