一种柔性机械轮

1.本发明属于机械车轮结构技术领域，具体涉及一种柔性机械轮。


背景技术：

2.在目前的车轮系统结构设计当中，为保证机械车辆在不同路况上的行驶安全，多配合使用油气悬架机构来实现车轮减震，然而现有的油气悬架机构存在着结构复杂、整体重量较重等缺陷，因此便在本技术中提出一种能够实现自我减震的柔性机械轮。


技术实现要素：

3.为解决上述背景技术中所提出的问题，本发明提供如下技术方案：
4.一种柔性机械轮，包括轮轴、轮辋以及连接于该轮轴与轮辋之间的柔性缓冲机构，且基于所述柔性缓冲机构使所述轮轴与轮辋能够在径向平面内沿任意方向偏心配合。
5.优选的，所述柔性缓冲机构包括套设固定于轮轴上的轴盘、以及两端分别与轴盘和轮辋转动连接的伸缩缓冲件。
6.优选的，所述伸缩缓冲件在轴盘与轮辋之间均匀设有n个，且3≤n≤5。
7.优选的，所述伸缩缓冲件采用油气弹簧。
8.优选的，所述轴盘内设有蓄能腔以及连通所述蓄能腔与所述油气弹簧的供油管路。
9.优选的，所述轴盘包括主盘以及连接于所述主盘周向侧壁上的凸缘，且所述伸缩缓冲件的端部与凸缘转动连接。
10.优选的，所述蓄能腔设置于主盘内部，所述供油管路由主盘向凸缘径向延伸。
11.优选的，所述轮辋的内表壁上固定有凸台，且所述伸缩缓冲件的端部与凸台转动连接。
12.优选的，所述凸台的中部开设有能够插入所述伸缩缓冲件的插槽，且所述伸缩缓冲件的端部转动嵌入于所述插槽内。
13.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
14.本发明的柔性机械轮，利用柔性缓冲机构的设置使得轮轴与轮辋之间可形成有效的偏心缓冲，从而保证整体车轮本身便可实现自我减震缓冲，相较于传统设有油气悬架机构的车轮系统而言，本发明能够在保持有效减震的同时大幅度降低汽车重量。
附图说明
15.图1为本发明柔性机械轮的结构示意图；
16.图2为图1中的a处放大图；
17.图3为本发明柔性机械轮中轴盘的平面图；
18.图4为本发明柔性机械轮的模拟运动分析图；
19.图5为车轮刚度与伸缩缓冲件数量的关系曲线图；
20.图6为车轮震动幅值与伸缩缓冲件数量的关系曲线图；
21.图中：轮轴-10；轮辋-20；凸台-21；插槽-22；柔性缓冲机构-30；轴盘-31；主盘-311；凸缘-312；伸缩缓冲件-32。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1所示，本发明所提供的柔性机械轮具体包括轮轴10、轮辋20以及连接于该轮轴10与轮辋20之间的柔性缓冲机构30。
24.柔性缓冲机构30具体包括套设固定于轮轴10上的轴盘31以及两端分别与轴盘31和轮辋20转动连接的伸缩缓冲件32。
25.具体为保证伸缩缓冲件32能有效实现伸缩缓冲，优选为油气弹簧，并对油气弹簧进行如下具体受力分析：
26.油气弹簧未伸缩时，油气弹簧内油腔压力与气腔预设的初始压力保持平衡，即p2a2＝p1(a0+a2)+mg；基于此简化得到mg＝-p
10
a0；其中，m为活塞杆、油液等总质量；a0为活塞杆的面积；
27.油气弹簧压缩时，油气弹簧的总输出力为：fy＝p1(a0+a2)-p2a2+mg+fg；
28.由上，得到fy＝(p
2-p1)a2+fg+p1a
0-p
10
a0＝fd+fg+f
t
；
29.油气弹簧伸长时，油气弹簧的总输出力为：ff＝p2a
2-mg+f
g-p1(a0+a2)；
30.由上，得到ff＝(p
2-p1)a2+fg+p
10a0-p1a0＝fd+fg+f
t
；
31.综上可知，油气弹簧无论处于压缩状态还是复原状态，其总输出力表达式均可表示为：f＝fd+fg+f
t
；且fd为阻尼力、fg为惯性力、f
t
为弹性力。
32.具体，其轴盘31包括主盘311以及连接于所述主盘311周向侧壁上的凸缘312，主盘311内设有蓄能腔(优选为环形，如图3中虚线所示)，蓄能腔周围连通有径向延伸至凸缘312内的供油管路，且油气弹簧与凸缘312转动连接，并且还与凸缘312内的供油管路连通。
33.参考图2所示，轮辋20的内表壁上固定有凸台21，凸台21的中部开设有能够插入伸缩缓冲件32(油气弹簧)的插槽22，且所述油气弹簧的端部转动嵌入于插槽22内。
34.综上，轮胎胎体套设在轮辋20外侧，且当轮胎受力时，其力作用于柔性缓冲机构30上，则可使得伸缩缓冲件32(油气弹簧)出现伸/缩缓冲，并驱使轮辋20与轮轴10形成偏心状态。具体，关于柔性缓冲机构30中伸缩缓冲件32(油气弹簧)的设置数量，通过对车轮刚度及车轮震动幅值的计算来进行进行数量优选：
35.假设第一个油气弹簧与x轴正向的夹角为
36.则第i个油气弹簧与x轴正向的夹角为
37.由上可以推广第i个油气弹簧与x轴正向的夹角为：
38.已知轮辋20半径为r，油气弹簧支撑长度为l0，则各油气弹簧的两端点位坐标为：p1＝r
×
[cosθ(i)，sinθ(i)]
′
；p＝(r-l0)
×
[cosθ(i)，sinθ(i)]
′
；
[0039]
当整体柔性机械轮旋转滚动一定角度φ时，各油气弹簧两端点的坐标随之转动，且坐标变化为：p
1t
＝rot(-φ)
×
p1；p
t
＝rot(-φ)
×
p；
[0040]
假设存在垂向位移dy，即每一个点(油气弹簧两端点)都向下平移dy距离，其坐标变化为：p
2t
＝p
t-[0，dy]
′
；
[0041]
计算相关范数：l＝norm(p
1t-p
2t
)；
[0042]
计算单位矩阵：e
l
＝(p
1t-p
2t
)/l；
[0043]
计算形变量为：dx＝l-l0；
[0044]
综上得到总输出力为：fy＝k
×
dx
×el
；
[0045]
在下降位移上面，已知柔性机械轮滚动角度φ，柔性机械轮外圆半径r，油气弹簧支撑长度l，总输出力f以及油气弹簧支撑数量n，由此则可计算得到垂向位移dy，进而得出相关柔性机械轮的等效刚度为：
[0046]
基于上述计算，得到如图5及图6所示的计算结果，由图可知，伸缩缓冲件32可在轴盘31与轮辋20之间均匀设置n个，且3≤n≤5(进一步优选为n＝3)。
[0047]
另外，通过仿真系统对设有3个伸缩缓冲件32(油气弹簧)的柔性机械轮进行模拟试验：
[0048]
为使建模以及分析更为方便，利用正弦位移信号进行输入：s＝asin(2πft)；
[0049]
设置输入信号：周期t＝1，线速度w＝2
×
π/t，时间间隔dt＝t/n(n＝360)，微分间隔ddt＝dt/100，幅值波动范围2a＝0.4m。
[0050]
设置车轮为标准布置，由于其存在激励时间变化，设其滚动角度为φ＝0。
[0051]
由上，得到s＝asin(w
×i×
dt)。
[0052]
且轮轴10速度v为：v＝2πfacos2πft；v＝2π
×a×
dt
×
cos(2π
×i×
dt)；
[0053]
综上，轮轴10垂向位移dy＝s，且参考如图4所示的模拟运动分析图：
[0054]
a)当整体柔性机械轮处于初始位置时，在柔性机械轮上加载一定负载，由于重力原因，中心位置的轮轴10向下移动，伸缩缓冲件32(油气弹簧)相应进行伸缩调制，以使得柔性缓冲机构30满足在y轴上的合力为零，并且设置在x轴上的行程限制，禁止轮轴10在x轴上移动。
[0055]
b)在柔性机械轮滚动过程中，由于伸缩缓冲件32(油气弹簧)的位置不断改变，整车的刚度不断变化，故其轮轴10部分以一定的微小上下曲线振动。
[0056]
c)当柔性机械轮经过减速带(障碍)时，由于惯性力的作用，轮轴10部分会再次向下移动，从而实现进一步的偏心缓冲减震。
[0057]
d)在越过减速带(障碍)后，轮轴10缓慢回复到原有位置，重新具有曲线上下运动特征(偏心缓冲)。
[0058]
随着时间点的不断变化，油气弹簧的位移也成函数变化规律，且各油气弹簧具体长度与轮轴10的垂向位移之间的关系为：dy1＝asin[w
×
(i
×
dt-ddt)]。基于此，还可计算得出各油气弹簧的线速度：v
l
＝(dl-dl1)/ddt。
[0059]
基于上述仿真可知，柔性机械轮滚动过程中，轮轴10上下受激励振动，且当轮轴10
处于轮辋20中心处是，其轮轴10转动速度最快，此时各油气弹簧均匀受力，且其线速度为0。
[0060]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种柔性机械轮，其特征在于：包括轮轴(10)、轮辋(20)以及连接于该轮轴(10)与轮辋(20)之间的柔性缓冲机构(30)，且基于所述柔性缓冲机构(30)使所述轮轴(10)与轮辋(20)能够在径向平面内沿任意方向偏心配合。2.根据权利要求1所述的柔性机械轮，其特征在于：所述柔性缓冲机构(30)包括套设固定于轮轴(10)上的轴盘(31)、以及两端分别与轴盘(31)和轮辋(20)转动连接的伸缩缓冲件(32)。3.根据权利要求2所述的柔性机械轮，其特征在于：所述伸缩缓冲件(32)在轴盘(31)与轮辋(20)之间均匀设有n个，且3≤n≤5。4.根据权利要求2所述的柔性机械轮，其特征在于：所述伸缩缓冲件(32)采用油气弹簧。5.根据权利要求4所述的柔性机械轮，其特征在于：所述轴盘(31)内设有蓄能腔以及连通所述蓄能腔与所述油气弹簧的供油管路。6.根据权利要求5所述的柔性机械轮，其特征在于：所述轴盘(31)包括主盘(311)以及连接于所述主盘(311)周向侧壁上的凸缘(312)，且所述伸缩缓冲件(32)的端部与凸缘(312)转动连接。7.根据权利要求6所述的柔性机械轮，其特征在于：所述蓄能腔设置于主盘(311)内部，所述供油管路由主盘(311)向凸缘(312)径向延伸。8.根据权利要求2所述的柔性机械轮，其特征在于：所述轮辋(20)的内表壁上固定有凸台(21)，且所述伸缩缓冲件(32)的端部与凸台(21)转动连接。9.根据权利要求8所述的柔性机械轮，其特征在于：所述凸台(21)的中部开设有能够插入所述伸缩缓冲件(32)的插槽(22)，且所述伸缩缓冲件(32)的端部转动嵌入于所述插槽(22)内。

技术总结
本发明属于机械车轮结构技术领域，公开了一种柔性机械轮，包括轮轴、轮辋以及连接于该轮轴与轮辋之间的柔性缓冲机构，且基于所述柔性缓冲机构使所述轮轴与轮辋能够在径向平面内沿任意方向偏心配合。综上，本发明的柔性机械轮，利用柔性缓冲机构的设置使得轮轴与轮辋之间可形成有效的偏心缓冲，从而保证整体车轮本身便可实现自我减震缓冲，相较于传统设有油气悬架机构的车轮系统而言，本发明能够在保持有效减震的同时大幅度降低汽车重量。有效减震的同时大幅度降低汽车重量。有效减震的同时大幅度降低汽车重量。


技术研发人员：刘志浩 刘秀钰 马超群 高钦和 邓刚锋 程洪杰 高蕾 马栋
受保护的技术使用者：中国人民解放军火箭军工程大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/31