低振动万向轮外文翻译资料

 2022-04-06 10:04

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LOW WIBRATION OMNI-DIRECTIONAL WHEEL

低振动万向轮

摘要

公开了一种用于全向车辆的全向车轮，该车辆具有恒定的行驶高度，低振动和更小的最大接地接触力。 本发明由连接到全向车辆底盘的可旋转车轮组成。 轮子组件包括轮毂，在轮毂上以一定角度安装了可自由旋转的滚子。 通过确定滚子的外部轮廓，厚度，材料属性和表面切槽，实现滚子的接触表面在任意车轮旋转角度下不发生偏转，实现恒定的行驶高度和低振动操作。

技术背景

本发明一般用于商业，医疗，工业和娱乐设施中的全向车辆所使用的车轮和车轮部件的设计。

能在任何方向上运动的全向车辆早已公认有许多重要应用。现在已经有了多种全向车辆的设计。大多数全向车辆设计是在车轮周围固定多个滚子，滚子使得车轮可以在与车轮旋转平面成一定角度的方向运动。使用这种全向车轮的全向车辆可以通过适当组合车轮和滚子而沿任何方向移动。如Ilon先前在美国专利No. 4,598,782中公开的那样，由机械驱动和伺服控制来协调的控制每个全向轮的旋转使车辆按照期望的方向行驶。全向车辆由一个连接着三个、四个或者以上全向轮的底盘，悬架，车轮驱动器和控制系统组成。在下文中，词语“滚子”指的用于或设计用于全向车辆的全向轮的滚子。

全向轮可以分为两大类。第一类轮子由刚性轮毂组成，该轮毂在其周围支撑多个自由旋转滚子。轮毂刚性连接到车轴上，与其他全向车轮和车轴一起支撑车辆。滚子与车轮轴成一定角度安装，并可以围绕自己的轴旋转。在Blumrich的美国专利No.3,789,947中公布了一种车轮和滚子呈90°安装的车轮，该全向轮以机械驱动来实现与车轮旋转轴线平行的运动。在Bradbury 公布的专利No. 4,223,753、Hiscock公布的专利No. 4,335,899、Smith公布的专利No. 4,715,460和由Guile公布的专利Nos. D318,219 与 D318,791中，公开了车轮滚子安装角为90°且滚子可以自由旋转的万向轮。Ilon在美国专利No.5,811,042中公开了滚子按照与车轮轴呈斜向45°的滚子安装角安装的万向轮。美国专利3,876,255和5,701,966被引用了全文。

第二类全向轮与上述万向轮设计概念的不同之处在于，自由旋转的滚子的旋转轴线与轮的旋转轴线相交。这种类型的轮子已经由Bradbury和Pin等人分别在美国专利No. 4,223,753和No. 5,374,879中公开，在这种类型的车轮中，两个或多个球形滚子安装在固定位置，以限制车辆在车轮旋转方向上的运动，同时在与车轮轴线正交的方向上不受约束。在所有类型的万向轮中，如Ilon和Amico所公开的，由Blumrich在会议公开的，以及Smith公开的那样，在每个滚子两端的轮轴支撑需要安装到万向轮毂上。 通常，如Blumrich，Ilon和Smith所公开的，全向轮滚子涂有弹性表面接触材料以改善牵引力。

能够在任何方向上移动或在车辆面积内旋转的能力有利于任何限制在仓库空间内驾驶的工业或商用车辆，包括叉车，剪式叉车，飞行器支撑和维护平台，机动车和运输卡车。叉车特别适合全方位的能力。众所周知，叉车是具有液压或机械动力的用于提升，支撑和移动重物的起升车辆。类似地，横向移动和旋转的能力使得易于精确地定位全向剪式叉车而不需要像常规剪式叉车那样需要转动空间。业内认为剪式叉车是一种典型的利用机械或者液压的方式，帮助工人抬起或者下降物品到需要的水平高度的车辆。包括轮椅在内，无论是在相关领域中众所周知的自走式或无动力式设计，都全向行驶的需求。全方向的能力使轮椅操作员能够在狭窄的空间中自由地操作，如电梯和地铁车厢。水平移动的能力对于轮椅的使用者来说特别重要。全向移动对于各种的工业和军事用途也是有价值的，包括工厂内的物料运输，飞机维护以及需要精确，受控的全向运动的任何其他用途。

虽然全向车辆有很大的需求，但是由于至今所使用的全向车轮产生的振动和行驶不均匀，没有一种车辆已经实现了广泛的商用。 当全向轮的滚子接触地面并承受车辆重量的负荷时，滚子的接触表面响应施加的载荷发生偏转。在每个全向轮转向的时候，每个滚子与地面的接触面在滚子的表面滑移，所以滚子支撑车辆重量的表面随着车轮的滚动不断变化。因为滚子是球形，锥形或凸起的拱形形状，滚子与地面的接触面的顺应性根据滚子与地面的接触位置不同而变化，这个顺应性是接触面对外加载荷的响应的数学度量。一般来说，较小直径的涂有弹性体的滚子比具有较大直径的相似滚子表现出更好的顺应性，所有其他方面均相同。出于这个原因，滚子与其直径较小的端部比其直径较大的中间附近更一致。另外，当地面接触表面越过固定的滚子的间隙时，通过中心或中间连接安装到轮毂上的滚子表现出更大的顺应性。随着车轮转弯时滚子的不同顺应性导致全向车辆转换表面时行驶的高度产生波动。行驶高度波动导致车辆振动，其幅度在高速下变得更剧烈。

固体弹性体滚子不发生偏转的负载极限通常与其弹性体的变形率有关。在设计车轮和滚子的技术中实践的人在选择弹性体材料和车轮直径时都偏好0.07至0.15的偏转与未偏转厚度比，因此在任何情况下设计的车轮的比率都小于0.25。使用具有拱形轮廓的滚子的全方向车轮，其端部直径比中部小，其在承载时承载能力受限，其承载能力小于具有相同外径的常规滚子所承载的承载能力。通过中心的构件或多个中间构件安装到轮毂上的滚子由于当地面接触表面越过滚子安装构件的间隙时发生较大的挠曲，因此承载能力更低。因此，为了实现全向车辆商业化，需要设计在负载下旋转时具有恒定顺应性的万向轮，并且使得当车辆在平滑表面上移动时行驶高度不发生变化，由此减少车辆振动。 此外，需要具有更大负载能力的全向轮。

发明内容

本发明是一种车辆行驶高度恒定，车轮振动小，载重量高的万向轮。 本发明包括一种用于万向轮的滚子的设计，该设计在预期的加载范围内由于车轮转动只产生很小甚至零的高度波动。本发明包括在叉车，剪式升降机和轮椅车辆上使用低振动万向轮。本发明还包括一种用于设计用于全向车辆的低振动全向轮滚子的方法。

优点

本发明改善了全向车辆的行驶性能，减少了振动和行驶高度变化，从而消除了全向车辆商业化的主要缺陷。本发明通过减少由车轮引起的振动量使全向车辆能够以更高的行驶速度运行。 本发明增强了全方向车轮的载荷能力，因此全方向车辆可以靠换成本文的滚子设计承载更大的载荷。而且，本发明降低了平均车轮占地面积接触压力的峰值，并由此使得全向车辆在具有较低压缩强度的表面上可以作业。

附图的简要说明

图1示出了配备有全向轮的四轮全向叉车的透视图，该全轮定向轮包括六个滚子，该六个滚子靠中心支承并定位，成四十五度的滚子安装角。

图1

图2示出了全向轮的分解图，该全向轮包括六个中心支撑滚子，该六个中心支撑滚子围绕轮毂定位滚子安装角度为四十五度，示出了轮毂，滚子，滚子安装结构和用于将轮固定到车辆的其他结构。

图2

图3示出由六个中心固定滚子组成的全向轮的轮廓图，六个中心支撑滚子以四十五度的滚子安装角定位，示出了滚子如何成形并围绕轮毂定位以形成圆形轮廓。

图3

图4是全向轮的滚子的剖视图，展示了滚子的结构以及一个借助于外部轮廓实现低振动运作的例子，该外部轮廓偏离将使得万向轮有一个圆形轮廓。

图4

图5一个展示万向轮的滚子结构的剖视图和一个通过接触面的槽实现低振动动作的实例。

图5

图6是用于全向轮的滚子的剖视图，显示了滚子结构和通过接触表面中的具有不同刚度系数实现低振动操作的实例。

图6

图7示出了与车轮旋转轴线成九十度安装的滚子的可变万向轮的透视图，和一个通过接触表面中的凹槽实现低振动操作的实例。

图7

发明的详细描述

下面将描述本发明，其中展示了万向轮，万向轮的滚子以及使用这种轮子的车辆的实例的细节。对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，为清楚起见没有示出与本发明不相关的一些细节。

参考图1所示，叉车1等全向车辆由车辆底盘2，三个以上的全向车轮3，将车轮3与底盘2连结的车轮轴4，由驱动机构（未图示）驱动车轮3以使车辆移动。 一种车辆控制系统（未示出），例如由Amico发布的美国专利号5,701,966控制驱动机构，并协调车轮的旋转，以响应操作者指令在纵向和横向方向上同时驾驶车辆旋转和平移。

全向车辆操作的关键是全向车轮的设计。典型的全向轮如图3所示。如图2所示，全向轮3由轮毂5构成，轮毂5支撑多个滚子6并且安装到与车辆连接的轮轴4。滚子6通过滚子安装托架8在轮毂5周围的固定位置与轮毂5连接，因此滚子轴9相对于轮轴4成固定角度。将滚子轴9与轮轴4的中心线的角度定义为滚子安装角度。全向轮可以设计成大约二十度到九十度之间的滚柱安装角度，但是在实践中最常用的是约四十五和九十度的滚柱安装角。全向轮3上的滚子6的数量可以在四个以上随意设计，实际中最常用的是六到八个滚子。滚子6具有通常由诸如橡胶或聚氨酯的弹性体制成的柔性接地接触材料10。与表面10接触的万向轮滚子地面通常被设计成具有拱形的外部轮廓，该外部轮廓由安装在轮毂上的滚子的数量、全向轮的直径、滚子中心直径和滚子的角度确定，这样当万向轮3转动其与地面的接触时将以连续的方式从滚子转移到滚子。

先前对万向轮的描述已经强调了设计滚子的轮廓和将滚子围绕轮毂安装的重要性，以便确保它们的未变形的接触表面从与车轮的中心线侧向偏移的透视图中观察时，形成不间断的平滑圆形轮廓。可以产生这种光滑圆形轮廓的滚子在本文中被称为“圆形轮廓”。

先前全向车辆的描述强调，全向轮必须设计成滚子与地面的接触面成一定形状，从而使得滚子到滚子有一个完整的圆弧，使得从侧面观察时车轮具有圆形轮廓。然而，实际应用已经证明，设计有这种圆形外围的全向轮子在支撑负载的车辆并旋转的​​时候会产生车辆振动和行驶高度变化。车轮振动和行驶高度变化是由于滚子接地面在滚子轮廓上的不均匀顺应性造成的。由于弹性体的厚度和“圆形轮廓”滚子的直径沿着其凸起的拱形轮廓沿着滚子的长度变化，顺应性在车轮转向时表现出随着地面接触点的不同负载不断变化，沿着滚子的长度移动。由于这种滚子顺应性的变化，以前设计的全向轮在负载下运行时表现出明显的平坦点，这使得车辆行驶不均匀。本发明通过配置具有不同轮廓的滚子或改变接地接触材料的刚度或通过其组合来消除明显的扁平点，使得万向轮在负载下的有效轮廓是圆形的。

值得注意的是，使用包含本发明实施例的滚子的全方向轮将是非圆形轮廓，这与现有的万向轮公开的教导相矛盾。非圆形车轮轮廓在图3中示出。其中描绘了一个带有六个滚子的全向轮，与轮轴成45度角。每个滚子6通过安装支架8安装到轮毂5上。圆形虚线19与轮边缘同心，其显示轮的标称半径。滚子端部12的细节清楚地描绘了端部13处的滚子表面与划分圆形轮廓19的虚线的偏差。邻近支撑托架8的滚子的细节11清楚地示出了滚子表面14从划分轮廓19的虚线开始的偏差。

图4示出了滚子6和滚子安装支架8的一部分的截面图。滚子6是由金属，复合材料，塑料，陶瓷或其他合适的结构材料制成的核心15构成的实心回转体，以及地面接触表面10，其依靠结合，铸造，焊接，螺栓连接，锻造或以其它方式连接到核心15。核心15通过一个或多个可旋转的抗摩擦轴承16连接到滚子安装支架8。依据滚子6的构造可以使用抗摩擦轴承，包括如图4所示的滚珠轴承16。通过带螺纹的固定螺母7或其他适合的附件结构将滚子固定在轴上。

可有多种设计将核心15支承在抗摩擦轴承16上并将轴承连接到滚子安装支架8上。 图4示出了一个构造，其中滚子轴17被焊接或以其他方式机械地连接到滚子安装支架8，并且轴承16被安装到滚子轴17上。滚子核心15跨在轴向定位的轴承上，以便滚子在任何方向滚动。或者，滚子核心可以与滚子轴刚性地连接或形成一个单元，在这种情况下，滚子轴承安装在滚子核心和滚子安装支架之间并且连接到滚子核心和滚子安装支架。

如图4所示，滚子安装托架8可以在两个滚子6端部之间的中点附近支撑滚子轴17和核心15。 在这样的构造中，滚子6由两个连接到滚子轴17的可旋转的滚子构成，并且由滚子安装托架8附接到滚子轴17的间隙21。或者，滚子安装托架可以被设计成在滚子6的任一端处支撑滚子核心15或滚子轴17。此外，每个滚子6可以有一个、两个、三个或更多个安装支架8来支撑，在这种情况下，滚子将由多个的滚子由普通滚子核心或普通滚子轴支撑的子部分组成。

滚子接触表面10由柔性材料制成，该柔性材料将在与地面接触的点处变形以将施加的载荷散布到地面上的有限区域上。地面接触表面10可以由弹性体制成，例如聚氨酯或天然橡胶，有增加地面表面牵引力的好处。弹性体可以用纤维增强比如玻璃纤维，并且可以用炭黑之类的材料增强摩擦。同时，还有其他材料如玻璃填充尼龙可用于较高负载应用。

当全向轮3支撑车辆的重量时，负载通过轮轴4传递到轮毂5，然后通过滚子安装支架8传递到滚动轴承16，滚动轴承16将负载传递到滚子核心15并穿过它到一个或多个滚子6，这些滚子的表面材料10与地面接触，所受载荷施加到地面。

在使用中，图1所示的全向车辆由于滚子6和全向轮3之间的相互作用，滚子6能够沿任何方向移动。随着全向轮3旋转，与地面接触的滚子6可能受扭转绕轴17转动。在垂直于滚子轴17的方向上的滚动阻力是小的，因此全向轮3自由地在垂直于滚子轴17的方向的地面上移动并且被限制在平行于滚子轴17的方向。全向轮3的转动使滚子6的接触表面10上的与地面接触的点从滚子6的一端移动到另一端，直到轮3转到顺序中的下一个滚子与地面接触并承担负载。随着与地面的接触点沿着滚子6的长度移动，平行于滚子轴17的力被施加到轮毂5并且通过轮轴4传递到车辆1本身。全方向车辆运动的控制可以通过以前由美国专利No.4,559,981中的Ilon公开的方式，通过协调车轮的旋转来控制。美国专利No. 3,746,112.

在图4所示的本发明的首选实例中，滚子6接触表

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