專利名稱：一種適用于高精度大承載的全方位輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向移動的全方位輪。
技術(shù)背景
目前，國內(nèi)外研究的全方位輪機構(gòu)種類很多，其中以麥克納姆輪及其衍生車輪是比較成功和技術(shù)較為成熟的一種，也可以叫全向輪、萬向輪。這種全方位輪通常由主動輪和被動輥子組成，前者主動運動的同時后者能被動轉(zhuǎn)動。
麥克納姆輪的輥子輪廓曲線設(shè)計為空間等速螺旋線，而等速螺旋線屬于空間曲線，設(shè)計過程中需要將曲線近似為平面曲線，且該曲線無法參數(shù)化，只能以一系列點坐標(biāo)表示，因此在機械加工或其他成形工藝中，采用若干段圓弧近似。這些環(huán)節(jié)難免會引入誤差， 造成輥子輪廓投影曲線與理論圓出現(xiàn)微小偏差，車輪滾動過程中尤其是快速滾動過程中， 會產(chǎn)生周期性微小波動。
美國國家發(fā)明專利US 6，394，203 Bl公開了一種用于萬向移動叉車的全方位輪， 該全方位輪有一個剛性內(nèi)置輪轂，輪轂圓周上支撐著6個輥子，輥子可繞自身軸線自由轉(zhuǎn)動，輥子與車輪軸線成近似45°夾角，輥子與輪轂采用中心支撐、兩端懸臂結(jié)構(gòu)；輥子以垂直于軸線的平面對稱剖分成兩半，每半個輥子通過2個角接觸軸承串在輥子軸上，軸承利用螺接在輥子軸上的螺母進(jìn)行消隙；這種結(jié)構(gòu)造成兩半輥子中間有較大間隙，對應(yīng)輥子與地面的接觸線不連續(xù)，車輪滾動過程中會產(chǎn)生周期性震動；輥子通過輥子軸與輪轂進(jìn)行軸孔配合連接，為減小兩半輥子間的過渡間隙，輥子軸與輪轂的軸孔配合面要求比較短，對這種中心支撐兩端懸臂的結(jié)構(gòu)來說，其強度和剛度相對較弱；車輪滾動過程中，輥子軸與消隙螺母間產(chǎn)生很大軸向力，二者間配合螺紋的等效直徑小(螺紋牙細(xì))，對螺紋連接強度提出很高要求；另外，輥子本身及輥子與輪轂安裝一致性不好、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，拆裝維修難度大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種輥子兩端支撐、輪廓曲線不斷續(xù)、輥子與輪轂可精確定位和快速拆裝的全方位輪結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種適用于高精度大承載的全方位輪，包括輪轂、軸套、輥子、中心緊固件、圓周緊固件；輪轂的中心設(shè)有軸套，輥子通過圓周緊固件固定安裝在輪轂上，所有輥子的外輪廓在輪轂的軸線方向上投影形成一個整圓；輥子可以沿其自身的軸線自由轉(zhuǎn)動，輥子的外輪廓面作為全方位輪滾動時與地面的接觸面；所述的輥子包括輥芯、輥套、輥子軸、軸承、輥子定位端蓋、輥子消隙端蓋、防松件；輥子軸為輥子的對稱軸，輥芯和輥套均為紡錘形，所述的紡錘形從平面橢圓曲線上截取，輥子軸沿著輥芯的軸線穿過， 輥套粘接在輥芯的外側(cè)，軸承位于所述紡錘形的端部對輥子軸進(jìn)行支撐定位，所述紡錘形的左側(cè)端部的軸承外側(cè)固定安裝輥子定位端蓋，所述紡錘形的右側(cè)端部的軸承外側(cè)固定安裝輥子消隙端蓋，防松件位于輥子定位端蓋和輥芯，及輥子消隙端蓋和輥芯之間；輥子軸的軸肩與輪轂的卡槽端面凸臺定位。
所述的輥子數(shù)量為6 9個，輥子與車輪軸線成30° -60°夾角，輥子與輪轂兩端支撐，輥子外輪廓線連續(xù)不間斷。
所述的輥芯內(nèi)含有起減重作用的空腔，輥芯兩端設(shè)有安裝軸承和輥子定位端蓋的軸承孔和內(nèi)螺紋孔。
所述的輥套的材料為聚氨酯或橡膠。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于
(1)本發(fā)明全方位輪采用輥子兩端支撐方式，輥子軸直接固定到輪轂上，簡化了中間傳力環(huán)節(jié)；輥子輪廓曲線即輥子與地面的接觸線連續(xù)、不間斷，車輪滾動過程中不會產(chǎn)生振動。輥子兩端支撐方式相對于中心支撐兩端懸臂方式，結(jié)構(gòu)強度和剛性更好、承載能力更高。輥芯采用等強度腔體設(shè)計，重量輕、結(jié)構(gòu)剛性好；輥子軸相對于輥子組件安裝便捷、定位精度高、輥子裝配一致性好；軸承采用面對面安裝方式，軸承內(nèi)圈利用輥子軸肩定位，外圈利用端蓋壓緊定位，端蓋通過外螺紋與輥芯進(jìn)行固定，對應(yīng)的等效螺紋直徑大(螺紋牙粗)，因此承受同樣的軸向載荷情況下，該結(jié)構(gòu)強度更高；
(2)輥子與輪轂具有非常高的定位精度，全方位輪滾動過程中輥子過渡平穩(wěn)、不產(chǎn)生軸向或圓周方向的竄動，能夠嚴(yán)格保證輥子輪廓投影為一個整圓。并且每個輥子均可獨立更換，拆裝容易、維修性好；
(3)本發(fā)明的輥子輪廓曲線采用橢圓曲線，橢圓曲線屬于平面曲線，給定橢圓弧的起點、終點及長短軸尺寸，可直接數(shù)控加工，并嚴(yán)格保證輥子輪廓投影在一個圓上，該過程采用參數(shù)化設(shè)計，沒有曲線近似問題，可大大降低運動過程中全方位輪在高度方向的跳動， 保證運動過程平穩(wěn)性和精度。


圖1為本發(fā)明的全方位輪結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明的全方位輪輥子輪廓曲線投影圖3為本發(fā)明的全方位輪7個輥子組合輪廓圖4為本發(fā)明的輥子結(jié)構(gòu)圖及輥子與輪轂安裝關(guān)系圖5為本發(fā)明的輥子端面定位、軸向消隙結(jié)構(gòu)圖6為本發(fā)明的全方位輪的輪轂與軸套的定位組裝圖7為本發(fā)明的輥子安裝方式圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明全方位輪主要包括輪轂1、軸套2、輥子3、中心緊固件4、圓周緊固件5。輪轂1的中心設(shè)有軸套2，二者通過中心緊固件4連接，輥子3通過圓周緊固件5 固定安裝在輪轂1上，所有輥子3的外輪廓在輪轂1的軸線方向上投影形成一個整圓。輥子3的數(shù)量根據(jù)輪轂1的直徑、車輪寬度、輥子3的直徑，以及輥子3與車輪軸線的空間夾角確定，本發(fā)明實施例中輥子3的數(shù)量為7個，輥子3的軸線與輪轂1的軸線成α = 45° 的夾角。輥子3作為一個組件安裝到輪轂1上，輥子3可以沿其自身的軸線自由轉(zhuǎn)動，輥子 3的外輪廓面作為全方位輪滾動時與地面的接觸面。當(dāng)車輪滾動過程中，與地面接觸的輥子繞輥子自身軸線轉(zhuǎn)動。
如圖2所示，曲線a位于輥子軸平面內(nèi)，曲線c位于車輪軸向投影面，兩平面夾角為α，曲線a為輥子3的輪廓曲線包絡(luò)線，曲線b為曲線a在α夾角平面內(nèi)的投影，此處以虛線表示，曲線c為輥子3在車輪軸向投影面形成的包絡(luò)圓，理論上曲線b、c完全重合。如前所述，曲線a為橢圓曲線，橢圓的短半軸η與曲線c的半徑r相同，根據(jù)半徑r和夾角α，可計算得到橢圓長半軸m，輥子的輪廓曲線上任意點坐標(biāo)以(x，y)表示，滿足以下方程 r 2 2
W η2( 1m = n/. , n = r 、 /sina ‘
如圖3所示，全方位輪圓周布置7個輥子3，此處隱藏其他結(jié)構(gòu)件，將輥子排布在車輪有效空間內(nèi)，確保相鄰輥子3與地面接觸時，輪廓曲線c過渡平穩(wěn)、不間斷，各輥子間留有細(xì)小間隙可自由轉(zhuǎn)動。根據(jù)全方位輪的輪轂直徑、輪寬、輥子的數(shù)量、輥子與車輪軸線空間夾角、輥子的直徑，進(jìn)行輥子參數(shù)設(shè)計。另外，為了確保全方位輪運動平穩(wěn)，減小輥子過渡瞬間的作用力，延長輥子使用壽命，需保證輥子的連續(xù)運動比率系數(shù)ε >1，即與地面接觸的全部輥子的接觸線總長與車輪圓周長的比率> 1，換言之，對應(yīng)相鄰輥子在車輪軸線上的投影的重合角度β > 0。
如圖4、圖7所示，全方位輪輥子3與輪轂1的相對安裝關(guān)系，輥子3作為一個獨立的組件裝配完成后，利用輥子軸34與輪轂的U形卡槽進(jìn)行圓周方向定位，利用輥子軸軸肩與輪轂卡槽端面凸臺進(jìn)行軸向定位。輪轂卡槽端面上設(shè)計有連接孔，圓周緊固件5穿過該孔將輥子軸與輪轂1固定。
如圖4、圖5所示，輥子3包括輥芯33、輥套32、輥子軸34、軸承31、輥子定位端蓋 35、輥子消隙端蓋37、防松件36。輥子軸34為輥子3的對稱軸，輥芯33和輥套32均為紡錘形，輥子軸；34沿著輥芯33的軸線穿過，輥套32粘接在輥芯33的外側(cè)，軸承31位于所述紡錘形的端部對輥子軸34進(jìn)行支撐定位，軸承采用面對面安裝，兩端基本對稱。紡錘形的左側(cè)端部的軸承31外側(cè)固定安裝輥子定位端蓋35，紡錘形的右側(cè)端部的軸承31外側(cè)固定安裝輥子消隙端蓋37，防松件36位于輥子消隙端蓋37和輥芯33之間。如圖fe所示，輥子定位端蓋35擰緊后端面貼合到輥芯33上，對軸承31的外圈進(jìn)行限位，內(nèi)圈利用輥子軸34 的軸肩定位。如圖恥所示，擰緊另一端的輥子消隙端蓋37后，利用輥子消隙端蓋37與輥芯33間的縫隙進(jìn)行軸承消隙處理，之后利用防松件36 (緊定螺釘)頂緊防松，緊定螺釘不得突出輥子消隙端蓋37，影響輥子3相對于輪轂1的轉(zhuǎn)動。
輥套32采用聚氨酯或橡膠等非金屬彈性耐磨材料，輥套32與輥芯33粘接在一體。輥芯33內(nèi)部設(shè)有減輕腔，兩端設(shè)計有軸承孔和螺紋孔，分別用于安裝軸承31和輥子定位端蓋35、輥子消隙端蓋37。
輥子軸34設(shè)計成階梯軸，利用輥子軸34與輪轂1的軸孔過渡配合進(jìn)行輥子3的圓周方向定位，輥子軸34末端的軸肩與輪轂1凸臺進(jìn)行軸向定位，利用圓周緊固件5將二者進(jìn)行固定，這樣輥子組件中的其他部分繞輥子軸34自由轉(zhuǎn)動。
如圖6、圖7所示，全方位輥子3與輪轂1的相對安裝關(guān)系，首先兩片獨立輪轂1 與軸套2利用象限定位銷6進(jìn)行圓周方向定位，并利用中心緊固件4組合成一體。之后按圖示垂直箭頭方向，將輥子3安裝到輪轂1的U形卡槽內(nèi)，調(diào)整輥子3可自由轉(zhuǎn)動，不得發(fā)生竄動。逐個安裝輥子3，組合后的全方位輪如圖1所示。采用該連接方式，輥子3與輪轂1之間沒有其他轉(zhuǎn)接機構(gòu)，簡化了中間傳力環(huán)節(jié)，輥子結(jié)構(gòu)剛性好、承載能力高，并且可單獨拆換單個輥子，拆裝容易、維修性好。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種適用于高精度大承載的全方位輪，其特征在于包括輪轂(1)、軸套O)、輥子 (3)、中心緊固件G)、圓周緊固件(5)；輪轂⑴的中心設(shè)有軸套O)，輥子(3)通過圓周緊固件(5)固定安裝在輪轂(1)上，所有輥子(3)的外輪廓在輪轂(1)的軸線方向上投影形成一個整圓；輥子C3)可以沿其自身的軸線自由轉(zhuǎn)動，輥子C3)的外輪廓面作為全方位輪滾動時與地面的接觸面；所述的輥子C3)包括輥芯(33)、輥套(32)、輥子軸(34)、軸承(31)、 輥子定位端蓋(35)、輥子消隙端蓋(37)、防松件(36)；輥子軸(34)為輥子(3)的對稱軸， 輥芯(33)和輥套(32)均為紡錘形，所述的紡錘形從平面橢圓曲線上截取，輥子軸(34)沿著輥芯(33)的軸線穿過，輥套(32)粘接在輥芯(33)的外側(cè)，軸承(31)位于所述紡錘形的端部對輥子軸(34)進(jìn)行支撐定位，所述紡錘形的左側(cè)端部的軸承(31)外側(cè)固定安裝輥子定位端蓋(35)，所述紡錘形的右側(cè)端部的軸承(31)外側(cè)固定安裝輥子消隙端蓋(37)，防松件(36)位于輥子定位端蓋(35)和輥芯(33)，及輥子消隙端蓋(37)和輥芯(33)之間；輥子軸(34)的軸肩與輪轂(1)的卡槽端面凸臺定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于高精度大承載的全方位輪，其特征在于所述的輥子(3)的數(shù)量為6 9個，輥子與車輪軸線成30° -60°夾角，輥子與輪轂兩端支撐，輥子外輪廓線連續(xù)不間斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于高精度大承載的全方位輪，其特征在于所述的輥芯(33)內(nèi)含有起減重作用的空腔，輥芯(33)兩端設(shè)有安裝軸承(31)和輥子定位端蓋(3 的軸承孔和內(nèi)螺紋孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于高精度大承載的全方位輪，其特征在于所述的輥套(3 的材料為聚氨酯或橡膠。
全文摘要
一種適用于高精度大承載的全方位輪，主要包括輪轂、軸套、輥子、緊固件等，輥子外輪廓在輪轂軸線方向上的投影形成一個整圓。輥子主要包括輥芯、輥套、輥子軸、軸承、輥子定位端蓋、輥子消隙端蓋、輥子防松件等部分。輥子作為一個組件安裝到輪轂上，可繞輥子軸自由轉(zhuǎn)動，便于輥子與輪轂的精密定位和快速拆裝。輥子輪廓線設(shè)計為橢圓曲線，可嚴(yán)格保證輥子輪廓投影在一個圓上，并且橢圓曲線可直接數(shù)控加工，降低運動過程中全方位輪高度方向的跳動，保證運動過程的平穩(wěn)性和精度。另外輥子與輪轂有軸向和圓周方向定位，定位環(huán)節(jié)采用一體化結(jié)構(gòu)，沒有額外的安裝誤差，輥子之間過渡平穩(wěn)，輥子與輪轂連接環(huán)節(jié)少，全方位輪的可靠性高。
文檔編號B60B19/12GK102501726SQ20111041820
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者于龍岐, 劉凈瑜, 宗文波, 李廣榮, 楊輝, 王海峰, 盛君, 范洪濤, 藥星宇, 莫桂冬, 董禮港, 鄒丹, 韓建超, 馬燕生 申請人:北京衛(wèi)星制造廠