[發明專利]一種高通過性仿生越沙輪面結構

有效

• 申請號: 201310160928.1
• 申請日: 2013-05-04
• 公開（公告）號: CN103223820A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 張銳;劉海寶;楊明明;曾桂銀;李建橋
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60B19/00
• 分類號: B60B19/00
• 代理公司: 長春市四環專利事務所 22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本發明涉及一種工程仿生結構，特別涉及一種高通過性仿生越沙輪面結構，本發明提高了車輛在沙漠、戈壁、月球、火星等松軟介質環境運行時的牽引通過性。本發明通過研究鴕鳥越沙過程中鴕鳥足底觸沙部位曲面形貌，根據工程仿生學原理，基于越沙輪面與沙土的作用關系，通過參數優化，發明一種高通過性仿生越沙輪面結構。

背景技術

隨著科技進步和社會發展，人們對資源尤其是能源需求的不斷加劇，常規地區的資源儲量已經開始日益匱乏，人們逐漸將開采地域轉向惡劣極端環境（如沙漠、戈壁），甚至再次掀起全球性的月球及火星探測熱潮。我國石油工作者遵循“穩定東部，發展西部”的戰略方針，在塔里木盆地和土哈盆地展開了向沙漠要油的奪油大戰。這些地區的石油勘探和開發是今后國民經濟建設的重點工程，對保證我國石油工業持續穩定發展，乃至今后十年至下個世紀的經濟建設與社會發展都具有十分重要的戰略意義。另外，經探測發現，月球和火星富含礦藏資源和珍貴能源，因此進行深空探測也已經成為中國乃至全球未來開發資源的重要方向。無論是地球極端環境的沙漠和戈壁，還是深空復雜環境的月球和火星，它們的共同特點是具有松散沙土（月壤和火星的土物理力學特性類似于松散沙土）工作環境。作為在松散沙土工作環境中完成探測、運輸及開采任務的重要裝備，車輛的基本功能是松散沙土表面的通過能力。由于車輛通過性能在很大程度上取決于直接與地面發生作用的車輪，因此越沙（壤）車輪研究已經成為重要的地（月）面車輛系統研究領域。在松散沙土工作環境中，由于沙土的承載能力和抗剪強度較差，導致普通車輪的牽引通過性非常不理想。安裝普通光滑輪面車輪的輪式車輛在沙地上行駛時，由于車輪滑轉下陷，嚴重影響了車輛的通過性能，限制了對松散沙土工作環境中礦藏資源及能源的勘探與開采。

發明內容

本發明的目的是提供一種高通過性仿生越沙輪面結構，本發明提高了車輛在沙漠、戈壁、月球、火星等松軟介質環境運行時的牽引通過性。本發明通過研究鴕鳥越沙過程中鴕鳥足底觸沙部位曲面形貌，根據工程仿生學原理，基于越沙輪面與沙土的作用關系，通過參數優化，發明一種高通過性仿生越沙輪面結構。

非洲鴕鳥（以下簡稱鴕鳥）原產于非洲和阿拉伯溫差較大的沙漠地區，主要生活在空曠的沙漠地帶和干燥無樹的大草原。鴕鳥屬于平胸類鳥，胸骨扁平不具龍骨突起，鎖骨退化，前肢演化成翅膀，已經退化不能飛翔，但后肢強壯而有力，在沙地環境中具有神奇的穩健、持久和高速奔跑能力，持續奔跑速度約50~60公里/小時，并可維持約30分鐘而不感覺累，沖刺速度可達70公里/小時以上，是當之無愧的沙地奔跑健將。鴕鳥足承載鴕鳥體重，直接與沙地接觸并參與運動，在鴕鳥越沙性能中起到至關重要作用。由于自然進化優化，鴕鳥足僅剩下兩個足趾，分別為第Ⅲ趾（內趾）和第Ⅳ趾（外趾），第Ⅲ趾粗壯較為發達，朝向正前方，趾末端具有發達而堅硬的趾甲。第Ⅳ趾較小，長度僅為第三趾的1/2，足趾甲已經退化。在鴕鳥運動過程中，鴕鳥足第Ⅲ趾與沙土主要接觸，起到固沙、限流和增大推力作用，而鴕鳥足第Ⅳ趾僅起到輔助支撐作用。在鴕鳥行走過程中，鴕鳥足第Ⅲ趾足底曲面與沙面接觸而足趾甲不著沙，第Ⅳ趾足底曲面著沙支撐；在鴕鳥奔跑過程中，鴕鳥足第Ⅳ趾足底曲面完全不著沙，只有鴕鳥足第Ⅲ趾足底曲面和足趾甲與沙土接觸。因此，無論鴕鳥行走還是奔跑過程中，鴕鳥足第Ⅲ趾足底曲面始終與沙土接觸，而且鴕鳥都能夠在沙地中自如通行。因此，鴕鳥在沙地環境的越沙特性與鴕鳥足第Ⅲ趾足底曲面形貌密切相關。如果能將鴕鳥足第Ⅲ趾足底曲面的超強越沙能力應用于越沙輪面結構設計，將有助于明顯提高越沙輪的牽引通過性。本發明通過深入研究鴕鳥足第Ⅲ趾足底曲面形貌，采用逆向工程技術，根據工程仿生學原理，經優化簡化，并基于越沙輪面與沙土的作用關系，設計出一種高通過性仿生越沙輪面結構。

本發明是在基準車輪的表面形成有數個相同的輪面結構，所述的輪面結構是以七條圓弧段光滑搭接的曲線段沿車輪寬度拉伸而成，以基準車輪尺度為基礎，所述七條圓弧段相關尺度數據如下；長度單位均為mm：

基準車輪：O=(0，0)，R=150；O是圓心，R是半徑；

第一條圓弧段：O₁=(0，-159.2)，R₁=9.2，θ₁?=47.473°；O₁是第一條圓弧段的圓心，R₁是第一條圓弧段的半徑，θ₁是第一條圓弧段的夾角；