ITCA20110004A1 - NON PNEUMATIC WHEEL, WITH INTEGRATED FUNCTIONALITY, FOR SUSPENSION, AMMIT, INCREASED ADHERENCE AND ENERGY COLLECTION FUNCTION (ENERGY SCAVENGING) - Google Patents

Description

“Ruota non pneumatica, a funzionalità integrata, per sospensione, ammortizzo, aderenza aumentata e funzione di raccolta di energia (Energy Scavenging)†⠀ œNon-pneumatic wheel, with integrated functionality, for suspension, cushioning, increased grip and energy harvesting function (Energy Scavenging) â €

TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION

Campo della tecnica Field of technique

La presente invenzione si riferisce al campo della tecnica dell’Ingegneria Meccanica, dell’ Automotive, delle macchine mobili che operano movimento di oggetti e strumenti, dello spazio per sistemi semoventi come rover di esplorazione e operativi ed a quei semoventi che traggono vantaggio da una integrazione delle funzioni fondamentali della sospensione (caratteristica elastica, smorzante, e capacità di adattarsi al terreno aderendo saldamente e di raccogliere energia per alimentare sensori e servizi a bordo ruota) e dall’ evitare che ci siano degli pneumatici soggetti ad eventuale scoppio e perdita di fluido con la conseguente impossibilità di proseguire la missione. Questo risulta utile per macchine agricole, movimento terra, mezzi esposti ad esplosioni e danni da mine od operanti in ambiente ostile e non convenzionale. The present invention refers to the field of mechanical engineering, automotive, mobile machines that operate movement of objects and tools, space for self-propelled systems such as exploration and operational rovers and self-propelled ones that benefit from an integration of the fundamental functions of the suspension (elastic and damping characteristics, and the ability to adapt to the ground by adhering firmly and to collect energy to power sensors and services on the wheel) and avoiding that there are tires subject to possible blowouts and leaks of fluid with the consequent impossibility of continuing the mission. This is useful for agricultural machinery, earth moving machines, vehicles exposed to explosions and damage from mines or operating in a hostile and unconventional environment.

Arte nota Known art

Lo stato della tecnica preesistente, per quanto a conoscenza dell’ inventore, conta diversi esempi e tentativi nella realizzazione di dispositivi atti a soddisfare alcune delle esigenze sopra menzionate, ma nessuno di questi risulta essere del tipo di quello descritto in questo documento. Ruote non pneumatiche, che integrino la funzione di deformabilità elastica della sospensione, risalgono già al XIX secolo: esistono progetti di ruote per carrozze, come quello del brevetto di Gulio Latini, che, al fine di ottenere il confort dei passeggeri, hanno raggi deformabili in grado di consentire significative eccentricità dell’asse del mozzo rispetto all’asse della ruota. Nulla si ha in questa applicazione, però, di integrato nella ruota per la funzione di adattabilità della ruota ad asperità del terreno, smorzamento, grip aumentato e energy scavenging. The pre-existing state of the art, as far as the inventor is aware, includes several examples and attempts in the realization of devices able to satisfy some of the above mentioned requirements, but none of these are of the type described in this document. Non-pneumatic wheels, which integrate the elastic deformability function of the suspension, date back to the 19th century: there are designs of carriage wheels, such as that of the Gulio Latini patent, which, in order to obtain passenger comfort, have deformable spokes in able to allow significant eccentricity of the hub axis with respect to the wheel axis. In this application, however, nothing is integrated into the wheel for the function of adaptability of the wheel to rough terrain, damping, increased grip and energy scavenging.

In campo aerospaziale diversi sono gli esempi e le realizzazioni di ruote non pneumatiche; tra questi si citano, in ordine di tempo, le ruote del rover russo Lunkod, telecomandato, dei primi anni settanta. Tali ruote sono costituite da un battistrada anulare cilindrico in metallo, collegato al mozzo da raggi tangenziali al mozzo stesso; un treno di otto ruote supportano il rover Lunokod, senza avere alcun compito di sospensione. In seguito, il MET (Modularized Equipment Transport) della missione Apollo 14, anch’esso dei primi armi settanta, aveva una ruota con una carcassa in elastomero, internamente sorretta da un toro cavo pressurizzato ad azoto, questa ruota era stata sviluppata dalla Goodyear. La missione Apollo 15 prevedeva l’utilizzo del LRV (Lunar Roving Vehicle) veicolo guidato dagli astronauti e dotato di ruote toroidali sviluppate dalla General Motors; queste ruote sono a maglie metalliche intrecciate, con riporti in metallo sulla parte battistrada. Internamente alla maglia toroidale si trova uno scheletro interno realizzato da una struttura elastica ad archi giacenti nei piani sagittali della ruota e di raggio inferiore alla sezione della maglia, in questo modo si garantisce uno schiacciamento massimo della parte deformabile della ruota stessa, comunque tale da non annullare lo spessore della parte toroidale, anche in presenza di carichi elevati. In the aerospace field there are several examples and realizations of non-pneumatic wheels; among these are mentioned, in chronological order, the wheels of the Russian remote-controlled rover Lunkod from the early seventies. These wheels consist of an annular cylindrical metal tread, connected to the hub by spokes tangential to the hub itself; a train of eight wheels support the Lunokod rover, without having any suspension tasks. Later, the MET (Modularized Equipment Transport) of the Apollo 14 mission, also of the early seventies weapons, had a wheel with an elastomer carcass, internally supported by a nitrogen pressurized hollow bull, this wheel was developed by Goodyear . The Apollo 15 mission involved the use of the LRV (Lunar Roving Vehicle) vehicle driven by astronauts and equipped with toroidal wheels developed by General Motors; these wheels have interwoven metal links, with metal inserts on the tread part. Inside the toroidal link there is an internal skeleton made of an elastic structure with arches lying in the sagittal planes of the wheel and with a radius lower than the link section, in this way a maximum crushing of the deformable part of the wheel is guaranteed, in any case such as not to cancel the thickness of the toroidal part, even in the presence of high loads.

Problema tecnico Technical problem

La ruota oggetto del presente brevetto risponde ad una serie di problemi tecnici posti dalla necessità di disporre di un sistema in grado di consentire Γ avanzamento su piste non regolari, con presenza di interfacce diverse (roccia dura lisci o scabra, sabbia, terra, ghiaccio, neve, fango...) di mezzi con massa significativa. L’invenzione à ̈ in grado di offrire ed integrare le soluzioni ai seguenti problemi: The wheel object of this patent responds to a series of technical problems posed by the need to have a system capable of allowing "advancement on irregular tracks, with the presence of different interfaces (smooth or rough hard rock, sand, earth, ice , snow, mud ...) of vehicles with significant mass. The invention is able to offer and integrate solutions to the following problems:

• Problema derivante dalla necessità di svolgere la funzione di ruota trascinata o di ruota motrice (o frenata) potendo scaricare a terra una coppia (motrice o resistente rispetto al moto). â € ¢ Problem deriving from the need to perform the function of driven wheel or driving wheel (or braking) being able to discharge a torque to the ground (driving or resistant with respect to the motion).

• Problema derivante dalla necessità di assorbire ed inglobare asperità all’interfaccia con la pista, evitando deformazione globale della ruota stessa, ma assorbendo l’asperità con una deformazione locale; â € ¢ Problem deriving from the need to absorb and incorporate roughness at the interface with the track, avoiding global deformation of the wheel itself, but absorbing the roughness with a local deformation;

• Problema derivante dalla necessità di una sospensione elastica; â € ¢ Problem arising from the need for an elastic suspension;

• Problema derivante dalla necessità di una sospensione smorzata; â € ¢ Problem arising from the need for a damped suspension;

• Problema derivante dalla necessità di una aderenza il più elevata possibile con la pista, anche in presenza di pista in condizioni sfavorevoli (acqua, ghiaccio, neve, sabbia, roccia...), evitando il più possibile perdite di energia per attrito voi venie; â € ¢ Problem deriving from the need for as high a grip as possible with the track, even in the presence of a track in unfavorable conditions (water, ice, snow, sand, rock ...), avoiding as much energy loss as possible due to friction you come;

• Problema derivante dalla necessità di un sistema di generazione di energia (funzione di Energy Scavenging); â € ¢ Problem deriving from the need for an energy generation system (Energy Scavenging function);

Sommario dell’invenzione (soluzione del problema tecnico) Summary of the invention (solution of the technical problem)

La ruota, oggetto del presente brevetto, risponde ad una serie di problemi tecnici posti dalla necessità di disporre di un sistema in grado di consentire l’avanzamento su piste non regolari, con presenza di interfacce diverse (roccia dura lisci o scabra, sabbia, terra, ghiaccio, neve, fango...) di mezzi con massa significativa. L’invenzione à ̈ in grado di offrire ed integrare le soluzioni ai seguenti problemi, in riferimento alle figure 1, 2 e 3. The wheel, object of this patent, responds to a series of technical problems posed by the need to have a system capable of allowing advancement on irregular tracks, with the presence of different interfaces (smooth or rough hard rock, sand, earth, ice, snow, mud ...) of vehicles with significant mass. The invention is able to offer and integrate solutions to the following problems, with reference to figures 1, 2 and 3.

Problemi affrontati ed esigenze soddisfatte dalla presente invenzione sono: Problems faced and needs satisfied by the present invention are:

• Problema derivante dalla necessità di potere disporre di una ruota in grado di svolgere la funzione di ruota trascinata e di ruota motrice (o frenata) potendo scaricare a terra carichi e coppia (motrice o resistente rispetto al moto). â € ¢ Problem deriving from the need to have a wheel capable of performing the function of driven wheel and driving (or braking) wheel, being able to discharge loads and torque to the ground (driving or resistant with respect to the motion).

A questa necessità l’invenzione, descritta in questo brevetto, risponde efficacemente con un battistrada (1) che à ̈ sostenuto da una serie di elementi (2) in grado di trasmettere carichi al terreno e, tra questi, anche carichi tangenziali, oltre che normali, al contatto con il terreno. Tali carichi tangenziali si traducono in momento sull’asse della ruota. A questi carichi la ruota à ̈ in grado di opporre resistenza, infatti ogni elemento strutturale, che rappresenta la catena di trasmissione dei carichi dall’asse fino al contatto col terreno, à ̈ disegnato in modo da resistere opportunamente: il mozzo (3) trasmette momento ai raggi elastici (4), essi trasmettono tale carico al cerchione (5), a sua volta quest’ultimo alla schiera triangolare (2) ed infine al battistrada (1) ed ai tastatori penetratoli retrattili (6). The invention described in this patent responds effectively to this need with a tread (1) which is supported by a series of elements (2) capable of transmitting loads to the ground and, among these, also tangential loads, as well as than normal, in contact with the ground. These tangential loads translate into moment on the wheel axis. The wheel is able to resist these loads, in fact each structural element, which represents the chain of transmission of the loads from the axle to the contact with the ground, is designed in such a way as to resist appropriately: the hub (3) transmits moment to the elastic spokes (4), they transmit this load to the rim (5), the latter in turn to the triangular array (2) and finally to the tread (1) and to the retractable penetrating feelers (6).

• Problema derivante dalla necessità di potere disporre di una sospensione elastica tra ruota e mezzo semovente; â € ¢ Problem arising from the need to have an elastic suspension between the wheel and the self-propelled vehicle;

A questa necessità l’invenzione, descritta in questo brevetto, risponde efficacemente con l’azione degli elementi elastici interposti tra mozzo (3) e cerchione (5), in grado anche di svolgere azione di giunto a torsione intorno all’asse del mozzo. The invention described in this patent responds effectively to this need with the action of the elastic elements interposed between the hub (3) and the rim (5), which are also able to perform a torsional joint action around the axis of the hub.

• Problema derivante dalla necessità di potere disporre di uno smorzamento della sospensione tra ruota e mezzo semovente; â € ¢ Problem deriving from the need to be able to have a suspension damping between the wheel and the self-propelled vehicle;

A questa necessità l’invenzione, descritta in questo brevetto, risponde efficacemente con l’azione del materiale smorzante (7) che à ̈ introdotto nei vani tra i raggi e nelle intercapedini (8), in prossimità del battistrada. The invention described in this patent responds effectively to this need with the action of the damping material (7) which is introduced into the spaces between the spokes and into the gaps (8), close to the tread.

• Problema derivante dalla necessità di disporre di una ruota in grado di assorbire asperità all’ interfaccia con la pista, evitando deformazione globale della ruota stessa, ma assorbendo l’asperità con una deformazione locale; â € ¢ Problem deriving from the need to have a wheel capable of absorbing roughness at the interface with the track, avoiding global deformation of the wheel itself, but absorbing the roughness with a local deformation;

A questa necessità l’invenzione, descritta in questo brevetto, risponde efficacemente con un battistrada (1), dotato di ai tastatori penetratori retrattili (6), che à ̈ sostenuto da una serie di elementi e strati9 di materiale a cedevolezza controllata (9), in grado di cedere localmente e di assorbire le asperità senza trasmettere deformazione al resto della ruota. The invention, described in this patent, responds effectively to this need with a tread (1), equipped with retractable indenter feelers (6), which is supported by a series of elements and layers9 of controlled compliance material (9 ), capable of locally yielding and absorbing roughness without transmitting deformation to the rest of the wheel.

• Problema derivante dalla necessità di ottenere una aderenza il più elevata possibile con la pista, anche in presenza di pista in condizioni sfavorevoli (acqua, ghiaccio, neve, sabbia, roccia...), evitando il più possibile perdite di energia per attrito volvente; â € ¢ Problem deriving from the need to obtain the highest possible grip with the track, even in the presence of a track in unfavorable conditions (water, ice, snow, sand, rock ...), avoiding as much energy as possible for rolling friction;

A questa necessità l’invenzione, descritta in questo brevetto, risponde efficacemente con una serie di tastatori penetratori retrattili elasticamente (6) che penetrano nella rugosità e nell’asperità del terreno anche roccioso, bagnato, ghiacciato... e che, in presenza di terreno liscio e duro, si retraggono escludendo la loro azione quando non necessaria o non efficace. La retrazione à ̈ automatica per l’elasticità presente. The invention, described in this patent, responds effectively to this need with a series of elastically retractable penetrating feelers (6) that penetrate the roughness and roughness of the soil, even rocky, wet, icy ... and which, in presence of smooth and hard ground, they retract excluding their action when not necessary or not effective. The retraction is automatic due to the elasticity present.

• Problema derivante dalla necessità di disporre di un sistema di generazione di energia per sensori, servizi a bordo ruota (funzione di Energy Scavenging); â € ¢ Problem arising from the need to have an energy generation system for sensors, on-board services (Energy Scavenging function);

A questa necessità l’invenzione, descritta in questo brevetto, risponde efficacemente con dispositivi che potranno essere di diverso principio di funzionamento (piezoelettrici, elastici, con ancore elettromagnetiche,...) in grado di raccogliere l’energia associata a deformazione, accelerazione, carchi presenti nelle parti della ruota. Per esempio sarà possibile, con elementi piezoelettrici, convertire il carico e la deformazione negli elementi deformabili come raggi ed elementi a cedevolezza controllata, in energia, per esempio elettrica per alimentare sensori e servizi, di pressione di un fluido, potenziale elastica... The invention described in this patent responds effectively to this need with devices that may have different operating principles (piezoelectric, elastic, with electromagnetic anchors, ...) capable of collecting the energy associated with deformation, acceleration, loads present in the parts of the wheel. For example, it will be possible, with piezoelectric elements, to convert the load and deformation in deformable elements such as radii and controlled compliance elements, into energy, for example electrical to power sensors and services, fluid pressure, elastic potential ...

Elenco delle figure allegate List of attached figures

Scopi e vantaggi della presente invenzione sono indicati nella descrizione particolareggiata svolta nel seguito dove si illustra un esempio di realizzazione con eventuali varianti e dai disegni, allegati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui: The purposes and advantages of the present invention are indicated in the detailed description carried out in the following which illustrates an example of embodiment with possible variants and from the drawings, attached purely for explanatory and non-limiting purposes, in which:

• Nella figura 1 si ha una vista dello schema d’insieme della ruota, in accordo con la presente invenzione; • Nella figura 2 si ha una vista assonometrica dello schema d’insieme della ruota, in accordo con la presente invenzione; â € ¢ Figure 1 shows a view of the overall scheme of the wheel, in accordance with the present invention; â € ¢ Figure 2 shows an axonometric view of the overall scheme of the wheel, in accordance with the present invention;

• Nella figura 3 à ̈ mostrato un particolare della ruota, in corrispondenza della sua interazione con il terreno, in accordo con la presente invenzione. â € ¢ Figure 3 shows a detail of the wheel, in correspondence with its interaction with the ground, in accordance with the present invention.

• Nella figura 4 à ̈ mostrato un particolare della ruota, in corrispondenza della sua interazione con il terreno, in presenza di una asperità, in accordo con la presente invenzione. â € ¢ Figure 4 shows a detail of the wheel, in correspondence with its interaction with the ground, in the presence of a roughness, in accordance with the present invention.

Descrizione di dettaglio di un esempio di realizzazione Detailed description of an example of realization

Nella figura 1, 2 e 3 con (1) si indica il battistrada, che à ̈ sostenuto da una corona circolare di elementi a schiera (2), in grado di deformarsi individualmente e di offrire una cedevolezza localizzata. I carichi seguono il flusso dal battistrada (1) al mozzo (3) passando per i raggi (4), il cerchione (5) e la schiera (2). Gli elementi tastatori penetratori, retrattili elasticamente, (6) sono posti sul battistrada e possono retrarsi con un contrasto elastico di ritorno in posizione fuoriuscita. Questi elementi di piccole dimensioni sono in grado di penetrare nelle asperità e di ottenere una aderenza aumentata rispetto all’attrito ed alla aderenza. Essi sono anche in grado di retrarsi completamente in presenza di terreno liscio. In presenza di carichi sul mozzo (3), in particolare in presenza di un momento motore, i raggi si deformano elasticamente ed hanno anche funzione di giunto a torsione. In figures 1, 2 and 3, (1) indicates the tread, which is supported by a circular crown of row elements (2), capable of deforming individually and offering localized compliance. The loads follow the flow from the tread (1) to the hub (3) passing through the spokes (4), the rim (5) and the array (2). The elastically retractable penetrating feeler elements (6) are placed on the tread and can retract with an elastic contrast when returning to the extended position. These small elements are able to penetrate roughness and obtain an increased grip compared to friction and grip. They are also able to fully retract on smooth ground. In the presence of loads on the hub (3), in particular in the presence of a driving moment, the spokes deform elastically and also function as a torsion joint.

Variante realizzativa Construction variant

Sono possibili varianti realizzative all’esempio non limitativo descritto senza, peraltro, uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti. Implementation variants of the non-limiting example described are possible without however departing from the scope of protection of the present invention including all the equivalent embodiments.

Le caratteristiche elastiche e di smorzamento della sospensione possono essere regolate sia in fase di messa in opera, con una scelta opportuna per Γ applicazione, della rigidezza di raggi e materiale smorzante, sia in fase di lavoro variando la rigidezza e le caratteristiche di smorzamento con attuazione per esempio elettrica sui raggi che potranno avere elementi a memoria di forma e sul materiale smorzante che potrà variare la sua caratteristica per esempio variando luci di strozzamento di un fluido trafilato. The elastic and damping characteristics of the suspension can be adjusted both in the installation phase, with an appropriate choice for the application, of the stiffness of spokes and damping material, and in the working phase by varying the stiffness and damping characteristics with for example electric actuation on the spokes which may have shape memory elements and on the damping material which may vary its characteristic for example by varying the throttling ports of a drawn fluid.

Vantaggi derivanti dall’invenzione Advantages deriving from the invention

L’applicazione della presente invenzione comporta vantaggi evidenti. The application of the present invention entails evident advantages.

Risulta possibile integrare l’intera sospensione (elastica e disasipativa), la funzione di giunto a torsione sul mozzo, la funzione di aderenza aumentata, quella di energy harvesting, interamente nella ruota evitando ingombri e complicazioni a livello di telaio del semovente. It is possible to integrate the entire suspension (elastic and disasipative), the function of torsion joint on the hub, the function of increased grip, that of energy harvesting, entirely in the wheel avoiding encumbrance and complications at the level of the self-propelled frame.

La sospensione può essere adattata alle necessità di veicoli diversi e adattata a seconda delle esigenze di ciascun asse del veicolo. Inoltre à ̈ possibile controllare le caratteristiche della sospensione, anche in anello chiuso, con opportuni sensori alimentati dall’energia raccolta a bordo, a seconda delle condizioni di carico, delle condizioni dinamiche, delle condizioni del terreno e delle condizioni imposte dall’ambiente. The suspension can be adapted to the needs of different vehicles and adapted according to the needs of each vehicle axle. Furthermore, it is possible to control the characteristics of the suspension, even in closed loop, with appropriate sensors powered by the energy collected on board, depending on the load conditions, the dynamic conditions, the ground conditions and the conditions imposed by the environment. .

La presenza di energy scavenging permette di gestire il monitoraggio ed i servizi a bordo ruota in modo indipendente, evitando connessioni elettriche, elettroniche, fluide... con il telaio. The presence of energy scavenging allows you to manage the monitoring and services on board the wheel independently, avoiding electrical, electronic, fluid connections ... with the chassis.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI 1. Ruota multifunzione in grado di svolgere funzioni di trasmissione del carico al terreno in condizioni di ruota motrice (o frenata) e trascinata, a sospensione elastica e dissipativa integrata nella mota stessa, con funzione di assorbimento delle asperità del terreno con copertura non pneumatica con effetto di aderenza aumentata, costituita da un battistrada (1) dotata di tastatori retrattili penetranti (6), supportato da una schiera di elementi (2) in grado di trasmettere carichi triassiali, a sua volta collegata a raggi elastici (4) che consentono trasmissione di carichi elastici al mozzo (3) e svolgono funzione di giunto elastico torsionale sull’asse del mozzo stesso, sfruttando deformazioni, accelerazioni, sforzi presenti negli elementi della mota per la funzione di raccolta di energia (energy scavenging). CLAIMS 1. Multifunction wheel capable of carrying out load transmission functions to the ground in conditions of driving (or braking) and driven wheel, with elastic and dissipative suspension integrated in the mota itself, with the function of absorbing the unevenness of the ground with non-pneumatic cover with increased grip effect, consisting of a tread (1) equipped with retractable penetrating feelers (6), supported by an array of elements (2) capable of transmitting triaxial loads, in turn connected to elastic spokes (4) which allow transmission of elastic loads on the hub (3) and act as a torsional elastic joint on the hub axis, exploiting deformations, accelerations, stresses present in the elements of the mota for the energy scavenging function. 2. Ruota multifunzione, come nella rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la serie di elementi presso il battistrada (2) e gli elementi di sospensione elastica (4) possono essere rappresentati sia da elementi strutturali come da meccanismi, come da continuo o da campi di forze e che saranno sede per la raccolta di energia (energy scavenging) con dispositivi che sfrattino raccolta di energia con deformazione, forza, accelerazione di parti di mota o della mota intera; 2. Multifunction wheel, as in claim 1, characterized in that the series of elements near the tread (2) and the elastic suspension elements (4) can be represented both by structural elements as by mechanisms, as by continuous or by fields of forces and which will be the seat for the collection of energy (energy scavenging) with devices that evict the collection of energy with deformation, force, acceleration of parts of mud or the whole mud; 3. Ruota multifunzione, come nella rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la funzione di sospensione elastica e dissipativa sono adattabili alle necessità anche controllati in anello chiuso, durante il funzionamento, agendo sugli elementi della sospensione con elementi a rigidezza e smorzamento variabile comandati anche elettricamente e controllati da sensori di spostamento, velocità ed accelerazione eventualmente alimentati dalla funzione di energy scavenging di cui la mota à ̈ dotata; 3. Multifunction wheel, as in claim 1, characterized by the fact that the elastic and dissipative suspension function can be adapted to the needs also controlled in closed loop, during operation, by acting on the suspension elements with variable stiffness and damping elements also electrically controlled and controlled by displacement, speed and acceleration sensors possibly powered by the energy scavenging function which the mota is equipped with; 4. Ruota multifunzione, come nella rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la funzione di raccolta di energia (energy scavenging) può essere usata per servizi a bordo mota o per il veicolo.4. Multifunction wheel, as in claim 1, characterized in that the energy scavenging function can be used for on-board services or for the vehicle.