CN112172407B - 一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，包括轮毂、调整环、刚性支撑杆、弹性支撑架、金属丝网、交错连接棘爪，调整环通过驱动元件安装在轮毂上，能够调整各刚性支撑杆的相对位置，改变弹性支撑架的初始形状，所述轮毂包括可拆分的左轮毂和右轮毂两部分，轮毂中心位置与轮轴连接，轮毂外缘位置与弹性支撑架、调整环相连接；本发明通过调整弹性支撑架的初始形状，实现了机械弹性车轮的截面形状和承载刚度的改变，进而改变了车轮与地面的接触面积和行驶性能，提高了机械弹性车轮对不同地面环境的适应能力，扩大了机械弹性车轮的应用范围。

Description

一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮
技术领域
本发明涉及车轮，具体是一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮。
背景技术
轮式移动系统是人类进行深空星球巡视探测的主要平台工具,在深空星球探测任务中都起着重要作用。由于深空环境的限制，普通的充气橡胶轮胎难以应用，目前星球探测移动系统主要以金属刚性车轮和机械弹性车轮为主。月球和火星等深空星球的表面地形地貌环境主要是两种：一种是表面覆盖了一层松软风化层的松软土壤地面环境；另一种为岩石直接裸露在外的坚实裸岩地面环境。两种地面环境的承载能力和附着能力差异非常大，普通的刚性车轮和弹性车轮难以同时适应这两种地面环境的使用需求。
因此人们尝试对星球探测车辆的车轮结构进行改进，中国专利文献CN200910071829X，提供了《探测车弹性可自动伸缩变直径车轮》，通过改变车轮直径大小提高了星球探测车辆在多种不同地面环境下的行驶能力；通过将中国专利文献CN2018204908230，提供了《一种半步行式星球车金属弹性车轮》，通过将步行机械结构与弹性车轮结构相结合，提高了车轮的通过性和环境适应性。
但是，这些技术方案仍然存在不足，只能适应速度较低的轻型无人探测车辆，对速度较高、重量较重的载人星球探测车辆就不能适应，导致这些方案在载人星球探测车辆上缺乏实用价值。
对于星球探测车辆而言，有必要在坚实裸岩地面与松软土壤地面两种地面环境中快速行驶：车辆在坚实裸岩地面上行驶时要求车轮具有较好的支撑能力和较小的驱动阻力，这就需要车轮具有一定的刚度和相对较小的接地面积；而车辆在松软土壤地面上行驶时，由于地面承载能力较差，需要减小车轮刚度、增大车轮接地面积。在地球环境下普通的充气橡胶轮胎可以通过调节胎压，达到改变车轮刚度和接地面积的需求，而这种方式在深空星球探测车辆上的机械弹性车轮上显然不适应。
因此，研究一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮对深空星球巡视探测意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，包括轮毂、调整环、刚性支撑杆、弹性支撑架、金属丝网、交错连接棘爪，调整环通过驱动元件安装在轮毂上，能够调整各刚性支撑杆的相对位置，改变弹性支撑架的初始形状，所述轮毂包括可拆分的左轮毂和右轮毂两部分，轮毂中心位置与轮轴连接，轮毂外缘位置与弹性支撑架、调整环相连接；所述调整环为两个，两个调整环并排布置安装在轮毂外缘中间位置，两个调整环分别通过刚性支撑杆与弹性支撑架相连，所述刚性支撑杆一端连接到调整环上，另一端通过转接块连接到弹性支撑架上；所述交错连接棘爪具有多个交错设置的棘爪片，交错连接棘爪通过铆钉与弹性支撑架连接。
所述驱动元件具有自锁结构能够实现自锁能力；刚性支撑杆与调整环、转接块之间的连接为铰链活动连接；所述弹性支撑架为具有中间支撑的U形弹片，U形弹片两端固定连接到轮毂上；在U形弹片与中间支撑之间布置圆形弹片；交错连接棘爪与弹性支撑架之间的连接为可活动连接。
作为本发明的优选方案：所述金属丝网套装在弹性支撑架外部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过调整弹性支撑架的初始形状，实现了机械弹性车轮的截面形状和承载刚度的改变，进而改变了车轮与地面的接触面积和行驶性能，提高了机械弹性车轮对不同地面环境的适应能力，扩大了机械弹性车轮的应用范围；刚性支撑杆不但起到支撑弹性支撑架的作用，还通过改变刚性支撑杆的相对位置调整弹性支撑架初始形状的作用，相关结构布置在弹性车轮内部，外部覆盖具有一定空隙的金属丝网，从而防止地面颗粒异物进入车轮，进一步提高机械弹性车轮环境适应能力；同时本发明充分利用机械弹性车轮的必要部件进行结构设计，整体结构紧凑，只需要通过改变两个调整环的相对位置就可实现变截面变刚度的目标，结构简单，使用维护方便。
附图说明
图1为本发明立体图。
图2为本发明的正视图。
图3为本发明中左右轮毂总装示意图。
图4为本发明中调整环的立体图。
图5为本发明中刚性支撑杆的立体图。
图6为本发明中弹性支撑架的立体图。
图7为本发明中金属丝网的结构图。
图8为本发明中交错连接棘爪的立体图。
图9为本发明变直径调整前的状态示意图。
图10为本发明通过驱动元件变直径调整后的状态示意图。
图11为本发明变刚度调整前弹性支撑架的状态示意图。
图12为本发明变刚度调整过程中弹性支撑架的状态示意图。
图13为左轮毂的结构示意图。
图14为右轮毂的结构示意图。
图15为左右轮毂的装配示意图。
图16为本发明中刚性支撑杆与调整环装配全局示意图。
图17为本发明中刚性支撑杆与调整环装配的局部放大示意图。
图18为本发明中错连接棘爪与弹性支撑架、刚性支撑杆、调整环和轮毂的装配示意图。
图19为本发明中单个弹性支撑架示意图。
图中1-轮毂，101-左轮毂，102-右轮毂，2-调整环，201-驱动元件，3-刚性支撑杆，301-转接块，4-弹性支撑架，401-中间支撑，402-U形弹片，403-圆形弹片，5-金属丝网，6-交错连接棘爪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1-6、8-19，一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，包括轮毂1、调整环2、刚性支撑杆3、弹性支撑架4、金属丝网5、交错连接棘爪6，调整环2通过驱动元件201安装在轮毂1上，能够调整各刚性支撑杆3的相对位置，改变各弹性支撑架4的初始形状，从而改变机械弹性车轮的截面形状和接触刚度，所述轮毂1包括可拆分的左轮毂101和右轮毂102两部分，以便于其他相关零部件的安装，轮毂1中心位置与轮轴连接，轮毂1外缘位置与弹性支撑架4、调整环2相连接。
所述调整环2为两个，两个调整环2并排布置安装在轮毂1外缘中间位置，两个调整环2分别通过刚性支撑杆3与弹性支撑架4相连，在驱动元件201的作用下，两个调整环2可以分别绕轮毂1产生相对旋转从而调整刚性支撑杆3的相对位置，所述驱动元件201具有自锁结构能够实现自锁能力。
所述刚性支撑杆3一端连接到调整环2上，另一端通过转接块301连接到弹性支撑架4上，刚性支撑杆3与调整环2、转接块301之间的连接为铰链活动连接，在两个调整环2的相对旋转驱动下，刚性支撑杆3拉动弹性支撑架4产生形变，从而改变弹性支撑架4的初始形状。
所述弹性支撑架4为具有中间支撑401的U形弹片402，U形弹片402两端固定连接到轮毂1上，通过改变中间支撑401的形状，使U形弹片402产生初始形变，同时改变U形弹片402在外力作用下的刚度；为了避免U形弹片402在外力过载情况下产生过度变形，在U形弹片402与中间支撑401之间布置圆形弹片403，提高弹性支撑架4的承载能力；所述弹性支撑架4采用弹性较好的材料制成，在刚性支撑杆3支撑力和外力的作用下可以产生弹性变形，弹性支撑架4在刚性支撑杆3作用力下改变初始形状，从而调整车轮的截面形状和刚度。
具体调整关系如下式：
Figure BDA0002716059330000051
其中R’为弹性支撑架连接点半径，r为调整环半径，l为刚性支撑杆长，t为驱动元件长度，θ为两个调整环的相对夹角，机械弹性车轮没有承载的情况下，其理论半径R为：
R＝R'+d
其中，d弹性支撑架4中圆形弹片403的直径。
所述交错连接棘爪6具有多个交错设置的棘爪片，用于形成车轮与坚实裸岩地面之间的接触承载，并增大车轮与松软土壤之间的牵引力，交错连接棘爪6通过铆钉与弹性支撑架4连接，交错连接棘爪6与弹性支撑架4之间的连接为可活动连接，当弹性支撑架4的形状发生改变时，相邻棘爪片的交错角度和位置也会产生自适应调整，避免对弹性支撑架4的弹性变形产生干涉影响。
本发明通过调整弹性支撑架4的初始形状，实现了机械弹性车轮的截面形状和承载刚度的改变，进而改变了车轮与地面的接触面积和行驶性能，提高了机械弹性车轮对不同地面环境的适应能力，扩大了机械弹性车轮的应用范围；刚性支撑杆3不但起到支撑弹性支撑架4的作用，还通过改变刚性支撑杆3的相对位置调整弹性支撑架4初始形状的作用，相关结构布置在弹性车轮内部，外部覆盖具有一定空隙的金属丝网5，从而防止地面颗粒异物进入车轮，进一步提高机械弹性车轮环境适应能力；同时本发明充分利用机械弹性车轮的必要部件进行结构设计，整体结构紧凑，只需要通过改变两个调整环2的相对位置就可实现变截面变刚度的目标，结构简单，使用维护方便。
实施例2：
在实施例1的基础之上，所述金属丝网5套装在弹性支撑架4外部，所述金属丝网5用于形成车轮与松软土壤之间的接触面，其空隙小于地面颗粒物的粒径，但又不能完全密实，一方面防止地面颗粒异物进入车轮，同时又不影响地面土壤的进入和排出。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，其特征在于，包括轮毂(1)、调整环(2)、刚性支撑杆(3)、弹性支撑架(4)、金属丝网(5)、交错连接棘爪(6)，调整环(2)通过驱动元件(201)安装在轮毂(1)上，能够调整各刚性支撑杆(3)的相对位置，改变弹性支撑架(4)的初始形状，所述轮毂(1)包括可拆分的左轮毂(101)和右轮毂(102)两部分，轮毂(1)中心位置与轮轴连接，轮毂(1)外缘位置与弹性支撑架(4)、调整环(2)相连接；所述调整环(2)为两个，两个调整环(2)并排布置安装在轮毂(1)外缘中间位置，两个调整环(2)分别通过刚性支撑杆(3)与弹性支撑架(4)相连，所述刚性支撑杆(3)一端连接到调整环(2)上，另一端通过转接块(301)连接到弹性支撑架(4)上；所述交错连接棘爪(6)具有多个交错设置的棘爪片，交错连接棘爪(6)通过铆钉与弹性支撑架(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，其特征在于，所述驱动元件(201)具有自锁结构能够实现自锁能力。
3.根据权利要求1或2所述的一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，其特征在于，所述刚性支撑杆(3)与调整环(2)、转接块(301)之间的连接为铰链活动连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，其特征在于，所述弹性支撑架(4)为具有中间支撑(401)的U形弹片(402)，U形弹片(402)两端固定连接到轮毂(1)上。
5.根据权利要求4所述的一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，其特征在于，在U形弹片(402)与中间支撑(401)之间布置圆形弹片(403)。
6.根据权利要求4所述的一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，其特征在于，所述交错连接棘爪(6)与弹性支撑架(4)之间的连接为可活动连接。
7.根据权利要求1或2所述的一种可变截面可变刚度的机械弹性车轮，其特征在于，所述金属丝网(5)套装在弹性支撑架(4)外部。
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