CN114312148B - 一种金属柔性胎面充气式星球车轮及星球车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属柔性胎面充气式星球车轮及星球车，星球车轮由外至内依次包覆有金属柔性外胎面、保护隔垫层及充气内胎，金属柔性外胎面通过连接件与轮毂组件连接，其外胎面作为接触面，通过胎面柔性变形适应星球地形，增加触壤面积提高支撑和行驶驱动摩檫力；充气内胎内部可充放气介质，为车轮提供支撑和缓冲作用。本发明采用金属柔性胎面与充气内胎，在保证轮胎耐磨耐用性的同时，通过低压充气内胎支撑使车轮具备良好径向柔性与强度，在车轮承载时纵向方向发生柔性变形，从而增加地面接触面积、提高星球表面抓着力；另外，柔性变形恢复性强具有良好稳定性，对不同地形适应性强，吸收星球车震动，具备良好的减震能力，平顺性好。
Description
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金属柔性胎面充气式星球车轮及星球车。
背景技术
随着我国航天技术的不断进步，月球、火星、小行星等的深空探测项目逐步开展。由于星球低重力、高低温、强辐射的特点，使得橡胶和充气车轮难以适用，因此星球车轮多为金属车轮。刚性金属轮在深空探测车辆上应用最为广泛，且技术最为成熟，其一般结构主要包括轮毂、轮辐、轮缘和胎面。美国NASA研制了四代火星车刚性车轮，“索杰纳”车轮为一体化轮剌刚性车轮，车轮表面涂耐磨涂层，以轮刺结构增大牵引力。“勇气号/机遇号”车轮为铝合金材质，轮辐为螺旋式，吸收振动冲击；轮辐之间的空隙由弹性泡沫填充，提高车轮减震吸能性并防止沙石夹入轮辐间；轮缘为鼓形，减少转向阻力，有沟槽式履刺提高牵引性能，轮缘外表面热处理成黑色，增加强度和耐磨性。“好奇号”车轮由阳极电镀铝制成，具有一定的缓冲性能，轮辐采用钛合金材料，呈现弯曲状，起吸能减振作用。“毅力号”车轮为铝制车轮，配有钛制辐条，相比于“好奇号”车轮，直径略大、宽度较窄、表面更厚、胎纹柔和过渡。
由于星壤表面地形存在凹凸，因此要求载人星球车具有良好的减震性、平顺性和稳定性。弹性星球车轮具有弹性的胎面或轮辐增大与地面的接触面积，不仅可以吸收振动，而且能够获得更大的牵引力，因此弹性轮能更好的适应复杂行驶环境。美国阿波罗载人登月任务的“LRV”的车轮由内部钛合金支撑架和筛网胎面组成，胎面由镀锌钛合金金属丝编织而成，胎面分布有“人”字形轮刺，防止车轮侧滑。“Lunokhod”号车轮由轮毂、钛合金轮缘、辐条、筛网胎面以及片状轮刺组成，筛网胎面由金属丝编织而成，轮刺分两排呈20°均匀交错排列于胎面上。中国“玉兔”号车轮为采用了钛合金材料轮辐和轮缘一体结构的弹性筛网轮。
由于载人探测任务将陆续展开，国内外就星球车轮进行持续研究，以求车轮减震性更好、行驶更平稳、承载能力更大，因此如何提供一种金属柔性胎面充气式星球车轮兼具旋转刚度和径向柔性是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为此，本发明的一个目的在于提出一种金属柔性胎面充气式星球车轮，解决现有星球车轮减震性差，无法兼具旋转刚度和径向柔性的技术问题。
本发明提供了一种金属柔性胎面充气式星球车轮，由外至内依次包覆有金属柔性外胎面、保护隔垫层及充气内胎，所述金属柔性外胎面通过连接件与轮毂组件连接，其外胎面作为接触面，通过胎面柔性变形适应星球地形，增加触壤面积、提高支撑和行驶驱动摩檫力；所述充气内胎内部可充放有气体介质。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种金属柔性胎面充气式星球车轮，外胎面为金属柔性胎面，具有高耐磨性，外胎面包裹充气内胎使车轮具备避免刚性冲击所造成的车轮破坏与磨损能力。充气内胎承压支撑，强度高具有较高承载能力。本发明采用金属柔性胎面与充气内胎，通过充气内胎支撑使车轮具备良好径向柔性与强度，在车轮承载时纵向方向发生柔性变形，从而增加地面接触面积、提高星球表面抓着力；同时柔性变形恢复性强具有良好稳定性，对不同地形适应性强，吸收星球车震动，具备良好的减震能力，平顺性好。
进一步地，所述金属柔性外胎面由金属丝编织网布或金属链网覆盖而成。
进一步地，所述保护隔垫层由多层纤维材料编织复合而成。
进一步地，所述保护隔垫层至少包括玻璃纤维布层、涤纶纤维布层及镀铝纤维布层。
进一步地，所述充气内胎由纤维编织材料形成内胎主体，并将内胎主体与密封复合材料缝合。
进一步地，所述充气内胎通过纤维布缝制成内胎主体，所述内胎主体内壁具有密封涂层，其外壁通过条状纤维布缠绕后强化粘合。
进一步地，所述内胎主体至少包括三层复合材料，外层为镀铝织物，中层为多层镀铝膜，并在各层镀铝膜之间夹设无纺织布，内层为涂氯丁尼龙胶布与强度高、伸长率低的涤纶织物缝制或粘制形成环形气囊。
进一步地，所述镀铝膜为在聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜上镀铝形成。
进一步地，所述轮毂组件包括：安装法兰、轮辋、轮辐；所述安装法兰连接所述轮辐与所述轮辋，所述充气内胎安装于所述轮辋的安装槽内，其外部包裹所述保护隔垫层，且所述金属柔性胎面和轮辋之间形成包裹所述充气内胎和所述保护隔垫层的包裹腔室。
本发明的一个目的在于提出一种星球车，包括车体及安装于所述车体上的星球轮，轮毂组件连接车体的动力半轴，所述星球轮根据发射过程及使用需求，在运载过程中对充气内胎进行抽真空处理，以实现全胎面缩小从而达到车轮体积最小化；在到达星球表面时，通过压缩空气包对充气内胎进行一次性充气展开胎面，满足行驶要求；充气压力根据星球真空度环境调节。
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为本发明提供的一种金属柔性胎面充气式星球车轮的结构示意图；
图2为本发明提供的一种金属柔性胎面充气式星球车轮的无外胎剖视图；
图3为本发明提供的一种金属柔性胎面充气式星球车轮充气内胎与轮毂的示意图；
图4为本发明提供的一种金属柔性胎面充气式星球车轮的轮毂组件的示意图；
图5为本发明提供的一种金属柔性胎面充气式星球车轮的充气内胎一个实施例的结构示意图；
图中：
1-保护隔垫层；2-轮毂组件，21-轮辐；22-轮辋；23-安装法兰；3-充气内胎；31-密封涂层，32-条状纤维布，4-金属柔性外胎面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见附图1-4，在本发明的一个实施例中公开了一种金属柔性胎面充气式星球车轮，由外至内依次包覆有金属柔性外胎面4、保护隔垫层1及充气内胎 3，所述金属柔性外胎面4通过连接件与轮毂组件2连接，其外胎面作为接触面，通过胎面柔性变形适应星球地形，增加触壤面积、提高支撑和行驶驱动摩檫力；所述充气内胎3内部可充放有气体介质。
本发明实施例中，保护隔垫层1与充气内胎包裹在内，保护隔垫层1为环形结构紧贴金属柔性外胎面4内壁，充气内胎位于保护隔垫层内侧并紧贴轮毂外侧，其内优选充有压缩气体，该气体为惰性稳定气体。
在本发明的一个实施例中，所述金属柔性外胎面4可以采用刚性金属或柔性金属，形成金属丝编织网布或金属链网。以实现胎面柔性变形，适应星球表面地形条件。
在本发明的一个实施例中，所述保护隔垫层1由多层纤维材料编织复合而成；具有柔性，夹在外胎面和充气内胎之间，防止外胎面对充气内胎的摩擦刮伤，以及防范窜入到外胎面内的星壤颗粒或尖锐物对充气内胎的挤压和割裂穿刺损坏。
优选地实施例中，所述保护隔垫层1至少包括玻璃纤维布层、涤纶纤维布层及镀铝纤维布层。在具备耐穿刺、耐磨损特性的同时具备柔性，可防火、防热辐射、耐高温有效保护充气内胎。
本发明中的所述充气内胎3由纤维编织材料形成内胎主体，并将内胎主体与密封复合材料缝合。此方案在形成内胎主体后，在整体内胎主体上缝合密封复合材料，达到了密封性、耐压性和表面耐磨抗刺穿特性，但是不容易操作。
因此本发明又给出了一个优选的实施例，参见附图5，所述充气内胎3通过纤维布缝制成内胎主体，在所述内胎主体内壁具有密封涂层31，其外壁通过条状纤维布32缠绕后强化粘合；由此，该充气内胎不仅密封性、耐压性和表面耐磨抗刺穿特性，同时操作性好，缠绕的条状纤维布重叠缝隙处粘结，贴合性好。
优选地实施例中，所述内胎主体至少包括三层复合材料，外层为镀铝织物，中层为多层镀铝膜，并在各层镀铝膜之间夹设无纺织布，内层为涂氯丁尼龙胶布与强度高、伸长率低的涤纶织物缝制或粘制形成环形气囊。胎体材质外层可有效防火、防热辐射、防磨损、耐高温；中层为隔热层可有效进行过冷过热保护；内层气密性高、限制性好，同时编制结构可使充气内胎胎体变形性能好。充气内胎内充有稳定性气体。
具体地，所述镀铝膜为在聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜上镀铝形成。
参见附图4，所述轮毂组件2包括：安装法兰21、轮辋22、轮辐23；所述安装法兰21连接所述轮辐23与所述轮辋22，所述充气内胎3安装于所述轮辋22的安装槽内，其外部包裹所述保护隔垫层1，且所述金属柔性胎面4 和轮辋22之间形成包裹所述充气内胎3和所述保护隔垫层1的包裹腔室。
由于外星球的高温、高辐射的特点，使得橡胶轮充气轮难以被使用，本发明车轮充气内胎胎体采用多层复合材料，可有效的耐高温耐辐射；充气内胎外侧附着保护隔垫层，进一步保护充气内胎远离高温辐射，同时可防止在尖锐路段行驶时充气内胎胎体被刺破或磨损；金属柔性外胎面提高车轮地面抓着力与耐磨性。本发明与现有星球车轮相比，充气内胎承压支撑性更强，因此载荷能力更强，且减震性能更好，在结构简单可靠的同时实现了轻量化。本发明在运载过程中可抽真空缩小体积从而减少空间占用。
本发明提供的一种金属柔性胎面充气式星球车轮，具有以下优点：
1.本发明胎面为金属柔性外胎面，具有高耐磨性，包裹充气内胎使车轮具备避免刚性冲击所造成的车轮破坏与磨损能力。
2.本发明采用充气内胎承压支撑，强度高具有较高承载能力。
3.本发明轮面为金属柔性胎面，通过低压充气内胎支撑使车轮具备良好径向柔性与强度，在车轮承载时纵向方向发生柔性变形从而增加地面接触面积提高星球表面抓着力；同时柔性变形恢复性强具有良好稳定性，对不同地形适应性强，吸收星球车震动，具备良好的减震能力，平顺性好。
4.本发明保护隔垫层与充气内胎胎体均为复合材料可适应于高温及辐射环境。
5.本发明充气内胎胎体质量低，与现有星球车金属车轮复杂的金属结构相比可有效降低星球车整车质量。
6.本发明结构简单、可靠，在载运过程中可进行抽真空达到车轮缩小状态，体积小节约载运空间。
本发明提供了一种星球车，可应用于月球、火星以及各种小行星的载人星球车上，包括车体及安装于所述车体上的星球轮，轮毂组件连接车体的动力半轴，所述星球轮根据发射过程及使用需求，在运载过程中对充气内胎进行抽真空处理，以实现全胎面缩小从而达到车轮体积最小化；在到达星球表面时，通过压缩空气包对充气内胎进行一次性充气展开胎面，满足行驶要求；充气压力根据星球真空度环境调节，以确保充气内胎压力满足承载和行驶需求。
采用该车轮的星球车可为适应星球的松软地形在金属柔性胎面上制造车辙轮刺等，增大地面抓着力，防止陷入沙地或打滑。在星球表面上有石头等崎岖路段时，轮胎柔性变形贴合石头表面行驶，轮毂中心垂直方向上波动较小，使宇航员在星球车上不会感到星球车严重起伏。通过需行驶星球地貌环境来确定充气内胎胎体设计圆扁程度，若行驶星球表面很崎岖，可适当使充气内胎胎体变圆。
本发明提供的星球车，在地面上对其充气内胎进行抽真空处理，使金属柔性胎面、内部保护隔垫层随充气内胎紧贴轮辋达到车轮最小状态，减少发射运载过程中空间占用。到达星壤表面后，使用压缩空气包或其他充气设备，对轮胎进行一次性充气使其达到可行驶状态。该压缩空气包内气体量，或其他充气设备气体量根据所着陆星球真空度确定。
本发明提供了一种星球车，应用于温度为-60℃～200℃之间的星球表面。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种金属柔性胎面充气式星球车轮，其特征在于，由外至内依次包覆有金属柔性外胎面（4）、保护隔垫层（1）及充气内胎（3），所述金属柔性外胎面（4）通过连接件与轮毂组件（2）连接，其外胎面作为接触面，通过胎面柔性变形适应星球地形，增加触壤面积、提高支撑和行驶驱动摩檫力；所述充气内胎（3）内部可充放有气体介质；
所述充气内胎（3）通过纤维布缝制成内胎主体，所述内胎主体内壁具有密封涂层（31），其外壁通过条状纤维布（32）缠绕后强化粘合；
所述内胎主体至少包括三层复合材料，外层为镀铝织物，中层为多层镀铝膜，并在各层镀铝膜之间夹设无纺织布，内层为涂氯丁尼龙胶布与强度高、伸长率低的涤纶织物缝制或粘制形成环形气囊；
所述金属柔性外胎面（4）由金属丝编织网布或金属链网覆盖而成；
所述保护隔垫层（1）由多层纤维材料编织复合而成。
2.根据权利要求1所述的一种金属柔性胎面充气式星球车轮，其特征在于，所述保护隔垫层（1）至少包括玻璃纤维布层、涤纶纤维布层及镀铝纤维布层。
3.根据权利要求1所述的一种金属柔性胎面充气式星球车轮，其特征在于，所述镀铝膜为在聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜上镀铝形成。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种金属柔性胎面充气式星球车轮，其特征在于，所述轮毂组件（2）包括：安装法兰（21）、轮辋（22）、轮辐（23）；所述安装法兰（21）连接所述轮辐（23）与所述轮辋（22），所述充气内胎（3）安装于所述轮辋（22）的安装槽内，其外部包裹所述保护隔垫层（1），且所述金属柔性外胎面（4）和轮辋（22）之间形成包裹所述充气内胎（3）和所述保护隔垫层（1）的包裹腔室。
5.一种星球车，其特征在于，包括车体及安装于所述车体上的如权利要求1-4任一项所述的一种金属柔性胎面充气式星球车轮，轮毂组件连接车体的动力半轴，所述星球车轮根据发射过程及使用需求，在运载过程中对充气内胎进行抽真空处理，以实现全胎面缩小从而达到车轮体积最小化；在到达星球表面时，通过压缩空气包对充气内胎进行一次性充气展开胎面，满足行驶要求；充气压力根据星球真空度环境调节。
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| CN114312148A (zh) | 2022-04-12 |
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