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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Rad mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein solches Rad, das vorteilhaft bei einem an Planetenoberflächen adaptierbaren Fahrzeug einsetzbar ist. Fahrzeuge zum Fahren auf Planeten werden auch als Rover oder Planeten-Rover bezeichnet.
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STAND DER TECHNIK
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Bei einem Rad mit einem auf einer Felge angeordneten Reifen ist es bekannt, den Luftdruck zu variieren, um den Reifen an unterschiedliche Bodenoberflächen anzupassen. Hierdurch wird die Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche des Reifens an der Felge variiert. Bei gleichbleibender Gewichtskraft eines mit dem bekannten Rad ausgestatteten Fahrzeugs ändert sich dadurch die Aufstandfläche, d. h. die Kontaktfläche der Lauffläche mit der Bodenoberfläche. So wird beispielsweise das partielle Einsinken des Rads in weichen Boden reduziert, was sowohl Vorteile bei der Traktion als auch dem Energieverbrauch des Antriebs des jeweiligen Fahrzeugs hat.
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Obwohl es grundsätzlich bekannt ist, dass die Anpassung der Steifigkeit der elastischen Abstützung der Lauffläche eines Rads an seiner Nabe bei den Rädern eines Planeten-Rovers besonders vorteilhaft wäre, weil ein solcher Planeten-Rover für das Fahren auf unbekannten und potentiell extrem unterschiedlichen Böden und Bodenoberflächen geeignet sein soll, mangelt es an hierfür geeigneten Rädern. Gummielastische Materialien, aus denen ein aufblasbarer Reifen ausgebildet werden kann, sind für die Erkundung der meisten Planeten wegen der dort oder auf dem Weg dorthin herrschenden physikalischen Bedingungen, insbesondere Druck- und Temperaturbedingungen, ungeeignet.
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Ein Rad für einen Planeten-Rover mit einer Nabe und mit einer elastisch verformbaren und über gewölbte Speichen an der Nabe elastisch abgestützten Lauffläche, aber ohne eine Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit der elastischen Abstützung der Lauffläche an der Nabe ist aus Patel, N., et al.: The ExoMars rover locomotion subsystem. in Journal of Terramechanics 47 (0101) 227–242 bekannt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rad mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1 aufzuzeigen, das auch für den Einsatz unter extremen physikalischen Randbedingungen geeignet ist.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Rad mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Schutzansprüche 2 bis 18 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rads. Der nebengeordnete Schutzanspruch 19 ist auf ein an Plantetenoberflächen adaptierbares Fahrzeug mit mindestens einem erfindungsgemäßen Rad gerichtet. Der abhängige Schutzanspruch 20 betrifft eine bevorzugte Ausführungsform dieses Fahrzeugs.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem erfindungsgemäßen Rad ist eine elastisch verformbare Lauffläche des Rads über gewölbte Speichen elastisch an einer Nabe des Rads abgestützt und eine Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit der elastischen Abstützung der Lauffläche an der Nabe variiert die Wölbung dieser Speichen.
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Die Elastizität der Abstützung der Lauffläche an der Nabe basiert also nicht auf einer Gasdruckfeder, sondern auf Festkörperfedern in Form der gewölbten Speichen. Aufgrund ihrer Wölbung sind die Speichen keine idealen Speichen mit geradliniger radialer Erstreckung von der Nabe zu der Lauffläche, sondern vielmehr eher Federarme. Durch die Abweichung vom gradlinigen radialen Verlauf einer idealen Speiche wird hier aber gezielt die Steifigkeit der elastischen Abstützung der Lauffläche an der Nabe eingestellt. D. h. durch Variieren der Wölbung der Speichen wird deren Abweichung vom gradlinigen radialen Verlauf idealer Speichen und allein damit Ihre Steifigkeit variiert. Zudem wird durch das Variieren der Wölbung der Speichen eine Vorspannung der Speichen zwischen der Lauffläche und der Nabe variiert. Mit einer derartigen Vorspannung kann auch ein Kraftlimit definiert werden, unterhalb dessen die Lauffläche keine wesentliche Verformung erfährt.
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Die Lauffläche selbst ist vorzugsweise am Außenumfang eines geschlossenen Rings aus einem elastischen Bandmaterial vorgesehen, d. h. sie wird zumindest im Wesentlichen durch die äußere Oberfläche dieses Rings ausgebildet. Dass die Lauffläche des erfindungsgemäßen Rades elastisch verformbar ist, ist ebenso wie, dass das Bandmaterial des Rings, an dem die Lauffläche vorgesehen ist, ein elastisches Bandmaterial ist, kein Hinderungsgrund für eine gewisse inhärente Dämpfung des neuen Rads und insbesondere des elastischen Bandmaterials des die Lauffläche ausbildenden Rings.
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Die elastische Verformbarkeit des Bandmaterials des die Lauffläche ausbildenden Rings bedeutet nicht, dass die Lauffläche nennenswert elastisch dehnbar ist. Die elastische Verformbarkeit des Bandmaterials und damit der Lauffläche beschränkt sich vielmehr auf Richtungen normal zu ihren Haupterstreckungsrichtungen.
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Konkret kann das elastische Bandmaterial des die Lauffläche ausbildenden Rings ein Federstahl oder Faserverbundband sein. Welches dieser Materialien bevorzugt ist, ist häufig eine Frage der im Einsatz des Rads zu erwartenden Umgebungstemperaturen. Bei höheren Umgebungstemperaturen sind hochtemperaturfeste Metalllegierungen bevorzugt.
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Vorzugsweise weist die Lauffläche eine zylindermantelförmige Grundform auf. Entsprechend ist der die Lauffläche ausbildende Ring zylindermantelförmig. Gegenüber einer Lauffläche mit im Querschnitte gekrümmter Oberfläche ist eine Lauffläche mit zylindermantelförmiger Grundform wenig steif gegenüber radialer Verformung. Dies ist Vorraussetzung dafür, dass die Steifigkeit der elastischen Abstützung der Lauffläche an der Nabe des erfindungsgemäßen Rads durch die dazwischen verlaufenden Speichen in einer Weise verändert werden kann, mit der sich die Kontaktfläche zwischen der Lauffläche und der Oberfläche des jeweiligen Bodens ändert und sich nicht nur die Nabe des Rads exzentrisch innerhalb der kreisförmig bleibenden Lauffläche verlagert.
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Damit das neue Rad trotz der zylindermantelförmigen Grundform der Lauffläche eine hohe Traktion erreicht, können auf dem Bandmaterial des die Lauffläche ausbildenden Rings quer verlaufende Mitnehmer angeordnet sein. Die Mitnehmer können z. B. geradlinig oder V-förmig ausgebildet sein.
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Auch die Speichen des neuen Rads sind vorzugsweise aus einem elastischen Bandmaterial ausgebildet, wobei bezüglich der Materialauswahl grundsätzlich dasselbe gilt wie für den die Lauffläche ausbildenden Ring.
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Konkret kann sich von dem die Speichen ausbildenden Bandmaterial mindestens eine geschlossene Schlaufe um die Nabe herum erstrecken, wobei das Bandmaterial der Schlaufe wellenförmig zwischen der Nabe und der Lauffläche verläuft. Jede Halbwelle der so geformten Wellen bildet eine Speiche zwischen der Nabe und der Lauffläche aus, und die in der Schlaufe aufeinanderfolgenden Speichen sind zur Richtung radial von der Nabe entgegengesetzt angestellt, was den Gesamtaufbau des erfindungsgemäßen Rads stabilisiert.
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Da mit einer einzelnen Schlaufe des Bandmaterials nur eine sehr begrenzte Anzahl von Speichen zwischen der Nabe und der Lauffläche ausgebildet werden kann, die in Umfangsrichtung in relativ großen Abständen an der Lauffläche abgestützt sind, wenn die einzelnen Speichen relativ weich bleiben sollen, kann das Bandmaterial mehrerer Schlaufen in in Umfangsrichtung um die Nabe versetzten Wellen verlaufen, um die Anzahl der Abstützpunkte der Lauffläche zu erhöhen.
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Die Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit kann konkret Anbindungspunkte des Bandmaterials der Schlaufe an die Nabe und/oder an die Lauffläche verschieben. Hierdurch werden die von dem Material gebildeten Speichen ob des festen Grundabstands der Lauffläche zu der Nabe deformiert, d. h. ihre Wölbung ändert sich.
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Die Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit kann aber auch zwischen den Anbindungspunkten der Speichen an die Nabe und die Lauffläche an den Speichen angreifen, um deren Wölbung zu variieren. Konkret kann die Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit von der Nabe aus über Zugseile an den Speichen angreifen. Dabei können die Zugseile für alle Speichen auf eine gemeinsame, gegenüber der Nabe verdrehbare Trommel aufwickelbar sein. Hiermit ist auch umsetzbar, dass die Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit die Wölbung aller in Umfangsrichtung um die Nabe aufeinanderfolgenden und/oder die Wölbung von in Richtung einer Drehachse der Narbe nebeneinander liegenden Speichen gleichermaßen variiert, was für eine gleichmäßige Verteilung der Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche an der Nabe sowohl in Umfangsrichtung als auch in Querrichtung der Lauffläche Voraussetzung ist.
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Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit die Wölbung von in Richtung einer Drehachse der Nabe nebeneinander liegenden Speichen unterschiedlich variiert. Bei sehr breiten Laufflächen kann auf diese Weise z. B. auch eine Neigung der Drehachse der Nabe zu einer Kontaktfläche der Lauffläche mit dem der jeweiligen Bodenoberfläche eingestellt werden.
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An den Speichen des neuen Rads können Verformungssensoren vorgesehen sein, um die gewünschte Einstellung der Wölbung der Speichen im Sinne einer Regelschleife zu überwachen und/oder um auch die sich ebenfalls auf die Wölbung der Speichen auswirkende Deformation der Lauffläche durch Kontaktkräfte zum jeweiligen Boden zu erfassen. Diese beiden Einflüsse sind bei einem Rad, das sich immer nur über einen Teil des Umfangs seiner Lauffläche in Kontakt mit dem Boden befindet, separierbar, da im Wesentlichen nur die von der Nabe zu der Kontaktfläche hinweisenden Speichen aufgrund der Verformung der Lauffläche deformiert sind, während die auf der abgekehrten Seite der Nabe angeordneten Speichen hiervon unbeeinflusst bleiben, also nur durch die Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit eine veränderte Wölbung aufweisen.
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Verformungen der Lauffläche können auch durch Verformungssensoren an dem die Lauffläche ausbildenden Ring des neuen Rads erfasst werden. Ebenso ist eine Erfassung der Verformung der Speichen und/oder der Lauffläche durch optische Sensoren, wie beispielsweise eine das Rad abbildende Kamera, möglich. Alternativ oder zusätzlich zu der Erfassung der Verformung der Speichen und/oder der Lauffläche kann die Wölbung der Speichen nach einem Trackingverfahren mit dem Ziel einer Minimierung der Antriebsleistung für das Rad empirisch eingestellt werden, was keine Erfassung der Wölbung selbst erfordert.
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An der Lauffläche des neuen Rads können Sensoren für mindestens eine physikalische Größe, wie Druck, Temperatur oder elektrische Leitfähigkeit, vorgesehen sein, um möglichst viele Informationen zu einem unbekannten Boden zu erfassen, an dessen Oberfläche sich das Rad über die Lauffläche abstützt.
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Ein Fahrzeug mit mindestens einem erfindungsgemäßen Rad ist als Planeten-Rover besonders geeignet, weil das Rad durch Veränderung der Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche an der Nabe an unbekannte Planetenoberflächen anpassbar ist, ohne dass es irgendwelche flexiblen Gummimaterialien aufweist.
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Das erfindungsgemäße Rad kann bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug ein angetriebenes Rad sein, um seine Möglichkeiten bei der Traktionsoptimierung voll auszunutzen. Das neue Rad bietet wegen der möglichen Minimierung seiner erforderlichen Antriebsleistung auch Vorteile als nicht angetriebenes, d. h. als geschobenes oder gezogenes, Rad.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist vorzugsweise mindestens drei, noch mehr bevorzugt vier erfindungsgemäße Räder auf. Das heißt, möglich sind alle Räder, über die das Fahrzeug am Boden aufsteht, erfindungsgemäße Räder.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Schutzansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Schutzansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Schutzansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rads, wobei mit gestrichelter Linie die Veränderung der Wölbung eines Satzes von in der Figur vorne liegenden Speichen angedeutet ist.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Details von 1, wobei eine verformte Speiche des Rads mit einer durchgezogenen Linie angedeutet ist.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform des neuen Rads, bei dem eine andere Art und Weise der Variation der Wölbung seiner Speichen angedeutet ist.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in den 1 und 2 dargestellte Rad 1 weist eine Nabe 2 und eine an der Nabe 2 über Speichen 4 und 5 abgestützte Lauffläche 3 auf. Die Speichen 4 und 5 erstrecken sich konkret von einem Außenumfang 6 der Nabe 2 bis zu einem Innenumfang 7 eines Rings 8 aus einem elastisch biegbaren aber dehnfesten Bandmaterial 9. Der Außenumfang 10 des Bandmaterials 9 bildet die Lauffläche 3 zusammen mit auf dem Ring 8 angeordneten und quer zu dem Außenumfang 10 verlaufenden Mitnehmern 11. An Befestigungspunkten 17 und 20 der Mitnehmer 11 an dem Ring 8 sind auch die Speichen 4 und 5 an dem Ring 8 befestigt. Bezogen auf eine Drehachse 12 der Nabe 2 und des ganzen Rads 1 liegen die Speichen 4 in einer vorderen und einer hinteren Ebene und die Speichen 5 in einer dazwischen liegenden mittleren Ebene, und zwischen diesen drei Ebenen stehen umlaufende Stege 13 der Nabe 2 vor, an denen sich die Speichen 4 und 5 bei Belastung in Richtung der Drehachse 12 abstützen und an denen sich auch der Innenumfang 7 des Rings 8 abstützen kann, wenn die radiale Abstützung der Lauffläche 3 durch die Speichen 4 und 5 die in dieser Richtung auftretenden Kräfte nicht mehr aufnehmen kann. Diese Abstützung der Lauffläche 3 über die Speichen 4 und 5 an der Nabe 2 ist keine starre Abstützung sondern eine elastische Abstützung, d. h. die Lauffläche 3 ist aus ihrer zylindermantelförmigen Grundform so verformbar, dass sich eine von der Steifigkeit der Abstützung abhängige Kontaktfläche mit der jeweiligen Oberfläche ergibt, auf der das Rad 1 aufsteht. Konkret ist die Kontakt- oder Aufstandfläche des Rads 1 umso größer, je geringer die Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche 3 an der Nabe 2. Eine vergrößerte Kontaktfläche verteilt die über das Rad 1 abgestützte Gewichtskraft über eine größere Oberfläche des jeweiligen Bodens. Dies führt bei weichen Böden zu einem geringeren Einsinken des Rads 1 in den Boden und damit zu einer verbesserten Traktion und einem geringeren Energieverbrauch beim Fahren über den Boden. Bei einem harten Boden kann hingegen eine weniger weiche Abstützung der Lauffläche 3 an der Nabe 2 insbesondere beim schnelleren Fahren von Vorteil sein. Um überhaupt eine Verformbarkeit der Lauffläche 3 zu realisieren, verlaufen die sich hier an der Nabe 2 abstützende Speichen 4 und 5 nicht gradlinig und radial zu der Drehachse 12, sondern die Speichen 4 und 5 sind gewölbt und in in Umfangsrichtung unterschiedlichen Bereichen an den Innenumfang 7 und den Außenumfang 6 angebunden. Dabei sind jeweils in einer normal zu der Drehachse 12 verlaufenden Ebene angeordneten Speichen 4 bzw. 5 Teil einer geschlossenen Schlaufe 14 bzw. 15, die wellenförmig zwischen dem Außenumfang 6 der Nabe 2 und dem Innenumfang 7 des Rings 8 verläuft. Dabei sind hier jeweils drei Wellen ausgebildet, wobei jede Speiche 4 bzw. 5 einer Halbwelle entspricht. Zwischen den Wellen der äußeren Schlaufen 14 und den Wellen der inneren Schlaufe 15 liegt überdies ein Versatz in Umfangsrichtung von einer halben Wellenlänge vor, so dass die Lauffläche 3 über ihren Umfang an insgesamt sechs in Umfangsrichtung äquidistanten Bereichen durch die Speichen 4 und 5 abgestützt ist. Zur Veränderung der Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche 3 an der Nabe 2 können deren Abstützpunkte 16 an dem Außenumfang 6 radial zu der Drehachse 12 nach außen verschoben werden, was durch Pfeile 18 angedeutet ist. Bei Verlagerung der Anbindungspunkte 16 bis in die Positionen 16' ergibt sich der in 1 mit gestrichelter Linie dargestellte Verlauf 4' der Speichen 4. Der Verlauf 4' weist eine geänderte Wölbung der Speichen 4 auf und ist mit einer höheren Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche 3 an der Nabe 2 verbunden. Derselbe Effekt wird auch erreicht, wenn Abstützpunkte 17 der Speichen 4 an dem Innenumfang 7 des Rings 8 radial zu der Drehachse 12 nach innen verschoben werden, was in 2 durch einen Pfeil 19 angedeutet ist. Gleichzeitig mit den Abstützpunkten 16 bzw. 17 der Schlaufen 14 und der daraus ausgebildeten Speichen 4 können auch die entsprechenden Abstützpunkte 20 der Schlaufe 15 und der daraus ausgebildeten Speichen 5 verschoben werden, um die Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche 3 über ihren gesamten Umfang und ihre gesamte Breite gleichmäßig zu verändern.
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3 zeigt grundsätzlich denselben Aufbau des Rads 1 wie die 1 und 2, außer dass hier eine andere Einrichtung zum Variieren der Steifigkeit der Abstützung der Lauffläche 3 an der Nabe 2 durch Variieren der Wölbung der Speichen 4 und 5 angedeutet ist. Konkret handelt es sich um Zugseife 21, die mittig an Spannseilen 22 angreifen und an einer gemeinsamen Trommel 23 befestigt sind. Die Spannseile 22 sind jeweils an einem Paar von Speichen 4, die über einen gemeinsamen Anbindungspunkt 17 an dem Innenumfang 7 des Rings 8 befestigt sind, im Bereich zwischen diesem Befestigungspunkt 17 und den angrenzenden Befestigungspunkten 16 am Außenumfang 6 der Nabe 2 festgelegt. Von der Mitte der Spannseile 22 führen die Zugseile 21 über Umlenkrollen 24 auf die gemeinsame Trommel 23, die gegenüber dem Rad 1 um die Drehachse 12 verdrehbar ist, um die Zugseile 21 in Richtung eines Pfeils 25 einzuziehen und aufzuwickeln. Hierdurch wirken über die Spannseile 22 Kräfte in Richtung von Pfeilen 26 auf die Speichen 4 ein, die die Wölbung der Speichen 4 verändern und damit auch die Abstützung der Lauffläche 3 an der Nabe 2. Es versteht sich, dass das in 3 nur für die vorderen Speichen 4 gezeigte Prinzip auch genauso auf die weiteren Speichen 4 und 5 anwendbar ist, wobei für alle Zugseile, die zu allen an allen Speichen 4 und 5 befestigten Spannseilen 22 verlaufen, eine gemeinsame Trommel 29 vorgesehen sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rad
- 2
- Nabe
- 3
- Lauffläche
- 4
- Speiche
- 5
- Speiche
- 6
- Außenumfang
- 7
- Innenumfang
- 8
- Ring
- 9
- Bandmaterial
- 10
- Außenumfang
- 11
- Mitnehmer
- 12
- Drehachse
- 13
- Steg
- 14
- Schlaufe
- 15
- Schlaufe
- 16
- Befestigungspunkt
- 17
- Befestigungspunkt
- 18
- Pfeil
- 19
- Pfeil
- 20
- Befestigungspunkt
- 21
- Zugseil
- 22
- Spannseil
- 23
- Trommel
- 24
- Umlenkrolle
- 25
- Pfeil
- 26
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Patel, N., et al.: The ExoMars rover locomotion subsystem. in Journal of Terramechanics 47 (0101) 227–242 [0004]
