JP6468552B2 - 車輪 - Google Patents

Description

本発明は車輪に関する。

月や火星などの天体の表面は、岩石や礫が存在する不整地である。なかでも月表面は、レゴリスとよばれる砂が厚く堆積する軟弱地盤となっている。車両が軟弱地盤上を走行すると、車輪の回転により地盤が破壊される。地盤の破壊が進むと、車輪が地盤に沈み、スタックが発生するおそれがある。

軟弱地盤の破壊を抑制し、車両の走行性能を維持するための技術として、非特許文献１には、金属材料の弾性特性を利用した弾性車輪が開示されている。

飯塚浩二郎、外２名、「弾性特性を考慮した軟弱地盤走行のための月面探査車輪型ロボットの車輪形状検討」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、２００８年１２月２５日、第７４巻、第７４８号、ｐ．２９６２−２９６７

非特許文献１の弾性車輪は、高斜度の軟弱地盤に対して、優れた走行性能を示す。しかし、該弾性車輪は金属バネを使用しているため、外部からの衝撃が加わった際に、金属バネにより振動が発生し、車両の姿勢が不安定になるという問題がある。さらに、外部からの衝撃により金属バネが塑性変形し、車両が走行不能になるという問題もある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、軟弱地盤を走行する車両に用いられても良好な高い走行性能を示し、外部からの衝撃に対して優れた衝撃吸収性を示す車輪を提供することを目的とする。

（１）本発明は車両の車軸に取り付けられる車輪であって、前記車軸が挿入される円筒部材を有するハブと、前記ハブに対して、前記車輪の径方向外側に設けられた接地部材と、前記ハブと前記接地部材との間に設けられた弾性部材および衝撃吸収部材とを備える、車輪である。

（２）本発明の車輪において好ましくは、前記弾性部材は、円筒形状の金属バネを含み、前記金属バネは、前記ハブに固定される。

（３）本発明の車輪において好ましくは、前記衝撃吸収部材は粒子を含む。
（４）本発明の車輪において好ましくは、前記衝撃吸収部材は、前記粒子を内部に封入する粒子保持体をさらに備える。

（５）本発明の車輪において好ましくは、前記接地部材は二次元繊維を含む。
（６）本発明の車輪において好ましくは、前記車輪は、前記ハブと前記接地部材との間に、前記車輪の周方向に沿って設けられた境界部材を含み、前記境界部材の前記車輪の径方向内側に前記弾性部材が設けられ、前記境界部材の前記車輪の径方向外側に前記衝撃吸収部材が設けられる。

本発明によれば、軟弱地盤を走行する車両に用いられても良好な走行性能を示し、外部からの衝撃に対して優れた衝撃吸収性を示す車輪を提供することができる。

実施の形態１における車輪の内部構造を示す概略斜視図である。 図１に示す車輪の製造工程の一工程を示す図である。 図１に示す車輪の製造工程の一工程を示す図である。 図１に示す車輪の製造工程の一工程を示す図である。 図１に示す車輪の製造工程の一工程を示す図である。 実施の形態１の車輪の変形例を示す概略斜視図である。 実施の形態１の車輪の変形例を示す概略斜視図である。 実施の形態１の車輪の変形例を示す概略斜視図である。 ハブと弾性部材との位置関係の一例を示す図である。 粒子の外形の一例を示す図である。 粒子の外形の一例を示す図である。 粒子の外形の一例を示す図である。 粒子の外形の一例を示す図である。 ハブと弾性部材との位置関係の一例を示す図である。 実施の形態２における車輪の内部構造を示す概略図である。 実施例で用いた走行試験機の模式図である。 衝撃吸収試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
実施の形態１における車輪の構成について、図１〜図１４を用いて説明する。

実施の形態１における車輪は、たとえば、軟弱地盤を走行する車両に好適に用いることのできる車輪である。

図１に示されるように、本実施の形態の車輪１０は、車体の車軸が挿入される円筒部材からなるハブ１と、前記ハブ１に対して、前記車輪１０の径方向外側に設けられた接地部材２と、前記ハブ１と前記接地部材２との間に設けられた弾性部材５および衝撃吸収部材６とを備える。

ハブ１および接地部材２とは、共通する軸Ｏを中心として、共通軸Ｏの周囲に点対称に設けられている。共通軸Ｏは車軸と平行であり、以下、この共通軸Ｏに沿う方向を車輪幅方向といい、共通軸Ｏに直交する方向を車輪径方向といい、共通軸Ｏの周りを周回する方向を車輪周方向という。

弾性部材５はハブ１の外側面に固定されている。ハブ１の外側面、弾性部材５の外側面および接地部材２の内側面によって囲まれた空間には、衝撃吸収部材６が充填されている。

車輪１０の直径は、１０ｍｍ以上５０００ｍｍ以下が好ましい。車輪の直径が１０ｍｍ未満であると、車輪の作製が困難である。一方、車輪の直径が５０００ｍｍを超えると、車輪重量の増加及び車輪変形による接地面積の増加により、車輪と地盤との摩擦力が増大し、車輪を駆動するための回転動力が膨大となる。

車輪の幅は１０ｍｍ以上３０００ｍｍ以下が好ましい。車輪の幅が１０ｍｍ未満であると、車輪の作製が困難である。一方、車輪の幅が３０００ｍｍを超えると、車輪重量の増加及び車輪変形による接地面積の増加により、車輪と地盤との摩擦力が増大し、車輪を駆動するための回転動力が膨大となる。

車輪の重量は、０．１ｇ以上３００００ｇ以下が好ましい。車輪の重量が０．１ｇ未満であると、車輪という部品を構成できなくなる。一方、車輪の重量が３００００ｇを超えると、車輪重量の増加及び車輪変形による接地面積の増加により、車輪と地盤との摩擦力が増大し、車輪を駆動するための回転動力が膨大となる。

次に本実施の形態における車輪を構成する各部材について、車輪の製造工程を示しながら説明する。

図２〜図５は、それぞれ本発明の一実施の形態における車輪の製造方法の一工程を示す図である。

図２に示されるように、ハブ１を準備する。ハブ１は円筒形であり、内部に車両の車軸の先端部が挿入される。ハブ１は、たとえばアルミニウム合金等の金属材料で形成されている。ハブ１の大きさは、通常の車両に用いることができれば特に限定されない。

ハブ１の外側面には、ハブ１に弾性部材５を固定するための固定部材を挿入するための円形の溝１ａが６箇所に形成されている。溝１ａの数、位置および大きさは、ハブ１に弾性部材５を固定することができれば特に限定されない。

次に、図３に示されるように、ハブ１の車輪径方向外側に、ハブ１の外側面を覆うハブカバー４、接地部材２および側面部材３を含む、開口部を有するドーナツ型の袋状の部材（以下、外形部材とも記す）を配置する。外形部材は車輪の外形を構成する。外形部材は、たとえば、二次元繊維、ゴム板、フィルム材、メッシュ材、布帛、これらの複合構成でできた繊維などを用いることができる。中でも、二次元繊維は変形しやすく、地面に対して柔軟に変形できるため好ましい。また、二次元繊維は、車輪にねじ、釘または金属片などが刺さった場合に、亀裂が伝播しにくいため好ましい。二次元繊維としては、ウレタンコーティング生地などの高強度繊維が好ましい。

次に、図４に示されるように、ハブ１に弾性部材５を固定する。弾性部材５には、ハブ１の溝１ａに対応する溝５ａが形成されている。ハブ１の溝１ａと弾性部材５の溝５ａとを重ね、両方の溝を通過するようにボルトからなる固定部材を挿入して、ハブ１に弾性部材５を固定する。

弾性部材５は、外部からの応力によって変形し、その応力を取り除いた後に元の形状に戻ることのできる材料であれば特に限定されない。たとえば、金属バネ、複合材料でできた弾性板、形状記憶合金、磁石などを用いることができる。中でも、円筒形状の金属バネは、高斜度の軟弱地盤に対して、良好な走行性能を示す車輪を得ることができるため、好ましい。

図４では、３つの弾性部材５がハブ１の外側面上に等間隔に配置されている。弾性部材５の数は、車輪が十分な弾性を有することができれば、特に限定されない。たとえば、図６に示されるように、６つの弾性部材５を配置することができる。

図４では、ハブ１の車輪幅方向長さと弾性部材５の車輪幅方向長さとが略同一であり、ハブ１の軸方向と弾性部材５の軸方向が略平行である。ハブ１に対する弾性部材５の配置場所は、車輪が十分な弾性を有することができれば、特に限定されない。たとえば、図９に示されるように、ハブ１の車輪幅方向長さよりも短い車輪幅方向の長さを有する複数の弾性部材５（図９では弾性部材５の車輪幅方向の長さは、ハブ１の車輪幅方向の長さの１／３程度）を準備する。該弾性部材５を、側面部材から見た場合に、各弾性部材５の少なくとも一部が重なるように、車輪周方向にずらした位置で、ハブ１に固定することもできる。また、図１４に示されるように、弧状の金属バネからなる弾性部材２５を、ハブ１の車輪軸方向の両端部に設けられたフランジ７間に架け渡して配置することもできる。

次に、図１に示されるように、ハブ１の外側面、弾性部材５の外側面および接地部材２の内側面によって囲まれた空間に、衝撃吸収部材６を配置する。衝撃吸収部材６の配置場所は、ハブ１と接地部材２との間の空間であれば、特に限定されない。たとえば、衝撃吸収部材６は、弾性部材２の内側面によって囲まれた空間にも配置することができる。

衝撃吸収部材６は、外部からの応力を散逸して衝撃を抑え、車輪に柔軟性を付与することのできる材料であれば、特に限定されない。たとえば、ビーズ状の粒子、ジェル、液体、ガスなどを用いることができる。中でも、ビーズ状の粒子は、剛体物の集合でありながら、柔軟に変形することができ、取扱いも容易であるため好ましい。

衝撃吸収部材を構成する粒子の各々の形状は、特に限定されない。たとえば、粒子の形状は、図１０に示されるような球形状、図１１に示されるような楕円体形状、図１２に示されるような多面体形状、図１３に示されるような複雑立体形状とすることができる。

粒子の大きさは、集合体として変形することができれば、特に限定されない。たとえば、各粒子の円相当径（粒子の投影面積と同じ面積の円の直径）は、０．０１ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とすることが、あらゆる径を持つ車輪(超小型車両から大型特殊車輪用)に対応できるという観点から好ましい。

粒子の材質は、集合体として変形することができれば、特に限定されない。たとえば、外部の応力によってほとんど変形しない固体や結晶体などの剛体や、外部の応力によって変形する弾性体のいずれも用いることができる。

粒子の重量は、集合体として変形することができれば、特に限定されない。たとえば、各粒子の重量は、１ｍｇ以上１０００ｇ以下とすることが、あらゆる径を持つ車輪(超小型車両から大型特殊車輪用)に対応できるという観点から好ましい。

図１に示されるように、粒子は、ハブ１と接地部材２との間の空間に、粒子のまま直接配置されてもよい。また、図７に示されるように、粒子は、変形可能な粒子保持体１５に封入されてから、ハブ１と接地部材２との間の空間に配置されてもよい。また、図８に示されるように、粒子は、粒子のまま直接配置されるものと、変形可能な粒子保持体１５に封入されて配置されるものの両方を同時に用いてもよい。なお、変形可能な粒子保持体としては、たとえば、二次元繊維、ゴム板、フィルム材、メッシュ材、布帛、これらの複合構成でできた繊維など縫い合わせた袋を用いることができる。

衝撃吸収部材６として、ジェル、液体、ガスを用いる場合は、これらの材料は変形可能な不透過性の密閉容器に封入して用いることが好ましい。なお、変形可能な不透過性の密閉容器としては、たとえば、ゴム材、フィルム材などを縫い合わせた袋を用いることができる。

次に、図５に示されるように、袋状の外形部材の開口部を閉じるように、側面部材３を配置して、外形部材と側面部材３とを縫い合わせた。以上の工程により、実施の形態１の車輪を得ることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２における車輪の構成について、図１５を用いて説明する。図１５は、実施の形態２における車輪の内部構造を示す概略図である。

図１５に示されるように、本実施の形態の車輪４０は、車体の車軸が挿入される円筒部材からなるハブ１と、前記ハブ１に対して、前記車輪の径方向外側に設けられた接地部材２と、前記ハブ１と前記接地部材２との間に、前記車輪の周方向に沿って設けられた境界部材８を含む。前記境界部材８の前記車輪の径方向内側に弾性部材５が設けられ、前記境界部材８の前記車輪の径方向外側に衝撃吸収部材６が設けられる。

弾性部材５はハブ１の外側面に固定されている。境界部材８は、弾性部材５の外側面に固定されている。境界部材８の外側面および接地部材２の内側面によって囲まれた空間には、衝撃吸収部材６が充填されている。車輪４０の側面には側面部材（図示せず）が配置されている。

ハブ１、接地部材２、ハブカバー４、弾性部材５、衝撃吸収部材６は、実施の形態１と同様の構成のものを用いることができる。

境界部材８は、弾性部材５の配置される領域と、衝撃吸収部材６の配置される領域とを区分することができる材料であれば、特に限定されない。境界部材８としては、たとえば、二次元繊維、ゴム板、フィルム材、メッシュ材、布帛、これらの複合構成でできた繊維、金属板を用いることができる。

本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。

［車輪の作製］
（実施例１）
実施例１では、図１に示す内部構造を有する車輪を作製した。

まず、図２に示されるように、ハブ１として、アルミニウム合金製の外径８０ｍｍ、内径７０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒部材を準備した。外径部材として、綿のウレタンコーティング生地からなる、開口部を有するドーナツ形状の袋を準備した。外径部材は、車輪径方向の外径が１９９ｍｍ、内径が８１ｍｍ、車輪幅方向の幅が９９ｍｍであった。図３に示されるように、ハブ１の外側面を被覆するように、外径部材を配置した。

次に、弾性部材５として、アルミニウム合金製の外径６０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円筒部材からなる金属バネを３つ準備した。図４に示されるように、ハブ１の外側面に、ハブ１の軸方向と弾性部材５の軸方向とが平行となるように、ハブ１に弾性部材５をボルトで固定した。３つの弾性部材は、ハブ１の周方向に等間隔で配置した。

次に、一辺が約５ｃｍの立方体形状の布製の袋からなる粒子保持体を５００個準備した。袋の中に、ポリプロピレン製のビーズ状の粒子（各粒子の円相当径０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ、各粒子の重量０．５ｇ〜１．５ｇ）を３００ｇ封入し、袋を閉じた。図７に示されるように、ビーズ入りの袋からなる衝撃吸収部材１５を、ハブ１と弾性部材５と接地部材２とに囲まれた空間に配置した。

次に、図５に示されるように、綿のウレタンコーティング生地からなる側面部材３を車輪の側面に配置し、外形部材と縫い合わせて、実施例１の車輪を得た。

（比較例１）
比較例１として、実施例１と同様のハブ１、接地部材２、弾性部材５、側面部材３を有し、衝撃吸収部材を含まない、いわゆる弾性車輪を作製した。

［走行試験］
（走行試験機）
図１６に示す走行試験機１６を用いて、車輪の斜面登坂走行試験を行った。走行試験機１６は、タイヤ重量調整用バランサ１７と、キャリッジ１８、パラレルリンク１９、回転軸２２、地盤２１、水平レール２３から構成される。回転軸２２に車輪１０が取り付けられる。

回転軸２２は、パラレルリンク１９を通じてキャリッジ１８に接続されている。キャリッジ１８は、回転軸２２に取り付けられた車輪１０の移動によって、能動的に水平レール２３上を移動することができる。キャリッジ１８の中央部にはパラレルリンク１９の支点があり、この支点を回転中心として、回転軸２２とタイヤ重量調整用バランサ１７とが対称に配置されている。したがって、タイヤ重量調整用バランサ１７の重量を調整することにより、車輪１０に加わる荷重を調整することができる。また、パラレルリンク１９の回転中心はベアリングとなっているため、車輪１０の上下の運動に対して能動的に回転することができる。

（測定装置）
実施例１および比較例１の車輪を走行試験機１６に装着して走行させた時の車輪の運動を、３次元計測装置（Ｖｉｓｃｏｎ社製のＴ１０）を用いて測定する。３次元計測装置は、カメラから発した光を、測定対象（車輪）に設置した反射マーカに反射させ、反射光を複数台のカメラを用いて撮影し、反射マーカの座標を検出する。本実施例では、車輪の中心に反射マーカを配置し、車輪進行方向をＸ軸、車輪の沈下方向をＹ軸として測定を行う。

（測定条件）
地盤の傾斜度が車輪の移動速度に与える影響を測定した。測定条件は以下の通りとした。

車輪への負荷荷重（パラレルリンク１９および回転軸２２の合計重量）：５０００ｇ
角速度：５．７２deg/sec
傾斜度：０°、５°、１０°、１５°
地盤：軟弱地盤（珪砂）

（測定結果）
測定結果を表１に示す。

走行試験結果より、実施例１の車輪は、傾斜度が大きくなるにしたがって、移動速度が若干低下するものの、傾斜度が０°から１５°の範囲において、良好な走行性能を維持できることが確認された。特に傾斜度が０°の場合は、実施例１の車輪の移動速度は、弾性車輪である比較例１の車輪の移動速度と非常に近く、良好な移動速度であった。

［衝撃吸収試験］
（試験方法）
車輪に５ｋｇの荷重が加わるように設定し、車輪を５００ｍｍの高さから落下させた時の車輪の振動を、三次元計測装置（Ｖｉｓｃｏｎ社製のＴ１０）を用いて測定する。

（測定結果）
測定結果を図１７に示す。

図１７に示されるように、実施例１の車輪は、車輪が地面に接触してから振動が収束するまでに約０．６秒の時間を要した。比較例１の車輪は、車輪が地面に接触してから振動が収束するまでに約２．２秒の時間を要した。したがって、実施例１の車輪は、比較例１の車輪に比べて、衝撃吸収性能が非常に優れていることが確認された。

本発明の車輪は、天体の表面上を走行する車両に用いられると特に有益である。

１ ハブ
２ 接地部材
３ 側面部材
４ ハブカバー
５，２５ 弾性部材
６，２６，３６，４６ 衝撃吸収部材
７ フランジ
８ 境界部材
１０，２０，３０，４０ 車輪
１５ 粒子保持体
１６ 走行試験機
１７ タイヤ重量調整用バランサ
１８ キャリッジ
１９ パラレルリンク
２１ 地盤
２２ 回転軸
２３ 水平レール

Claims (6)

1. 車両の車軸に取り付けられる車輪であって、
   前記車軸が挿入される円筒部材を有するハブと、
   前記ハブに対して、前記車輪の径方向外側に設けられた接地部材と、
   前記ハブと前記接地部材との間に設けられた弾性部材および衝撃吸収部材とを備える、
   車輪。
2. 前記弾性部材は、円筒形状の金属バネを含み、
   前記金属バネは、前記ハブに固定される、
   請求項１に記載の車輪。
3. 前記衝撃吸収部材は粒子を含む、
   請求項１または請求項２に記載の車輪。
4. 前記衝撃吸収部材は、前記粒子を内部に封入する粒子保持体をさらに備える、
   請求項３に記載の車輪。
5. 前記接地部材は二次元繊維を含む、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車輪。
6. 前記車輪は、前記ハブと前記接地部材との間に、前記車輪の周方向に沿って設けられた境界部材を含み、
   前記境界部材の前記車輪の径方向内側に前記弾性部材が設けられ、
   前記境界部材の前記車輪の径方向外側に前記衝撃吸収部材が設けられる、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の車輪。

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