一種仿鴕鳥足底三維曲面的仿生越沙車輪鼓形輪面的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿鴕鳥足底三維曲面的仿生越沙車輪鼓形輪面，是由若干個(gè)仿生輪面單體在基圓圓周上陣列分布構(gòu)成，仿生輪面單體是由橢球面、凹槽面和緩曲面構(gòu)成；以半橢圓弧線為輪廓線，分別以第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線為掃掠導(dǎo)線掃掠得到輪面的橢球面、凹槽面、緩曲面和兩個(gè)過(guò)渡面；所述的橢球面、凹槽面和緩曲面是仿鴕鳥足第Ⅲ趾足底曲面。本發(fā)明解決了車輛在沙漠中難以正常行駛的難題，提高了松散沙土路面上行駛車輪或輪胎的通過(guò)性和牽引性能，適用于沙漠、戈壁、月球和火星等松軟介質(zhì)環(huán)境運(yùn)行。與相同尺寸光滑鼓形輪面結(jié)構(gòu)的車輪相比，本發(fā)明的掛鉤牽引力提高了2.8%-5.7%，牽引效率提高了3.2%-6.5%，輪面下沙土相對(duì)流動(dòng)速度降低了8.9%-11.6%。
【專利說(shuō)明】一種仿鴕鳥足底三維曲面的仿生越沙車輪鼓形輪面
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工程仿生【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種仿鴕鳥足底三維曲面的仿生越沙車輪鼓形輪面。
【背景技術(shù)】
[0002]在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的當(dāng)今社會(huì)，生產(chǎn)力的高低是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要指標(biāo)，而一個(gè)國(guó)家的石油、煤炭、金屬等礦產(chǎn)資源開采量直接關(guān)系到一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力的發(fā)展。我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊的大國(guó)，礦產(chǎn)資源蘊(yùn)藏豐富，但是有相當(dāng)一部分資源都儲(chǔ)藏在沙漠、戈壁等道路條件極差的地區(qū)。2006年6月公布的沙漠普查數(shù)據(jù)顯示:我國(guó)沙漠化土地已達(dá)173萬(wàn)平方公里，占國(guó)土總面積的18%，其中沙漠戈壁約116萬(wàn)平方公里。這些沙漠戈壁區(qū)域，能源礦藏儲(chǔ)存豐富，從目前能源勘查情況來(lái)看，我國(guó)塔里木盆地、吐魯番哈密盆地和準(zhǔn)噶爾盆地等區(qū)域的油氣儲(chǔ)藏量占據(jù)我國(guó)油氣資源總量70%。就以素有中國(guó)能源“聚寶盆”美譽(yù)之稱的塔里木盆地中的塔克拉瑪干沙漠地下儲(chǔ)藏量為例，已探明地下石油蘊(yùn)藏量就達(dá)500億噸，相當(dāng)于全球石油蘊(yùn)藏量的1/3，天然氣儲(chǔ)量也高達(dá)8萬(wàn)億立方米，相當(dāng)于美國(guó)的2倍，車輛是開采礦藏的必備工具，車輛難以順利前行也是制約這些礦藏資源難以開采的重要原因之一。這些地區(qū)地表松散，大部分是由松散的沙土組成，普通車輛的車輪(輪胎)都是按照硬路面上行駛標(biāo)準(zhǔn)和力學(xué)性能設(shè)計(jì)的，因此安裝常規(guī)車輪的車輛行駛在沙漠地帶時(shí)，很容易出現(xiàn)打滑、沉陷等問(wèn)題，致使車輛無(wú)法順利前行。此外，目前已經(jīng)探明火星、月球上蘊(yùn)藏有豐富的礦藏資源，世界各國(guó)已經(jīng)開始了以搶占資源為目的的太空爭(zhēng)奪賽。而月球和火星的地貌同樣都是以沙漠為主。美國(guó)于2003年6月10日發(fā)射的“勇氣號(hào)”火星車就是因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)相對(duì)較軟的沙丘時(shí)，鼓形輪面車輪通過(guò)性能降低陷入軟土無(wú)法脫身，勇氣號(hào)因此失去行走能力，被迫中止任務(wù)。近年來(lái)，雖有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沙地車輪做了相關(guān)研究，但還是未能從根本上解決沙地車輪通過(guò)性問(wèn)題。車輪能否在沙地順利行駛與車輪的輪面特征有著直接關(guān)系，普通輪面的固沙限流效果差，沙土在輪下流動(dòng)性大，對(duì)車輪的摩擦力小，從而車輪的牽引力小，因此通常會(huì)出現(xiàn)打滑、沉陷等現(xiàn)象。因此研制出一種高通過(guò)性越沙輪面結(jié)構(gòu)對(duì)于改善和提高松散沙土工作環(huán)境中車輪的沙地越野通過(guò)性具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0003]非洲鴕鳥原產(chǎn)自非洲與阿拉伯地區(qū)，生活在遼闊的沙漠地區(qū)和大草原之上，是世界上最大最重的鳥。根據(jù)鳥類屬性，鴕鳥屬于平胸類，即胸骨扁平不具龍骨突起而鎖骨退化。鴕鳥具有翅膀，但是不能飛翔，主要用于運(yùn)動(dòng)平衡作用，所以其主要運(yùn)動(dòng)能力靠強(qiáng)壯發(fā)達(dá)的腿腳實(shí)現(xiàn)。鴕鳥在沙地環(huán)境中奔跑能力十分驚人，主要體現(xiàn)在穩(wěn)健、持久和高速。經(jīng)過(guò)測(cè)量，鴕鳥每步跨距達(dá)4-7m，持續(xù)奔跑速度約50-60km/h，沖刺速度可超過(guò)70km/h，而且可以堅(jiān)持半個(gè)小時(shí)以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它鳥類，也是陸上兩足類動(dòng)物中奔跑能力最強(qiáng)的動(dòng)物。鴕鳥優(yōu)秀的奔跑能力與越沙能力與其身體結(jié)構(gòu)、器官、羽毛、脖頸、翅膀以及腿等多方面密切相關(guān)，是多部位共同合作的結(jié)果。但是，鴕鳥腿足直接與沙地接觸，在其越沙過(guò)程起關(guān)健作用，值得深入研究。由于自然進(jìn)化優(yōu)化，鴕鳥足僅剩下兩個(gè)足趾，分別為第III趾(內(nèi)趾)和第IV趾(外趾)，第III趾粗壯較為發(fā)達(dá)，朝向正前方，趾末端具有發(fā)達(dá)而堅(jiān)硬的趾甲。第IV趾較小，長(zhǎng)度僅為第三趾的1/2，足趾甲已經(jīng)退化。鴕鳥在奔跑過(guò)程中，只有第III趾著地，第四趾只起到保持身體平衡的作用。無(wú)論是行走還是奔跑過(guò)程，鴕鳥足第III趾足底曲面始終與沙土直接接觸，因此鴕鳥足底III趾足底曲面是影響鴕鳥在沙漠中快速穩(wěn)健奔跑的重要因素之一，特別是足底中間凹槽部分固沙限流防滑移作用顯著。把第III趾曲面形貌特征應(yīng)用到越沙車輪上將會(huì)對(duì)車輪在沙漠中的通過(guò)性有明顯改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決車輛在沙漠中難以正常行駛的難題，而提供一種仿鴕鳥足底三維曲面的仿生越沙車輪鼓形輪面，本發(fā)明提高了松散沙土路面上行駛車輪(輪胎)的通過(guò)性和牽引性能，可應(yīng)用在能源開采車輛、軍用車輛、沙漠行駛車輛、沙漠機(jī)器人，甚至是深空探測(cè)車等在松軟路面作業(yè)的行走機(jī)械上。
[0005]本發(fā)明以常年生活在沙漠中善于高速奔跑的鴕鳥足主要觸沙部位的第III趾底曲面形貌為仿生原型，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)鴕鳥足第III趾底存在三個(gè)典型曲面，通過(guò)數(shù)學(xué)建模方法得到三個(gè)典型曲面的形狀特征，并根據(jù)工程仿生學(xué)原理，基于越沙輪面與沙土的作用關(guān)系，把三個(gè)曲面形狀應(yīng)用到越沙車輪鼓形輪面設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)出一種高通過(guò)性的仿生越沙車輪鼓形輪面結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明是由若干個(gè)仿生輪面單體在基圓圓周上陣列分布構(gòu)成，仿生輪面單體是由橢球面、凹槽面和緩曲面構(gòu)成；以半橢圓弧線為輪廓線，分別以第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線為掃掠導(dǎo)線掃掠得到輪面的橢球面、凹槽面、緩曲面和兩個(gè)過(guò)渡面；
[0007]所述第一導(dǎo)線由四段互相相切的圓弧組成，半徑分別為R1=SOmm,R2=38.675mm, R3=50mm, R7=275mm,圓心分別為 O1 (0,0, 250), O2 (O, 80.268，287.687)，O3 (O, 100.41, 201.337), O (O, O, O)；角 θ 1=64.849。，θ 2=77.999。，θ 3=39.663。，Θ 7=20.161°，其中半徑為R1的圓弧一端點(diǎn)在半橢圓弧的頂端，半徑為R2的圓弧分別與兩邊圓弧及半徑為R6的圓相切，半徑為R3的圓弧與半徑為R7的圓相切；
[0008]所述的第二導(dǎo)線是由兩條圓弧組成，第二導(dǎo)線作為橢球面另外一側(cè)與車輪緩曲面的過(guò)渡導(dǎo)線，第二導(dǎo)線的圓心分別為O1 (O, O, 250)，O4 (0,-74.906，316.25)，第二導(dǎo)線的半徑分別為札=50臟，R4=50mm ;角 θ 4=35.184。，θ 5=48.509。。
[0009]所述橢球面、凹槽面和緩曲面的仿生方法:
[0010]首先通過(guò)三維掃描儀掃描獲得鴕鳥足第III趾足底幾何模型，把鴕鳥足第III趾足底進(jìn)行分區(qū)處理，即前掌緩曲面、中間凹槽面和足跟凸冠面，并分別獲取三個(gè)曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到CATIA數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行點(diǎn)云過(guò)濾保留能體現(xiàn)曲面特征的特征點(diǎn)，并以txt文本形式導(dǎo)出特征點(diǎn)云的三維坐標(biāo)。
[0011]把前掌緩沖曲面和中間凹槽曲面的特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到Matlab軟件中進(jìn)行曲面擬合，得到兩曲面擬合后的曲面圖形，中間凹槽區(qū)曲面是一個(gè)中間低兩邊高的凹槽，前掌緩沖區(qū)擬合曲面中間部位趨于平緩，兩邊略低于中間部位。把足跟凸冠面特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SAS軟件的非線性回歸模塊中以橢圓模型進(jìn)行曲面擬合，得到擬合后的圖形，其中足跟凸冠曲面類似一個(gè)橢球面。根據(jù)三個(gè)圖形的形狀特征，把三個(gè)曲面圓滑的連接起來(lái)，得到仿生輪面的單體結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明的有益效果:[0013]本發(fā)明解決了車輛在沙漠中難以正常行駛的難題，提高了松散沙土路面上行駛車輪或輪胎的通過(guò)性和牽引性能，適用于沙漠、戈壁、月球和火星等松軟介質(zhì)環(huán)境運(yùn)行。與相同尺寸光滑鼓形輪面結(jié)構(gòu)的車輪相比，本發(fā)明的掛鉤牽引力提高了 2.8%-5.7%，牽引效率提高了 3.2%-6.5%，輪面下沙土相對(duì)流動(dòng)速度降低了 8.9%-11.6%，體現(xiàn)了仿生越沙車輪鼓形輪面優(yōu)越的沙地通過(guò)性和固沙限流效果。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明的立體示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的主視圖。
[0016]圖3是本發(fā)明的仿生輪面單體立體示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明的半橢圓弧線示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明的第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明是由若干個(gè)仿生輪面單體I在基圓2圓周上陣列分布構(gòu)成，仿生輪面單體I是由橢球面11、凹槽面12和緩曲面13構(gòu)成；以半橢圓弧線3為輪廓線，分別以第一導(dǎo)線4和第二導(dǎo)線5為掃掠導(dǎo)線掃掠得到輪面的橢球面11、凹槽面12、緩曲面13和兩個(gè)過(guò)渡面；
[0020]如圖5所示，所述的第一導(dǎo)線4是由四段互相相切的圓弧組成，半徑分別為 R1=SOmm, R2=38.675mm, R3=50mm, R7=275mm,圓心分別為 O1 (0,0,250), O2(0，80.268，287.687)，03 (0，100.41，201.337)，0 (0，0，O);角 θ 1=64.849°，θ 2=77.999。，Θ 3=39.663°，Θ =20.161°，其中半徑為R1的圓弧一端點(diǎn)在半橢圓弧的頂端，半徑為R2的圓弧分別與兩邊圓弧及半徑為R6的圓相切，半徑為R3的圓弧與半徑為R7的圓相切；所述的第一導(dǎo)線4在圖2中以粗實(shí)線表示、在圖5中以實(shí)線表示。
[0021]如圖5所示，所述的第二導(dǎo)線5是由兩條圓弧組成，第二導(dǎo)線5作為橢球面另外一側(cè)與車輪緩沖面的過(guò)渡導(dǎo)線，第二導(dǎo)線5的圓心分別為O1 (0,0, 250), O4(O, -74.906, 316.25)，第 二導(dǎo)線 5 的半徑分別為 R1=SOmm, R4=50mm ;角 θ 4=35.184。，θ 5=48.509°。所述的第二導(dǎo)線5在圖2中以中實(shí)線表示、在圖5中以虛線表示。
【權(quán)利要求】
1.一種仿鴕鳥足底三維曲面的仿生越沙車輪鼓形輪面，其特征在于:由若干個(gè)仿生輪面單體(I)在基圓(2)圓周上陣列分布構(gòu)成，所述仿生輪面單體(I)是由橢球面(11)、凹槽面(12)和緩曲面(13)構(gòu)成；以半橢圓弧線(3)為輪廓線，分別以第一導(dǎo)線(4)和第二導(dǎo)線(5)為掃掠導(dǎo)線掃掠得到輪面的橢球面(11)、凹槽面(12)、緩曲面(13)和兩個(gè)過(guò)渡面；所述第一導(dǎo)線(4)由四段互相相切的圓弧組成，半徑分別為R1=SOmm,R2=38.675mm, R3=50mm, R7=275mm,圓心分別為 O1 (0,0, 250), O2 (O, 80.268，287.687)，O3 (O, 100.41, 201.337), O (O, O, O)；角 θ 1=64.849。，θ 2=77.999。，θ 3=39.663。，Θ 7=20.161°，其中半徑為R1的圓弧一端點(diǎn)在半橢圓弧的頂端，半徑為R2的圓弧分別與兩邊圓弧及半徑為R6的圓相切，半徑為R3的圓弧與半徑為R7的圓相切； 所述的第二導(dǎo)線(5)是由兩條圓弧組成，第二導(dǎo)線(5)作為橢球面另外一側(cè)與車輪緩曲面的過(guò)渡導(dǎo)線，第二導(dǎo)線(5)的圓心分別為O1 (0,0, 250), O4 (0,-74.906,316.25)，第二導(dǎo)線(5)的半徑分別為 R1=SOmm, R4=50mm ;角 θ 4=35.184。，θ 5=48.509。。
【文檔編號(hào)】B60B15/00GK103879227SQ201410153571
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】張銳, 楊明明, 劉海寶, 曾桂銀, 羅剛, 薛書亮, 李建橋 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)