具有扭矩测量装置的可变柔度金属轮的制作方法

1.本发明涉及一种非充气式轮胎，其可以在不使用加压空气填充的情况下使用，并且在工作时可以改变其弹性以及测量由轮轴产生或施加于轮轴的扭矩。


背景技术：

2.us6170544b1,属于hottebart,发明名称“可变形非充气式轮胎”,公开日2001年1月9日。
3.us2017/0120671a1,属于miles等人,发明名称“具有局部柔度的轮毂的非充气式轮胎”,公开日2017年5月4日。
4.us2018/0072095a1,属于anderfass等人,发明名称“可变柔度轮胎”,公开日2018年3月15日。
5.us8950451b2,属于akihiko abe,发明名称“非充气式轮胎”,公开日2015年2月10日。
6.us20020096237a1,属于buhroe等人,发明名称“具有柔性轮缘的轮胎和组合件”,公开日2002年7月25日。
7.us2009/0211675a1,属于louden b.,发明名称“非充气式轮胎组合件”,公开日2009年8月27日。
8.us2014/0110024a1,属于anderfass等人,发明名称“可变柔度轮胎”,公开日2014年4月24日。
9.us2016/0193876a1,属于kyo等人,发明名称“非充气式轮胎”,公开日2016年7月7日。
10.us2011/0240193a1,属于matsuda等人,发明名称“非充气式轮胎和其生产方法”,公开日2011年10月6日。
11.us2009/0033051a1,属于ahnert s.,发明名称“具有模块式悬挂的婴儿车车轮”,公开日2009年2月5日。
12.us2009/0294000a1,属于cron s.m.,发明名称“非充气式轮胎组合件的可变刚度轮辐”,公开日2009年12月3日。
13.us2016/0016426a1,属于endicott j.m.,发明名称“具有可移除轮毂的非充气式轮胎组合件”,公开日2016年1月21日。
14.us2004/0069385a1,属于timoney等人,发明名称“轮胎”,公开日2004年4月15日。
15.us2016/0214435a1,属于schaedler等人,发明名称“具有非充气式轮胎的轮胎组合件”,公开日2016年7月8日。
16.在非充气式轮胎的领域中，已记载了多份专利文献。非充气式轮胎和充气轮胎共有的优点是可以吸收路面起伏产生的震动，同时，非充气式轮胎又避免了充气轮胎的缺点，例如因为刺穿导致轮胎故障。在近年的专利申请中，例如在上述的背景技术专利文件中，提出了一种非充气式轮胎，其包括附接体，附接于一轮轴；也包括一环状体，在附接体外部沿
轮胎径向环绕附接体设置；以及包括多个连接体，沿轮胎周向设置连接于附接体和环状体之间。此外，近年的研究也关注到使用金属轮用于星体探索，因为星体上只有非常稀薄的空气或没有空气，辐射会迅速破坏橡胶，使充气轮胎报废，因此不可能使用充气式轮胎。
17.此外，驱动轮胎的电动马达在轮轴上产生扭矩，但当使用高比率的减速箱时，测量该扭矩会出现一个技术问题，就是需要使用扭矩传感器结合持续旋转的电连接结构(集电环)，才可测量所产生的扭矩。这样的组合件体积庞大，成本高，重量大。另一方面，测量扭矩对于车辆安全很重要，尤其是当轮胎设置于无人驾驶的探索装置上远距离或在其它星体上工作的时候。


技术实现要素：

18.本发明包括一种非充气式轮胎，其可以像充气轮胎般工作，并且也通过在轮胎内设置一种即使轮胎转动时也可以操作的机构，用来改变轮胎的径向刚度；也包括一种简单的扭矩传感器方案，其可以结合在轮胎的驱动链中，以监测轮胎工作时其产生或施加于其上的扭矩。
19.所述非充气式轮胎具有可变柔度，其包括：
20.管状的空心固定轴，其连接车辆底盘，并且作为轮胎的旋转轴；
21.一管状体，在其上形成第一轮毂和第二轮毂，所述第一轮毂和所述第二轮毂设置于所述空心固定轴上，并且可相对于所述空心固定轴自由旋转；所述第一轮毂和所述第二轮毂的周缘均设有多个架设点，每一架设点上设有一架设杆，所述第一轮毂的多条架设杆和所述第二轮毂的多条架设杆均沿轮胎的宽度方向延伸，并且所述第一轮毂的多条架设杆和所述第二轮毂的多条架设杆以相反方向互相指向彼此；
22.构成覆带形状的多个片体，所述多个片体之间彼此连接，并且可以相对于彼此自由旋转；所述多个片体形成轮胎的外缘，在轮胎工作时与地面接触；
23.多个连接用的片簧，每一片簧一端均与对应的轮毂上对应的所述架设杆连接，另一端与所述第一轮毂和所述第二轮毂相对之间的轮胎宽度上对应的片体的对应一端连接；多个片簧沿轮胎圆环周向连接于多个片体以及所述第一轮毂和所述第二轮毂之间，以使多个片体连接所述第一轮毂和所述第二轮毂；
24.其特征在于：所述第一轮毂和所述第二轮毂是互相分离的结构，彼此可相对地自由旋转，在相对应的轮胎宽度的一侧上各自设有架设杆总数的一半和片簧总数的一半。
25.优选地，所述片簧均为曲折的弧形形状，使其在轮胎受到径向负载力时，可以沿轮胎的径向弯折；所述片簧在轮胎的宽度方向上具有相当的宽度，使轮胎沿其轴向方向增强刚度，避免轮胎轴向变形。
26.优选地，同一个轮毂上的片簧，其弧形形状的凹部的面向都是顺着相同的圆周方向，并且所述第一轮毂上的片簧和所述第二轮毂上的片簧，其弧形形状的凹部的面向朝彼此相反的圆周方向，使得从侧面看轮胎时,第一轮毂上的片簧的所述凹部的一侧以及第二轮毂上的片簧的所述凹部的一侧是相互彼此面向的。
27.优选地，所述第一轮毂和所述第二轮毂可相对于彼此朝相反方向旋转几度；所述第一轮毂和所述第二轮毂的所述相反方向旋转，使得所述第一轮毂和所述第二轮毂上连接同一块片体的对应两个片簧的凹部沿着圆周周向彼此靠近，也使其架设点沿着圆周周向彼
此靠近。
28.优选地，每一片簧在与对应的片体的接合处和在对应的轮毂的架设点之间形成为一曲折部，并且具有一弧形尾部；所述弧形尾部是片簧的一部份，但其相对于曲折部在相应的轮毂的架设点的另一侧相对于曲折部形成，使得于片簧的所述曲折部上形成的力，是来自于片簧与对应的片体的接合处的固定杆和片簧与对应的轮毂的架设点上的架设杆之间相对的位移；而在片簧的所述弧形尾部形成的力，是通过弧形尾部接触同一轮毂上相邻的另一个片簧的主体而形成的；当轮胎的所述第一轮毂和所述第二轮毂朝相反方向旋转时，所述弧形尾部便会接触同一轮毂上相邻的另一个片簧的主体，从而限制了片簧在其对应的轮毂的架设点上的自由旋转，并且使所述第一轮毂和所述第二轮毂上分别连接同一片体两端的一对相对的片簧之间形成力，从而产生径向推力，把片体径向地向外推出，从而增强轮胎的刚度。
29.优选地，分别形成为管状体的所述第一轮毂和所述第二轮毂由第一杠杆连接；所述第一杠杆固设于所述第二轮毂，并且延伸至所述第一轮毂；通过所述第一杠杆，所述第二轮毂可以相对于所述第一轮毂旋转几度；所述第一杠杆包括设置在第一轮毂上的电动组件，可使所述第一杠杆移动几度，从而调节所述第一轮毂和所述第二轮毂的相对旋转位置，并且增加片簧的弧形尾部和同一轮毂上相邻的另一个片簧的主体之间的接触力，使连接同一个片体两端的一对相对的片簧之间形成力，从而产生径向推力，把片体径向地向外推出，从而增强轮胎的刚度。
30.优选地，所述电动组件是电动的，由一连续旋转的电连接结构，即集电环提供动力，将电力和信号从轮胎的空心固定轴带到轮胎的所述第一轮毂和所述第二轮毂；所述电动组件包括电动马达和减速齿轮链，使滚珠丝杆驱动器旋转，从而产生轮胎刚度调节必要的力；所述滚珠丝杆驱动器通过单车链与连接所述第一轮毂和所述第二轮毂的所述第一杠杆连接，从而可以在所述第一轮毂和所述第二轮毂之间产生很强的力。
31.优选地，连接所述车辆底盘，并且作为轮胎的旋转轴的所述空心固定轴是空心的，里面包括驱动马达，其通过正齿轮与固定于所述第二轮毂的内齿轮齿接合；所述驱动马达设置在构成轮胎的旋转轴的所述空心固定轴内自由旋转的滑动轴承上，允许驱动马达在滑动轴承内自由旋转几度；所述驱动马达自由旋转几度由一对螺旋弹簧限制，所述螺旋弹簧根据所述驱动马达产生的扭矩而变形，即所述驱动马达产生的扭矩使整个所述驱动马达组合旋转几度，从而使所述螺旋弹簧变形，而这不需要通过正齿轮-内齿轮齿的动力传动使所述第一轮毂和所述第二轮毂旋转也能够实现；
32.所述驱动马达旋转几度和所述螺旋弹簧的变形由轴向地设置于所述驱动马达上的典型电位器或旋转编码器测量，或通过连杆由所述驱动马达的主体传送至所述电位器或旋转编码器，以将所测量的扭矩转换为电信号。
33.与现有技术相比的优势
34.本发明提供了一种技术方案，解决非充气式轮胎的刚度调节，也提供了一种技术方案，解决非充气式轮胎中用于制作可变形轮辐的弹性物料(金属,树酯等等)的耐用性问题。本发明提出了特别设计的片簧，专门设计用于调节轮胎的刚度，使轮胎在工作时符合所需的耐用性要求，并且所述片簧具有特别设计的形状，能通过支撑这些片簧的轮毂彼此反向旋转，调节轮胎的径向弹性。因此，本发明作为路况和轮轴负载的函数，解决了非充气式
轮胎的耐用性问题，同时解决轮胎刚度调节的问题。本发明通过电机驱动轮毂彼此反向旋转，即使轮胎正在工作，也能提供技术上可行的简单方案来实现轮胎的径向刚度调节。最后，本发明提出了一个简单稳健的方案，来测量工作时轮轴旋转产生或施加于轮轴上的扭矩，这对于无人电动车辆在起伏的地势上工作时的安全性，是必需的技术，尤其是当这些无人电动车辆遥距或在另一个星体上工作时，例如，在这种情况下，若轮胎被阻挡，扭矩传感器可通知车辆的控制员，避免损坏轮胎的马达。
附图说明
35.本领域的技术人员可知，以不偏离本发明的精神为前提，本发明的其它目的、特征和优点，均可以通过以下对优选实施例和附图的描述，向本领域的技术人员揭示出来。
36.图1示出轮胎两个相互分离的轮毂，并且示出两条片簧分别设置在两个轮毂上，并且两条片簧之间连接一单一片体。
37.图2是两个相互分离的轮毂组合的侧视图，其中设有三对片簧设置在两个轮毂上，并且两个轮毂之间的相对旋转位置是完全放松位置。
38.图3是两个相互分离的轮毂组合的侧视图，其中设有三对片簧设置在两个轮毂上，并且两个轮毂之间的相对旋转位置是预加载位置。
39.图4是一片簧的细节图。
40.图5是一拆装图，示出了轮胎两个相互分离的轮毂，并且示出连接第一轮毂把力传送至第二轮毂的坚硬的第一杠杆。
41.图5.1示出了组合的轮毂，并且示出了装设了的片簧和连接两个轮毂的第一杠杆。
42.图5.2示出了组合的轮毂，并且示出了装设了的片簧、片体，以及连接两个轮毂的第一杠杆。
43.图6示出了集电环，其用于提供动力给弹性调节机构，使片簧预加载，以及示出组装到轮胎前，使片簧预加载的弹性调节机构的细节图。
44.图7示出了使片簧预加载的弹性调节机构的完全组装图，其中，弹性调节机构与连接两个轮毂的第一杠杆连接。
45.图8示出了轮胎的空心固定轴，其中包括了驱动马达和内齿轮齿。
46.图9独立地示出了本发明的驱动马达、齿轮箱组合以及扭矩测量系统。
47.图10是图9的驱动马达、齿轮箱组合以及扭矩测量系统的后视立体图。
48.图11示出了完全组装的轮胎组合。
具体实施方式
49.以下将参考图1至11来描述本发明非充气式轮胎的一个实施例。
50.图1示出轮胎两个相互分离的轮毂，即第一轮毂1和第二轮毂2；第一轮毂1和第二轮毂2分别设有第一片簧3和第二片簧4，所述第一片簧3和第二片簧4分别通过一架设杆架设在第一轮毂1和第二轮毂2周缘开设的多个孔的其中一个之中。第一片簧3和第二片簧4可以分别绕其架设杆自由旋转。第一片簧3和第二片簧4也分别通过一自由旋转接合点连接一块单一片体5的两端，第一片簧3和第二片簧4的自由旋转接合点也用作所述单一片体5与相邻另一块单一片体连接的自由旋转接合点；多块连接起来的单一片体构成了圆环状履带，
即轮胎与地面接触的部份。互相分离的第一轮毂1和第二轮毂2之间的相对旋转位置可以调节，从而使分别架设于第一轮毂1和第二轮毂2的第一片簧3和第二片簧4的架设点距离更近，也减少了第一片簧3和第二片簧4的凹部之间的距离。为了更好地理解这个旋转位置调节的效果，需要参考图2和3。
51.图2示出了相同的第一轮毂1和第二轮毂2组合的侧示图，不同的是，图2示出了标号为6,7,8的三条片簧分别架设在第二轮毂2的三条相邻的架设杆上，而标号为9,10,11的对应另外三条片簧则分别架设在第一轮毂1的三条相邻的架设杆上，第一轮毂1和第二轮毂2中三对对应的片簧中的每一对之间都连接了单一片体，并且三块单一片体相邻连接，构成轮胎外缘的一部份(第一轮毂1和第二轮毂2采用侧面角度)。图2中，第一轮毂1和第二轮毂2之间的相对旋转位置是一个完全放松位置，使得第二轮毂2和第一轮毂1一对对应的片簧例如8和9各自的架设点12和13距离最大。此外，每一条片簧弧形的尾部(例如片簧7的尾部14)都不接触同一轮毂相邻的另一条片簧的主体部份(例如尾部14不接触片簧6的主体部份，如此类推)。在此情况下，所有片簧都没有任何预加载力。若在片体上施加径向压力，例如向片簧8和9支撑的片体施加压力，可以轻易地使支撑该片体的片簧变形。需要理解的是，这里的轮胎组合并不能将扭矩传送至轮胎的外缘，这是因为片簧可绕其接合点自由旋转，故此不能传送扭矩，因此，此处描述的情况仅是片簧状况的一个例子，这个状况在生产轮胎时会遇到，但在轮胎实际工作使用时，会避免了这个状况。在工作状态时，轮胎的片簧至少最低限度地预加载压力，从而将扭矩传送至轮胎外缘，而这种状况以夸张的方式在图3示出。在图3，第一轮毂1和第二轮毂2之间的相对旋转位置调节了几度，这样的旋转位置调节使片簧8和9各自的架设点12和13之间的距离大幅缩短，而在这个新位置时，迫使每一条片簧的尾部都与同一轮毂相邻的片簧主体接触，这样使每一条片簧都相应于另一轮毂对应的并且连接相同的片体的片簧预加载了压力(例如片簧8和9)，因此，每一对对应的片簧产生的预加载压力将该对对应的片簧连接的片体沿径向向外推出，彷佛是要增大轮胎的外缘。由于所有片体都是互相连接的，轮胎的外缘实际上没有变化，但所有片簧产生的向外推力会增加轮胎表面上的径向刚度，因为在这种情况下，给定的径向负载物要用更大的力才能使预加载的片簧变形。不过，在这种夸张的表示方式中，架设点12和13之间距离太近，因此同样地，轮毂也不能将必要的扭矩传送至轮胎外缘，其中，很必要的扭矩同样地会使一对对的片簧旋转而不是使轮胎旋转。因此，每个轮胎组合的理想预加载范围界乎于图2和图3所示的位置之间的任何中间位置，实际上的中间位置取决于个别的片簧刚度和需要传送到轮胎的扭矩。以根据本发明原理构建的0.34m直径轮胎作测试，轮轴负载约250n的情况下，该轮胎可以增加四倍表面刚度。换言之，在一给定的轮轴负载(约250n)下，轮毂在片簧“完全预加载”和“最少预加载”两种情况之间的垂直位移(即弹性轮胎的总变形量)差异是400％。那就是说，根据本发明原理实现的弹性变化可以是约400％(即片簧最少预加载的轮胎，其变形程度是片簧完全预加载的轮胎的四倍)。轮胎的变形程度一般是重要的，因为这影响轮胎外缘接触地面的部份，从而影响轮胎的触地压力和增加轮胎在蓬松泥土上的附着摩擦力等等。图4示出了片簧的一个优选实施例。每一块片簧通过其一端的弧形部12挂设于轮胎的每一个轮毂相应的架设杆上，弧形部的弧形形状足够实现上述挂设，并且够大，使得片簧可以绕其架设杆自由旋转，但不会跌出架设杆。类似地，片簧的另一端15架设于片体接合处，使片簧可以绕着片体接合处的固定杆自由旋转，而不会使片簧跌出固定杆。片簧也包括一曲折
部16，曲折部16界定了一凹部和一凸部。弧形部12与片簧连接相反的另一端也连接了一弧形的尾部14，所述尾部14具有一自由端，并且所述尾部14和所述曲折部16的凹部各自位于所述片簧的相反两侧。所述尾部的功能已在上述图3中描述，其中显示当第一轮毂1和第二轮毂2彼此反向旋转时，尾部会压向同一轮毂相邻的片簧的主体上，防此片簧旋转，实现片簧的预加载，从而增加轮胎的刚度。
52.第一轮毂1和第二轮毂2彼此反向旋转产生的力取决于片簧的刚度。在本实施例中，轮胎总刚度值界乎2.5kn/m至10kn/m之间，在一特定的实施例，需要约300nm产生必要的扭矩使第一轮毂1和第二轮毂2彼此反向旋转。此扭矩是第一轮毂1和第二轮毂2之间的约束力余量，需要保留，否则轮胎会失去其预设刚度，变得更弹性。为了传送两个轮毂之间产生的必要扭矩，本发明使用了一坚硬的第一杠杆，其于图5示出。在图5，为了更好地理解不同的部件，第一轮毂1和第二轮毂2示出为已拆装状态。坚硬的第一杠杆17连接第一轮毂1和第二轮毂2。所述第一杠杆17通过固定板18永久地固定在第二轮毂2上，并且延伸至第第一轮毂1，穿过第一轮毂1上的开口19，与一弹性调节机构连接。图5.1示出第一轮毂1和第二轮毂2的装嵌状态，并且其上也装满了片簧，但没有装设片体，其中，连接的第一杠杆17从第一轮毂1伸出。图5.2是第一轮毂1和第二轮毂2的装嵌状态，并且上面也装满片簧和片体。图6示出了弹性调节机构，其设置于一板体28上，所述板体28固定于第一轮毂1上并且随着轮胎一起旋转。所述板体28上设有电动马达21，其采用连续旋转的电连接结构(集电环20)提供的动力；所述电连接结构设置在轮胎中心固定轴32上。所述电动马达21通过正齿轮连接一补充减速齿轮链22，最后通过补充减速齿轮链22连接一重型滚珠丝杆驱动器23；所述重型滚珠丝杆驱动器23拉动两条单车链24；所述两条单车链24附接于所述第一杠杆17。电动马达21通过集电环20提供动力转动时，可以在第一杠杆上产生很必要的力，使第一轮毂1和第二轮毂2彼此反向旋转，从而增加轮胎的刚度。图7示出所述弹性调节机构组装和固定于第一轮毂1的一侧，其中两条单车链24附接于第一杠杆17上，可驱动第一杠杆17相对于第一轮毂1运动。图7也示出了一线性电位器25，用于追踪滚珠丝杆驱动器23的张力移动盒子在丝杆上的位置，从而在刚度调节时，可以准确调较所需的轮胎刚度。电位器信号也通过所述集电环20传送到一微型处理器形式的控制器用于调节轮胎。
53.图8示出轮胎组合件宽度部份的截面图，其中可看到第一轮毂1和第二轮毂2。所述用于弹性调节的电动马达21示出于视图的后方，也示出了向电动马达21提供动力的集电环20。图8也示出轮胎的空心固定轴32，其里面包括轮胎的驱动马达27，其通过正齿轮31,30,29连接第二轮毂2内固定设置的内齿轮齿26，以传送轮胎旋转的驱动力。此外，提供了一个空心圆形部件33，一方面支撑所述驱动马达27，另一方面允许驱动马达27在其内自由旋转。所述空心圆形部件33固设于所述空心固定轴32内。图9示出驱动链组合的细节，其中驱动马达27纵向地被支撑，但可在空心圆形部件33内自由旋转；并且设有半圆部件39,34固设于空心固定轴32内，用于支撑齿轮；以及设有十字形第二杠杆35，固定在驱动马达27的前表面，并且可随驱动马达27一起旋转。图10是图9的组合另一侧的视图，其中设有两个滑动轴承43支撑所述空心圆形部件33(图10未有示出)的自由旋转，并且示出所述十字形第二杠杆35通过两个螺旋弹簧36,37被定位；两个螺旋弹簧36,37远离十字形第二杠杆的两端分别固定于部件39,38；所述部件39,38支撑齿轮链并且固设于空心固定轴32内。当驱动马达27产生扭矩驱动轮胎旋转时，正齿轮31,30,29接合构成的齿轮链传送此扭矩。通过反应力，同一扭矩
也传送到驱动马达27的主体，使主体朝相反方向旋转，直至两个螺旋弹簧36,37内产生的力停止驱动马达27的主体旋转。驱动马达27主体的旋转通过所述十字形第二杠杆35和一连杆40传送至第三杠杆41；所述第三杠杆41固定于一旋转电位器42的旋转轴上；所述旋转电位器42也固定于所述半圆部件39上，并且与所述空心固定轴32内部连接。因此，由驱动马达27产生的或甚至由外部施加于轮胎并且最终传送到驱动马达27的扭矩(即使驱动马达27没有被驱动)，会被旋转电位器42测量。因此，由正齿轮31,30,29接合构成的齿轮链产生的，并且最终传送至内齿轮齿26，用于使轮胎旋转的力，会由所述旋转电位器42监测。需要注意的是，扭矩测量的准确性取决于正齿轮31,30,29和内齿轮齿26的非线性库仑摩擦力，若有高的非线性库仑摩擦力，会影响扭矩测量的精准度。为了获得最佳的效果，正齿轮31,30,29构成的齿轮链的传动比不应超过30：1，视乎齿轮品质、润滑油的种类、环境因素、污染程度等等。在本实施例中，齿轮链的传动比是20：1，可产生和测量在轮胎外缘上大约30nm的扭矩。图11是轮胎组合图，其中示出了组合了的片簧、片体以及弹性调节机构。