毕业论文——全地貌轻型多功能驱动车轮设计

江苏科技大学苏州理工学院 届毕业设计（论文） 全地貌轻型多功能驱动车轮设计 系 部： 机电与动力工程学院 专业名称： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 作 者： 指导教师： 年 月 日江苏科技大学苏州理工学院本科毕业论文全地貌轻型多功能驱动车轮设计 Design of all terrain light multi function driving wheel江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文）摘 要越发复杂的作业环境普通轮式车轮将无法工作，这使得复合式车轮愈发受到了重视。常见的复合式车轮由伸展臂，可重构履带，液压装置，驱动片轮组成，通过内部液压装置，使得轮体形状在轮式和三角式转换，从而可以克服许多麻烦的地势环境。当轮履复合式车轮在良好的路面上行驶时，其与普通车轮无异，保持普通车轮良好的机动性，从而缩短行驶时间；当遇到雪地沙漠等复杂地势时，转变为三角履带式，越障成功后继续恢复轮式状态。开始，本文着重分析了轮式，履带式，变形式各自的优劣点以及一般使用的情况，提出了完整的思路。分析了关键元件，阐述了其工作原理和设计理念，其主要包括可重构履带形状，结构，传动机构的结构设计以及传动方式，伸展臂的运作方式，以及液压缸的选择，回路控制。然后根据已经提出的机械结构设计要求，利用UG三维建模，并检查是否有干涉。最后，利用有限元软件ANSYS进行强度校核，检验是否满足使用要求，优化结构设计，并用3D打印机打出样品。因此。复合式车轮可以通过液压装置的控制实现伸展臂的控制，并在相应的状态下自由切换工作形式，证实了设计的合理，后续可对其他机构做更深入的讨论提供了指导意义。关键字：全地貌；变形轮；结构设计；有限元分析AbstractMany ordinary roller wheel can not work due to more and more complicated working environment, which makes people put more attention to composite wheel. The ordinary roller consists of arm, reconfigurable tracking,hydraulic equipment, driven wheel. The wheel shape converses wheel to triangle by hydraulic equipment, which makes many terrible situation be overcomed. The complicated wheel drived in ordinary road is the same to ordinary wheel, which makes time shorten as the flexibility is maintained. When the wheel meet complex topography as dessert, the body converses to triangular and return back to roller after a successful obstacle.Firstly, the article put more attention on the pros and cons of the wheel, crawler and change-size, and put forward the complete idea, analyses the key elements, expounds its working principle and designing concept, including the reconfigurable tracked shape, structure, trainsmission mechanism, structure design and drive of extended arm, as well as the selection of hydraulic cylinder, control loop.Then, use the UG of three-dimensional modeling, and check for interference according to the requirements which has been put forward for mechanical structure design.Finally, checking the strength test whether meets the requirements by ANSYS, optimizing the structure design, and printing 3Dsamples.Thus, composite wheel can be realized to control the arms by hydraulic equipment, and converse in any conditions freely, and confirm the reasonable of designing, It also provides some guiding to other institutions.Keywords: Landscape; Deformation wheel; Structure design; The finite element analysis 目 录第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 轮式车轮11.2.2 履带式车轮近况51.2.3 履带复合带轮51.3 本文主要研究内容6第二章 多功能行走机构原理分析72.1 轮式变形72.2 越障功能的讨论82.3 变形轮体结构设计的方案112.4 将两种方案作为比对分析122.5 对于可变性履带的原理分析122.6 原理的讨论132.7 伸展运动的原理分析142.8 伸展臂液压原理分析162.9 变形轮传动原理分析172.10 本章小结17第三章 轮履式复合结构设计173.1 轮履式车轮的设计总体方案173.2 轮履式车轮整体设计（结构设计）183.3 履带的设计183.4 履带节的设计183.5 驱动轮的分析193.5.1 对驱动轮形式的讨论193.5.2 齿牙的讨论203.6 对驱动轮的运动学分析223.6 对液压缸的受力分析与相关设计计算233.7 伸展机构整体结构展示243.8 传动系统结构设计253.9 三角履带轮的驱动片轮设计步骤253.10 三角履带轮的装配步骤30第四章 变形轮关键零部件的有限元分析334.1 引言334.2 有限元分析法理论334.3 影响有限元精度的因素334.4 有限元计算344.4.1 有限元计算模型的建立344.4.2 单元的选择与划分344.4.3 应力分析354.4.4 三脚架的有限元分析364.5 本章小结37总结与展望381.全文总结382.主要研究成果383.本文的不同点384.未来展望38致谢40参考文献41IV第一章 绪论1.1 研究背景及意义随着科学技术的迅猛发展，人们试图征服着更多，更广的未知领域，车辆就是其中之一。车辆作为车辆关键组成部件来承载着运动，以及车辆与愈发广泛的用途，其近年来的发展更加可观。现如今，我们仔细的观察后，不难得出这样的结论：传统的车轮已经很难来满足现代化作业，如今复杂的地势要求移动车轮具备较高的快速性，灵活性。这点在泥泞的农业里更为显而易见。因此，设计新型车轮乃是现代会生产中的大势所趋。就目前而言，全地貌式多功能车轮在市面上较为少见，传统的更换式车轮依旧占据着市场的主体地位，其中包括轮式，履带式，足腿式等等。我在腾讯视频上见到一个常见的场景，当车轮到达泥泞场地时，驾驶员不得不换下原来的轮式车轮，换上三角履带式，一段有一段周而复始地前行。这样做的原因早已不是什么秘密，履带式车轮与地面的接触面积较大，附着性越障性较为突出，因此在工程实际作业中履带式车轮有着极为广泛的应用。但其也有一些局限性，其机动性较差，轮体重量大易对地面产生破坏。轮式车轮与其相比有着相反的特点，一般在短时间内即可达到相对理想的速度，理论技术也比较成熟，制造成本也远低于履带式。可做这样一个试想，利用一个液压装置将而这特点结合，一旦实现的话现场作业的话繁琐程度大大降低。本课题旨在打破传统的履带轮式分离的观念，设计一种多功能型复合车轮，并保证其外形与普通车轮大小无异，通过液压技术控制，使得其在轮式和三角式转换，这样的话，就可以避免每次作业换车轮的尴尬，某种程度上实现了车辆在正常路面的高机动性与多障碍路面高通过性的兼容问题，鉴于其可以通过液压控制的快速转换，其实际作业环境得以大大扩展，使得灾难救援，战场侦察，行星探测等复杂情况不再难以克服。军事也好，民用也罢，对于相关生产以及作业有着长远而重要的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 轮式车轮轮式车轮是一种常见的机构，下面对不同的机构进行一一陈述。（1）刚性轮体刚性轮体在行星探测器中有着广泛的应用，其所工作的环境多为松软等承载力低的条件下，与刚性地面接触是不可取的。图1-1和图1-2是美国的月球车，轮子采用网纱状结构，三个钛金环和履带刺连接，组成轮缘，将钢制的网罩罩在轮外，外环也较小，与地面点接触。这样的设计目的在于防尘，但不可避免的是其减震能力欠缺，只能用于沙土地上。图1-3为法国设计的lama1，轮子由圆锥和圆柱组成，性质为刚性轮，在硬度较大的刚性地面上，圆锥部分接触，在较软的地表由圆锥接触，因此得以降低接地比，以至于其通过性较高。图1-4是美国的勇气号，机身由铝合金锻造。中间是橙黄色泡沫，起到减轻震动和吸尘作用。图1-1 美国月球车图1-2 网状轮图1-3 Lama机器人（2）弹性沙地轮这种车轮设计初衷用在类似于沙漠等松软地表的现场作业。其设计理念借鉴了骆驼脚掌与地表的缓冲增大接触面积等原理。如图1-4，为单胎式，其分为弹性和刚性，弧形状的弹簧和轮辐内轮缘搭建起其刚性部分，这使得其能够轻松地在地表上行驶，并且，接地侧偏刚度也较为客观。图1-5为双胎式，与单胎式一样，吸震能力较强。图1-6为沙地可调式2，其可以调节测倾角度，从而改变本体形状，以至于改变附着力与牵引力。图1-4 弹性双侧胎式图1-5 弹性单胎式图1-6 弹性可调式（3）变径式轮体顾名思义，变径式意为半径可以变化，通过特定的机构变化使得半径得以改变。图1-7为吉林大学设计的简易版半步行轮，腿的内侧安好弹簧元件，起着减震作用。此结构虽然在凹凸不平的路面上有着显著的越障能力，但其平顺性却难以得到保障。故一家公司提出另一种方案，使用了偏心轮机构，这样得以确保其轮心离地面距离为一个定值，平顺性自然好得多3，如图1-8。图1-7 无轮缘半步行轮图1-8 偏心轮机构简图上文讲到过美国的月球车，曾计划圆规脚步行轮，如图1-9，适时切换轮行以此来适应地面的不平整性。但每一步都通过计算机，控制过于繁杂。吉林大学还提出过月球车样机，其为可伸缩叶片式，如图1-10，其组成机构为叶片，弹簧，外圈，叶片与外圈以及内轮相连，弹簧连着内轮，这种设计不但可以满足松软地面上对牵引性能的要求，又能保证其平顺性。图1-9 原理型月球车图1-10 可伸缩叶片式复式步行轮结构1.2.2 履带式车轮近况履带式行走带轮有着越野性能好，牵引力稳定，接地比小，等特点，因此在工农业上有着较为广泛的应用4，下面我们依据常见的行式给大家介绍一下：（1）传统行走机构传统的履带行走机构由导向轮、履带轮、张紧装置、支重板以及履带板构成，比较典型的就是坦克和挖掘机，如图1-11与图1-12。图1-11 坦克车图1-12 挖掘机此类机械因对地面有着巨大的压强，很容易对地面造成损坏，故受到一定的使用限制。（2）可变形的行走带轮此种带轮一般通过辅助机构改变底盘的几何形状,从而使得其可以顺利越障，例如LMA机器人5，通过改变臂展大小使得履带形状发生转变，处于较低端位置时机器人呈现坦克状，在顶端时，变为普通的三角履带状。1.2.3 履带复合带轮所谓的履带复合式车轮，也是本文主要的研究对象，是将二种功能糅合到一个车轮里，省去了特定环境下换车轮的这一环节，这样的话可以实现优缺点互补。典型的例子是美国排爆机器人6，如图1-13，当车辆在行驶时为了使车轮能够快速前进，后关节履带抬起，遇到障碍物时，再将前后关节履带落下，以提高越障性能。这种机器人特点是同时安装轮式和履带式机构，使得其在不同的障碍环境中能够做出改变，但不可忽视的是，这种同时安装了两种机构，自然而然的增加了自身的重量，加大原来的体积，续航能力变差，救援能力也相对的受到了限制。图1-13 美国排爆机器人另一种常用的是更换式履带轮，其主要组成部分是履带（橡胶），导向轮，支撑部件，主要应用于军事，国内暂时还处于空白状态。与普通轮式车轮相比而言，三角履带在接地比压，附着性能，牵引力，稳定性，越障性等方面有着无可比拟的优势，与整体履带轮相比，其通过性转向性，灵活性也占尽优势，但其组成部分却是繁杂，很多由铁质搭建，所以机动性较低，需要换装，所以应用难以得到推广。1.3 本文主要研究内容本文具体分为四章节，分别为：第一章：就本文研究内容，以及国内外现状，以及意义分别阐述。第二章：提出变形的整体思路，从机械原理，机械设计联系理论力学相关知识分析了变形的原理，提出可重构这一概念，具体分析内部动力传输机构，确定最优的方案。第三章：利用UG对实物进行建模，依据第二章具体的分析方案，确定最终的完整模型。第四章：对变形轮的关键部件如履带节三脚架进行有限元分析，以检验其强度是否复合使用标准。第五章：对全文研究的结果进行一系列的总结，以及对未来工作的展望。第二章 多功能行走机构原理分析2.1 轮式变形从第一章的分析来看，目前市场上多数的行走机构很难做到理想的变形轮这些特点。本章就从实际出发，对行走带轮进行了基础的原理分析，结合了行走机构高越障性与高机动性的性能特点，从而使得分析更加趋于合理化。普通轮体变形思路就目前而言，轮式车轮在车辆的使用中占据着主导地位7,其超高的机动性与实用性是一般的车辆首选，但也存在一些不足，比如其越障性。图2-1为轮式车轮的工况图。图2-1 轮式行走机构工况分析如图（a），此图为轮式在平地上行走的工况图，遇到了沉陷的情景，不难看出，轮体与地面有一定的接触面积，沉陷量越大，接触面积就越小，反之则越大，所以极易发生打滑。如图（b），轮式在攀爬斜面，此时车轮除了得克服摩擦力外，还必须考虑重力在水平方向的分力，所以得在原来的基础上适当考虑增加一些附着力。如图（c），轮式左边为以凸块，如果凸块的体积过大或者高度过高，这也对车轮越过障碍早成巨大障碍。如图（d），轮式遇到壕沟，如果壕沟左右宽度大于轮式的直径，这也很难使得轮式通过。综合上述四大常见工况，轮式车轮虽然有着较强的机动性，但其也存在很多缺陷，使得其有着很多的局限性。但如果上面四大工况利用履带轮是否能够顺利通过呢，很显然，履带轮可以利用自身轮体变形，增大接触面积，从而克服这些工况。如图2-2所示，从图2-2可知，履带轮通过变形，增大了与地面的接触面积，或者改变接地比从而克服了障碍。图2-2 变形后工况分析2.2 越障功能的讨论一般履带轮面临的恶劣环境无非壕沟，台阶以及斜坡三种。图2-3为跨越壕沟的原理图。图2-3 跨越壕沟障碍变形轮动作原理图从a至b，为到达壕沟前，停止前行，展开伸展臂，cde为其在壕沟上的行走过程，当重基于上述分析，尺寸为极其重要的因素。图2-4为运动分析图，F为机动车辆对车轮的作用力，作用线穿过车轮对地面的重心切点，如果变形轮越过壕沟，而伸展臂却未到达壕沟右边缘，F的作用线此时却超过左边缘，这种情况下越障宣告失败。图2-5 跨越壕沟运动分析图如图2-4，Bl0计算出最大的壕沟宽度，考虑到两侧棱角有着较大的宽度，应尽量低速通过。（2）分析凸台下图为车轮跨越凸台的情形。图2-6 越障动作规划图从a至b，轮式车轮开始缓缓变形，伸展臂开始撑开，前臂搭在凸台的棱角上，再到c，左臂缓缓放置地面上，c到d，左臂借助与地面的摩擦力使得车轮向上爬行，爬至e，这时的情形，此时轮体以轮身与棱角的接触点为中心进行旋转运动如图f所示8。如图2-6为对运动情况的分析图。图2-7 爬越台阶运动分析图所以根据三角函数运算得到以下公式。H=a-btansin-r0cos+r （2-1）对进行二次求导，得到下列关系式。H=-asin-bcos-b+R1+sin2cos3 （2-2）不难看出此式子小于0，故上式H渴求的最大值，当abr三个变量确定时。（3）爬坡这个问题研究的是爬坡过程中轮体的变形，在之中，质心起着决定性的作用。图2-8 爬越障碍动作规划图从a至b，车轮先是在平坦的路面上行驶，遇到斜坡时缓缓地将双臂展开，因为有斜面坡度的存在，前臂搭在斜面上，后臂慢慢落在地面上。从b至c，利用车身与地面的摩擦力，顺利的爬至斜面上。从c至d，爬至斜坡与地面的转折点，此时绕顶点处旋转。从d至e，落在地面上先收回左臂，目的是防止车轮后仰。e图中，将伸展臂完全收回。基于上述的分析，我们得知变形轮相对于履带轮与轮式车轮有着更好的适应性。2.3 变形轮体结构设计的方案上述的分析进一步推测，可得出结论，设计的关键在于车轮如何才能从圆形变为三角形，这种方案无非有两种。（1）固定履带的长度，这种方案将轮体设计为分段圆弧状9，这样来支撑大圆状态,此时半径为R，在圆形状态时可在平地路面上行驶，遇到障碍时，通过内部液压机构进行伸缩控制。这样的话半径会缩小为r，从而产生多余的一段，看起来比较别扭。此时将内部液压机构撑至三角履带轮的形状。图2-9 固定履带长度可变形原理分析图多余的长度：l=2R-2rn2R360=2R-2r从而化简得到r=R-nR360(2)此方案在于调整履带的长度，将履带设计为弹性履带，这样轮体方可保持不变，下面为轮体的原理示意图。图2-10 履带可变轮体原理分析圆形为初始状态，l0=2R,伸展臂a,伸展臂端点至中心线b，小轮半径r,=2，因此可以得到相应的几何关系=arctana+bR-r,从而计算出对应的履带长度l=r90arctana+bR-r,=360-4,所以对应的履带长度为2R-R45arctana+bR-r。2.4 将两种方案作为比对分析上述两种方案分别改变轮体的半径与履带长度10，最终个目的车轮的形态的以在轮体和三角履带之间互相转变，适应相对复杂的地理环境。固定履带长度的优缺点：（a）结构简单，不需要过多的拉伸收缩的设计。（b）因为运行方式保持分段弧形状，张开部分的履带难以支撑，所以有的时候会有内凹现象，对车轮的性能会产生一定的影响。（c）当R变成r时，圆弧收缩，曲率发生变化，一定程度上影响高速运行时的性能。（d）半径变化时，轮体质心下移，虽然某些程度上稳定性得到了提高，但离地间隙减小，越障性能变化11。固定半径的优点：（a）履带与驱动轮紧贴，车身运行平稳。（b）内部伸展数目较少，便于控制。（c）履带设计较难，组合较为复杂。综合上述两种方案，个人选择第二种方案。2.5 对于可变性履带的原理分析本文采用分段履带节的设计方法12，履带节之间采用销轴连接，履带节身采用金属作为材料，外侧压制橡胶，因考虑销轴位置的不稳定性，故考虑在里面加上片弹簧之类的弹性元件。图2-11为其视图。图2-11 履带节三维立体图2.6 原理的讨论如图2-11,1和2为一组相连的履带节13，3和4分别为预期固定的传动销轴A为履带节内的空间，弹簧元件放入A中，上部分图为初始的圆轮状态，履带节也紧贴，当轮体从初始状态变形为三角履带式，伸展机构挤压履带节，销轴压缩片弹簧，每节履带都可以伸长dl，对于一条履带也相应的伸长ndl，多出的履带长度由伸展臂伸开，从而实现了转变，当车轮从轮式向三角履带式转变时，此时只需要将伸展臂收回，弹簧5将履带顶回原来的位置，履带设计结构简洁方便，易于拆卸维护。图为对三角履带受力分析的平面图，原理与普通的传送带类似，由于摩擦力的存在，与转动方向相反的一侧出现紧边，转动方向相同的一边出现松边。所以，设定静止时两边的拉力为F，工作时一边拉力增大至F1，另一边增大至F2，松紧边的拉力值差为有效拉力F3，将受力分析图在水平方向投影，F+dFsind2+Fsind2-dFn-dFc=0，上式采用微元法，Fn为正压力，Fc为离心力，由于d值很小，利用极限的思想，d=，所以将上式化简为dFn+dFc=Fd （2-3）dFc=qv2 （2-4）联列上述两式得到下式：dF=dFn=F-qv2d （2-5）对两边积分，从而得到下式F1-qv2F2-qv2=e （2-6）所以F1与F2拉力不同，即松紧边拉力不一致，紧边拉力大与松边拉力，同时也存在离心力，履带中也存在着离心力，且各处离心力相同。由于履带弯曲存在着一定的弯曲应力，曲率越大，弯曲应力越大，所以相应的伸展小轮弯曲应力比驱动轮处的弯曲应力大。图2-12 分段式履带节示意图2.7 伸展运动的原理分析对伸展机构运动原理的阐述：想要实现车轮从轮式到履带节的转变，除了得提供一条可变形的履带，关键在于伸展机构为其提供动力14，通过伸展机构打开履带。图2-12为伸展机构的驱动原理图。图2-13表示此驱动装置具有直线位移，该直线驱动装置能够驱动伸展臂实现往复的直线运动，由实线位置运动到虚线位置，为了精确地控制伸展臂位移的目的，需要对伸展臂的摆角进行控制，f为位移。图2-13 伸展机构的驱动原理图图2-14为现在市面上最为常见的直线位移驱动装置，分别是电动缸、气动缸和液压缸。如图（a），为电动缸，通过螺母转化为直线运动，来实现往返运动，用以完成各种设备的精密推拉，闭合，起降控制，电动缸的主要构成是：电机，丝杠（涡轮涡杆），螺母，防旋转装置，传感器电机有伺服电机，步进电机，直流电机，交流电机丝杠分为滚珠丝杠，行星滚珠丝杠，T型丝杠，电动缸的电机防护等级是IP66,并可以配备低温电机,可以满足各种复杂环境下的使用,其主要特性还是精度高，丝杠的行程，速度，推力都可以实现很高的精度控制，其精度差可控制在0.01mm。电动缸的维护成本特别低，只需定期检查润滑系统即可，省时，节约费用，箱体采用高强度耐府蚀铝合金材料，推杆为不锈钢或高合金刚，并可以做到防尘密封，大大增加运行的安全性。电动缸的安装方式有法兰式，销孔式（单耳双耳），螺纹端，可以与电机平行，垂直，直线，安装方式非常灵活，并可以连接各式附件，结构紧凑，且很方便与PLC等控制系统连接，实现高精度控制，目前在坐标机械手，物流传送，自动纠偏，并联实验台，医疗CT伽玛刀等领域得到了越来越广泛的使用，由于采用的是螺纹副传动，在实际使用中易磨损，传动效率低下。 如图（b）为气动缸,以压缩气体为工作介质实现活塞杆的直线往复运动，理论上气压传动的位移，速度可以得到较好的控制，气体便于压缩，易于受到负载的影响，稳定性较差，很难满足压力的需求。如图（c）为液压缸，以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力。相比于气动装置会产生更大的动力，工作较为平稳，易于实现过载保护和自动化控制，无论从哪个环节考虑，液压传动的方案都会是本文的首选方案。 （a）电动缸 （b）气动缸 （c）液压缸图2-14 三种不同的驱动位移装置如图2-15，液压装置与伸展臂相连15，该结构形式简单，容易实现。当车轮通过一些相对复杂的地形，会受到冲击载荷的冲击，如果此时车身装有悬架，会起到一定的缓冲作用，但对于内部液压缸等装置，无减震环节的保护，且液压油无法压缩，大部分的冲击力还是会负载在液压缸上，因此有必要在内部装减震装置。图2-15 液压缸直接与伸展臂相连如图2-16为四连杆结构，将液压缸端部与伸展摆臂相连，同时与弹性缓冲铰接，另一侧与固定板相连，当载荷冲击伸展机构，载荷经过刚体，传递到减震部件。减震部件局部变形用来吸收载荷，一定程度上减震机构起保护作用外16，还可以提供拉力从而有利于伸展臂收回。图2-16 四连杆机构示意图2.8 伸展臂液压原理分析当车轮从轮式变形为履带式时，外力来自于液压缸，这都需要对液压方面进行详细的分析，从而确定最终方案。多功能车轮最终目的是普通车轮与履带轮通过液压装置实行互相转化，由于现在很多现场作业遇到了相对复杂的地形，凹凸不平的坑洼地形，只需伸展开轮体，平常地形的话只需要保持原有的状态，并且每个变形轮体驱动展开形式是独立的，有必要安装两个液压缸，这两个驱动形式关系到变形轮变化的灵活性，甚至决定其是否可以逾越障碍。比如一些障碍需要双臂同时展开，有些需要一个展开一定角度，并保持住一段时间，再展开另外一个，并且展开的角度大小都得按照对应的环境。本文采用双缸顺序动作回路，并用电磁阀控制17。如图2-17，当二位四通电磁阀向5通电，液压油流入A，A的活塞杆向右做进给运动，第一个动作完成。活塞杆碰到2（行程开关）时，电信号发出，二位四通电磁阀向6通电，接通其左位，液压油流入B（液压缸），B向右进给，完成第二个动作。这种回路使用调整方便，适合PLC控制以及自动化控制。图2-17 电磁阀控制的双缸顺序动作电路2.9 变形轮传动原理分析伸展机构放置于车轮机构内部18，设计目的都是可以在任意时刻将履带展开，而且相对于车体保持静止状态。伸展机构在伸展时超出了车轮的轮廓线，因此车轮轮辋与普通轮体有所区别，本文采用内行星轮输入形式。如图2-17，其最大优点在于中间轴输出动力，结构简单，布局紧凑，而且与普通变形轮有着很好的互换性19。图2-18 内行星轮输入形式2.10 本章小结本章主要是根据前一章对机动车辆的国内外现状，提出了将轮式复合式有点结合的特点。对多功能变形轮的可重构履带以及动力传输系统作了分析，对比几种方案分析各自的优缺点，得出最终的最优方案。再分析液压装置，得出适用于本设计的方案。将有减震缓冲作用的四连杆机构里加入弹性装置。并针对了四连杆机构做了一系列的运动分析，整个第二章为第三章机械结构设计做了充分的理论基础。第三章 轮履式复合结构设计本文设计的实物兼备轮式车轮和履带式各自的优点，在特定的条件下可以进行轮履式互相转变，这些主要归功于本身的机械结构特性，如何进行轮履式转变是本章的众中之重。3.1 轮履式车轮的设计总体方案因本文研究的课题融合了轮式与履带式各自的优点，所以其可用在很多领域包括郊外一些复杂的作业环境，可灵活转换不同的形式并且用途相对广泛，所以，对本文设计的产品应具有如下要求与特点20：(1)结构精简，质量较轻，便于手动拆卸安装以及维修护理。(2)为了充分体现其功能强大这一特点，其应在试验中能够通过上一章所说的凸台斜坡沟壕等复杂地形。(3)设计时其外形尺寸应与平常轮胎大致相同，使得可以与平常轮胎互换，其所用的零件也应该符合大众市场能够买到的产品。有可能的话尽量降低相关成本。3.2 轮履式车轮整体设计（结构设计）根据上一章的仔细分析，本产品采用四连杆机构，其内部组成主要是伸展机构，支撑机构，内部传动机构组成。当车轮从轮式转化为履带式，可利用可重构特性将机构展开，当需要收回至轮式时候，完全可以利用自身弹性恢复。所以可以清晰地指出本车轮的特点：当在平面上行驶时，采用轮式形态快速前进，当在复杂地势下行驶，变形为三角履带从而完成作业需求21。图3-1 轮履复合式总体设计方案3.3 履带的设计当车轮从轮式转换为履带式时，伸展机构将履带撑开至三角状，收回时，即将履带收回至车轮内部，这表明了完成此动作需要履带要有一定的弹性。这就是所谓的可重构性，其是履带的重要组成部分。3.4 履带节的设计(1)履带节是组成履带的部件，可重构性其需要履带节之间有一定的弹性，且每节履带节都对应着相同的弧度，这样才能覆盖在驱动轮上。如图3-2为履带节三维图。图3-2 履带节建模图一个半径为R的履带轮由n个履带节组成，那么可以求出对应得节距p=2R/n。履带节是一个关键的参数因为它表示两个销轴的距离，两个履带节相连，其中一个销轴镶嵌在另外一个可变空间内，且履带节之间保留一些间隙，所以履带节的尺寸会被这间隙所限制，而间隙与履带节又被节距限制，所以在可变空间内加一片弹簧，其厚度为h，留一定的长度d，销轴直径D，可变空间长度l，所以求出变形长度为l-D-d-h。(2)由于变形轮要用于实际，所以采用45刚，但某些程度上也存在一些缺点，比如长时间在泥水中行走会出现腐蚀生锈，对路面压强过大等等。因此为了减少对路面的损坏以及生锈等金属弊端，可对履带节上胶。橡胶应采用下列物理性质要求：（a）硬度（邵尔A型，度）：705；（b）拉伸强度：30MPa；（c）拉伸伸长率：400%；（d）拉断永久变形：30%；（e）300%定伸应力：12MPa；（f）脆性温度：-50；（g）阿克隆磨损：0.25cm3/1.61km；（h）剥离强度：Vr，此时发生滑移现象，一般发生在减速阶段。任何阶段的打滑现象都可以通：过增加摩擦力来避免，这也是我们不可忽视的一点。常见的就是改善胎纹或者使用摩擦系数较大的材料。3.6 对液压缸的受力分析与相关设计计算（1）正常情况下液压缸采用的是标准件22，但本文设计的产品因尺寸与用途的限制，故采用非标准件。下面对液压缸进行相关的受力分析。图3-7为受力分析。图3-7 四连杆机构受力分析图Fx=0，F3sin+F2cos-F1=0 （3-5）Fy=0，F3cos-F2sin=0 （3-6）F1为伸展臂所受的外力，F2为连杆对伸展臂的力，F3为伸展臂支反力。联列方程，算出结果：F2=F1tansin+cos因此液压缸杆件1确定受力值，与F2大小相同方向相反。（2)因本文选用双作用活塞缸，不限制左右方向，液压缸缸筒与活塞杆铰接，工作原理图如图3-8所示。Fmax=4D2P1-4D2-d2P2 （3-7）最终确定D=30mm，外径D1=40mm，壁厚5mm，额定压强12MPa，按照第二压强理论：D2+0.4Py-1.3Py-1 （3-8）带入数值算出结果3.785，故此液压缸满足要求。图3-8 双作用单杆缸工作图3.7 伸展机构整体结构展示本文设计的伸展机构主要是由固定板，伸展臂，辅助轮，液压缸，连杆几部分组成，其两个固定板同轴配合，固定板之间是伸展机构，并通过固定轴与车轮悬架相连，车体与伸展机构相连并固定，是的轮体不能随意旋转，这点设计可以保证变形轮可以任意时刻展开，并且展开的位置相对不会发生变化。活塞杆驱动伸展臂与弹性元件带动辅助轮展开与收回，弹性元件在横纵两向都有较大的变形，这也也可以起着一定的缓冲作用。并为液压伸展留有空间，当液压缸继续伸展，履带继续形变，整体会得到提高，有利于越障。伸展臂的长度决定了履带可变性长度，设每节履带变形为l，一共n节，那么可变总长度为nl。在展开的情况下考虑下变形长度，展开量也需有个余量，这也直接可以提高越障性能，因这种情况下底盘高度得到提高。图3-9为伸展臂伸缩原理图。图3-9 伸展臂伸缩原理图根据图3-9考虑一下下列因素：保证伸展机构能够伸缩在轮体内是设计的前提。确保辅助轮与液压缸销轴有着一定的间隙。上图中3600n。3.8 传动系统结构设计由于伸展臂在轮体内，所以应当采用分体设计，履带的动力由驱动轮提供。必须保证履带轮撑开的位置相对不变才能每次顺利地将伸展臂展开，所以伸展机构得相对轮体保持静止状态，但两个驱动轮得同时获得动力，所以导致控制的难度。所以本文设计了单轴行星轮式传递结构。图3-10为动力系统传递结构图。图3-10 变体轮内部动力传递系统结构原理图如图，为了使得固定法兰盘7与固定轴8以及中间固定轴固定，所以7（固定法兰盘）与8（固定轴）固连，动力由发动机通过5（主传动轴）传给1（右驱动片轮），1又与6固连（内齿圈），再通过2（行星齿轮）与3（行星齿轮轴）传递动力到左驱动片轮上，这也使得左右驱动片轮同向旋转切转速一致。3.9 三角履带轮的驱动片轮设计步骤步骤1驱动片轮草图绘制（图3-2）打开UG之后，选择【文件】中【新建】命令，在弹出的【新建】对话框里输入【model1.prt】后单击【确定】按钮。接着在【直接草图】工具条中选【草图】按钮，弹出草图绘图界面，选择一个以系统坐标轴所参考的面XC-YC，单击【确定】按钮。图3-11 选定坐标系绘制草图，确定带旋转矩形规格，确认【完成草图】，单击【曲面】工具条的【更多】中拓展框中【旋转】，打开对话框，编辑状态。在【截面】条目里选择曲线勾选带旋转曲线，【轴】中选择合适的指定矢量Y，指定点坐标设为（0,0,0）。在【限制】条目限制开始角度为0，结束角度为360，【布尔】条目中选择为【无】单击【确定】按钮，如图3-3。图3-12 确定旋转矩形规格步骤2阵列特性的绘制绘制草图如图所示，确认完成草图，单击主页【特征】工具条中的【阵列特征】按钮，以打开【阵列特征】条目，选择刚刚绘制的草图特征，参考指定点直接通过草图定位出草图绘制的几何中心。由于驱动片轮为圆形件，在【阵列定义】的【布局】选项中选择圆形，【旋转轴】指定矢量一般选择为与草图面垂直的矢量Y，指定点坐标也取坐标原点，间距设定【数量和跨距】，数量为8，跨角360。这样轮盘类零件上将会出现8个阵列特性草图。拉伸阵列特性，单击曲面工具条更多【拉伸】，弹出对话框，选定阵列特性曲线32条，指定矢量Y。【限制】条目设置开始距离和结束距离满足布尔求差的需要，在此我选择数据30。布尔求差（或求和）必须选择关联体，关联体的选择为刚刚绘制的旋转特性的驱动片轮盘，单击【确定】按钮，如图3-4。图3-13 绘制阵列特性（a）图3-14 绘制阵列特性（b）图3-15 绘制阵列特性（c）步骤3阵列面的绘制绘制草图如图所示，确认完成草图，对草图进行拉伸获得参考阵列面，单击主页【特征】工具条中的【阵列面】按钮，以打开【阵列特征】条目，选择刚刚建立的拉伸模型，选择出与外部相关联的四个面。由于驱动片轮为圆形件，在【阵列定义】的【布局】选项中选择圆形，【旋转轴】指定矢量一般选择为与草图面垂直的矢量Y，指定点坐标也取坐标原点，间距设定【数量和跨距】，数量为8，跨角360。操作如上文所示在此不再赘述。图3-16 阵列面绘制（a）图3-17 阵列面绘制（b）图3-18 阵列面绘制（c）步骤3齿型绘制单击【草图】按钮，弹出草图绘制界面。绘制参数如下文所示，由于装配中会采用中心轴对称的方式去定位外齿槽和履带的位置，履带结与外齿槽数量较多，且标准件的图形绘制中对齿轮外部分特征圆点的选取较为麻烦，为了简化装配流程，此次设计采用非标准件作为参考设计依据用于装配，故参考草图如下所示。对所示草图参考已列举方法进行阵列特性的绘制，然后通过拉伸布尔求差的方法绘制，在此不再赘述，最后绘制的齿数为36齿，此时驱动片轮从动轮的设计已经初步完成。图3-19 齿牙绘制（a）图3-20 齿牙绘制（b）图3-21 齿牙绘制（c）3.10 三角履带轮的装配步骤步骤1装配文件的建立打开UG之后，选择【文件】中【新建】命令，在弹出的【新建】对话框里输入【asm1.prt】后单击【确定】按钮。接着在【添加组件】工具条中选出之前建立的模型，预览后确定，可获得待装配的三维模型图。图3-21 装配文件建立图步骤2基准的确定和装配要点首先确定基准，所有装配参考所选基准，此装配图选择中间固定轴为参考实体，所有零部件参考该实体进行装配。首先对驱动片轮进行装配，右击驱动片轮【移动】，呼出移动组件菜单，选择组件在确定为所选实体后，通过将驱动片轮移动至与中间固定轴的所选平面重合，列出对应坐标。对中间固定轴轴和驱动片轮设定装配约束，对驱动片轮右键【装配约束】，单击【类型】条目的【对其/锁定】后，对【要约束的几何体】选择我们刚刚想选择的驱动片轮和中间固定轴，编辑状态，确定，最终完成第一步中间固定轴和驱动片轮的装配。其余部件装配原理如上步骤参考，最终获得待检验装配图。图3-22 确定基准和装配要点步骤2单个模型在ASM中的二次生成与装配检测三角履带轮有部分部件属于对称结构，可以对绘制单一实体通过复制粘贴的方法完成在装配图中的二次生成，操作步骤选择要复制的模型，右键选择复制，然后对ASM的总装配标签右击选择粘贴确认，会如上截图所示其中所调用部件的文件名后面会形成数量标注。之后对重叠的部件进行移动，输入所计算的坐标，通过旋转X，Y，Z轴将部件移动至设计中规定的尺寸或位置。但由于部分曲面在装配中要形成部分干涉，在装配中除了满足所选择位置，还需要对其进行装配约束避免部分干涉。右键位于工具栏第二行的【菜单】，点击【分析】，会找到【简单干涉】选项，单击后得到如下图的界面，根据状态栏的提示选择刚刚装配完成的【第一体】和【第二体】，结果对象选