一种适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎及制造方法与流程

本发明属于全向移动装置，涉及一种适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎及制造方法。

背景技术：

1、球形轮胎可在不同切向上与主动摩擦轮接触，因而适合全向移动平台、机器人和特种小车。对于采用预紧摩擦接触的驱动机构，球形轮胎自身质量及其转动惯量会形成加速、减速阶段的惯性负荷；在外径、材料和转速变化规律相同的情况下，减少轮胎本体中不承担连续外表面功能的材料，有利于降低由轮胎自身转动惯量产生的惯性扭矩分量，并减少材料消耗。

2、现有球形轮胎存在以下问题：

3、1、实心球体材料用量较大、自身质量和转动惯量较高，在频繁启停及变向过程中增加驱动机构的惯性负荷。若仅将实心球改成大尺寸薄壁空心球，球面在局部接触载荷下又容易出现支承不足和局部过度变形。

4、2、在球体内设置彼此孤立的孔穴虽能减材，但孤立空腔之间缺少统一的中心连通关系，难以在球体各方向形成规则、可描述且便于参数化的减材拓扑；若空腔贯穿滚动外表面，还会破坏连续摩擦接触面，并使颗粒和异物直接进入内部。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎及制造方法，在中心空腔周围与外周球面外壳之间保留多方向连续材料连接区，使轻量化结构仍具有连续外表面和分布式传力路径。

2、本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

3、一种适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎，包括球形轮胎本体，所述球形轮胎本体具有球心o、以及由内向外依次增大的第一半径r1、第二半径r2和第三半径r3；

4、所述球形轮胎本体内部设有中心空腔，所述中心空腔的腔壁为半径为r1的第一球面s1；所述球形轮胎本体的外表面为以球心o为中心且半径为r3的第三球面s3；

5、所述中心空腔的腔壁设有多个沿球心o径向向外延伸的径向盲腔，所述径向盲腔的内端在中心空腔的腔壁处形成开口，所述开口与中心空腔连通；所述径向盲腔的外端边界位于半径为r2的第二球面s2，从而在径向盲腔外端与所述球形轮胎本体外表面之间保留厚度为r3-r2的连续外周材料层；相邻径向盲腔的开口边缘彼此间隔设置，且两者之间保留连续材料连接区，所述连续材料连接区与连续外周材料层相接。

6、中心空腔与全部径向盲腔组成单一连通且不与球形轮胎本体外界直接连通的内部空腔系统；连续外周材料层与连续材料连接区由同一种热塑性弹性材料整体一体形成。径向盲腔的径向长度为r2−r1，连续外周材料层的径向厚度为r3−r2。

7、连续材料连接区在多个空间方向形成分布式材料路径，与连续外周材料层连成整体，为球体受压时的多路径传力和弹性变形提供结构基础。球形轮胎本体的外表面为连续光滑面，不设置贯穿开孔。球形轮胎本体不依赖胶粘层、螺钉、锁带或卡扣保持整体连接。

8、在上述适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎中，所述径向盲腔的横截面由内向外逐渐扩大。

9、在上述适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎中，所述开口为多边形。

10、在上述适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎中，所述径向盲腔共32个，其内端的开口包括12个五边形开口和20个六边形开口；所述五边形开口互不相邻，其周围为5个六边形开口，所述六边形开口之间允许相邻设置。

11、正二十面体的每个顶点被截掉后，得到32个面，12个正五边形以及20个正六边形，32个径向盲腔内端的开口，分别对准这32个面各自的空间朝向，并沿该方向径向向外辐射。最终获得五边形和六边形的复合、交错球面分布，而非单一六边形蜂窝。

12、在上述适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎中，所述球形轮胎本体由邵氏a硬度为90的热塑性聚氨酯弹性体经熔融沉积成形整体制得。

13、第一半径r1和第二半径r2可根据球形轮胎的目标减重比例、承载需求及外周材料层厚度进行设置。

14、适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎的制造方法，包括以下步骤：

15、步骤一、建立以球心o为共同中心的第三球面s3和第一球面s1，在第一球面s1内侧形成中心空腔；

16、步骤二、按预定的全方位球面拓扑建立多个多边形截面，使各截面中心法线通过球心o；由第一球面s1处的多边形截面向第二球面s2方向放样形成由内向外扩张的径向盲腔，并使各径向盲腔与中心空腔进行布尔连通，在第二球面s2封闭；

17、步骤三、从连续球体中扣除中心空腔和全部径向盲腔，检查外表面与内腔表面均构成闭合、无非流形边的边界，随后输出可切片的三角网格模型；

18、步骤四、在切片软件中使封闭内腔保持为空腔区域，实体材料区生成连续挤出路径；封闭内腔内不布置打印后无法取出的常规支撑，必要的工艺支撑仅设置在外表面可到达区域；

19、步骤五、使用同种热塑性弹性材料在同一打印任务中逐层沉积形成完整轮胎本体，冷却后仅去除外部可达的工艺支撑和附着物。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

21、与同外径、同材料的实心球cad基准相比，中心空腔和径向盲腔直接减少净实体体积；材料体积减少有利于降低轮胎自身质量及其转动惯量，从而有助于降低加速、减速阶段由轮胎自身转动惯量产生的惯性扭矩分量；径向盲腔不贯穿外表面，能够保留连续的球面摩擦接触区域；相邻盲腔之间的连续材料连接区将中心空腔周围材料与外周球面外壳连成整体，为多方向载荷传递和弹性变形提供结构基础；中心空腔与全部径向盲腔组成单一连通、但不与外界直接连通的内部空腔系统，避免32个孤立封闭小腔分别成形，同时减少外界颗粒由贯穿孔直接进入空腔的路径；同种弹性材料整体成形，不设置分体拼接界面，可避免因胶粘、焊接或机械紧固产生的装配缝隙和附加连接件。

1.一种适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎，其特征在于，包括球形轮胎本体（1），所述球形轮胎本体（1）具有球心o、以及由内向外依次增大的第一半径r1、第二半径r2和第三半径r3；

2.根据权利要求1所述的适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎，其特征在于，所述径向盲腔（3）的横截面由内向外逐渐扩大。

3.根据权利要求1或2所述的适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎，其特征在于，所述开口为多边形。

4.根据权利要求3所述的适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎，其特征在于，所述径向盲腔（3）共32个，其内端的开口包括12个五边形开口（61）和20个六边形开口（62）；所述五边形开口（61）互不相邻，其周围为5个六边形开口（62），所述六边形开口（62）之间允许相邻设置。

5.根据权利要求1或2所述的适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎，其特征在于，所述球形轮胎本体（1）由热塑性聚氨酯弹性体经熔融沉积成形整体制得。

6.一种适于全向摩擦驱动的轻量化球形轮胎的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：