基于四杆单纯形的张拉整体车轮结构

这款轮体结构采用张拉整体设计思路，核心依托四杆单纯形构型搭建受力体系，和传统实心轮辋、辐板式车轮的传力逻辑有本质区别。传统车轮多依靠金属构件的抗压、抗弯能力承载载荷，轮辐、轮辋需要足够的截面尺寸来抵抗路面冲击带来的弯矩，整体重量很难做到极致压缩，而该张拉整体轮将受力拆分到离散的压杆与拉索单元中，压杆仅承受轴向压力，拉索全程承受轴向拉力，不存在多余的抗弯截面冗余，材料的力学性能可以得到充分发挥。从实际应用场景来看，这类轻量化轮体首先适配对自重控制要求极高的特种移动装备，比如深空探测的星球车、轻量化科考探测车、小型无人移动平台，这类装备的动力储备有限，轮体减重可以直接降低行走系统的负载，提升续航能力，同时张拉结构自带的阻尼特性可以过滤行驶过程中的细碎振动，减少振动传递到车架上的载荷，降低车载精密传感器的振动干扰。设计过程中需要先确定轮体的整体外径尺寸，匹配对应装备的安装接口边界，轮心的安装座需要预留和轮毂轴配合的安装孔位，保证和现有行走驱动系统的适配性，不需要额外改动车架的悬挂安装点。整个轮体的压杆采用离散布置，相邻压杆之间通过预张拉的索体连接，所有索体的预紧力需要经过反复调校，保证轮体在承受垂向载荷、侧向冲击、扭转力矩的时候，所有索体都不会出现松弛失效的情况，压杆也不会出现失稳屈曲的问题。和传统辐条轮相比，这种线框式的张拉轮没有封闭的轮辐面，行驶过程中不会夹带泥沙、碎石，在松软沙地、泥泞路面行驶时的拥土阻力更小，同时镂空的结构也不会积存雨水，减少了构件腐蚀的风险。在结构调校阶段，需要重点验证不同载荷下的轮体形变量，保证轮体在额定承载下的径向跳动量控制在行走系统允许的范围内，避免行驶过程中出现过度颠簸，同时侧向刚度也要满足转向时的受力要求，避免转向过程中轮体出现过大的侧向形变影响操控精度。压杆的端部连接节点是整个结构的关键部位，需要保证拉索的固定可靠，同时避免节点处出现应力集中，所有拉索的张力可以通过端部的调节结构进行微调，方便后期维护时重新校准预紧力，不需要整体更换构件。