专利名称：一种适用于高精度大承载的全方位轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以实现平面内任意方向移动的全方位轮。
技术背景
目前，国内外研究的全方位轮机构种类很多，其中以麦克纳姆轮及其衍生车轮是比较成功和技术较为成熟的一种，也可以叫全向轮、万向轮。这种全方位轮通常由主动轮和被动辊子组成，前者主动运动的同时后者能被动转动。
麦克纳姆轮的辊子轮廓曲线设计为空间等速螺旋线，而等速螺旋线属于空间曲线，设计过程中需要将曲线近似为平面曲线，且该曲线无法参数化，只能以一系列点坐标表示，因此在机械加工或其他成形工艺中，采用若干段圆弧近似。这些环节难免会引入误差， 造成辊子轮廓投影曲线与理论圆出现微小偏差，车轮滚动过程中尤其是快速滚动过程中， 会产生周期性微小波动。
美国国家发明专利US 6，394，203 Bl公开了一种用于万向移动叉车的全方位轮， 该全方位轮有一个刚性内置轮毂，轮毂圆周上支撑着6个辊子，辊子可绕自身轴线自由转动，辊子与车轮轴线成近似45°夹角，辊子与轮毂采用中心支撑、两端悬臂结构；辊子以垂直于轴线的平面对称剖分成两半，每半个辊子通过2个角接触轴承串在辊子轴上，轴承利用螺接在辊子轴上的螺母进行消隙；这种结构造成两半辊子中间有较大间隙，对应辊子与地面的接触线不连续，车轮滚动过程中会产生周期性震动；辊子通过辊子轴与轮毂进行轴孔配合连接，为减小两半辊子间的过渡间隙，辊子轴与轮毂的轴孔配合面要求比较短，对这种中心支撑两端悬臂的结构来说，其强度和刚度相对较弱；车轮滚动过程中，辊子轴与消隙螺母间产生很大轴向力，二者间配合螺纹的等效直径小(螺纹牙细)，对螺纹连接强度提出很高要求；另外，辊子本身及辊子与轮毂安装一致性不好、结构相对复杂，拆装维修难度大。发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种辊子两端支撑、轮廓曲线不断续、辊子与轮毂可精确定位和快速拆装的全方位轮结构。
本发明的技术解决方案是一种适用于高精度大承载的全方位轮，包括轮毂、轴套、辊子、中心紧固件、圆周紧固件；轮毂的中心设有轴套，辊子通过圆周紧固件固定安装在轮毂上，所有辊子的外轮廓在轮毂的轴线方向上投影形成一个整圆；辊子可以沿其自身的轴线自由转动，辊子的外轮廓面作为全方位轮滚动时与地面的接触面；所述的辊子包括辊芯、辊套、辊子轴、轴承、辊子定位端盖、辊子消隙端盖、防松件；辊子轴为辊子的对称轴，辊芯和辊套均为纺锤形，所述的纺锤形从平面椭圆曲线上截取，辊子轴沿着辊芯的轴线穿过， 辊套粘接在辊芯的外侧，轴承位于所述纺锤形的端部对辊子轴进行支撑定位，所述纺锤形的左侧端部的轴承外侧固定安装辊子定位端盖，所述纺锤形的右侧端部的轴承外侧固定安装辊子消隙端盖，防松件位于辊子定位端盖和辊芯，及辊子消隙端盖和辊芯之间；辊子轴的轴肩与轮毂的卡槽端面凸台定位。
所述的辊子数量为6 9个，辊子与车轮轴线成30° -60°夹角，辊子与轮毂两端支撑，辊子外轮廓线连续不间断。
所述的辊芯内含有起减重作用的空腔，辊芯两端设有安装轴承和辊子定位端盖的轴承孔和内螺纹孔。
所述的辊套的材料为聚氨酯或橡胶。
本发明与现有技术相比的优点在于
(1)本发明全方位轮采用辊子两端支撑方式，辊子轴直接固定到轮毂上，简化了中间传力环节；辊子轮廓曲线即辊子与地面的接触线连续、不间断，车轮滚动过程中不会产生振动。辊子两端支撑方式相对于中心支撑两端悬臂方式，结构强度和刚性更好、承载能力更高。辊芯采用等强度腔体设计，重量轻、结构刚性好；辊子轴相对于辊子组件安装便捷、定位精度高、辊子装配一致性好；轴承采用面对面安装方式，轴承内圈利用辊子轴肩定位，外圈利用端盖压紧定位，端盖通过外螺纹与辊芯进行固定，对应的等效螺纹直径大(螺纹牙粗)，因此承受同样的轴向载荷情况下，该结构强度更高；
(2)辊子与轮毂具有非常高的定位精度，全方位轮滚动过程中辊子过渡平稳、不产生轴向或圆周方向的窜动，能够严格保证辊子轮廓投影为一个整圆。并且每个辊子均可独立更换，拆装容易、维修性好；
(3)本发明的辊子轮廓曲线采用椭圆曲线，椭圆曲线属于平面曲线，给定椭圆弧的起点、终点及长短轴尺寸，可直接数控加工，并严格保证辊子轮廓投影在一个圆上，该过程采用参数化设计，没有曲线近似问题，可大大降低运动过程中全方位轮在高度方向的跳动， 保证运动过程平稳性和精度。
图1为本发明的全方位轮结构图2为本发明的全方位轮辊子轮廓曲线投影图3为本发明的全方位轮7个辊子组合轮廓图4为本发明的辊子结构图及辊子与轮毂安装关系图5为本发明的辊子端面定位、轴向消隙结构图6为本发明的全方位轮的轮毂与轴套的定位组装图7为本发明的辊子安装方式图。
具体实施方式
如图1所示，本发明全方位轮主要包括轮毂1、轴套2、辊子3、中心紧固件4、圆周紧固件5。轮毂1的中心设有轴套2，二者通过中心紧固件4连接，辊子3通过圆周紧固件5 固定安装在轮毂1上，所有辊子3的外轮廓在轮毂1的轴线方向上投影形成一个整圆。辊子3的数量根据轮毂1的直径、车轮宽度、辊子3的直径，以及辊子3与车轮轴线的空间夹角确定，本发明实施例中辊子3的数量为7个，辊子3的轴线与轮毂1的轴线成α = 45° 的夹角。辊子3作为一个组件安装到轮毂1上，辊子3可以沿其自身的轴线自由转动，辊子 3的外轮廓面作为全方位轮滚动时与地面的接触面。当车轮滚动过程中，与地面接触的辊子绕辊子自身轴线转动。
如图2所示，曲线a位于辊子轴平面内，曲线c位于车轮轴向投影面，两平面夹角为α，曲线a为辊子3的轮廓曲线包络线，曲线b为曲线a在α夹角平面内的投影，此处以虚线表示，曲线c为辊子3在车轮轴向投影面形成的包络圆，理论上曲线b、c完全重合。如前所述，曲线a为椭圆曲线，椭圆的短半轴η与曲线c的半径r相同，根据半径r和夹角α，可计算得到椭圆长半轴m，辊子的轮廓曲线上任意点坐标以(x，y)表示，满足以下方程 r 2 2
W η2( 1m = n/. , n = r 、 /sina ‘
如图3所示，全方位轮圆周布置7个辊子3，此处隐藏其他结构件，将辊子排布在车轮有效空间内，确保相邻辊子3与地面接触时，轮廓曲线c过渡平稳、不间断，各辊子间留有细小间隙可自由转动。根据全方位轮的轮毂直径、轮宽、辊子的数量、辊子与车轮轴线空间夹角、辊子的直径，进行辊子参数设计。另外，为了确保全方位轮运动平稳，减小辊子过渡瞬间的作用力，延长辊子使用寿命，需保证辊子的连续运动比率系数ε >1，即与地面接触的全部辊子的接触线总长与车轮圆周长的比率> 1，换言之，对应相邻辊子在车轮轴线上的投影的重合角度β > 0。
如图4、图7所示，全方位轮辊子3与轮毂1的相对安装关系，辊子3作为一个独立的组件装配完成后，利用辊子轴34与轮毂的U形卡槽进行圆周方向定位，利用辊子轴轴肩与轮毂卡槽端面凸台进行轴向定位。轮毂卡槽端面上设计有连接孔，圆周紧固件5穿过该孔将辊子轴与轮毂1固定。
如图4、图5所示，辊子3包括辊芯33、辊套32、辊子轴34、轴承31、辊子定位端盖 35、辊子消隙端盖37、防松件36。辊子轴34为辊子3的对称轴，辊芯33和辊套32均为纺锤形，辊子轴；34沿着辊芯33的轴线穿过，辊套32粘接在辊芯33的外侧，轴承31位于所述纺锤形的端部对辊子轴34进行支撑定位，轴承采用面对面安装，两端基本对称。纺锤形的左侧端部的轴承31外侧固定安装辊子定位端盖35，纺锤形的右侧端部的轴承31外侧固定安装辊子消隙端盖37，防松件36位于辊子消隙端盖37和辊芯33之间。如图fe所示，辊子定位端盖35拧紧后端面贴合到辊芯33上，对轴承31的外圈进行限位，内圈利用辊子轴34 的轴肩定位。如图恥所示，拧紧另一端的辊子消隙端盖37后，利用辊子消隙端盖37与辊芯33间的缝隙进行轴承消隙处理，之后利用防松件36 (紧定螺钉)顶紧防松，紧定螺钉不得突出辊子消隙端盖37，影响辊子3相对于轮毂1的转动。
辊套32采用聚氨酯或橡胶等非金属弹性耐磨材料，辊套32与辊芯33粘接在一体。辊芯33内部设有减轻腔，两端设计有轴承孔和螺纹孔，分别用于安装轴承31和辊子定位端盖35、辊子消隙端盖37。
辊子轴34设计成阶梯轴，利用辊子轴34与轮毂1的轴孔过渡配合进行辊子3的圆周方向定位，辊子轴34末端的轴肩与轮毂1凸台进行轴向定位，利用圆周紧固件5将二者进行固定，这样辊子组件中的其他部分绕辊子轴34自由转动。
如图6、图7所示，全方位辊子3与轮毂1的相对安装关系，首先两片独立轮毂1 与轴套2利用象限定位销6进行圆周方向定位，并利用中心紧固件4组合成一体。之后按图示垂直箭头方向，将辊子3安装到轮毂1的U形卡槽内，调整辊子3可自由转动，不得发生窜动。逐个安装辊子3，组合后的全方位轮如图1所示。采用该连接方式，辊子3与轮毂1之间没有其他转接机构，简化了中间传力环节，辊子结构刚性好、承载能力高，并且可单独拆换单个辊子，拆装容易、维修性好。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种适用于高精度大承载的全方位轮，其特征在于包括轮毂(1)、轴套O)、辊子 (3)、中心紧固件G)、圆周紧固件(5)；轮毂⑴的中心设有轴套O)，辊子(3)通过圆周紧固件(5)固定安装在轮毂(1)上，所有辊子(3)的外轮廓在轮毂(1)的轴线方向上投影形成一个整圆；辊子C3)可以沿其自身的轴线自由转动，辊子C3)的外轮廓面作为全方位轮滚动时与地面的接触面；所述的辊子C3)包括辊芯(33)、辊套(32)、辊子轴(34)、轴承(31)、 辊子定位端盖(35)、辊子消隙端盖(37)、防松件(36)；辊子轴(34)为辊子(3)的对称轴， 辊芯(33)和辊套(32)均为纺锤形，所述的纺锤形从平面椭圆曲线上截取，辊子轴(34)沿着辊芯(33)的轴线穿过，辊套(32)粘接在辊芯(33)的外侧，轴承(31)位于所述纺锤形的端部对辊子轴(34)进行支撑定位，所述纺锤形的左侧端部的轴承(31)外侧固定安装辊子定位端盖(35)，所述纺锤形的右侧端部的轴承(31)外侧固定安装辊子消隙端盖(37)，防松件(36)位于辊子定位端盖(35)和辊芯(33)，及辊子消隙端盖(37)和辊芯(33)之间；辊子轴(34)的轴肩与轮毂(1)的卡槽端面凸台定位。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高精度大承载的全方位轮，其特征在于所述的辊子(3)的数量为6 9个，辊子与车轮轴线成30° -60°夹角，辊子与轮毂两端支撑，辊子外轮廓线连续不间断。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于高精度大承载的全方位轮，其特征在于所述的辊芯(33)内含有起减重作用的空腔，辊芯(33)两端设有安装轴承(31)和辊子定位端盖(3 的轴承孔和内螺纹孔。
4.根据权利要求1或2所述的一种适用于高精度大承载的全方位轮，其特征在于所述的辊套(3 的材料为聚氨酯或橡胶。
全文摘要
一种适用于高精度大承载的全方位轮，主要包括轮毂、轴套、辊子、紧固件等，辊子外轮廓在轮毂轴线方向上的投影形成一个整圆。辊子主要包括辊芯、辊套、辊子轴、轴承、辊子定位端盖、辊子消隙端盖、辊子防松件等部分。辊子作为一个组件安装到轮毂上，可绕辊子轴自由转动，便于辊子与轮毂的精密定位和快速拆装。辊子轮廓线设计为椭圆曲线，可严格保证辊子轮廓投影在一个圆上，并且椭圆曲线可直接数控加工，降低运动过程中全方位轮高度方向的跳动，保证运动过程的平稳性和精度。另外辊子与轮毂有轴向和圆周方向定位，定位环节采用一体化结构，没有额外的安装误差，辊子之间过渡平稳，辊子与轮毂连接环节少，全方位轮的可靠性高。
文档编号B60B19/12GK102501726SQ20111041820
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者于龙岐, 刘净瑜, 宗文波, 李广荣, 杨辉, 王海峰, 盛君, 范洪涛, 药星宇, 莫桂冬, 董礼港, 邹丹, 韩建超, 马燕生 申请人:北京卫星制造厂