一種新型全方位移動輪的研制

楊芳 蘇向東 范貞

摘 要：輪子是車子的“腳”，輪胎是車子的“鞋”。一雙靈活的“腳”，就能賦予車更靈動的生命力。而此次我們將要探索走近的是一種新型全方位移動輪的研究與制作，該新型作品面對多種應用領域的需求，對輪子靈活性的需求及獨特的外觀進行創新性的設計，該設計是對現有常見的輪子進行大量次數的分析改進，而制作成型的一種新型可全方位移動的輪子，該產品是結合受力及理論分析和試驗研究綜合考慮之下而完成的一種新型全方位移動輪。

關鍵詞：車；新型全方位移動輪；外觀；靈活性

目前我國輪子形式比較單一，靈活性較差。在生活領域的應用中，為了提高箱子靈活性又發明了萬向輪式旅行箱，這些旅行箱對行駛環境路況具有很大要求，這使得旅行箱在各種環境下使用特別不便，給很多人增添了煩惱。有一部分“手推車”使用三腳輪，這樣輪子的功能被擴展了，除了可以在平地上推動，還能夠完成“爬樓梯”這樣高難度的“動作”。除了在我們身邊的生活中有需求這樣多功能輪子的拓展，在遙遠的太空領域中也同樣需要這樣一雙靈活的“腳”，如太空小車就需要這樣的“腳”，可以在細砂碎石的路況下完成勘測工作，在不同的路況中來回穿梭，行動自如。

在以上問題可以說明，靈活“腳”對一輛車的重要性。新型的車輪可使車輛的使用范圍更加廣泛，因此，可見設計一種新型全方位移動輪子，對于擴展車的使用范圍的重要性。

1 新型全方位移動輪的研究目的

這種新型全方位移動輪能滿足多種應用領域的各種靈活性需要，應用范圍要廣，適用性要大。例如：新型汽車領域，太空小車領域，機器人領域及行李箱等都需要靈活輪子的領域。此輪子不但擁有萬向輪的靈活特點，還可以適應凹凸不平的沙粒路面，進行輕松全方位移動，大大增加了輪子承載體的適應性及靈活性，使一些靠人力移動的車不再是“硬拖”“硬拉”“硬拽”，給人們以便捷，高效的生活，而對于一些非人力驅動的車，可以大大提升其運動的靈活性及對路況的適應性。

2 研究的內容及解決方法

在新型全方位移動輪的研制過程中，主要研究的內容包括：合理設計輪轂形狀；小輪個數分布及偏轉角度；達到靈活性的前提下，對輪子簡化結構，達到輕便，節省材料及增加靈活的特點；小輪支架與輪轂連接處采用一定角度旋轉的設計，增加其全方位移動的特點；主要針對奇數個小輪分布進行方案研究等。

在研究的過程中也存在了許多問題，研究者也采取了相應的解決措施：結構上的設計問題，采用“整體大輪，邊緣小輪”的設計理念，主要針對輪轂形狀，小輪個數分布及小輪偏轉角度設計的合理性及整體設計的協調性問題。對其解決方法是對整體進行受力分析及選擇穩定的數學幾何圖形來進行設計，并參考相關具體實例數據進行具體分析；材料選擇的合理性問題.采取的解決方法是不同領域可根據需要選擇不同的材料，具體材料通過試驗和數據綜合進行解決的 ；細節設計和3D技術制作等問題。

為實現輪子的全方位移動的功能，并將此新型全方位移動輪應用在多種科技領域，如生活用品領域，航天領域，汽車領域及機器人領域等，滿足多種領域對輪子靈活性的需求，其實物制作和細節很重要。采用的相應的解決方法是切實地利用3D打印技術并進行實踐制作，部分細節問題與相關技術人員共同分析。

3 新型全方位移動輪結構的設計介紹

新型全方位移動輪的結構設計：采用“整體大輪，邊緣小輪”的設計理念，主要針對輪轂形狀，小輪個數分布及小輪偏轉角度進行試驗分析，將各個方向上的力合理的利用其結構特點分布到各個方向上去，關于整輪和小輪尺寸的設計及整體的比例問題，試驗人員進行了多次的實驗并找到了相對合理的比例及尺寸。其輪轂側面采用“I”型設計，其正面采用正多邊形設計，邊緣小輪支架采用拱形設計，輪轂內部采用較穩定且承受能力較強的“圓形孔”設計，此設計可以減輕輪子本身重量，間接增加其靈活度。通過大量的實驗結果顯示，小輪的偏轉角度為45度時，整體“大輪”更穩定。其小輪的制作輪廓采用圓弧形且材料及形狀采用多種類型設計，目的是能適用于多種地面環境且使用時改變方向更加方便靈活。這種新型全方位移動輪的制作是利用CATIA軟件進行三維設計，并結合3D打印技術進行制作。在實際應用中，材料的最終選擇可以根據不同需求選擇合適材料，從而實現輪子的全方位移動功能。

4 新型全方位移動輪的創新之處

此種新型全方位移動輪未來的發展方向應面向多個領域，如生活用品領域，航天領域，汽車領域及機器人領域等，它的創新之處包括：新型全方位移動輪將單輪與萬向輪的特點很融洽的相結合；新型全方位移動輪將改變人們原有“車的腳”認識觀念，一改傳統車輪的固有形態；其輪子結構設計依據“分力”的力學理論基礎，給輪子的設計帶來了新的研制和發展思路；其外形結構上的創新設計，整體外形新穎，改變傳統輪子的固有圓形外觀；采用3D打印科技技術，在制作方面引領科技前沿，并帶動新興科技的發展，實現多個科技領域的應用，提升“車”技術的快速發展，給人們以便捷，先進的生活品質，同時也推動汽車行業，乃至航天事業的進步。

5 結語

新型全方位移動輪的投入使用，將會把車子的“腳”帶進一個新的科技高度，它的使用將在未來科技領域展開一個新的篇章，我們也期待它技術發展的成熟，從而造福于全人類，乃至全宇宙。

參考文獻：

[1] 周大威.全方位移動半自主控制清掃機器人的研究.哈爾濱工業大學，2000.

[2] 張海兵.輪式全方位移動機構的研究.哈爾濱工業大學，2001.

[3] 濮良貴.機械設計第九版.高等教育出版社，2013.

項目名稱：遼寧省省級大創項目資助（項目編號：201510144025）

作者簡介：

楊芳（1994-），女，遼寧鞍山人，本科，交通運輸專業；

蘇向東（1971-），男，遼寧沈陽人，教師；

范貞（1993-），男，遼寧北票人，本科，車輛工程專業。