车轮和用于驱动车轮的方法与流程

本发明涉及一种具有外轮环、轮毂和至少一个支撑装置的车轮，所述外轮环通过所述至少一个支撑装置支撑在所述轮毂上。本发明还涉及一种用于驱动所述类型的车轮转动的方法。

背景技术：

例如，已知内燃机或电动机用于驱动车轮。从内燃机或电动机到车轮的动力传递通过所谓的动力传动系统(例如，具有轴、链条、皮带等的齿轮箱)来实现。在现有技术中也使用液压或气动马达。还已知用人力、风力或下坡力来驱动车轮。

通常通过用于可转动地安装车轮的轮毂的可移动和/或可枢转的安装件来实现悬挂和转向，因此，该安装件不与车辆刚性地连接。

在使用内燃机的情况下，制动通常通过借助于制动盘或制动鼓和摩擦垫将动能转换成热来实现。在使用电动机的情况下，制动部分地通过使功率流逆转以及因此回收电能(恢复)来实现。此外，用于回收能量的其他方法也是已知的，例如通过压缩机或缓速器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种车轮和用于驱动车轮的方法，该车轮和方法使得可以实现替代的驱动作用。

根据本发明的这个目的通过具有权利要求1的特征的车轮和具有权利要求12的特征的用于驱动车轮的方法来实现。在从属权利要求中限定了优选的改进。

根据本发明的车轮，其特征在于，设置有调节装置(调节机构)，通过所述调节装置，特别是在所述车轮的转动过程中可以相对于所述外轮环特别是以连续的方式调节所述轮毂。

根据本发明的用于驱动车轮转动的方法，其特征在于，相对于所述外轮环特别是以连续的方式调节所述轮毂以驱动所述车轮转动。

本发明的基本构思在于，轮毂不是与轮环刚性地连接，而是相对于外轮环在不同方向上可调节。为此，设置有调节机构或调节装置，其使轮毂相对于外轮环特别是沿不同的径向方向主动地移动。外轮环优选为轮辋，其任选地具有轮胎。例如，轮环具有可以由轮辋本身或轮胎形成的外行驶面。调节装置优选为将外轮环支撑在轮毂上的支撑装置的一部分。因此，调节装置优选配置在轮毂和外轮环之间。通过调节装置，使轮毂相对于外轮环主动地偏移和/或使外轮环相对于轮毂主动地移动，特别是通过所述偏移或移动来实现车轮的转动。因此，调节装置设计成在轮毂和轮环之间产生力，通过该力可以实现轮毂和/或轮环(或其一部分)的偏离。作用在轮毂和轮环之间的力可以用于驱动车轮转动。调节装置作用在支撑件上并且也可以形成为支撑件的一部分。

在优选的实施方案中，设置如下：所述调节装置设计成特别是在所述车轮的转动过程中使所述轮毂特别是以连续的方式沿不同方向(特别是沿径向方向)偏离所述车轮的几何中心。通过偏离几何中心，特别是如果偏离相对于作用在车轮上的力倾斜地发生，则产生实现车轮的转动的杠杆力。然后，为了连续地驱动车轮，轮毂可以以连续的方式沿不同的径向方向移动，从而使杠杆力连续起作用。调节装置优选设计成既使轮毂相对于轮环沿不同的径向方向移动，也以连续可变的方式使轮毂沿径向方向调节到不同的长度(距离)。特别地，几何中心优选是关于横向轮轴延伸的车轮的区域的几何中心点或重力的几何中心。在圆形车轮的情况下，该几何中心是圆的中心点。数学上，重力的中心或中心点可以通过对由轮环限定的车轮区域的所有点进行平均来确定。

所述调节装置优选设计成使所述轮毂沿着绕着所述外轮环的几何中心的轨道路径移动。在转动车轮的静止坐标系中，调节装置优选设计成产生轮毂的沿着绕着几何中心的圆形路径的运动。

在另一个优选的实施方案中，所述支撑装置具有在所述轮毂和所述轮环之间延伸的多个支撑件，优选具有至少三个支撑件。所述调节装置优选设计成改变所述支撑件在所述轮毂和所述轮环之间的长度。特别优选的是，如果调节装置本身也使轮环支撑在轮毂上，或至少有助于支撑，那么因此其可以被视为支撑装置的一部分。因此，优选的是，各支撑件都包括调节装置，其中调节装置设计成调节支撑件在轮毂和轮环之间的长度。这里，在各种情况下，支撑件优选可以独立地致动，从而在车轮平面的特定区域内，可以将轮毂设置在车轮平面中的任何希望的位置。因此，通过改变各个支撑件的长度，可以在车轮平面的特定区域内以任何希望的方式(特别是以连续可变的方式)来偏移或调节轮毂。

通过长度以这种方式可调节的支撑件(例如辐条和/或支柱)，可以将轮毂有针对性地和主动地偏离车轮的几何中心，从而与作用在车轮上的力(例如车辆的重力)相互作用而在车轮上产生转矩。例如，所述调节装置可以为伸缩装置的形式。例如，可以设置可伸缩的支柱或辐条，其可以通过实现冲程的气缸来缩回和延伸。然而，基本上，通过改变支撑件的长度而可以使轮毂在车轮平面中移动的任何其他希望的实施方案都是可能的。例如，可以在轮毂和轮环之间配置可变形状的辐板或辐条，其中形状可以主动地改变以使轮毂相对于轮环移动。

例如，所述调节装置可以机电地和/或液压地和/或气动地操作。必要的是，不仅提供了轮毂的纯悬挂或弹性安装，而且可以主动地使轮毂相对于轮环移动(反之亦然)。例如，为此，车轮的辐条可以包括机电、液压和/或气动操作的实现冲程的气缸。机电、液压和/或气动操作的调节装置用于调节支撑件，特别是调节支撑件的长度和/或形状。

在另一个优选的实施方案中，所述支撑装置具有在所述轮毂和所述轮环之间延伸的多个可变形的支撑件，优选具有至少三个可变形的支撑件。可变形的(特别是弹性的)支撑件允许轮毂和轮环之间的相对运动。特别地，为了对轮毂进行主动调节，所述调节装置优选设计成对所述支撑件的形状和/或弹性和/或预负载进行彼此独立的调节。因此，例如，每个独立的支撑件的形状和/或弹性和/或预负载可以独立地改变，从而通过各个支撑件的不同弹性，可以实现轮毂相对于轮环的偏移。为此，例如，情况是这样的：第一支撑件比第二支撑件更强烈地将轮毂朝向轮环的相对侧推动。通过支撑件的形状、弹性和/或预负载的连续变化，可以产生轮毂在轮环内的“迁移运动”。

在优选的实施方案中，在技术意义上，所述轮环为尺寸稳定或刚性的环。因此，不会显著地改变轮环的形状。这里，显然，不排除由于载荷(例如车辆的重力)而引起的小变形。因此，例如，所述轮环可以是如基本上已知的车辆或自行车的轮辋。这里，优选的是，所述调节装置设计成在保持所述轮环的形状的同时调节所述轮毂的位置。因此，轮毂在尺寸稳定的轮环内移动。为此，例如，情况是这样的：以受控的方式对支撑件(辐条、辐板等)进行调节或适配，使得尽管发生轮毂的运动，但是不会由于支撑件的调节而产生轮环的变形。

在另一个优选的实施方案中，设置如下：所述调节装置设计成在所述车轮的转动过程中优选以连续的方式使所述外轮环变形。例如，这可以通过调节机构或调节装置凭借在第一横向方向(第一直径方向，第一半轴)上实现的轮毂和相应的轮周之间的距离比在第二横向方向(第二直径方向，第二半轴)上实现的轮毂和相应的轮周之间的距离更强烈的缩短来主动地实现。以这种方式，例如，可以实现轮环的变形，使得外轮环沿着绕着中心轴线的卵形(特别是椭圆形)轨道路径移动。因此，优选的情况是：轮环发生沿着圆周变化的局部变形。基本上，例如，变形也可以独立于轮毂和轮环之间的支撑件而通过配置在轮辋上的轮胎的变形来发生。为此，可以在轮胎中配置相应的变形元件。

例如，由于轮环(轮辋和/或轮胎)变形，所以可以使行驶面适应于车轮在其上滚动的地表面的形状或轮廓。因此，例如，可以更容易地越过不平坦的地方(例如路缘、台阶等)。为此，可以在待越过的障碍物的区域中(例如在待越过的边缘或台阶的区域中)主动地实现局部凹陷。

根据本发明，特别优选的是设置有控制装置，通过所述控制装置可以控制用于所述调节装置的调节机构以驱动车轮转动。控制装置优选设计成在车轮的平面中以连续的方式调节轮毂和/或连续地改变轮环的轮廓。优选实现轮毂和轮环之间的相对运动，从而使得作用在轮毂上的力(例如车辆的重力)实现车轮的转动。

根据本发明的车轮也可以称为主动车轮或安装有驱动机构的车轮，其中驱动机构是车轮的一部分，其与车轮一起转动。因此，凭借相对于轮环调节轮毂和/或凭借使轮环局部变形来驱动车轮转动。以这种方式，产生实现车轮的转动的杠杆力。因此，对轮毂和轮环进行相对于彼此的调节，使得由于作用在轮毂上的杠杆力而驱动车轮转动。这里，优选的是，使轮毂沿着绕着轮环的几何中心的轨道路径主动地移动。可选择地或另外地，为了进行驱动的目的，可以使轮环连续变形，特别地使得轮环沿着绕着轮毂的卵形轨道路径移动。

因此，用于对轮毂和轮环进行相对于彼此的调节和/或用于使轮环变形的调节装置构成车轮的驱动装置。该驱动通过使轮毂主动偏离车轮的几何中心点和/或使轮环主动变形使得作用在轮毂上的力相对于轮毂和车轮的接地点之间的连接线倾斜地取向来实现。

还可以对本发明进行以下说明：

车轮包括位于外径上的任选地具有轮胎的轮辋或齿环或带轮(外部元件，轮环)。所述轮辋优选是圆形和刚性的，但是也可以是弹性的以及几何形状可变的。车轮的轮毂(内部元件)可转动地安装在轴或轮轴上。轮毂至少间歇地位于车轮的几何中心的外部。可以设置用于将电能、气动能或液压能从优选静止的轴传递到转动的轮毂或转动的车轮中的装置或部件。此外，可以设置用于控制所传递的能量的控制装置。

在轮毂(内部元件)和外部元件之间设置有连接件，例如三个以上的辐条或辐板或类似形式的连接件。所述连接件可以配置成一排或多排(在轴向方向上)。此外，连接件可以以弧形或十字形的方式或以剪刀形(类似于起重车)的构造来配置，并且也可以设计成球形或圆柱形的形式。根据本发明，连接件可以是刚性的或弹性的。

本发明的主要方面在于，连接件是致动器或“主动元件”。连接件可以是刚性的并且长度或形状可变的(例如机电地、磁性地或液压地)。此外，连接件可以是弹性的或预负载和刚度可变的(例如气动地：气动肌腱；或电气地：诸如压电金属复合材料等主动元件)。

连接件在轮毂和外部元件之间施加力，由此实现它们之间的运动。通过连续运动，可以将引入连接件中的能量转换为车轮的推进力。特别地，这凭借使用主动元件使轮毂相对于外部元件(轮辋)的几何中心偏移来实现。现在，如果力(例如车辆的重力)沿着垂直方向向下作用在轮毂中心上，并且轮毂的位置沿水平方向偏移，那么由于反作用力点(在这种情况下是车轮的接地点)位于具有力作用点的轮毂中心的后面而产生转矩。因此使车辆滚动。如果致动器(利用能量供给)被致动，使得在不共同转动的坐标系中，轮毂中心总是保持在相对于外轮或车轮元件的转动坐标系的原点的相同位置，那么即使随着车轮转动(不论其速度为多少)，也会保持所述驱动转矩。因此，在水平面上的车辆将连续“虚拟地下坡”。在车轮或外部车轮元件(轮环)的共同转动坐标系中，轮毂将描绘圆形路径，但其本身不转动。在原理相反时，也就是说在轮毂中心在车轮的接地点后面偏移时，实现了减速，其中能量的恢复也是可能的。

通过所述支撑件(主动元件)的相应的三维配置，例如在两个平面中的2x 3个元件，可以相对于转动的外部元件以多个(特别是五个)自由度来调节所述轮毂，由此，除了驱动作用之外，还可以提供对束角、外倾角、转向角的控制和/或提供悬挂的形式。关于悬挂，利用相应的控制，“主动”阻尼也是可能的。

另外的第六自由度是绕着轮毂安装在其上的轴的轴线的转动。所述自由度基本上也可以通过相应的驱动轴或马达来控制。然而，通过本发明，这对于车轮的驱动而言不再是必需的。

在根据本发明的车轮的情况下，将能量转换为运动的基本前提是从外部作用在车轮的圆周上并且没有被轮毂的反作用力完全补偿的力(或者反之亦然)，因为两个力的矢量不指向同一点或不是彼此平行，从而产生额外的转矩或另外的力，其例如可以是加速过程中车辆的惯性力或高速行驶过程中车辆的摩擦力(风阻力和/或滚动阻力)。在车辆的应用状态中，这些力将是作用在轮轴或轴上的质量的重力以及车轮在路面上的接地点处的反作用力。例如，在用于驱动机器的应用状态中，所述力可以源自在外周上延伸的皮带或链条，或者源自径向力，通过该径向力，齿部被压靠在另一个齿轮的外周上。

在作为车辆上的行驶驱动车轮的应用状态中，推进力(以及因此产生的快感)成比例地取决于相对于车轮中心(以及因此的车轮的接地点)对轮毂中心调节的距离。因此，最大驱动力被限制为在最大调节时可以实现的值。此外，推进力与作用在轮轴上的重力成比例，因此，使得可实现的加速度与车辆的负载状态无关(假设致动器/主动元件能够给予相应所需的力)。此外，可实现的加速度在车轮的所有转速范围内是恒定的(假设致动器/主动元件能够实现在相应的操作频率下为此目的所需的能量)。然而，优选限定致动器的可利用的上限转速或操作频率，其中例如这在金属压电陶瓷元件的情况下可以相对较高。

在特征方面，根据本发明的驱动构思在于在电动机(在停止状态时转矩最大，功率输出在可利用的转速范围内几乎恒定)和内燃机(转矩随发动机速度的增大而增大，并且功率输出相应地急剧增大)之间的范围。

特别地，最大的力/加速度取决于轮毂的最大调节位移与车轮半径的比例，也就是说与车轮大小无关。在理论上理想的情况下，加速度的上限为1g(最大力为M*1g)。

功率输出或功率转换随着转速和加速质量(如果这也作用在车轮上，而不是例如作用在具有“被动轮”的尾部上)线性地增大。

车轮的外轮廓不一定是刚性的和圆形的。例如，可以设置如下：车轮的整个外轮廓可以以例如具有倾斜椭圆的外观的方式弯曲，由此可以获得与上述推进效果类似的推进效果。另一方面，例如，可以通过轮胎的胎带内的相应的主动元件仅局部地改变车轮的外轮廓，使得例如在轮胎的接地面中的应力条件改变，以使有效力线在车轮中心的前面或后面偏移。以这种方式，例如可以补偿轮胎的滚动阻力。在这种情况下，将克服滚动阻力所需的能量引入轮胎的胎带内的主动元件中。以这种方式，可以实现具有以下特征的系统，其即使在负载下和在轮胎的相对较高水平的柔性的情况下也可以在没有明显摩擦的情况下来回滚动。在另一个优选的实施方案中，通过扫描前面的周围环境的传感器配置，轮胎或车轮的轮廓可以通过主动元件适应于障碍物(例如台阶或路缘)的形状。因此，可以毫无困难地越过这样的障碍物。

此外，通过致动器的相应致动，还可以从轮毂在其上延伸并且其与车辆或机器部件刚性连接或可移动连接的轴/轮轴的摆动运动将能量转化为驱动力或推进力。

通过本发明，可以将悬挂、阻尼、转向、驱动和/或恢复的功能统一在一个系统中，该系统通过致动器配置在外轮和/或轮胎/轮辋与可转动地安装的轮毂之间。这里，在系统中可以省去另外的驱动器(例如电动机)。例如，可以提供一种完全没有转动部件(除了转动安装的轮毂之外)的驱动系统。

例如，主动元件或致动器可以通过镰刀形辐条来实现。例如，辐条可以由两面都涂覆有压电陶瓷的弹簧钢构成，从而使得所述辐条能够根据施加到所述压电元件上的电压来增大或减小它们的弯曲半径。

附图说明

下面，基于在所附的示意图中示出的优选实施方案对本发明进行更详细地说明，其中：

图1示出了处于静止位置的根据本发明的车轮的第一实施方案；

图2示出了处于驱动位置的图1的车轮；

图3示出了处于静止位置的根据本发明的车轮的第二实施方案；

图4示出了处于驱动位置的图3的车轮；和

图5示出了根据本发明的车轮的第三实施方案。

具体实施方式

在附图中，相同部件或相同动作的部件由相同的附图标记表示。在技术上可行的情况下，基于各个附图或实施方案说明的特征也可以彼此组合。

在图1和图2中示出了根据本发明的车轮10的第一实施方案。这里，图1示出了处于静止位置的车轮10，图2示出了处于驱动位置的车轮。车轮10包括外轮环20(例如，轮辋)，其可以配备有轮胎。轮环20为圆形形式并且优选是刚性的。车轮10示出在地面2上，并且在接地点14处与地面2接触。在车轮10的内部设置有轮毂30，在该轮毂中形成有用于接纳轴或轮轴的孔32。轴或轮轴可以与轮毂30可转动地相联连接或可以可转动地接纳在所述轮毂中。支撑装置40在轮毂30和轮环20之间延伸，在所示的实施方案中，该支撑装置具有多个(具体为五个)独立的支撑件42。支撑件42为镰刀形辐条的形式，并且以弧形的方式从轮毂30的外周延伸到轮环20的内周。可选择地，也可以设置一些其他数量的支撑件42。支撑件42还可以在轴向方向上配置成彼此相对偏移或者配置在多排或多个平面中。

车轮10(特别是轮环20)的几何中心点由附图标记12示出。重力通过配置在轮毂30中的轮轴或轴施加在车轮10上，该重力从轮毂30的中心垂直向下取向。重力由F_G示出。

在图2所示的位置中，轮毂30通过支撑件42主动地偏离车轮10的中心，也就是说，偏离几何中心12。以这种方式，重力F_G不再在接地点14的方向上起作用，而是形成驱动车轮10向右滚动运动的杠杆力。根据本发明，为了连续地驱动车轮10，设置如下：轮毂30通过支撑件40被主动地移动，从而连续保持相应的杠杆力。因此，轮毂30在轮环20内可以主动地移动，从而描绘相对于轮环20的环形或圆形路径。轨道(环形或圆形路径)在图2中由虚线示出并由附图标记18表示。

在根据图1和图2的实施方案中，轮毂30相对于轮环20的主动偏移通过改变各个支撑件42的预负载和/或弹性而主动操纵支撑装置40的各个支撑件42来实现。例如，这可以凭借两面都涂覆有压电陶瓷的支撑件42来实现，从而可以以取决于所施加的电压的方式来增大或减小预负载。预负载的控制通过仅在图1中示意性地示出的控制装置50来实现。

图3和图4所示的车轮10与根据图1和图2的车轮10基本上对应。因此，参考关于图1和图2的说明。与图1和图2相比，支撑件42为可以主动地缩回和延伸的可伸缩的辐条的形式。为此，支撑件42设计成实现冲程的气缸，并且包括其中用活塞杆引导活塞46的气缸44。实现冲程的气缸(例如气动或液压气缸)可枢转地安装在轮毂30上和/或轮环20上。优选从内部(即，经由轮毂30)供给操作介质。实现冲程的气缸构成根据本发明的用于调节支撑件42在轮毂30和轮环20之间的长度的调节装置48的一个例子。

图4与图2对应，示出了处于驱动位置的车轮10，在该驱动位置中，转矩施加在车轮10上。通过相应调节各个支撑件42而使轮毂30偏离几何中心12。重力F_G不指向接地点14，从而使得转矩施加在车轮10上。

图5示出了根据本发明的车轮10的另一个实施方案。与根据图1至图4的实施方案相比，轮环20具有可变形的设计，例如使得车轮10的外轮廓可以变形为卵形或椭圆形形状。例如，未在图5中示出的具有支撑件42的支撑装置40可以设计成与根据图1至图4的实施方案类似。通过外轮环20的变形，即使轮毂30可能配置在车轮10或轮环20的几何中心，也可以使该轮毂沿行驶方向偏移，从而使得重力不指向接地点14。为此，沿相对于竖直方向倾斜的方向拉伸外轮环20，这通过支撑件42来实现。

因此，本发明提供了一种车轮和车轮的驱动构思，其能够通过轮毂相对于轮环的主动调节和/或轮环的变形来驱动车轮转动。通过根据本发明的车轮，例如，可以省去用于驱动车轮的电动机或内燃机。凭借由配置在轮毂和轮环之间的支撑件施加的变化的力来实现该驱动，从而通过作用在轮毂上的力来产生杠杆并实现转矩。

附图标记列表

2 地面

10 车轮

12 几何中心

14 接地点

18 轨道路径

20 轮环

30 轮毂

32 孔

40 支撑装置

42 支撑件

44 气缸

46 活塞

48 调节装置

50 控制装置