CN113619325A - 一种火星车车轮 - Google Patents

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林云成
刘雅芳
袁宝峰
邹猛
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Jilin University
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
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Abstract

本发明公开了一种火星车车轮，包括车轮体、转接头、辐条、轮毂、轮轴以及肋条，所述轮轴套设在所述轮毂内部，所述辐条一端通过螺栓固定于所述轮毂周圈；所述辐条对称设于所述轮毂两侧；所述肋条设于所述车轮体内表面，所述转接头通过螺钉与所述肋条过盈连接，所述辐条另一端与所述转接头通过螺栓连接；所述车轮体外表面一体连接有横向的翅片，所述翅片为垂直于所述车轮体外表面的棱条，所述车轮体外表面位于相邻所述翅片之间设有均匀排列的加强筋。本发明无夹石风险，耐磨，防尘，长寿命，轻量化，结构简单，安全可靠。

Description

一种火星车车轮
技术领域
本发明涉及深空探测技术领域，更具体的说是涉及一种火星车车轮。
背景技术
人类对地外资源的渴望随着科技的进步及地球资源的使用，愈加强烈，获取地外财富，成为各国研究的热点方向，目前为止，星球车均采用轮式移动系统，车轮作为直接与地外天体星壤接触组件，其性能直接影响漫游车任务实现。
火星基本上是沙漠行星，由风积地貌和风蚀地貌共同构成，其表面覆盖一层松散的风化层即火星壤，火星表面严重坑化，形貌特征多样，有高山、峡谷、凹坑、盾形火山、河床、平地等，起伏跌宕，变化很大，火星表面的岩石分布密度很大，覆盖率约为14～16％左右。而火星表面的平均重力加速度相当于地球表面重力加速度的38％。
因此，如何提供一种无夹石风险，耐磨，防尘，长寿命，轻量化的火星车车轮是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无夹石风险，耐磨，防尘，长寿命，轻量化的火星车车轮。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种火星车车轮，包括车轮体、转接头、辐条、轮毂、轮轴以及肋条；
所述轮轴套设在所述轮毂内部，所述辐条一端通过螺栓固定于所述轮毂周圈，所述辐条对称设于所述轮毂两侧；
所述肋条设于所述车轮体内表面，所述转接头通过螺钉与所述主肋过盈连接，所述辐条另一端与所述转接头通过螺栓连接；
所述车轮体外表面一体连接有横向的翅片，所述翅片为垂直于所述车轮体外表面的棱条，所述车轮体外表面位于相邻所述翅片之间设有均匀排列的加强筋。
本发明中通过在车轮表面设置有翅片，均布在轮面表面的横向翅片能够剪切破坏土壤，以获得土壤对车轮的推力，提高车轮的爬坡能力和越障能力。
进一步地，所述肋条包括主肋与侧肋，所述主肋与侧肋均为两条，所述侧肋对称设于所述车轮体内表面两侧且与所述车轮体内表面一体连接，所述主肋对称设于所述车轮体内表面相对所述侧肋位置内侧且与所述车轮体内表面一体连接，所述转接头通过螺钉与所述主肋过盈连接，设置双主肋、双侧肋提高了刚度支撑。
进一步地，，所述辐条采用0.8mmTB3板材，所述辐条包括单辐条与双辐条，所述单辐条与所述双辐条间隔设置，且所述单辐条与所述双辐条的数量均为八个。
本发明单、双辐条双侧对称支撑以及薄片结构，减小了车轮的重量。
进一步地，所述翅片为二十个且均匀等距一体连接于所述车轮体外表面；所述翅片高度为5mm，厚度为2mm。
本发明翅片设置为二十个，经过试验证明，高度为5mm为最优高度，保证车轮在有牵引力的情况下，无车轮夹石的风险。
进一步地，所述车轮体整体为鼓形，所述车轮体采用铝基碳化硅复合材料且壁厚为1mm。
本发明采用铝基碳化硅复合材料实现了整机的轻量化，高强度胎面可承受SR2mm单机1000N静压(自重比0.012)，还可承受600N预载荷下200mm高度硬质地面跌落，无损伤，耐磨，使用寿命长，采用鼓形设计的车轮防尘。
进一步地，所述转接头与所述主肋连接处设有用于嵌设所述主肋的凹槽，所述凹槽内设有螺钉孔，所述转接头通过螺钉穿过所述螺钉孔与所述主肋过盈连接，所述转接头在相对所述凹槽一面对称设有凸台，所述辐条与所述凸台通过螺栓连接。
本发明转接头承受扭矩，连接螺钉只需要提供螺钉轴向压力，转接头与辐条连接处涂高摩擦涂层，防止辐条与转接头转动。
进一步地，所述加强筋的高为0.4mm；所述加强筋与所述翅片形成“中”字。
本发明在轮体表面设置有加强筋，使轮体表面不光滑，增加了车轮的耐磨性能，并设计中国“中”字凸起，可在行走时在火星面上形成印痕。
本发明通过在车轮体外表面设置翅片结构解决了目前火星车车轮需要提供足够的牵引力同时不夹石的难题，并且设置双主肋、双侧肋提高了车轮的刚度支撑，通过对材料的选择和对结构的设计，提高了车轮的耐磨性，减少了车轮的重量，辐条薄片类机构形式双侧对称支撑实现轻量化设计，并减少对车轮驱动组件的附加力矩，而且车轮结构简单、安全可靠、对火星表面复杂路况适应性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明一种火星车车轮结构示意图；
图2附图为本发明转接头正面结构示意图；
图3附图为本发明转接头反面结构示意图；
图4附图为本发明双辐条示意图；
图5附图为本发明单辐条示意图；
图6附图为车轮垂直夹石示意图；
图7附图为车轮斜向夹石示意图；
图8附图为翅片夹石高度分析仿真示意图；
图9附图为翅片不夹石高度分析仿真示意图；
其中，1为车轮体；2为转接头；21为凹槽；22为螺钉孔；23为凸台；3为辐条；31为单辐条；32为双辐条；4为轮毂；5为轮轴；6为肋条；61为主肋；62为侧肋；7为翅片；8为加强筋。
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。
如图1～5所示，本实施例公开了一种火星车车轮，包括车轮体1、转接头2、辐条3、轮毂4、轮轴5以及肋条6；
轮轴4套设在轮毂5内部，辐条3一端通过螺栓固定于轮毂4周圈，辐条3对称设于轮毂4两侧；
肋条6设于所述车轮体1内表面，转接头2通过螺钉与主肋61过盈连接，辐条3另一端与转接头2通过螺栓连接；
车轮体1外表面一体连接有横向的翅片7，翅片7为垂直于车轮体1外表面的棱条，车轮体1外表面位于相邻翅片7设有均匀排列的加强筋8。
本发明中通过在车轮表面设置有翅片，均布在轮面表面的横向翅片能够剪切破坏土壤，以获得土壤对车轮的推力，提高车轮的爬坡能力和越障能力。
本实施例中，肋条6包括主肋61与侧肋62，主肋61与侧肋62均为两条，侧肋62对称设于车轮体1内表面两侧且与车轮体1内表面一体连接，主肋61对称设于车轮体1内表面相对侧肋62位置内侧且与车轮体1内表面一体连接，转接头2通过螺钉与主肋61过盈连接，设置双主肋、双侧肋提高了刚度支撑。
本实施例中，辐条3采用0.8mmTB3板材，辐条3包括单辐条31与双辐条32，单辐条31与双辐条32间隔设置，且单辐条31与双辐条32的数量均为八个。
本发明单、双辐条双侧对称支撑以及薄片结构，减小了车轮的重量。
本实施例中，翅片7为二十个且均匀等距一体连接于车轮体1外表面；翅片7高度为5mm，厚度为2mm。
本发明翅片设置为二十个，经过试验证明，高度为5mm为最优高度，保证车轮在有牵引力的情况下，无车轮夹石的风险。
本实施例中，车轮体1整体为鼓形，车轮体1采用铝基碳化硅复合材料且壁厚为1mm。
本发明采用铝基碳化硅复合材料实现了整机的轻量化，高强度胎面可承受SR2mm单机1000N静压(自重比0.012)，还可承受600N预载荷下200mm高度硬质地面跌落，无损伤，耐磨，使用寿命长，采用鼓形设计的车轮防尘。
本实施例中，转接头2与主肋61连接处设有用于嵌设主肋61的凹槽(21)，凹槽21内设有螺钉孔22，转接头2通过螺钉穿过螺钉孔22与主肋61过盈连接，转接头2在相对凹槽21一面对称设有凸台23，辐条3与凸台23通过螺栓连接。
本发明转接头承受扭矩，连接螺钉只需要提供螺钉轴向压力，转接头与辐条连接处涂高摩擦涂层，防止辐条与转接头转动。
本实施例中，加强筋8的高为0.4mm；加强筋8与所述翅片(7)在所述车轮体1外表面形成“中”字。
本发明在轮体表面设置有加强筋，使轮体表面不光滑，增加了车轮的耐磨性能，并设计中国“中”字凸起，可在行走时在火星面上形成印痕。
本实施例中，车轮体与石块作用附图6所示，石块受到竖直向下的重力G、石板路面对圆角石块的支持力FD、车轮轮面的压力FL、车轮轮面对石块的摩擦力FLO、车轮两车轮翅片对石块的支持力F1CT和F2CT、两车轮翅片表面的静摩擦力F1CO和F2CO以及石块受到石板路面的静摩擦力FDO。由力平衡分析(备注，x、y方向定义分别为车轮径向的法向、车轮径向)：
Fx1CT+Fx1CO+FLO＝Fx2CT+Fx2CO+FDO
Fy1CO+Fy2CO+FD＝Fy1CT+Fy2CT+FL+G
附图7状态车轮翅片接触石板路面，石块在两齿之间，此时石块无石板路面对圆角石块向上的支持力，石块相对车轮仍然保持相对静止状态，即：
Fx1CT+Fx1CO+FLO＝Fx2CT+Fx2CO+Gx
Fy1CO+Fy2CO＝Fy1CT+Fy2CT+FL+Gy
同时，石块没有掉落，满足如下关系：
F1CTμ≥F1CO
F2CTμ≥F2CO
若，石块掉落，则需满足如下关系：
F1CTμ＜F1CO
F2CTμ＜F2CO
车轮最高翅片高度为5mm，可确保无夹石风险，仿真结果如附图8、附图9所示。
本发明通过在车轮体外表面设置翅片结构解决了目前火星车车轮需要提供足够的牵引力同时不夹石的难题，并且设置双主肋、双侧肋提高了车轮的刚度支撑，通过对材料的选择和对结构的设计，提高了车轮的耐磨性，减少了车轮的重量，辐条薄片类机构形式双侧对称支撑实现轻量化设计，并减少对车轮驱动组件的附加力矩，而且车轮结构简单、安全可靠、对火星表面复杂路况适应性强。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实施例。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种火星车车轮，其特征在于，包括车轮体(1)、转接头(2)、辐条(3)、轮毂(4)、轮轴(5)以及肋条(6)；
所述轮轴(4)套设在所述轮毂(5)内部，所述辐条(3)一端通过螺栓固定于所述轮毂(4)周圈；所述辐条(3)对称设于所述轮毂(4)两侧；
所述肋条(6)设于所述车轮体(1)内表面，所述转接头(2)通过螺钉与所述肋条(6)过盈连接，所述辐条(3)另一端与所述转接头(2)通过螺栓连接；
所述车轮体(1)外表面一体连接有横向的翅片(7)，所述翅片(7)为垂直于所述车轮体(1)外表面的棱条，所述车轮体(1)外表面位于相邻所述翅片(7)之间设有均匀排列的加强筋(8)。
2.根据权利要求1所述一种火星车车轮，其特征在于，所述肋条(6)包括主肋(61)与侧肋(62)；
所述主肋(61)与所述侧肋(62)均为两条，两条所述侧肋(62)对称设于所述车轮体(1)内表面的两侧且与所述车轮体(1)内表面一体连接，两条所述主肋(61)对称设于所述车轮体(1)内表面且位于两条所述侧肋(62)的内侧并与所述车轮体(1)内表面一体连接，所述转接头(2)通过螺钉与所述主肋(61)过盈连接。
3.根据权利要求1所述一种火星车车轮，其特征在于，所述辐条(3)采用0.8mmTB3板材，所述辐条(3)包括单辐条(31)与双辐条(32)，所述单辐条(31)与所述双辐条(32)间隔设置，且所述单辐条(31)与所述双辐条(32)的数量均为八个。
4.根据权利要求1所述一种火星车车轮，其特征在于，所述翅片(7)为二十个且均匀等距一体连接于所述车轮体(1)外表面；所述翅片(7)高度为5mm，厚度为2mm。
5.根据权利要求1所述一种火星车车轮，其特征在于，所述车轮体(1)整体为鼓形，所述车轮体(1)采用铝基碳化硅复合材料且壁厚为1mm。
6.根据权利要求2所述一种火星车车轮，其特征在于，所述转接头(2)与所述主肋(61)连接处设有用于嵌设所述主肋(61)的凹槽(21)，所述凹槽(21)内设有螺钉孔(22)，所述转接头(2)通过螺钉穿过所述螺钉孔(22)与所述主肋(61)过盈连接，所述转接头(2)在相对所述凹槽(21)一面对称设有凸台(23)，所述辐条(3)与所述凸台(23)通过螺栓连接。
7.根据权利要求4所述一种火星车车轮，其特征在于，所述加强筋(8)的高为0.4mm；所述加强筋(8)与所述翅片(7)在所述车轮体(1)外表面形成“中”字。
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