CN112078299A - 可旋转自转-公转多栖应用轮系 - Google Patents

Abstract

本发明为可旋转自转‑公转多栖应用轮系，该轮系包括：变向机构，能控制轮系的传动轴摆动；公转‑自转变换机构，通过叶轮的正转与反转所产生的轴向力，使叶轮沿轴相应的旋进、旋出，实现叶轮与轮毂的卡合与分离，叶轮与轮毂卡合时实现轮系的公转，叶轮与轮毂分离时实现轮系的自转。本发明，可旋转公转‑自转轮系的设计，采用公转‑自转的设计理念，巧妙地运用叶轮与轮毂的自转和公转，实现螺旋桨与轮胎的有机结合，从而实现一轮多用的突破，为其他多用轮系，甚至多栖应用装置的设计提供新的设计思维，此外，轮系通过舵机的作用达到轮系的可旋转效果，从而满足相应装置前行时的动力角度需求。

Description

可旋转自转-公转多栖应用轮系

技术领域

本发明涉及多栖应用轮系技术领域，尤其涉及可旋转自转-公转多栖应用轮系。

背景技术

随着当今世界科技的快速发展，多栖应用无人机和多栖应用车辆技术逐渐成熟，但是当今多栖应用机的轮系结构依旧单一，螺旋桨与轮胎之间没有得到有机的整合，较为前卫的倾转旋翼机，虽可同时应用于水、空，但轮系结构依旧单一，仅能满足螺旋桨一种动力形态，仅通过倾转螺旋桨的方向，使其分别在水、空两种环境下工作，并不能和轮胎进行有机的整合。现轮系仅为单栖使用，水下应用螺旋桨，陆地使用普通车轮，空中使用旋翼，两栖或三栖并行使用轮系较少，因此对于多用轮系的研究几乎为零。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种能应用于多种环境下的体积小巧的可旋转自转-公转多栖应用轮系。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种可旋转公转-自转多用轮系，

包括变向机构，能控制轮系的传动轴摆动；

公转-自转变换机构，通过叶轮的正转与反转所产生的轴向力，使叶轮沿轴相应的旋进、旋出，实现叶轮与轮毂的卡合与分离，叶轮与轮毂卡合时实现轮系的公转，叶轮与轮毂分离时实现轮系的自转。

所述变向机构采用舵机；舵机的输出轴与轮系的传动轴垂直，在轮系旋转点使用舵机驱动，舵机的定向定量转动，利用舵机的旋转带动传动轴的围绕轮系旋转点摆动。

所述变向机构包括舵机和旋转支架，所述公转-自转变换机构包括轮胎7、花键轴11、叶轮10、轮盘9、轮毂8、电机及电机套，叶轮与在电机的作用下在花键轴上转动，叶轮与轮毂和轮盘不同步转动；电机套转动安装在旋转支架上，受舵机控制。

一种可旋转自转-公转多栖应用轮系，其特征在于，该轮系包括舵机、旋转支架、轮胎7、花键轴11、叶轮10、轮盘9、轮毂8、电机及电机套。

所述旋转支架1为半包裹型，具有竖直安装面和对称于竖直安装面的上下水平安装面，竖直安装面固定在机身的侧面，舵机2固定在旋转支架1的上水平安装面上，舵机2的输出轴竖直向下且通过轴承与旋转支架1的上端转动连接；舵机2的输出轴上配套安装有舵机舵盘，舵机舵盘位于旋转支架1内侧；电机套3的上下两端分别设有端耳，电机套3上部的端耳与舵机舵盘固连，电机套3下部的端耳通过轴承与旋转支架1的下水平安装面转动连接；电机4嵌在电机套3内，电机4的输出轴垂直于舵机2的输出轴；减速电机4的输出轴与联轴器5的一端固连，联轴器5的另一端与花键轴11的一端固连；联轴器5同时通过轴承与轮毂8转动连接；电机套能相对旋转支架带动轮毂在旋转支架所包裹的平面内摆动；

轮毂8内壁的中部周向上沿轴向倾斜开有多个用于安装叶轮10的叶片的卡槽81；花键轴11上安装有叶轮10，叶轮10的叶片与轮毂8对应的卡槽配合，叶轮10在旋转产生的轴向力作用下能沿着花键轴11的轴向滑动，并通过花键轴11端部的限位轴肩进行滑动限位；轮盘9固定在轮毂8的外端面，轮盘和轮毂将叶轮包裹起来；轮胎7套装在轮毂8的外壁上；

电机带动叶片旋进、旋出轮毂的卡槽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用变向机构和公转-自转变换机构实现轮系多状态切换，参照公转-自转的设计理念，将轮胎和螺旋桨进行了有机的结合，实现了一轮多用的应用效果；本发明的可旋转设计效果，可以满足相应装置前行的动力角度需求。

本发明，可旋转公转-自转轮系的设计，采用公转-自转的设计理念，巧妙地运用叶轮与轮毂的自转和公转，实现螺旋桨与轮胎的有机结合，从而实现一轮多用的突破，为其他多用轮系，甚至多栖应用装置的设计提供新的设计思维，此外，轮系通过舵机的作用达到轮系的可旋转效果，从而满足相应装置前行时的动力角度需求。

本发明轮系可以将螺旋桨、轮胎、旋翼集合在一起，满足多栖应用需求，体积小，结构轻，成本较低，具有巨大的市场前景。

附图说明

图1为本发明轮系的组成结构示意图；

图2为本发明轮毂的立体结构示意图；

图3为本发明花键轴的立体结构示意图；

图4为本发明花键轴的主视结构示意图；

图5为本发明轮系一种实施例的叶轮结构示意图；

图6为本发明轮系另一种实施例的叶轮结构示意图；

图7为本发明轮系一种实施例的叶轮叶片的横断面结构示意图。

图中，1旋转支架，2舵机，3减速电机套，4减速电机，5联轴器，6减速电机端盖，7轮胎、8轮毂、9轮盘、10叶轮、11花键轴。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明提供了一种可旋转自转-公转多栖应用轮系(参见图1)包括舵机2、轮胎7、花键轴11、叶轮10、轮盘9、轮毂8、旋转支架1，

所述旋转支架1为半包裹型，具有竖直安装面和对称于竖直安装面的上下水平安装面，竖直安装面固定在机身的侧面，舵机2固定在旋转支架1的上部(即上水平安装面)，舵机2的输出轴竖直向下且通过轴承与旋转支架1的上端转动连接；舵机2的输出轴上配套安装有舵机舵盘，舵机舵盘位于旋转支架1内侧；减速电机套3的上下两端分别设有端耳，减速电机套3上部的端耳与舵机舵盘固连，减速电机套3下部的端耳通过轴承与旋转支架1的下端(即下水平安装面)转动连接；减速电机4嵌在减速电机套3内，减速电机4的输出轴垂直于舵机2的输出轴；减速电机套能相对旋转支架带动轮毂在旋转支架所包裹的平面内摆动；

减速电机4的输出轴与联轴器5的一端固连，联轴器5的另一端与花键轴11的一端固连；联轴器5同时通过轴承与轮毂8转动连接，联轴器与轮毂不同步转动；轮毂8内壁的中部周向上沿轴向倾斜30度均匀开有多个卡槽81，卡槽用于安装叶轮10的叶片；花键轴11上安装有叶轮10，叶轮10的叶片与轮毂8对应的卡槽配合，叶轮10在旋转产生的轴向力作用下能沿着花键轴11的轴向滑动(由于叶轮的叶片的横截面并不是同厚度的，而是成斜板涡流状，所以在转动的同时，会产生轴向力作用，从而带动叶轮在花键轴的轴向移动，花键轴的一侧设有限位轴肩，另一侧可由卡槽底或轮毂幅板限位)，并通过花键轴11端部的限位轴肩进行滑动限位；轮盘9固定在轮毂8的外端面，轮盘和轮毂将叶轮包裹起来；轮胎7套装在轮毂8的外壁上。

所述轮毂8一侧设置有轮毂幅板，轮毂幅板的中心穿过联轴器通过轴承将联轴器与轮毂转动连接在一起，轮毂的中部设有限位凸台83，限位凸台上沿周向均匀分布有倾斜卡槽81，限位凸台外侧的轮毂内为光滑圆周侧面，在轮毂另一端的断面上开设有用于安装轮盘9的凹槽82；

所述轮盘9的端部设有与轮毂上凹槽数量及位置相同的凹槽伸入端，轮盘能固定在该凹槽内；

所述花键轴11一端设有轴肩111，花键轴上花键的长度小于轮毂限位凸台到轮盘的距离，且大于叶轮由卡槽旋出而进入轮毂光滑圆周侧面内的轴向距离；花键轴设有轴肩的一端通过轴承与轮盘9的内侧中心转动连接，即花键轴与轮盘、轮毂不同步转动。初始状态时叶轮的叶片卡在轮毂的卡槽内，此时叶轮在减速电机的带动下转动，进而带动轮毂一起转动，形成轮系的公转；叶轮中心设有与花键匹配的中心孔，使叶轮能够与花键配合旋转滑动，此时减速电机能控制叶轮处于叶轮旋进卡槽的状态，进而实现叶轮与轮毂同步转动，实现轮系的公转；当减速电机控制叶轮处于叶轮旋出卡槽的状态时，叶轮处于轮毂的光滑圆周侧面区域内，叶轮无约束转动，实现轮系的自转。

所述叶轮中心设有与花键匹配的中心孔，叶轮叶片的横截面为变截面形状，横截面一端宽度大，另一端宽度小，横截面的设置要能卡在轮毂的卡槽内，调整减速电机的转动方向能控制叶轮旋进或旋出卡槽，完全旋出后，叶轮在轮毂的光滑圆周侧面区域内转动；再次旋进时，叶轮由于减速电机控制其反向转动，再加上叶轮向轮毂幅板方向移动的惯性力，使变截面叶轮能够旋进卡槽内。卡槽的宽度不小于叶片横截面最大宽度的尺寸。

本发明的核心创新点在于轮系的可旋转、自转-公转设计。叶轮叶片卡进卡槽里可以驱动轮胎，叶轮叶片未卡进卡槽即为螺旋桨，而舵机可以调整整个轮系的摆动方向，减速电机控制叶轮转动形成轮系的公转和自转。

由于多栖装置在各栖环境下的动力需求不同，空中和水中需要相关装置的轮系成螺旋桨形态，以此轮系产生涡流，从而提供前行动力或浮力，故本发明轮系当处于空中或水中时，叶轮自行转动，即叶轮与外部轮毂构成自转状态，由此产生前行涡流。在陆地时，需要相关装置的轮系成轮胎状态，由轮子的转动驱动装置(即减速电机提供同方向的动力)前行，故本发明轮系在处于陆地时，叶轮通过与轮毂的卡槽卡合，带动外部轮毂同步转动，即叶轮与轮毂构成公转状态，此外轮胎可以起到一定的减震效果。

本发明轮系可以满足飞行器在水、陆、空三种环境下的轮系需求，依照公转和自转的旋转理念，轮系设计为可动、可变的轮系，能满足多种环境下的轮系切换。

变向机构采用舵机的定向定量转动，在轮系旋转点使用舵机驱动，利用舵机的旋转带动轮系的旋转，针对轮系所安装的装置在各个环境下前行变向时，舵机可以更改轮系的方向，从而改变装置的前行方向，舵机的定量旋转可以满足不同环境下的旋转角度需求,根据实际情况进行设置。

公转-自转变换机构是通过叶轮的正转与反转所产生的轴向力，使叶轮沿轴相应的旋进、旋出，从而实现叶轮与轮毂的卡合与分离，从而实现叶轮与轮毂的公转和自转。

本发明轮系可以作为旋翼轮，由于旋翼轮要提供飞行浮力，故需要较大的涡流效果，在此，旋翼叶轮的叶片数量优选设计为3个。也可作为螺旋桨轮，此时螺旋桨轮中叶轮叶片的数量优选为6个。叶片截面形状为类三角形的变截面设计，较厚端的设计是为了和轮毂的卡槽进行卡合，较薄端是为了产生涡流效果。

在一个机身中可以安装本申请的两种轮系，即旋翼轮和螺旋桨轮，此时优选旋翼轮的转动直径为螺旋桨轮转动直径的1.5倍，以保证旋翼轮能提供较大的飞行浮力。

实施例：

轮系的实际尺寸在满足装置的实际需求后，应参照微小化设计原则、轻质化原则。

本实施例设定飞行器机身总长600mm，总宽600，总高150mm，重量为5kg,可以配置四个可旋转公转-自转轮系，每个轮系轮胎直径265mm,轮系具体尺寸设计如下，

叶轮叶片数量可为3，为保证涡流效果，同时考虑叶片的承载能力，故叶片宽度设计为10mm，叶片横截面中厚端长为4mm，叶片横截面薄端长为0.4mm，坡度为1:10。

轮毂内径225mm,长(即深)34.5mm,轮毂卡槽数量与叶片数量相匹配设计为3，卡槽所占据深度10mm,光滑圆周侧面部分占据15.5mm,光滑圆周侧面部分包括轮盘的配合深度3mm，以及自转和公转的过渡2.5mm。

轮盘直径225mm，依照机械设计手册，考虑到力学需求以及节约材料的原则，设计四个幅板，幅板宽度依照要求设计为20mm。

花键轴与轮盘配合设计为直径为10mm，长度3mm，轴肩直径12mm,长度1mm,花键直径9mm，长度24mm；与联轴器相连轴径7mm长度12mm。具体尺寸参见图4。

在使用时将四个轮系对称分布在飞行器机身上，旋转支架的竖直安装面固定在机身上，通过舵机控制轮系整体的摆动方向，以适应不同环境需求。

本发明未述及之处适用于现有技术，具体设计受力要求等满足本领域规范要求。

Claims (10)

1.一种可旋转自转-公转多栖应用轮系，其特征在于，该轮系包括：

变向机构，能控制轮系的传动轴摆动；

公转-自转变换机构，通过叶轮的正转与反转所产生的轴向力，使叶轮沿轴相应的旋进、旋出，实现叶轮与轮毂的卡合与分离，叶轮与轮毂卡合时实现轮系的公转，叶轮与轮毂分离时实现轮系的自转。

2.根据权利要求1所述的应用轮系，其特征在于，所述变向机构采用舵机；舵机的输出轴与轮系的传动轴垂直，在轮系旋转点使用舵机驱动，舵机的定向定量转动，利用舵机的旋转带动传动轴的围绕轮系旋转点摆动。

3.根据权利要求1所述的应用轮系，其特征在于，所述变向机构包括舵机和旋转支架，所述公转-自转变换机构包括轮胎、花键轴、叶轮、轮盘、轮毂、电机及电机套，叶轮与在电机的作用下在花键轴上转动，叶轮与轮毂和轮盘不同步转动；电机套转动安装在旋转支架上，受舵机控制。

4.一种可旋转自转-公转多栖应用轮系，其特征在于，该轮系包括舵机、旋转支架、轮胎、花键轴、叶轮、轮盘、轮毂、电机及电机套；

所述旋转支架为半包裹型，具有竖直安装面和对称于竖直安装面的上下水平安装面，竖直安装面固定在机身的侧面，舵机固定在旋转支架的上水平安装面上，舵机的输出轴竖直向下且通过轴承与旋转支架的上端转动连接；舵机的输出轴上配套安装有舵机舵盘，舵机舵盘位于旋转支架内侧；电机套的上下两端分别设有端耳，电机套上部的端耳与舵机舵盘固连，电机套下部的端耳通过轴承与旋转支架的下水平安装面转动连接；电机嵌在电机套内，电机的输出轴垂直于舵机的输出轴；减速电机的输出轴与联轴器的一端固连，联轴器的另一端与花键轴的一端固连；联轴器同时通过轴承与轮毂转动连接；电机套能相对旋转支架带动轮毂在旋转支架所包裹的平面内摆动；

轮毂内壁的中部周向上沿轴向倾斜开有多个用于安装叶轮的叶片的卡槽；花键轴上安装有叶轮，叶轮的叶片与轮毂对应的卡槽配合，叶轮在旋转产生的轴向力作用下能沿着花键轴的轴向滑动，并通过花键轴端部的限位轴肩进行滑动限位；轮盘固定在轮毂的外端面，轮盘和轮毂将叶轮包裹起来；轮胎套装在轮毂的外壁上；

电机带动叶片旋进、旋出轮毂的卡槽。

5.根据权利要求4所述的轮系，其特征在于，所述叶轮中心设有与花键匹配的中心孔，叶轮叶片的横截面为变截面形状，横截面一端宽度大，另一端宽度小；卡槽的宽度不小于叶片横截面最大宽度的尺寸。

6.根据权利要求5所述的轮系，其特征在于，所述卡槽相对轮毂轴向向轮毂幅板一侧倾斜30度。

7.根据权利要求4所述的轮系，其特征在于，所述轮毂一侧设置有轮毂幅板，轮毂幅板的中心穿过联轴器通过轴承将联轴器与轮毂转动连接在一起，轮毂的中部设有限位凸台，限位凸台上沿周向均匀分布有倾斜卡槽，限位凸台外侧的轮毂内为光滑圆周侧面，在轮毂另一端的断面上开设有用于安装轮盘的凹槽；

所述轮盘的端部设有与轮毂上凹槽数量及位置相同的凹槽伸入端，轮盘能固定在该凹槽内。

8.根据权利要求4所述的轮系，其特征在于，所述花键轴一端设有轴肩，花键轴上花键的长度小于轮毂限位凸台到轮盘的距离，且大于叶轮由卡槽旋出而进入轮毂光滑圆周侧面内的轴向距离；花键轴与轮盘、轮毂不同步转动。

9.根据权利要求4所述的轮系，其特征在于，所述叶轮具有多个叶片，所有叶片均按照相同的朝向布置在叶轮轴上，呈涡流状。

10.根据权利要求1-9任一所述的轮系，其特征在于，该轮系作为旋翼轮，旋翼轮的叶轮的叶片数量为3个；轮系为螺旋桨轮，此时螺旋桨轮中叶轮叶片的数量为6个；

由于多栖装置在各栖环境下的动力需求不同，空中和水中需要轮系成螺旋桨形态，叶轮自行转动，即叶轮与外部轮毂构成自转状态，由此产生前行涡流，从而提供前行动力或浮力；在陆地时，需要成轮胎状态，叶轮通过与轮毂的卡槽卡合，带动外部轮毂同步转动，即叶轮与轮毂构成公转状态。

Images