SE528852C2 - Hjularrangemang och fordon innefattande sådant hjularrangemang - Google Patents

Description

25 30 528 852 roterbart kring en första axel x inriktad i linje med en hjulaxel 10, vilken bildar en vinkel d med en väsent- ligen vertikal axel z som är större än 0 grader men mindre än 90 grader, vanligtvis 45-60 grader. Hjulet kan svänga kring denna väsentligen vertikala axel z, som är inriktad i linje med den vertikala drivaxeln 20 utan att själva chassit rör sig. Denna förmåga leder till olika rörelsemönster hos chassit i ett antal riktningar på en yta och möjliggör förflyttning av chassit från och till trånga platser.

Drivhjularrangemanget drivs av elektriska motorer (ej visade) med tillhörande mekanik och elektronik, varvid en första motor åstadkommer vridningen av hjulet kring den vertikala axeln 20 och en andra motor roterar själva den vertikala axeln. Detta innebär att varje drivhjul- arrangemang kan kontrolleras, dvs. styras separat.

Lägena för hjulet kring den vertikala axeln och rota- tionsläget för själva den vertikala axeln övervakas med en respektive givare 13, 23. Motorerna, givare etc. är anslutna till en central enhet (ej visad) som består av en mikroprocessor och tillhörande elektronik.

Hjulaxeln 10 är försedd med ett första kugghjul 14 som är försett med ett antal m kuggar. Den vertikala axeln 20 är försedd med ett andra kugghjul 24 med ett antal n kuggar. Kvoten m:n bestämmer utväxlingen mellan hjulaxeln 10 och den vertikala drivaxeln 20.

I ovannämnda publikation antas det att hjulet har en definierad kontaktarea med den underliggande ytan i form av en rullpunkt P, varvid denna rullpunkt P har försumbar bredd. Då hjulet rullar kring vertikalaxeln z 10 15 20 25 528 852 bildar dess kontaktarea med underlaget en virtuell cirkel på underlaget med en radie R, se figur 2 och 3, varvid radien R bestäms av den vinkel d som hjulaxeln bildar med vertikalaxeln z, hjuldiametern D och utformningen av hjulets slitbana. Cirkelns totala längd blir sålunda 2nR.

Det inses att hjulets omkrets är lika med nD.

Ett särdrag hos det hjularrangemang som visas i W095/54190 är att det kan roteras kring vertikalaxeln väsentligen utan någon friktion mellan underlaget och hjulet även då den vertikala drivaxeln är fixerad. Med korrekt utväxling mellan hjulaxeln 10 och vertikalaxeln 20 kan hjulet vrida sig utan någon sidoförflyttning eller rotation hos den vertikala drivaxeln 20. Detta särdrag kommer att förklaras nedan, även med hänvisning till figurerna 2 och 3.

Om man antar att den vertikala drivaxeln 20 är fixerad mot rotation måste följande villkor uppfyllas för att uppnå rullande av hjulet kring vertikalaxeln z med ett minimum av krafter: xD m:n = 2nR, varvid m:n är ovannämnda utväxlingsförhållande.

Dessa kända beräkningar har dock visat sig felaktiga i verkliga tillämpningar vilket leder till försämrad prestanda hos fordon som utnyttjar ovan beskrivna hjularrangemang, såsom sidoförflyttning av den vertikala drivaxeln 20 då hjulet vrids. 10 15 20 25 528 852 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma ett hjularrangemang av den inledningsvis omnämnda typen, vid vilket nackdelen med känd teknik undvikes eller åtminstone minskas. Mer specifikt är ett ändamål att åstadkomma ett hjularrangemang vid vilket krafterna mellan hjulet och den underliggande ytan minimeras då hjulet rullar kring den vertikala drivaxeln.

Uppfinningen baseras på insikten att det material som utgör slitbanan på hjulet deformeras av trycket ovanifrån. Detta påverkar i sin tur den virtuella cirkel som skapas av kontaktarean mellan det rullande hjulet och ytan, vilket kräver justering av utväxlingsförhållandet mellan hjulaxeln och den vertikala drivaxeln.

Enligt uppfinningen åstadkommas ett hjularrangemang såsom definieras i bifogade patentkravet 1.

Sålunda åstadkommes ett hjularrangemang vid vilket vridningen av hjulet kan utföras med ett minimum av kraft och med förbättrad kontroll.

I en föredragen utföringsform innefattar hjularrangemanget ett andra hjul för att kunna ta upp stora laster.

Ytterligare föredragna utföringsformer definieras av de underordnade patentkraven. 10 15 20 528 852 KQEIEêïIAQ_EE§KBlYElE§_ê¥_BlIElE§êBHê Uppfinningen kommer nu att beskrivas såsom exempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Figur l visar en planvy av ett rektangulärt chassi med ett hjul i varje hörn; Figur 2 är en översiktsvy av ett känt hjularrangemang; Figur 3 visar en virtuell cirkel som följs av hjulet vid hjularrangemanget i figur 1; Figur 4 är en detaljerad vy av ett hjularrangemang enligt uppfinningen som visar kontaktarean mellan slitbanan och den underliggande ytan; Figur 5 visar en virtuell cirkel som följs av hjulet vid hjularrangemanget i figur 4; Figur 6 visar en förstorad vy av hjulavtrycket som visas i figur 5; Figur 7 är en perspektivvy av en andra utföringsform av ett hjularrangemang enligt uppfinningen; Figur 8 är en delvis uppskuren vy av hjularrangemanget i figur 7; Figur 9 är en sprängvy av hjularrangemanget i figur 7; Figur 10 är en snittvy av hjularrangemanget i figur 7; och Figur ll visar en virtuell cirkel som följs av hjulet vid hjularrangemanget som visas i figurerna 7-10. 10 15 20 25 528 852 DETALJERAD BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTFöRINGsFoRrmR I det följande komer en detaljerad beskrivning om en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning att ges.

Figurerna l-3 har beskrivits i bakgrundsdelen och kommer ej att behandlas ytterligare.

I figur 4 visas en detaljerad vy av ett hjularrangemang enligt uppfinningen. Detta hjularrangemang är identiskt med det kända hjularrangemanget i figur l med undan- taget, att utväxlingsförhållandet mellan hjulaxeln och drivaxeln har modifierats såsom kommer att förklaras i det följande.

I figur 4 ser man, att den tidigare beskrivna rullpunkten P i praktiken har en horisontell utsträckning i en riktning tvärs rullriktningen, markerat Sl i figurerna. Denna utsträckning visas även i figur 5, varvid ett "fotavtryck" W av hjulet, dvs. kontaktarean mellan slithjulets ll slitbana eller anliggningsyta mot marken och den underliggande ytan visas i en planvy. Detta fotavtryck skapas till följd av det faktum, att hjulet är försett med en eftergivlig slitbana tillverkad av till exempel att gummimaterial, såsom polyuretan. Gummimaterialet betecknas lla i figurerna.

Slitbanans eftergivlighet påverkar inte bara rullpunkten; den modifierar också hjulets effektiva diameter D.

Beräkningen av den resulterande deformationen av hjulet till följd av slitbanans eftergivlighet kommer ej att 10 15 20 25 528 852 behandlas i detalj i denna text. Deformationen beror dock på följande faktorer, bland andra: Lasten på hjularrangemanget, dvs. hur tungt fordonet är, elasticitetsmodulen för slitbanans material, hjulets diameter och bredd, slitbanans tjocklek och geometri etc.

Såsom ses i figur 5 påverkas inte bara rullpunktens horisontella utsträckning. Fotavtrycket har också en utsträckning S2 i hjulets rullriktning.

En detaljerad vy av hjulfotavtrycket i figur 5 visas i figur 6. Fotavtrycket är uppdelat i två delar betecknade Wl och W2, varvid Wl är fotavtrycksdelen innanför den virtuella cirkeln C och W2 är fotavtrycksdelen utanför den virtuella cirkeln. Följande teorier och beräkningar används för att härleda den rullradie R som ger optimala krafter.

Det antas att slitbanan direkt ovanför den virtuella cirkeln C rör sig väsentligen utan någon inbördes horisontell rörelse mellan hjulets slitbana och den underliggande ytan, att slitbanan hos den inre delen Wl av hjulet rör sig något framåt i förhållande till den underliggande ytan under det att slitbanan hos den yttre delen W2 av hjulet släpar efter något i förhållande till den underliggande ytan. Detta skapar vertikala krafter betecknade Fl respektive F2.

För att optimera ovannämnda utväxlingsförhållande m:n beräknas rullradien R på följande sätt för att erhålla minsta möjliga vridmoment runt den vertikala axeln. R beräknar för det villkor att den integrerade produkten 10 15 20 25 30 528 852 av avståndet från den vertikala axeln Z och fotavtrycksarean för den inre delen W1 är lika med den integrerade produkten av avståndet från den vertikala axeln Z och fotavtrycksarean för den yttre delen W2.

Denna beräkning kan göras på två sätt. På ett första sätt beräknas genom försök, dvs. genom att man tilldelar radien R ett värde i en iterativ process och beräknar de integrerade resultaten tills det integrerade resultatet för W1 blir lika med eller nästan lika med W1. Pâ ett andra sätt beräknas R genom att man sätter upp en differential ekvation.

Om man så önskar kan man ta hänsyn till en varierande friktionskoefficient mellan slitbanan och den under- liggande ytan till följd av hjulets geometriska utformning då man beräknar radien R. Med andra ord räknas areor med högre friktion mer då man integrerar över hjulfotavtrycket.

En andra utföringsform av ett hjularrangemang enligt uppfinningen kommer nu att beskrivas under hänvisning till figurerna 7~l1. Detta hjularrangemang fungerar i enlighet med samma principer som ovan beskrivna hjul.

Icke desto mindre förekommer nâgra skillnader mellan den tidigare beskrivna utföringsformen och den andra som visas i figurerna 7-ll. Den andra utföringsformen innefattar två hjul 111 och 112 vilka är anordnade på en gemensam hjulaxel 110 som bildar en vinkel på 90 grader med en vertikal drivaxel 120. Hjulen har en gummidel llla respektive 112a. Av de två hjulen drivs endast det första lll av hjulaxeln. Det andra hjulet roterar fritt kring hjulaxeln och fungerar endast för att hjularrangemanget ska ta upp högre laster. Hjulen lll, 10 15 20 25 528 852 112 är anordnade på den gemensamma hjulaxeln 110 på samma avstånd från den vertikala axeln Z koaxiell med den vertikala drivaxeln 120 för att man skall erhålla en jämn lastfördelning mellan de två hjulen.

Den virtuella cirkeln för detta hjularrangemang beräknas på samma sätt som för den första utföringsformen. Dock har formen hos det fotavtryck som lämnas av dessa hjul en något annorlunda form och är relativt sett bredare i en riktning tvärs rullriktningen. Detta faktum ändrar inte de grundläggande beräkningarna.

I följande kommer ett exempel på beräkningarna för ett hjularrangemang enligt den andra utföringsformen att ges. Följande värden antas: D - hjuldiametern inklusive ett eftergivligt polyuretanmaterial som bildar slitbanan: 450 mm d - hjuldiametern exklusive det eftergivliga polyuretanmaterialet som bildar slitbanan: 400 mm S1 - bredden för varje hjul: 200 mm W - Lasten på hjularrangemanget: 11718 kg E - elasticitetsmodulen för polyuretan: 52,9 Med ovannämnda värden kan längden för hjulets fotavtryck, betecknad S2, beräknas till 56,2 mm.

Justeringen av hjulets diameter D beräknas till 3,52 mm, resulterande i en effektiv hjuldiameter D' på 446,5 mm.

Denna effektiva hjuldiameter ger en effektiv hjulomkrets på nD'= 1403 m. 10 15 528 852 10 Då de ovan angivna värdena används för beräkning av den effektiva virtuella radien erhålles en virtuell radie R på 181,5 mm. Sålunda blir omkretsen för den virtuella cirkeln 2nR = 1145 mm. Dessa beräkningar resulterar i ett önskat utväxlingsförhållande på 1403/1145 = 1.23 Ett möjligt sätt att uppnå detta utväxlingsförhållande med allmänt tillgängliga komponenter är att använda ett kugghjul 114 med 25 tänder för hjulaxeln 110 och ett kugghjul 124 med 19 tänder för den vertikala drivaxeln 120, vilket resulterar i ett effektivt utväxlingsför- hållande på 25/19 = 1,32, vilket ligger relativt nära det önskade värdet på 1,23. Andra valmöjligheter för antalet tänder finns naturligtvis också.

Föredragna utföringsformer av ett hjularrangemang enligt uppfinningen har beskrivits. Fackmannen inom teknik- området inser att dessa skulle kunna varieras inom ramen för bifogade patentkrav.

Claims (9)

10 15 20 25 528 852 ll PATENTKRAV

1. l. Hjularrangemang innefattande: - en väsentligen vertikal drivaxel (20; 120), - ett väsentligen cirkulärt hjul (ll; lll) som är fast anordnat på en hjulaxel (l0; ll0) och uppvisar en slitbana (ll; llla), vilken hjulaxel är roterbar kring den vertikala drivaxeln, - en växel (14, 24, 114, 124) som förbinder hjulaxeln och drivaxeln, k ä n11e:t.e c k n a-t a v att det väsentligen cirkulära hjulet har en kontakt- punkt med den underliggande ytan som bildar en virtuell cirkel (C) då hjulaxeln roterar kring drivaxeln, varvid den virtuella cirkeln har en radie (R) från den vertikala drivaxeln och - att växeln har ett utväxlingsförhållande som baseras på en modifierad radie för den virtuella cirkeln som tar hänsyn till faktorer som påverkar hjulets form, som bildar en kontaktarea mellan slitbanan och den under- liggande ytan, varvid radien (R) är så bestämd, att den integrerade produkten av avståndet från den vertikala drivaxeln och kontaktarean (Wl) innanför radien (R) är lika med den integrerade produkten av avståndet från den vertikala drivaxeln och kontaktarean (W2) utanför radien (R).

2. Hjularrangemang enligt patentkravet l, vid vilket de faktorer som påverkar hjulets form innefattar: lasten på 10 15 20 25 528 852 12 hjularrangemanget, elasticitetsmodulen för slitbanans material, hjulets diameter och bredd och slitbanans tjocklek och geometri.

3. Hjularrangemang enligt patentkravet 1, vid vilket utväxlingsförhållandet tar hänsyn till en varierande friktionskoefficient mellan slitbanan och den under- liggande ytan till följd av hjulets geometriska konfiguration.

4. Hjularrangemang enligt något av patentkraven 1-3, vid vilket den väsentligen vertikala drivaxeln och hjulaxeln bildar en vinkel på mellan 0 och 90 grader.

5. Hjularrangemang enligt något av patentkraven 1-4, vid vilket den väsentligen vertikala drivaxeln (120) och hjulaxeln (110) bildar en vinkel på 90 grader och - vid vilket hjularrangemanget innefattar ett andra hjul (112) monterat på hjulaxeln, varvid det andra hjulet har en slitbana (1l2a) och roterar fritt kring hjulaxeln.

6. Hjularrangemang enligt patentkravet 5, vid vilket hjulet (111) och det andra hjulet (112) är anordnade på samma avstånd från den väsentligen vertikala drivaxeln (120).

7. Hjularrangemang enligt något av patentkraven 1-6, vid vilket slitbanans material är eftergivligt.

8. Hjularrangemang enligt patentkravet 7, vid vilket slitbanan innefattar ett gummimaterial, såsom polyuretan.

9. Fordon innefattande ett hjularrangemang enligt patentkravet 1.