一种多边形车轮及其齿轮驱动机构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种多边形车轮及其齿轮驱动机构。
【背景技术】
[0002] 自从车轮被发明出来开始，一直到现在，车轮都是圆的，相对于其它形状，圆形在 滚动时候的平顺性和驱动的传动比都是自然满足的。其它的形状由于滚动时候的颠鑛，也 被认为无法作为车轮使用，甚至出现在用于启发小学生智力的问答题里面"为什么车轮不 能是Ξ角形r。然而圆形车轮也是有其固有的缺点：在泥巧的道路上，由于圆形的车轮没有 棱角，常常出现打滑现象。
【发明内容】
[0003] 发明目的:针对上述现有技术，提出一种多边形车轮及其齿轮驱动机构，多边形车 轮能够与驱动机构配合来抵消掉多边形车轮运动时上下方向的颠鑛，同时保证传动比稳 定。
[0004] 技术方案:一种多边形车轮，所述多边形车轮包括η条圆弧形的边，每条边的弧度 和弧长均相等，每条边的圆屯、角θι = 180°/η，η条边依次首尾连接构成封闭图形，每条边的 弧拱朝向封闭图形的外侧，η取大于1的整数;所述多边形车轮的中屯、位于所述封闭图形中 间，并到各条边连接点的距离相等。
[0005] 进一步的，每条边的外围均增加一条外缘扩展段，每条外缘扩展段与对应边之间 的厚度处处相等，相邻两条边对应的外缘扩展段的相邻端部通过圆弧段连接。
[0006] -种多边形车轮的齿轮驱动机构，包括驱动轴、曲柄轴、第一外齿轮、第一内齿轮、 车轮轴、第二外齿轮W及第二内齿轮;其中，所述第一内齿轮固定在车架上，驱动轴穿过第 一内齿轮的圆屯、并通过轴承固定在车架上;所述驱动轴通过曲柄连接曲柄轴，第一外齿轮 通过轴承套接在曲柄轴中部并与所述第一内齿轮晒合，所述第一外齿轮与第一内齿轮的齿 数比为1:2;所述第一外齿轮的端面上固定连接连杆的一端，所述连杆垂直曲柄轴，连杆的 另一端固定连接车轮轴;所述车轮轴通过轴承固定在多边形车轮的中屯、点位置，第二内齿 轮固定在多边形车轮的侧面，第二外齿轮固定在所述曲柄轴端部，第二外齿轮与第二内齿 轮晒合，所述第二外齿轮与第二内齿轮的齿数比为(η-1):化。
[0007] -种多边形车轮设计方法，包括如下步骤：
[000引步骤1)，确定第一条边：W0点为圆屯、，半径为r，并Κθι = 180°/η为圆屯、角得到圆 弧:?为第一条边;其中，Α、Β分别为圆弧:S的两个端点；
[0009]步骤2)，确定多边形车轮的中屯、点C:在圆屯、0到直线ΑΒ的垂线段上确定满足条件 ZACB = 36〇Vn的点为中屯、点C;并得到中屯、点C到端点Α、Β的距离均为l=r/2cos(0i/2); [0010]步骤3)，确定剩余的n-1条边:将圆弧盈W中屯、点C为中屯、阵列n-1份，得到一个封 闭的多边形车轮图形;其中，η为多边形的边数，η取大于2的整数。
[0011]进一步的，还包括对所述步骤3)中得到的相邻两条边连接处所形成尖锐角的扩展 圆角步骤:首先，在每条边的外围均增加一条外缘扩展段，每条外缘扩展段与对应边之间的 厚度处处相等，外缘扩展的厚度取值为0.1 r~r;然后，将相邻两条边对应的外缘扩展段的 相邻端部通过圆弧段连接。
[0012] 进一步的，还包括对所述多边形车轮轮廓的修正步骤：
[0013] 步骤a),建立车身坐标系，所述车身坐标系W驱动轴的几何中屯、为原点，车身水平 前进方向为X轴，竖直向上为Y轴；
[0014] 步骤b)，假设车身做匀速直线前进，得到车轮中屯、点相对所述车身坐标系的运动 轨迹为：
[0017] 其中，Θ为任意时刻多边形车轮转过的角度；
[0018] 步骤C)，分析得到齿轮驱动机构中车轮轴相对所述车身坐标系的运动轨迹为楠圆 形；
[0019] 步骤d)，运用展成法对多边形车轮的轮廓进行调整，形成车轮中屯、点与车轮轴相 对所述车身坐标系的运动轨迹相重合。
[0020] 7.根据权利要求6所述多边形车轮设计方法，其特征在于:所述步骤d)包括如下步 骤：
[0021 ]步骤P1 )，通过调整齿轮驱动机构中曲柄轴和连杆的长度，使得车轮轴相对所述车 身坐标系的运动轨迹的四个极点与车轮中屯、点相对所述车身坐标系的运动轨迹的上下左 右四个点重合;其中，车轮轴相对所述车身坐标系的运动轨迹的半长轴为曲柄轴和连杆的 长度之和，半短轴长度为曲柄轴和连杆的长度之差；
[0022] 步骤P2)，获取车轮中屯、点与车轮轴运动轨迹在所述车身坐标系中关于X方向和Y 方向的差值；
[0023] 步骤P3)，根据Y方向的差值确定任意时刻车轮中屯、点距离地面的距离;若Y方向的 差值小于0则将对应位置多边形车轮外援向外扩展，直至差值等于0;
[0024] 步骤P4)，根据步骤P3)确定的距离将多边形车轮边缘上所有超出所述距离的部分 切除；
[0025] 步骤P5)，用数值方法获得调整后的多边形车轮的周长，进而获得用数值方法描述 的调整后车轮中屯、点相对车身坐标系的新的运动轨迹，然后返回执行步骤P1)，直至两个运 动轨迹在所述车身坐标系中关于X方向和Y方向的差值小于l(T4mm。
[0026] 有益效果:本发明使用一类多边形代替圆形作为车轮，同时采用配合齿轮驱动机 构使其可W像圆形轮子一样运动平稳而且传动比稳定，解决在泥巧道路上打滑的问题。
【附图说明】
[0027] 图1为多边形车轮示意图；
[002引图2为多边形车轮设计图；
[0029] 图3为多边形车轮增加外缘扩展段的示意图；
[0030] 图4为齿轮驱动机构结构图；
[0031 ]图5为车轮中屯、运动轨迹与齿轮驱动机构驱动轴运动轨迹对比图；
[0032] 图6为计算方法理论误差；
[0033] 图7为多边形车轮与齿轮驱动结构实例装配图；
[0034] 图8为多边形车轮与齿轮驱动结构整体示意图；
[0035] 图9为展成法对车轮轮廓调整示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0037] -种多边形车轮包括η条圆弧形的边，每条边的弧度和弧长均相等，每条边的圆屯、 角Θι = ?80°/η，η条边依次首尾连接构成封闭图形，每条边的弧拱朝向封闭图形的外侧，η取 大于1的整数。多边形车轮的中屯、位于封闭图形中间，中屯、到各条边连接点的距离相等。如 图1所示，图中分别为η为2、3、4、5的多边形车轮示意图。
[0038] 如图2所示，上述多边形车轮设计方法包括如下步骤：
[0039] 步骤1)，确定第一条边：W〇点为圆屯、，半径为r，并Κθι = 180°/η为圆屯、角得到圆 弧31为第一条边;其中，Α、Β分别为圆弧:石j的两个端点。
[0040] 步骤2)，确定多边形车轮的中屯、点C:在圆屯、0到直线AB的垂线段上确定满足条件 ACB = 360 /η的点为中心点C;并得到中心点C到?而点A、B的距罔均为1 = ;r/2cos(目i/2)。
[OOW 步骤3)，确定剩余的n-1条边:将圆弧3 W中屯、点C为中屯、阵列n-1份，如图2中虚 线所示，得到一个封闭的多边形车轮图形;其中，η为多边形的边数，η取大于1的整数，当η取 不同数值时可W得到一系列多边形车轮的结构。
[0042] 此时，多边形车轮中相邻两条边的连接处过于尖锐，如图3所示，还包括对得到的 相邻两条边连接处所形成尖锐角的扩展圆角步骤:首先，在每条边的外围均增加一条外缘 扩展段，每条外缘扩展段与对应边之间的厚度处处相等，外缘扩展的厚度取值为O.lr~r; 然后，将相邻两条边对应的外缘扩展段的相邻端部通过圆弧段连接。在多边形车轮的外面 增加一圈外缘扩展段，使尖角部位变成圆角过渡;运个外缘扩展段宽度处处相等，保证了在 增加了圆角W后，保持原有几何性能。
[0043] 如图4所示为配合上述多边形车轮工作的齿轮驱动机构，包括驱动轴2、曲柄轴4、 第一外齿轮5、第一内齿轮6、车轮轴8、第二外齿轮10W及第二内齿轮11。其中，第一内齿轮6 固定在车架1上，驱动轴2穿过第一内齿轮6的圆屯、并通过轴承固定在车架1上，驱动轴2相对 车架转动，给整个机构输入驱动力矩。驱动轴2通过曲柄3连接曲柄轴4，驱动轴转动时，曲柄 轴随之做圆周运动。第一外齿轮5通过轴承套接在曲柄轴4中部并与第一内齿轮6晒合，第一 外齿轮5可W相对曲柄轴转动;第一外齿轮5与第一内齿轮6的齿数比为1: 2,保证了第一外 齿轮5的转速与驱动轴2转速相反大小相同。第一外齿轮5的端面上固定连接连杆7的一端， 连杆7垂直曲柄轴4,连杆7的另一端固定连接车轮轴8,连杆7能够与外齿轮1同轴转动。车轮 轴8通过轴承固定在多边形车轮9的中屯、点C位置;第二内齿轮11固定在多边形车轮9的侧 面，与多边形车轮同轴转动;第二外齿轮10固定在曲柄轴4端部，第二外齿轮10与第二内齿 轮11晒合，第二外齿轮10与第二内齿轮11的齿数比为(n-1):化，保证多边形车轮转速是驱 动轴转速的1 /η，且方向相反。
[0044] 为了抵消颠鑛和传动比变化的效果，需要保证车轮轴的运动轨迹刚好跟多边形车 轮前进时候轮子中屯、的运动轨迹刚好重合，因此，还包括对多边形车