CN117460627A - 麦克纳姆轮模块 - Google Patents

Abstract

公开了紧凑的麦克纳姆轮模块。麦克纳姆轮模块包括：轮毂，其被配置成装纳马达。轮毂包括圆形平面部分和从圆形平面部分延伸的圆柱形部分。圆柱形部分形成轮的轮辋的基底。多个滚子安装在轮辋的基底上并且围绕轮辋的基底，多个滚子中的每一个均包括轴和可旋转主体，可旋转主体经由滚针轴承被安装至轴。

Description

麦克纳姆轮模块

技术领域

本发明涉及麦克纳姆轮模块。

背景技术

麦克纳姆轮具有代替轮胎围绕其轮辋以倾斜角度安装的滚子。滚子通常相对于旋转轴线成45°的角度，并且当多个轮安装至车辆时，轮的这种配置允许全向运动。这使得这种类型的轮特别有用于要求高机动性能的车辆(诸如需要在狭小和复杂的空间中移动的那些车辆)。然而，在这些空间中在高有效负载待运输的情况下，用于支撑负载的轮的大小增加并且其自身变成有限空间中的问题。

一般而言，麦克纳姆轮的大小随着承重能力成比例地增长，使得能够支撑300Kg以上的有效负载的轮大体具有超过25cm的直径以及大于12cm的宽度。另外，驱动轮要求每个轮的独立控制，从而要求多个马达或一个马达及多个齿轮传动机构以及多个制动机构，并且所有的这些都增加了由具有这种轮的车辆所占据的空间。

将期望的是提供具有小占用空间(footprint)和增加的负载能力的改进的麦克纳姆轮模块。

发明内容

第一方面提供了麦克纳姆轮模块，其包括：轮毂，所述轮毂包括圆形平面部分以及从所述圆形平面部分延伸的圆柱形部分，所述圆柱形部分形成所述轮的轮辋的基底；多个滚子，其安装在所述轮辋的所述基底上并且围绕所述轮辋的所述基底；所述多个滚子中的每一个均包括轴和可旋转主体，所述可旋转主体经由滚针轴承被安装至所述轴。

麦克纳姆轮是具有多个滚子的轮，多个滚子相对于所述轮的圆周以倾斜角度安装在轮辋上。当这种轮安装在车辆上并单独受控时，这种轮允许车辆的全向移动。在负载通过安装在轮毂上的滚子的情况下的轮的配置以及对于每个轮的单独控制的要求，使得在不过度增加轮模块的大小的情况下重负载的运输常规地是具有挑战性的。具体地，当增加轮的负载支承能力时，滚子已常规地成为限制因素。通过使用滚针轴承来支撑滚子的负载支承可旋转主体，解决了在不增加轮的大小的情况下增加负载支承能力的问题。常规地，滚子轴承已用于将滚子的可旋转主体安装至轴，并且虽然这些轴承通常比滚针轴承更廉价，但它们也更不坚固。发明人认识到滚子的坚固性对于负载支承是限制因素，并且具体地支撑滚子的轴承是潜在的故障点。他们通过用滚针轴承取代常规的滚子轴承解决了这个问题。滚针轴承具有比滚子轴承更大的支撑表面积，从而允许滚子支撑的负载分散在更大的面积上，从而减少轴承感受到的压力并且使其能够坚固地支撑更高的负载。另外，尽管增加了支撑面积，但此类轴承是紧凑的。

另外，将麦克纳姆轮设置为带有具有平面表面的轮毂和用于支撑滚子的轮辋的单个模块允许轮的独立的移除、维修和控制。

在一些实施例中，所述麦克纳姆轮模块包括低占用空间、高负载的麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮模块包括小于8,500cm³、优选地小于8,000cm³、更优选地小于7,800cm³的体积，并且被配置成支撑至少300Kg、优选地大于330Kg、更优选地大于350Kg的负载。

使用滚针轴承来支撑滚子以及麦克纳姆轮模块的轮毂的布置允许可以在小于8500cm³的低占用空间中支撑300Kg或更多的相当大负载的低占用空间麦克纳姆轮。

在一些实施例中，所述滚针轴承定位成朝向所述可旋转主体的任一端部，并且通过将所述滚针轴承压配到在所述轴上机加工的凹部内而被安装。

在一些实施例中，所述滚针轴承中的每一个的长度均是所述可旋转主体的长度的至少10％，优选地至少14％。

滚针轴承相比于滚子轴承具有更大的表面积，可以在该表面积上分散负载，这是允许滚针轴承坚固地支撑更高负载的因素。具有覆盖可旋转主体的相当大长度的滚针轴承有助于在更大的面积上分散负载，并且允许更坚固的滚子。

在一些实施例中，所述滚针轴承中的每一个均经由保持垫片保持在恰当位置。

虽然滚针轴承可以简单地通过压配来保持，但在一些实施例中使用保持垫片。在滚子支撑增加的负载的情况下，则增加的力被施加在轴承上，并且这可能潜在地使轴承移位，这个潜在问题通过使用保持垫片得以解决。

在一些实施例中，麦克纳姆轮还包括所述保持垫片中的每一个与所述相应滚针轴承之间的推力轴承。

推力轴承可以在保持垫片与相应的滚针轴承之间使用以减少旋转期间的摩擦。推力轴承可以由比轴或轴承更软的材料制成，并且可以使用浸渍有润滑剂的一种材料(例如浸渍有油的黄铜)。除了减少摩擦之外，推力轴承还减少被滚针轴承感受到的应力并增加其使用寿命。

在一些实施例中，所述轮毂包括所述轮辋的侧表面，当所述轮安装至车辆时，所述侧表面是内侧表面和外侧表面，所述外侧表面包括所述圆形平面部分的径向外部部分并且所述内侧表面包括从所述轮毂的所述圆柱形部分延伸的环。

轮毂可包括从轮辋的基底的任一边缘大致垂直地延伸并作用为滚子的安装表面的侧表面。轮辋的外侧表面可以包括圆形平面部分的外径向部分。

在一些实施例中，所述麦克纳姆轮模块还包括马达，马达被配置成通过旋转所述轮毂来驱动所述轮模块；所述轮毂包括被配置成接收所述马达的凹部，所述凹部的一侧由所述圆形平面部分形成并且所述凹部的相对侧开放以接收所述马达。

实施例提供麦克纳姆轮模块内的马达，该马达被配置成驱动轮。将马达安装在麦克纳姆轮模块内允许麦克纳姆轮模块及其驱动机构成为单个单元。这使得其特别紧凑且免除对于连接驱动轴的要求。另外，令马达位于轮模块内使得该模块易于作为单元进行维修和更换，因为除了安装机构之外，安装至车辆时所要求的仅有连接是功率和控制缆线。这允许该模块在车辆中和在车辆外容易地被替换，从而允许在如果存在故障的情况下易于进行维修和更换。另外，这种模块紧凑、可独立控制并且可以支持相当大的负载。

在一些实施例中，所述麦克纳姆轮模块还包括用于将所述麦克纳姆轮模块安装至车辆的安装部件，所述安装部件包括用于附接至所述车辆并被配置成在所述麦克纳姆轮的所述轮辋的一部分上延伸的附接部分，以及面向所述凹部的所述开放侧的板部分，所述马达安装至所述板部分。

该模块可以被配置成具有安装部件，使得其可以作为单个模块安装在车辆上，从而允许根据要求容易地附接和断开。将轮附接至车辆的附接部分具有带有安装点的上部部分和板部分，该板部分被配置成面向凹部的开放侧并且支撑马达。以此方式，在轮模块上的车辆的负载将传递通过马达。

在一些实施例中，所述马达包括驱动轴，所述驱动轴被附接至所述轮毂的所述圆形平面部分，使得由所述马达驱动的所述驱动轴的旋转使所述轮毂旋转，所述马达被安装成使得所述马达的旋转轴线穿过所述轮毂的中心。

马达安装在轮中，使得马达的驱动轴的旋转轴线位于轮毂的中心，马达被安装成与轮毂的轮辋同心。

在一些实施例中，所述马达包括高负载马达，所述马达的驱动轴被安装在沿所述轴布置在不同纵向位置处的两个轴承上。

由于车辆的负载通过马达传递到轮，因此马达为高负载马达是重要的。另外，由于负载被支撑在驱动轴的端部处，因此存在悬臂效应，并且可以通过将驱动轴安装在沿所述轴的不同纵向位置处布置的两个轴承上来实现有效支撑。

在一些实施例中，所述马达被配置成生成大于26Nm、优选地大于30Nm的最大扭矩。

由于麦克纳姆轮被配置成支撑高负载，因此可以使用高扭矩马达，使得麦克纳姆轮可以根据要求移动高负载。

在一些实施例中，所述麦克纳姆轮具有大于19kW/m³、优选地大于22kW/m³、更优选地大于24W/m³的功率密度。

实施例提供了具有对应的高功率密度的低占用空间、高负载支承、高功率轮。就此而言，轮体积可以小于8,000cm³，轮额定扭矩可以大于10Nm，优选地大于11Nm，并且旋转的最大速度可以大于150rpm、15.7rad/s。这提供了大于150W的功率(额定扭矩×最大旋转速度)以及大于19kW/m³的功率密度。

在一些实施例中，所述麦克纳姆轮还包括安装成邻近所述凹部内的所述马达的制动机构。

如果用于轮的制动机构位于轮模块内，则也可能是有利的，其再次允许紧凑的结构，并且为将位于模块内的轮提供控制和驱动机构，从而改进了能够进行轮安装和移除的便易性。

在一些实施例中，所述安装部件包括用于在所述马达与车辆之间布线的防护通道，所述防护通道的上表面包括所述附接部分，所述防护通道的外表面包括所述板部分，并且所述防护通道的内表面被布置成邻近所述内轮辋延伸。

麦克纳姆轮的模块化本质的一个优点是，需要与车辆的其他工作部分形成的仅有连接是功率和控制缆线连接。在某些情况下，缆线可能会穿过防护通道，从而使得能够保护缆线免受外力的影响，并且也允许缆线在要求的情况下整齐地布线。

在一些实施例中，所述滚子的所述轴是钢的，并且所述可旋转主体包括铝筒，该铝筒具有涂覆有外聚氨酯层的截头椭圆形横截面。

许多麦克纳姆轮的一个潜在限制因素是滚子的强度。常规地，这些滚子由聚氨酯制成，并且这可能不足够强以支撑非常高的负载。实施例提供了可旋转主体，其具有带有截头椭圆形截面的铝筒，并且其涂覆有外聚氨酯层。铝为聚氨酯提供结构并抵抗变形。这连同高负载滚针轴承和高负载马达路径一起促成低占用空间高负载麦克纳姆轮模块。

在一些实施例中，马达包括马达内的行星齿轮。

在一些实施例中，所述轮毂由机加工铝形成。

应当注意的是，轮毂可以由多种材料形成，其中一种材料是兼具重量轻和结构上强的铝。尽管安装部件可以由钢、碳纤维或一些其他结构坚固且不过重的材料形成，安装部件也可以由铝形成。

在一些实施例中，所述轮毂的所述附接部分被配置成在其上延伸的所述部分包括所述轮毂的整个宽度和所述轮毂的圆周的至少三分之一。

除了提供安装点之外，附接部分还可以用作车辆的防护件，以保护车辆免受由轮扬起的任何碎屑的影响。就此而言，附接部分可以在轮毂的整个宽度上延伸并且围绕轮毂的圆周的至少三分之一。

进一步具体和优选的方面在所附的独立权利要求和从属权利要求中阐述。从属权利要求的特征可以酌情与独立权利要求的特征组合，并且形成与权利要求中明确阐述的那些组合之外的组合。

在设备特征被描述为可操作以提供功能的情况下，将理解的是，这包括提供该功能或者适于或被配置成提供该功能的设备特征。

附图说明

现在将参考附图对本发明的实施例作进一步的描述，在附图中：

图1示出了根据实施例的麦克纳姆轮组件的等距视图；

图2示出了带有在恰当位置的马达的麦克纳姆轮组件的剖视图；并且

图3示出了麦克纳姆轮组件的单个滚子的剖视图。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。

麦克纳姆轮通过使用以倾斜的角度(通常与旋转轴线成45°的角度)代替轮胎围绕轮的轮辋安装的滚子来允许车辆的全向移动。车辆的一侧上的轮可以具有沿一个方向成角度的滚子，且车辆的另一侧上的轮可以具有沿相对方向成角度的滚子，使得其彼此成镜像。这从各个轮在车辆上提供成角度的力，并允许通过单独地控制轮的旋转的速度和方向来进行方向控制。带有安装于其上的这种轮的车辆可以全向移动。实施例寻求提供一种既紧凑又能够支撑高负载(即300Kg以上的负载)的麦克纳姆轮模块。这样的模块将允许在有限和复杂的空间中移动相当大的负载。这可能特别适用于在子晶圆厂(sub-fab)内运输真空系统部件。

实施例的麦克纳姆轮模块在小占用空间中提供了相当大的负载能力，其中致动部件构建于该模块内。常规地，在具有麦克纳姆轮的车辆上，驱动轮的马达轴向延伸超出轮，进入底架的主体，从而增加了麦克纳姆轮和驱动系统所占据的空间。实施例通过配置允许马达安装在轮和轮毂的体积内的定制轮毂来避免马达延伸到底架内。

提供麦克纳姆轮模块(其中滚子包括位于轴与旋转主体之间的滚针轴承)将重量分配在比在滚子轴承的情况下更大的表面积上，并且允许滚子支撑增加的负载。另外，通过将马达和制动机构安装在轮的轮毂内，提供了不仅紧凑而且还模块化的轮和驱动系统。这允许通过安装机构以及控制和功率缆线的附接或脱离，以简单的方式单独装配、更换和维修每个轮模块。

图1示出了根据实施例的麦克纳姆轮组件的等距视图。这示出了包括圆形平面表面1的线轴形铝轮毂，当轮安装至车辆时，该圆形平面表面1形成轮毂的外表面。多个单个滚子3围绕轮毂的轮辋的基底安装。用作麦克纳姆轮组件的安装板的制造的铝或钢壳体2安装在轮的上表面上方和周围。该壳体保护轮并允许负载路径到达轮所附接到其的车辆的底架，并且也具有为轮毂内马达提供安装位置的背板部分。该壳体的上表面提供了用于将轮模块安装至车辆的表面，并且也保护轮和车辆免受由轮扬起的碎片的影响。这里示出了该安装部件或壳体的上表面，并且存在在轮后方与平面表面1相对地延伸的背板并且马达安装在背板上。

滚子3包括定制的重型空转滚子，滚子中的每一个均与整个轮的旋转轴线成45°的角度。图3中更详细地示出了这些内容。

图2示出了麦克纳姆轮模块或组件的剖视图。该剖视图示出了围绕轮毂1的轮辋安装的滚子3。滚子相对于轮的旋转轴线以倾斜角度安装，其中滚子的轴附接至内环形表面和外环形表面，该内环形表面和外环形表面经由面向整个轮的旋转轴线的螺钉形成轮毂的轮辋的侧表面。

马达7安装在轮毂1内的凹部内。该凹部被机加工到铝轮毂1内，并且这为马达提供了坚固的壳体。在该实施例中，马达7是高比率(约20:1)电动马达，其包括使用霍尔效应传感器和增量编码器的闭环控制，从而使得轮能够相对于轮壳体进行强制旋转。用作安装部件的铝或钢壳体2在此示出为具有沿上部部分的车辆保护部分和上部安装部分两者，并且具有背板，马达7面向轮毂的平面表面1安装在背板上。存在保护缆线免受可能被轮踢起并卡入壳体内的潜在物体的影响的片材金属防护部分4。

允许功率和数据缆线安全地穿过轮组件的主体到达马达的布线释放孔(wirerouting relief hole)5设置在防护部分内。这些缆线也允许轮组件容易地与车辆连接和断开。该引导部件5为线(其可以是功率和数据缆线)提供保护，并允许它们安全地穿过轮组件的主体到达马达。

在该实施例中，马达7安装在距平面表面1一定距离处，并且存在用于安装制动机构(未示出)的空间6，从而允许单独控制每个轮的制动。

图3示出了穿过单个滚子的截面。该截面示出了钢轴13，其在使用中以与圆周成倾斜角度的方式固定至轮毂的轮辋的内边缘和外边缘。围绕该钢轴13安装了具有截头椭圆形横截面的铝筒12，并且该铝筒12在轴13上旋转并由滚针轴承11支撑。这些滚针轴承11允许高负载从筒传递到轴，同时展现出低滚动摩擦。它们在滚子筒的长度的10％以上延伸，并且这提供了相当大的表面积，经由筒施予轴的力和扭矩分散在该表面积上。这种布置的潜在弱点将是经由轴承且设置滚针轴承而不是滚子轴承形成可以支撑更高的负载的更加坚固的机构。

滚子3包括铝筒12并且其具有聚氨酯外层9。聚氨酯层展现出90A的肖氏硬度。这种材料能够承受高达4,400N(1.000磅)的压缩而不破裂。

铝筒12为滚子提供结构强度并帮助将施加到聚氨酯层的外部的负载分配到轴承。该筒也控制滚子本身的形状，这是轮的全向功能的重要部分。

滚针轴承11被压配到机加工到轴13中的凹部内。压配将滚针轴承保持在恰当位置，但是可以使用附加的保持器件，因为滚子上的力很高。在该实施例中，附加保持器件包括保持垫片8和推力轴承。

尽管已经参考附图在本文中详细公开了本发明的说明性实施例，但是理解的是，本发明不限于精确的实施例，并且本领域技术人员可以在其中实现各种改变和修改，而不背离如由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的范围。

附图标记

1 轮毂

2 壳体

3 滚子

4 防护件

5 缆线布线通道

6 用于制动机构的空间

7 马达

8 保持垫片

9 聚氨酯层

11 滚针轴承

12 铝筒

13 钢轴

Claims (17)

1.一种麦克纳姆轮模块，其包括：

轮毂，所述轮毂包括圆形平面部分和从所述圆形平面部分延伸的圆柱形部分，所述圆柱形部分形成所述轮的轮辋的基底；

多个滚子，其安装在所述轮辋的所述基底上并且围绕所述轮辋的所述基底；

所述多个滚子中的每一个均包括轴和可旋转主体，所述可旋转主体经由滚针轴承被安装至所述轴。

2.根据权利要求1所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述麦克纳姆轮模块包括低占用空间、高负载的麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮模块包括小于8,500cm³、优选地小于8,000cm³、更优选地小于7,700cm³的体积，并且被配置成支撑至少300Kg、优选地大于330Kg、更优选地大于340Kg的负载。

3.根据权利要求1或2所述的麦克纳姆轮模块，所述滚针轴承朝向所述可旋转主体的任一端部被定位并且通过将所述滚针轴承压配到在所述轴上机加工的凹部内被安装。

4.根据权利要求3所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述滚针轴承中的每一个均经由保持垫片保持在恰当位置。

5.根据权利要求4所述的麦克纳姆轮模块，其还包括所述保持垫片中的每一个与所述相应的滚针轴承之间的推力轴承。

6.根据前述权利要求中任一项所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述轮毂包括所述轮辋的侧表面，当所述轮安装至车辆时，所述侧表面是内侧表面和外侧表面，所述外侧表面包括所述圆形平面部分的径向外部部分并且所述内侧表面包括从所述轮毂的所述圆柱形部分延伸的环。

7.根据前述权利要求中任一项所述的麦克纳姆轮模块，所述麦克纳姆轮模块还包括马达，所述马达被配置成通过旋转所述轮毂来驱动所述轮模块；

所述轮毂包括被配置成接收所述马达的凹部，所述凹部的一侧由所述圆形平面部分形成，并且所述凹部的相对侧开放以接收所述马达。

8.根据权利要求7所述的麦克纳姆轮模块，所述麦克纳姆轮模块还包括用于将所述麦克纳姆轮模块安装至车辆的安装部件，所述安装部件包括用于附接至所述车辆并且被配置成在所述麦克纳姆轮的所述轮辋的一部分上延伸的附接部分，以及面向所述凹部的所述开放侧的板部分，所述马达安装至所述板部分。

9.根据权利要求7所述的麦克纳姆轮模块，所述马达包括驱动轴，所述驱动轴被附接至所述轮毂的所述圆形平面部分，使得由所述马达产生的所述驱动轴的旋转使所述轮毂旋转，所述马达被安装成使得所述马达的旋转轴线穿过所述轮毂的中心。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述马达包括高负载马达，所述马达的驱动轴被安装在沿所述轴布置在不同纵向位置处的两个轴承上。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述轮毂的所述附接部分被配置成在其上延伸的所述部分包括所述轮毂的整个宽度和所述轮毂的圆周的至少三分之一。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述马达被配置成生成至少26Nm、优选地至少30Nm的最大扭矩。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮还包括制动机构，所述制动机构邻近所述马达安装在所述凹部内。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的麦克纳姆轮模块，当从属于权利要求7时，其中，所述安装部件包括用于在所述马达与车辆之间布线的防护通道，所述防护通道的上表面包括所述附接部分，所述防护通道的外表面包括所述板部分，并且所述防护通道的内表面被布置成邻近所述内轮辋延伸。

15.根据前述权利要求中任一项所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述滚子的所述轴是钢的，并且所述可旋转主体包括铝筒，所述铝筒具有涂覆有外聚氨酯层的截头椭圆形横截面。

16.根据前述权利要求中任一项所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述轮毂由机加工的铝形成。

17.根据前述权利要求中任一项所述的麦克纳姆轮模块，其中，所述麦克纳姆轮具有大于19kW/m³、优选地大于22kW/m³、更优选地大于24W/m³的功率密度。