CN112757839A - 一种自适应变径车轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应变径车轮，包括螺杆和电机，螺杆的轴向两端分别套设有固定块和螺母，螺杆的四周分布有多个外轮片，每两个相邻的外轮片之间连接有一个内轮片，外轮片与内轮片之间连接有连杆轮片，连杆轮片的两端分别与内轮片和外轮片转动连接，内轮片的底部与螺杆之间连接有剪叉机构，剪叉机构的底部两端分别与固定块和螺母转动连接，剪叉机构的顶部一端与内轮片的底部转动连接、另一端与内轮片的底部滑动连接。本发明的自适应变径车轮综合了传统的轮系驱动机构高效、机动性好以及新型的腿式行走机构较强地形适应性等优点，在具有出色的牵引性能的同时还具有较强的越障能力。

Description

一种自适应变径车轮

技术领域

本发明涉及一种自适应变径车轮，属于轮径式行走机械装置技术领域。

背景技术

目前，轮径式车辆在复杂路面环境中能否发挥作用，对于承载其行走功能的行走装置的性能要求很高，不仅要质量轻、体积小、多功能，还要有很强的自适应性，这也就使得地面上成熟的行走机构无法适用。目前地面上成熟的行走机构通常是圆形车轮的形式，虽然传统的圆形车轮移动速度快、行走效率高、运动灵活性好，但在崎岖、复杂路面行驶时，传统圆形车轮的通过性和稳定性有所不足。因此，为实现轮径式车辆较好的机动性，提高轮径式车辆的牵引性能，其关键在于对非常规车轮的研究。

近几年研究人员研发过各种不同于常规轮系的行走机构，但不论是腿式、爬行式或履带式等非轮系行走机构，与轮式行走机构比较而言，控制方式和结构都比较复杂，且牵引性能也都不是十分的理想。因此，需要研发一种新型自适应轮径式车辆，以提高车辆行驶的平稳性、快速性、安全性、机动性等。

北京航空航天大学研制的车轮轮径可改变的月球探测车(孙鹏,高峰,李雯,孙刚.深空探测车可变直径车轮牵引通过性分析[J].北京航空航天大学学报,2007(12):1404-1407；孙刚,高峰,孙鹏.可变直径轮月球探测车及其越障能力分析[J].机械设计,2008(05):21-23.)，该车轮轮毂内安装了电机驱动变径机构，使得车轮的轮片能自由的收缩或张开，从而实现车轮的直径能在200mm～390mm的范围内变化；但车轮展开行走时，由于轮片不可动易产生多边形效应，影响行驶的平顺性，且其对地形的自适应能力也不尽人意。吉林大学研制的一款叶片可伸缩复式步行轮(陈泽宇.适用于月球车的可伸缩叶片复式步行轮的研究[D].吉林大学,2007.)，该车轮由内轮、外圈、弹簧和叶片组成，通过内轮与外圈的相对转动来控制叶片的伸出长度，该车轮尽管其叶片的伸缩不需要额外的控制机构，但其不能主动适应地形，且当其倒行时叶片容易被卡住。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种自适应变径车轮。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自适应变径车轮，包括螺杆和用于驱动螺杆的电机，所述螺杆的轴向两端分别套设有固定块和可相对螺杆做轴向运动的螺母，所述螺杆的四周沿圆周方向均匀分布有多个外轮片，每两个相邻的外轮片之间连接有一个内轮片，所述内轮片的数量与外轮片的数量相同，且外轮片与内轮片之间连接有连杆轮片，所述连杆轮片的两端分别与内轮片和外轮片转动连接，所述内轮片的底部与螺杆之间连接有剪叉机构，所述剪叉机构的数量与内轮片的数量相同且沿圆周方向均匀分布于螺杆上，所述剪叉机构的底部两端分别与固定块和螺母转动连接，所述剪叉机构的顶部一端与内轮片的底部转动连接、另一端与内轮片的底部滑动连接。

一种实施方案，所述外轮片的数量至少为三个。

一种实施方案，所述螺母与螺杆通过梯形螺纹连接。

一种实施方案，所述固定块与螺杆通过轴承连接。

一种实施方案，所述固定块和螺母上均沿圆周方向均匀分布有与剪叉机构数量相同的凸起连接块，所述剪叉机构的底部两端分别通过对应的凸起连接块与固定块和螺母转动连接。

一种实施方案，所述剪叉机构的底部两端通过铆钉分别与固定块和螺母转动连接，所述剪叉机构的顶部一端通过铆钉与的内轮片的底部转动连接。

一种实施方案，所述剪叉机构由两个杆身交叉铰接的剪叉杆A和剪叉杆B构成，剪叉杆A的底端与固定块转动连接，剪叉杆A的顶端与内轮片的底部滑动连接；剪叉杆B的底端与螺母转动连接，剪叉杆B的顶端与内轮片的底部转动连接。

一种优选方案，所述内轮片的底部中部的一侧设有凸起连接块、另一侧沿着内轮片的延伸方向设有导轨，剪叉杆A的顶端与导轨活动连接并沿着导轨做直线运动，剪叉杆B的顶端与内轮片的凸起连接块转动连接。

一种实施方案，所述连杆轮片的两端通过双头螺柱分别与内轮片和与外轮片转动连接。

一种优选方案，所述内轮片和外轮片沿圆周方向的两端均设有与连杆轮片相适配的凹槽，连杆轮片的两端通过双头螺柱可转动的设于对应位置的凹槽内。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

1)本发明的自适应变径车轮中，螺杆与固定在螺杆上的螺母、固定块可构成丝杆螺母机构，丝杆螺母机构与与剪叉机构相结合构成变径机构，结构简单、体积小、运动效率高，分布均匀，整体结构布局合理；

2)本发明的自适应变径车轮采用的变径机构为丝杆螺母机构与剪叉机构的结合，利用丝杆螺母机构来控制剪叉机构的运动，有效保证了剪叉机构移动的精度，从而降低了剪叉机构的累积误差，且丝杆螺母机构本身具有自锁性，可保证车轮的正常运行；

3)本发明的自适应变径车轮在相对平坦的路面上可以折叠状态(即小轮径状态)行走，在有小坡的路面上则可展开以大轮径状态行驶；并且，本发明中，内轮片、外轮片与连杆轮片可形成四杆机构，大轮径状态下，外轮片在压力作用下与地面相互作用，当车轮向前行进时，外轮片不是绕着车轮与地面的接触点运动，而是绕着四杆机构的两个转动副运动，由此改善了车轮运行状况，使车轮在松软地质条件下具有较好的地形适应性；

4)本发明的自适应变径车轮在步履越障过程中，轮径的可变突破了传统圆形车轮越障高度的限制，较大轮径使得越障车能越过更高的障碍物，且在越障过程中外轮片的自适应性也改变了车轮的受力情况，一方面使得车轮越障能力提升，另一方面也减轻了车轮的行走过程的磨损，延长了车轮的使用寿命；

5)本发明的自适应变径车轮在爬坡过程中，若以较大轮径状态爬坡，由于外轮片之间有间隙，在自适应变径车轮爬越斜坡过程中外轮片可勾住地面上的小障碍物或小凸起，这一过程使地面对车轮的附着力与车轮的爬坡性能均有较大程度的提高；

总之，本发明提供的自适应变径车轮，在保留轮式行走机构优点的基础上，吸收腿式机构较高的适应性，在车轮内部设有变径机构，通过变径机构来改变内轮片的位置达到变径需求；且设有以内轮片、外轮片、连杆轮片为基础的具有多自由度的四杆机构，不仅可避免扩径后单纯靠内轮片行走造成的多边形效应，且可使外轮片与硬质路面之间的碰撞得到缓和，从而使车轮具有自适应地形的特性；本发明的自适应变径车轮综合了传统的轮系驱动机构高效、机动性好以及新型的腿式行走机构较强地形适应性等优点，在具有出色的牵引性能的同时还具有较强的越障能力，相较于现有技术，取得了显著性进步和出乎意料的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的自适应变径车轮(省略掉电机部分)的轴测图；

图2是本发明实施例提供的自适应变径车轮(省略掉电机部分)的侧视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是图2的C-C剖视图；

图6是本发明实施例提供的自适应变径车轮中内轮片、剪叉机构、螺杆、固定块和螺母部分的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的自适应变径车轮中外轮片、连杆轮片部分的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的自适应变径车轮中内轮片、剪叉机构、螺杆、电机的连接结构示意图；

图9是本发明实施例提供的自适应变径车轮中内轮片的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的自适应变径车轮中外轮片的结构示意图；

图中标号示意如下：1、螺杆；2、电机；3、固定块；31、固定块上的凸起连接块；4、螺母；41、螺母上的凸起连接块；5、外轮片；51、外轮片的凹槽；6、内轮片；61、内轮片上的凸起连接块；62、导轨；63、内轮片的凹槽；7、连杆轮片；8、剪叉机构；81、剪叉杆A；82、剪叉杆B；9、轴承；10、铆钉；11、双头螺柱；12、自锁螺母。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。

实施例

请结合图1至图10所示：本发明提供的一种自适应变径车轮，包括螺杆1和用于驱动螺杆1的电机2，所述螺杆1的轴向两端分别套设有固定块3和可相对螺杆1做轴向运动的螺母4，所述螺杆1的四周沿圆周方向均匀分布有多个外轮片5，每两个相邻的外轮片5之间连接有一个内轮片6，所述内轮片6的数量与外轮片5的数量相同，且外轮片5与内轮片6之间连接有连杆轮片7，所述连杆轮片7的两端分别与内轮片6和外轮片5转动连接，所述内轮片6的底部与螺杆1之间连接有剪叉机构8，所述剪叉机构8的数量与内轮片6的数量相同且沿圆周方向均匀分布于螺杆1上，所述剪叉机构8的底部两端分别与固定块3和螺母4转动连接，所述剪叉机构8的顶部一端与内轮片6的底部转动连接、另一端与内轮片6的底部滑动连接。

本发明所述自适应变径车轮的工作原理如下：

正常状态下，车轮如图1所示，处于小轮径状态，此时，内轮片6和连杆轮片7收缩在外轮片5之内，外轮片5构成车轮，与地面接触；

当车轮需要变径时，启动电机2，通过电机2带动螺杆1转动，从而带动螺母4相对于螺杆1做轴向运动(螺母4起到类似于滑块的作用)，然后螺母4的轴向运动带动剪叉机构8做径向运动，从而通过剪叉机构8带动内轮片6沿着径向运动，由于内轮片6通过连杆轮片7与外轮片5相连，因此，内轮片6径向运动的过程中会推动外轮片5径向运动，从而实现车轮的变径，当内轮片6与外轮片5处于同一圆周面上时，车轮即达到最大变径状态，在此变径过程中，内轮片6、外轮片5和连杆轮片7可组合重构车轮轮缘的形状，通常车轮整体可以实现1～2倍轮径的变化。

本发明所述自适应变径车轮中，螺杆1和设于螺杆1上的固定块3、螺母4构成丝杆螺母机构，丝杆螺母机构具有自锁性，而丝杆螺母机构与剪叉机构8构成变径机构，因此，变径过程中，可使得变径车轮能在变径范围内自锁以保持轮径状态。

从上述可见，本发明中，外轮片5、内轮片6、剪叉机构8的数量均相同，连杆轮片7的数量是外轮片5的两倍，即一个外轮片5/内轮片6对应一对连杆轮片7。本实施例中，如图1和图2所示，设有六个外轮片5、六个内轮片6、六个剪叉机构8、六对(十二个)连杆轮片7。

本实施例中，所述螺母4与螺杆1通过梯形螺纹连接，即，螺杆1为梯形螺杆，螺杆1的杆身外壁上具有梯形螺纹，螺母4的内侧壁上也具有与螺杆1相适配的梯形螺纹，从而使得螺母4与螺杆1通过梯形螺纹活动连接，以便于螺母4在螺杆1上做轴向运动。

本实施例中，所述固定块3与螺杆1通过轴承9连接。

此外，所述固定块3和螺母4上均沿圆周方向均匀分布有与剪叉机构8数量相同的凸起连接块31/41，所述剪叉机构8的底部两端分别通过对应的凸起连接块31/41与固定块3和螺母4转动连接。此外，所述剪叉机构8的底部两端通过铆钉10分别与固定块3和螺母4转动连接，所述剪叉机构8的顶部一端通过铆钉10与的内轮片6的底部转动连接。

本实施例中，所述剪叉机构8由两个杆身交叉铰接(具体的，通过铆钉10交叉铰接)的剪叉杆A81和剪叉杆B82构成，剪叉杆A81的底端与固定块3转动连接(具体的，通过铆钉10与固定块3的凸起连接块31转动连接)，剪叉杆A81的顶端与内轮片6的底部滑动连接；剪叉杆B82的底端与螺母4转动连接(具体的，通过铆钉10与螺母4的凸起连接块41转动连接)，剪叉杆B82的顶端与内轮片6的底部转动连接(具体的，通过铆钉10与内轮片6的底部转动连接)。

本实施例中，所述内轮片6的底部中部的一侧设有凸起连接块61、另一侧沿着内轮片61的延伸方向设有导轨62(如图6和图9所示)，剪叉杆A81的顶端与导轨62滑动连接并沿着导轨62做直线运动(具体的，剪叉杆A81的顶端设有与导轨62相适配的铆钉10，通过铆钉10与导轨62滑动连接)，剪叉杆B82的顶端与内轮片6的凸起连接块61转动连接(具体的，通过铆钉10与凸起连接块61转动连接)。

本实施例中，设有六个剪叉机构8，相应的，分别设有六个凸起连接块31/41(如图6所示)。六个凸起连接块31/41彼此呈60°中心对称分布于固定块3和螺母4上，相应的，六个内轮片6以螺杆1为圆心均匀分布，彼此呈60°中心对称分布。相应的，六个外轮片5也以螺杆1为圆心均匀分布，彼此呈60°中心对称分布，构成小径状态下的轮缘，小径状态下时，对应的六个内轮片6收缩在六个外轮片5的内侧。

本实施例中，所述连杆轮片7的两端通过双头螺柱11分别与内轮片6和与外轮片5转动连接。

具体的，所述内轮片6和外轮片5沿圆周方向的两端均设有与连杆轮片7相适配的凹槽63/51(如图9和图10所示)，内轮片6和外轮片5整体均呈工字行，安装的时候，连杆轮片7的两端通过双头螺柱11可转动的设于对应位置的凹槽63/51内。安装的时候，双头螺柱11穿过连杆轮片7后与内轮片6或外轮片5连接，并通过自锁螺母12紧固在内轮片6或外轮片5上。本发明中，内轮片6、外轮片5、连杆轮片7形成四杆机构，由于内轮片6与剪叉机构8相连，因此，使得变径机构(丝杆螺母机构+剪叉机构)与四杆机构相结合，由于连杆轮片7是通过双头螺柱11分别与内轮片6和与外轮片5转动连接，因此，大轮径状态下，车轮前进时，外轮片5是绕着四杆机构的两个转动副(即双头螺柱11)运动，有效改善了车轮的运行状况。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自适应变径车轮，其特征在于：包括螺杆和用于驱动螺杆的电机，所述螺杆的轴向两端分别套设有固定块和可相对螺杆做轴向运动的螺母，所述螺杆的四周沿圆周方向均匀分布有多个外轮片，每两个相邻的外轮片之间连接有一个内轮片，所述内轮片的数量与外轮片的数量相同，且外轮片与内轮片之间连接有连杆轮片，所述连杆轮片的两端分别与内轮片和外轮片转动连接，所述内轮片的底部与螺杆之间连接有剪叉机构，所述剪叉机构的数量与内轮片的数量相同且沿圆周方向均匀分布于螺杆上，所述剪叉机构的底部两端分别与固定块和螺母转动连接，所述剪叉机构的顶部一端与内轮片的底部转动连接、另一端与内轮片的底部滑动连接。

2.根据权利要求1所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述外轮片的数量至少为三个。

3.根据权利要求1所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述螺母与螺杆通过梯形螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述固定块与螺杆通过轴承连接。

5.根据权利要求1所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述固定块和螺母上均沿圆周方向均匀分布有与剪叉机构数量相同的凸起连接块，所述剪叉机构的底部两端分别通过对应的凸起连接块与固定块和螺母转动连接。

6.根据权利要求1所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述剪叉机构由两个杆身交叉铰接的剪叉杆A和剪叉杆B构成，剪叉杆A的底端与固定块转动连接，剪叉杆A的顶端与内轮片的底部滑动连接；剪叉杆B的底端与螺母转动连接，剪叉杆B的顶端与内轮片的底部转动连接。

7.根据权利要求6所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述内轮片的底部中部的一侧设有凸起连接块、另一侧沿着内轮片的延伸方向设有导轨，剪叉杆A的顶端与导轨活动连接并沿着导轨做直线运动，剪叉杆B的顶端与内轮片的凸起连接块转动连接。

8.根据权利要求1所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述连杆轮片的两端通过双头螺柱分别与内轮片和与外轮片转动连接。

9.根据权利要求8所述的自适应变径车轮，其特征在于：所述内轮片和外轮片沿圆周方向的两端均设有与连杆轮片相适配的凹槽，连杆轮片的两端通过双头螺柱可转动的设于对应位置的凹槽内。

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