JP5924904B2 - 車両用車輪 - Google Patents

Description

本発明は、惑星及び衛星等の天体の表面上を走行する天体走行車両に装着される車両用車輪に関する。

月面や火星のように、地球上よりも重力が極端に小さく、その表面が非常に粒径の小さい砂地等で形成されている天体で、地球上で使用する車輪を使用すると、車輪の弾性変形が小さいため、接地長が十分に確保できず、車輪の接地圧が局所的に増大する。そのため、地球上で使用する車輪を低重力環境下の天体の砂地で使用すると、車輪の空転が誘発され、もしくは接地圧の極大化により砂地が掘削されて車輪が砂地に潜り込んでしまい、車両が走行不能になるおそれがある。そのため、低重力環境下の天体では、地球上で使用されている車輪を使用することは出来なかった。

そこで、従来、惑星や衛星といった、地球とは異なる周囲環境下で走行する車両に装着される車輪としては、特許文献１に記載されたものが知られている。なお、以下の説明において、車輪の回転軸の軸方向を幅方向、もしくは軸方向とする。また、車輪の周方向を単に周方向とし、車輪の半径方向を単に半径方向とする。

図１は、従来の天体走行用の車輪２の斜視図である。
図２は、平坦な面を走行する時の従来の天体走行用の車輪２の幅方向断面図である。（Ａ）は接地前の状態であり、（Ｂ）は接地後の状態である。
この車輪２は、半径方向の荷重に基づいて幅方向外方に弾性的に突出変形するよう予め屈曲又は湾曲した板ばね４が、幅方向に互いに対向するようにホイール６に配置され、周方向に連続して延びる無端ベルトである接地体８を支えるものである。
例えば月面のような低重力環境下でこの車輪２を使用した場合、板ばね４が車両の荷重に基づいてホイール６と接地体８との距離を縮めつつ、幅方向外方に弾性的に突出変形する。そして、接地領域内にある接地体８は接地面の形状に対応して変形し、接地体８の接地長は長くなる。そのため、接地圧が低減されるため、車輪２が空転したり、砂地に沈下したりするおそれがない。

特開２００９−２１４６１１号公報

図３は、歪みを発生した従来の天体走行用の車輪２の幅方向断面図である。（Ａ）は凹凸のある面を走行する場合であり、（Ｂ）は永久歪みを発生した場合である。
図３（Ａ）に示すように、特許文献１の車輪２が凹凸のある面を走行すると、半径方向の荷重に基づいて板ばね４が幅方向外方に変形するだけでなく、車輪２の軸方向にも変形してしまうため、軸方向に荷重がかかる場合の走行が不安定になる欠点があった。

また、例えば、粒径が比較的そろった砂地等、走行面１０が一様であれば図２（Ｂ）のように半径方向の変形も一様だが、岩石を含む砂地等の走行面１０が一様でない場合、局所的な変形が生じ、図３（Ｂ）に示すように車輪２に永久歪みが発生したり、破損したりすることがあった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、半径方向の荷重により半径方向に撓んでも、軸方向に変形しない車両用車輪を提供することにある。

本発明によれば、車両に装着された回転軸に固定される車両用車輪であって、
前記回転軸に固定され外周面が円筒形のホイールと、
前記ホイールの半径方向外方に位置し前記車両の走行面と接触して撓む可撓性のある接地体と、
前記接地体の前記撓みを許容し、かつ該接地体の軸方向の変位を防止する軸変位防止装置と、を備え、
前記軸変位防止装置は、前記ホイールの外周面に固定され、外方が開口し軸方向に一定の間隔を有するリング状の支持溝を有する内支持具と、
外端が前記接地体の内面に周方向に間隔を隔てて固定され、半径方向内方に延び、内端が前記支持溝内に位置する複数の外支持具とを備え、
前記接地体は、前記内面に前記外支持具の前記外端が固定された無端状のリングであり、
前記内支持具は、前記支持溝を周方向に複数に区切る複数の間仕切りを有し、
前記間仕切りにより複数に区切られた前記支持溝の幅方向断面は、扇形であり、
前記外支持具は、前記支持溝の幅方向内壁面により軸方向変位が制限され、前記間仕切りにより周方向変位が制限される、ことを特徴とする車両用車輪が提供される。

上述した本発明の車両用車輪によれば、ホイールの外周面に固定され、外方が開口し軸方向に一定の間隔を有するリング状の支持溝を有する内支持具と、外端が接地体の内面に周方向に間隔を隔てて固定され、半径方向内方に延び、内端が支持溝内に位置する複数の外支持具とを備え、外支持具は支持溝により軸方向変位が制限されるので、外支持具は常に回転軸に垂直な面上に両端を保って、支持溝内をスライドする。それにより、外支持具の外端は幅方向に移動しないので、接地体を幅方向に移動させずに、周方向と半径方向のみに変形させることができる。したがって、幅方向への車輪の変形を防ぐことができる。

また、岩石を含む砂地等の走行面が一様でない場所を走行して局所的な力が接地体や弾性体にかかったとしても、半径方向に移動可能な範囲が制限されて変形しにくいため、弾性体や接地体の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

また、外支持具の内端は常に支持溝に嵌合されることによって、支持溝により外支持具の軸方向変位が制限される。すなわち、半径方向の長さで考えた場合、外支持具と内支持具の長さの合計が、接地前の状態のホイールの外周面から接地体の内周面までの距離（以下、未接地半径距離）よりも大きく創られている。そのため、接地状態のホイールの外周面から接地体の内周面までの距離（以下、接地時半径距離）が未接地半径距離の半分より短くなるほどに車輪が撓むことはない。そのため、車輪の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

従来の天体走行用の車輪の斜視図である。 平坦な面を走行する時の従来の天体走行用の車輪の幅方向断面図である。 歪みを発生した従来の天体走行用の車輪の幅方向断面図である。 本発明の第１実施形態の車両用車輪の接地前の状態の説明図である。 本発明の第１実施形態の車両用車輪の接地後の状態の説明図である。 凹凸のある面を走行する本発明の第１実施形態の車両用車輪の説明図である。 本発明の第２実施形態の車両用車輪の接地前の状態の説明図である。 凹凸のある面を走行する本発明の第２実施形態の車両用車輪の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図４は、本発明の第１実施形態の車両用車輪１２の接地前の状態の説明図である。（Ａ）は回転軸に垂直な面による断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図５は、本発明の第１実施形態の車両用車輪１２の接地後の状態の説明図である。（Ａ）は回転軸１８に垂直な面による断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
本発明の車両用車輪１２は、惑星及び衛星等の天体の表面上を走行する天体走行車両１６に装着される車輪であり、同じく天体走行車両１６に装着された回転軸１８に固定されている。
また、本発明の車両用車輪１２は、ホイール２０、接地体２２、弾性体２４、軸変位防止装置２５とを備える。
また、軸変位防止装置２５は、内支持具２６と外支持具２８を備える。
さらに、内支持具２６は一対の平板２９を有し、平板２９の間に支持溝３０を有する。
なお、以下、説明の簡略化のため、支持溝３０の回転軸１８側の面を底面３０ａ、回転軸１８に垂直な支持溝３０の側面を幅方向内壁面３０ｂとする。また、接地前の状態のホイール２０の外周面から接地体２２の内周面までの距離を未接地半径距離Ｓとする。また、接地状態のホイール２０の外周面から接地体２２の内周面までの距離を、接地時半径距離Ｔとする。

ホイール２０は、回転軸１８に固定され、回転軸１８と一体に回転する。
また、ホイール２０の形状は、外周面が円筒形であることが好ましい。しかし、ホイール２０の形状はこれに限らず、回転軸１８の軸方向に厚みのある外周面をもち、その外周面が回転軸１８と連結されて、回転軸１８と一体に回転する形状であれば、どのような形状でもよい。
また、ホイール２０の材質は、ステンレス鋼、アルミニウム合金、炭素繊維強化プラスチック等の複合材料が好ましい。しかし、車両１６を走行させる天体の環境条件で必要な強度を持つものであれば、その他の材質でもよい。

接地体２２は、車両１６の走行面１４と接する部位であり、ホイール２０の半径方向外方に位置し、ホイール２０と一体に回転する。また、接地体２２は可撓性のある無端状のリングであり、車両１６の走行面１４と接触して撓む。低重力環境下の天体で接地圧を低減させるため、接地体２２の幅は広いことが好ましい。また、接地体２２の材質は変形しやすいものが好ましい。例えば、接地体２２は、周方向に分割されたステンレス鋼やアルミニウム合金の分割セグメントであることが好ましい。もしくは、接地体２２は、炭素繊維強化プラスチック等の複合材料やゴム製の無端状ベルトでもよい。

第１実施形態の弾性体２４は、ホイール２０と接地体２２とを連結して接地体２２の半径方向の荷重を支持し、接地体２２とホイール２０との距離を伸ばす方向に弾性力を有する。そして、弾性体２４は、接地体２２が走行面１４に接触した際にかかる荷重に応じて、半径方向のホイール２０と接地体２２との距離を可逆的に収縮させる。また、第１実施形態の弾性体２４は、例えば図４（Ａ）に示すように、ホイール２０と接地体２２の幅方向両端に向かい合って設置されていることが好ましい。しかし、弾性体２４の設置位置は、これに限らず、ホイール２０と接地体２２とを連結して接地体２２の半径方向の荷重を支持できれば他の位置でもよい。
また、弾性体２４の種類は円環状、ベローズ状、もしくは渦巻状の板ばねやコイルバネが好ましい。もしくは、円環状のワイヤーでもよい。すなわち、弾性体２４は、弾性があり、半径方向の荷重を支えることができるものであれば、どのような構造の弾性体２４でもよい。

軸変位防止装置２５は、接地体２２の撓みを許容し、かつ接地体２２の軸方向の変位を防止する。また、軸変位防止装置２５は、ホイール２０の外周面に回転軸１８に垂直に設置された一対の平板２９を有する内支持具２６と、外端が接地体２２に周方向に複数固定され半径方向内方に延びる外支持具２８とを備える。

内支持具２６は、内周面がホイール２０の外周面に固定されている。内支持具２６はリング状の円盤であることが好ましい。すなわち、２枚のリング状の平板２９が回転軸１８に垂直な状態で、向かい合ってホイール２０の外周面に設置されていることが好ましい。しかし、これに限らず、内支持具２６が半径方向に厚みをもち、ホイール２０の外周面に固定されるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、平板２９が、周方向に分割されていても良い。
また、内支持具２６は、外方がリング状に開口し軸方向に一定の間隔を有するリング状の支持溝３０を有する。すなわち、支持溝３０は、一対の平板２９の間に平板２９の外周面から半径方向内方に向かって形成される溝であり、回転軸１８に垂直な面による断面がリング形の溝である。
内支持具２６の材質は、ステンレス鋼、アルミニウム合金、炭素繊維強化プラスチック等の複合材料が好ましい。しかし、車両１６を走行させる天体の環境条件で必要な強度を持つものであれば、その他の材質でもよい。

外支持具２８は、外端が接地体２２に周方向に間隔を隔てて複数固定され、半径方向内方に向かって延びる。また、外支持具２８の内端は内支持具２６の支持溝３０内に位置し、支持溝３０に嵌合される。
そして、外支持具２８は支持溝３０により軸方向変位が制限される。すなわち、外支持具２８は、平板２９に挟まれて、支持溝３０内で車輪１２の半径方向と周方向に自在にスライドする。
外支持具２８は、棒状のピンであることが好ましい。また、外支持具２８が車輪１２の半径方向と周方向にスライド可能であるように、支持溝３０の幅は、所定の隙間３４の分、外支持具２８の幅方向の幅より大きい。
さらに、半径方向の長さで考えた場合、外支持具２８と内支持具２６の長さの合計が、未接地半径距離Ｓよりも大きい。すなわち、外支持具２８、内支持具２６、及び支持溝３０の半径方向の長さは、車輪１２の接地前の状態において、外支持具２８の内端が常に内支持具２６の支持溝３０の中に嵌合される長さが必要である。

また、外支持具２８と内支持具２６の半径方向の長さの合計が、未接地半径距離Ｓよりも大きいので、接地時半径距離Ｔが未接地半径距離Ｓの半分より短くなるほど弾性体２４が撓むことはない。そのため、弾性体２４の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

さらに、内支持具２６と外支持具２８には、外支持具２８が支持溝３０から抜けないようにするために、ストッパ３２が設けられていることが好ましい。
例えばストッパ３２は、幅方向内壁面３０ｂの半径方向外端に、内支持具２６の幅方向中央に向かって突出した内方突起３２ａと、外支持具２８の内端に幅方向外方に向かって突出した外方突起３２ｂから構成されていることが好ましい。ストッパ３２がこの形状である場合、外支持具２８が半径方向外方に引っ張られても、外方突起３２ｂが内方突起３２ａに当接し、外支持具２８の内端を支持溝３０内に保持することができる。
しかし、ストッパ３２の構成はこれに限らず、外支持具２８が支持溝３０から抜けなければどのような構造でもよい。

図５を使用し、本発明の第１実施形態の車両用車輪１２が平坦な走行面１４に接地した場合の車両用車輪１２の機能を説明する。
例えば、本発明の第１実施形態の車両用車輪１２が平坦な走行面１４を走行するとき、弾性体２４が幅方向外方に撓み、ホイール２０と接地体２２との距離が縮まる。その際、外支持具２８の内端が支持溝３０に挿入された状態で、外支持具２８が支持溝３０内を上下する。外支持具２８の内端は支持溝３０内で周方向に移動することが可能であるため、外支持具２８は周方向に自由に向きを変えることができる。そのため、走行面１４の形状に応じて、接地体２２が周方向に自由に変形することができ、車輪１２の接地面を大きく保つことができる。

また、接地体２２が大きく変形しても、接地体２２がホイール２０に当接する前に外支持具２８が内支持具２６の支持溝３０の底面３０ａに当接するため、接地時半径距離Ｔが未接地半径距離Ｓの半分より短くなるほど、接地体２２が撓むことはない。そのため、弾性体２４や接地体２２の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

図６は、凹凸のある面を走行する本発明の第１実施形態の車両用車輪１２の説明図である。（Ａ）は回転軸１８に垂直な面による断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
図６を使用し、本発明の第１実施形態の車両用車輪１２が、岩石を含む砂地等の走行面が一様でなく凹凸のある走行面１４（以下、凹凸面）を走行する場合の外支持具２８と内支持具２６の機能を説明する。
まず、図６（Ｂ）の回転軸１８に垂直な面による断面図で、車両用車輪１２が凹凸面に接地した場合を説明する。
支持溝３０の幅は、外支持具２８が支障なく支持溝３０内でスライドできるために所定の隙間３４の分、外支持具２８の幅方向の幅より大きくなっている。車両用車輪１２が凹凸面に接地すると、外支持具２８の内端が支持溝３０の底面３０ａや幅方向内壁面３０ｂに当接し、外支持具２８の側面が幅方向内壁面３０ｂの半径方向の外端に当接する。そのため、幅方向への外支持具２８の移動を支持溝３０の幅方向内壁面３０ｂが妨げることができる。すなわち、外支持具２８は回転軸１８に対して垂直な面に両端を保って、支持溝３０内をスライドする。そのため、外支持具２８の外端が幅方向に移動しないので、幅方向への接地体２２の変性を防ぐことができる。
したがって、この構造により本発明の車両用車輪１２は、軸方向に弾性体２４がずれて車輪１２が変形することを抑えることができる。そのため、接地体２２の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

次に、図６（Ａ）で、車両用車輪１２が凹凸面に接地した場合を説明する。
本実施形態の支持溝３０は周方向に間仕切り２６ａ（図７参照）がない。そのため、外支持具２８は半径方向だけではなく、周方向にも自在にスライドすることができる。
すなわち、凹凸面を走行する場合、図６（Ａ）に示すように、車両１６が岩石等に乗り上げることにより、接地体２２が半径方向内方に局所的に凹むこともある。また、接地体２２が半径方向内方に局所的に凹むことにより、その局所の周方向周囲の接地体２２は、半径方向外方に突き出る。
その際、局所的に凹んだ部分の接地体２２に固定されていた外支持具２８は、隣接する外支持具２８の内端との距離を広げる方向に内端を移動させ、接地体２２の形状に応じて周方向に自在に移動することができる。また、局所的に半径方向外方に突き出た部分の接地体２２に固定されていた外支持具２８は、接地体２２に外端を引っ張られて半径方向外方に移動する。そして、隣り合った外支持具２８の内端との距離が近くなる。

このように、本実施形態の外支持具２８と内支持具２６の構造により、半径方向と周方向の外支持具２８の移動を妨げずに軸方向の移動のみを制限することができる。それにより、接地体２２と弾性体２４の軸方向の歪みを防ぎつつ、周方向には自由に変形させることができる。また、外支持具２８が支持溝３０の底面３０ａに当接するまで、接地体２２と弾性体２４を半径方向に自由に変形させることができる。さらに、外支持具２８が支持溝３０の底面３０ａに当接することで、必要以上の接地体２２と弾性体２４を半径方向の変形を制限し、永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

図７は、本発明の第２実施形態の車両用車輪１２の接地前の状態の説明図である。（Ａ）は回転軸１８に垂直な面による断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
図８は、凹凸のある面を走行する本発明の第２実施形態の車両用車輪１２の説明図である。（Ａ）は回転軸１８に垂直な面による断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
本発明の第２実施形態の内支持具２６は、その外周面に周方向に複数開口し、幅方向断面が扇形、または矩形の支持溝３０を有する。すなわち、第２実施形態の支持溝３０は、第１実施形態のリング状の支持溝３０が複数の間仕切り２６ａによって周方向に周方向に複数区切られている。
なお、以下、説明の簡略化のため、間仕切り２６ａの側面を周方向内壁面３０ｃとする。

第２実施形態の弾性体２４は、外支持具２８の内端と支持溝３０の底面３０ａとを連結し、接地体２２の半径方向の荷重を支持する。第２実施形態の弾性体２４はコイルバネが好ましい。しかし、弾性体２４は、弾性があり、半径方向の荷重を支えることができるものであれば、どのような構造のものでもよい。
すなわち、第２実施形態の車両用車輪１２は、外支持具２８の内端を半径方向外方にむけて押す。それにより、外支持具２８の外端を介して弾性体２４の弾性力が接地体２２に伝達され、接地体２２が走行面１４に接した時に周方向に変形することができる。
なお、弾性体２４の形態は、第１実施形態と同じ形態であってもよい。
また、弾性体２４が、接地体２２の内周面と支持溝３０の底面３０ａとを連結して接地体２２の半径方向の荷重を支持し、外支持具２８が、外端を接地体２２の内周面に固定され、弾性体２４の中に収められた状態で、半径方向内方へ延びていてもよい。

図８を使用し、本発明の第２実施形態の車両用車輪１２が、凹凸面を走行する場合の外支持具２８と内支持具２６の機能を説明する。
第２実施形態の車両用車輪１２は、内支持具２６が周方向に複数の間仕切り２６ａを有することにより、外支持具２８の内端が支持溝３０の底面３０ａ、幅方向内壁面３０ｂ、または周方向内壁面３０ｃに当接し、外支持具２８の側面が幅方向内壁面３０ｂの半径方向の外端や周方向内壁面３０ｃの半径方向外端に当接する。そのため、支持溝３０が幅方向への外支持具２８の移動を防ぐ。それにより、外支持具２８は回転軸１８に垂直な面上に両端を保って、支持溝３０内をスライドする。それにより、外支持具２８の外端は幅方向に移動しないので、接地体２２の幅方向の変性を防ぐことができる。したがって、この構造により本発明の車両用車輪１２は、車両用車輪１２の軸方向に弾性体２４がずれて車輪１２が変形することを抑えることができる。

また、周方向内壁面３０ｃがあるので、外支持具２８の内端が間仕切り２６ａよりも周方向に移動することがない。それにより、ホイール２０の内周面から内支持具２６の底面３０ａまでの距離が、常にその距離の半分より長く保たれる。そのため、接地体２２の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

その他の構成と効果は、第１実施形態と同様である。

上述した本発明の車両用車輪１２によれば、ホイール２０の外周面に固定され、外方が開口し軸方向に一定の間隔を有するリング状の支持溝３０を有する内支持具２６と、外端が接地体の内面に周方向に間隔を隔てて固定され、半径方向内方に延び、内端が支持溝３０内に位置する複数の外支持具２８とを備え、外支持具２８は支持溝３０により軸方向変位が制限されるので、外支持具２８は常に回転軸１８に垂直な面上に両端を保って、支持溝３０内をスライドする。それにより、外支持具２８の外端は幅方向に移動しないので、接地体２２を幅方向に移動させずに、周方向と半径方向のみに変形させることができる。したがって、幅方向への車両用車輪１２の変形を防ぐことができる。

また、岩石を含む砂地等の走行面１４が一様でない場所を走行して局所的な力が接地体２２や弾性体２４にかかったとしても、半径方向に移動可能な範囲が制限されて変形しにくいため、弾性体２４や接地体２２の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

また、外支持具２８の内端は常に支持溝３０に嵌合されることによって、支持溝３０により外支持具２８の軸方向変位が制限される。すなわち、半径方向の長さで考えた場合、外支持具２８と内支持具２６の半径方向の長さの合計が、未接地半径距離Ｓよりも大きく創られている。そのため、接地時半径距離Ｔが未接地半径距離Ｓの半分より短くなるほどに車輪１２が撓むことはない。そのため、車輪１２の永久歪みの発生や破損を防ぐことができる。

なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

２ 車輪、４ 板ばね、６，２０ ホイール、
８，２２ 接地体、１０ 走行面、
１２ 車両用車輪、
１４ 走行面、１６ 天体走行車両、
１８ 回転軸、２４ 弾性体、
２５ 軸変位防止装置、
２６ 内支持具、２６ａ 間仕切り、
２８ 外支持具、２９ 平板、
３０ 支持溝、３０ａ 底面、３０ｂ 幅方向内壁面、３０ｃ 周方向内壁面、
３２ ストッパ、３２ａ 内方突起、３２ｂ 外方突起、
３４ 隙間、
Ｓ 未接地半径距離、Ｔ 接地時半径距離

Claims (2)

1. 車両に装着された回転軸に固定される車両用車輪であって、
   前記回転軸に固定され外周面が円筒形のホイールと、
   前記ホイールの半径方向外方に位置し前記車両の走行面と接触して撓む可撓性のある接地体と、
   前記接地体の前記撓みを許容し、かつ該接地体の軸方向の変位を防止する軸変位防止装置と、を備え、
   前記軸変位防止装置は、前記ホイールの外周面に固定され、外方が開口し軸方向に一定の間隔を有するリング状の支持溝を有する内支持具と、
   外端が前記接地体の内面に周方向に間隔を隔てて固定され、半径方向内方に延び、内端が前記支持溝内に位置する複数の外支持具とを備え、
   前記接地体は、前記内面に前記外支持具の前記外端が固定された無端状のリングであり、
   前記内支持具は、前記支持溝を周方向に複数に区切る複数の間仕切りを有し、
   前記間仕切りにより複数に区切られた前記支持溝の幅方向断面は、扇形であり、
   前記外支持具は、前記支持溝の幅方向内壁面により軸方向変位が制限され、前記間仕切りにより周方向変位が制限される、ことを特徴とする車両用車輪。
2. 前記接地体は、該接地体と前記ホイールとの距離を伸ばす方向に弾性力を有する弾性体により半径方向の荷重を支持される、ことを特徴とする請求項１に記載の車両用車輪。