可变直径车轮.docx

适应性调整轮径式车轮的设计及越障性能分析基金项目：国家大学生创新性实验计划(091029009)资助项目；第三届江苏省机械创新设计大赛一等奖第一名作 品。(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州，221116)摘要：为解决车轮越障性能与体积结构约束之间的矛盾，提出一种可展开式的车轮结构，该机构由六个 曲柄滑块机构并联驱动内、外及连杆轮片，组合重构轮缘形状，实现1-2. 1倍轮径的变化。建立优化模 型求解参数并在此基础上进行结构设计制成物理样机。根据基于应力分布的轮地相互作用力学模型对车 轮的越障性能进行了分析，得出使用大径相对小径可减少阻力，增大挂钩牵引力与驱动力矩的结论。另 外扩径过程中外轮片冗余自由度特性使外轮片自由单元在土壤分布力、车轴集中力作用下的形态有利于 车轮的越障，从而使车轮获得综合的结构性能。关键词：刚性车轮，可变轮径，机构串并联，轮地相互作用力学模型，外轮片冗余自由中图分类号：TH112文献标示码：A0引言行走装置对井下、星球表面及复杂路面环境中救援与探测设备的通过性能起着决定性作用，由 于使用环境的苛刻，这些设备均有多功能、质量轻、体积小、适应性强的特点，由于小径轮越障能 力差，而大径车轮又与微型机器不协调的原故，近几年出现采用腿式，爬行和履带式等非轮系驱动 形式，但非轮系驱动带来控制与结构复杂性问题。目前探测车轮普遍采用刚性定半径轮，变直径式车轮的设计与运用有孙鹏1等研究的深空探测 车可变直径车轮，并进行了性能评价。工程与科学探测中，车轮土壤相互作用力学2已成为刚性车轮 的设计、性能评价、控制和仿真的理论根据。目前有较多研究行走机构以提升控测器越障性能的课题，行走装置作为探测器的元素，由于使 用环境的不同，其间没有绝对优劣的可比性。基于轮系驱动的优点，确定适当的边界，以刚性车轮 为研究对象，在注意与整车协调的条件下，建立模型设计刚性车轮。适应性调整轮径式车轮可用于 矿难后井下救援、震后救灾与灾区探测的设备上以提高探测器越障能力，另外也可用于研制面向月 球探测等复杂地形的高通过性行走机构的设计上。舵机驱动冗余六自由度F=6柔性化轮缘柄轮片组合重构曲柄滑块机构6并联己结构设计(a)曲柄滑块机构并联示意图3(a)为变径轮轴向六个曲柄滑块机构并联与径向滑动杆结构设计，4级滑动杆为柱塞结构，小 径时重叠，大径时展开连成一线，对内轮片径向扩张起导向和承受横向弯矩的作用，由曲柄、连杆承 受内轮片的径向力。六个曲柄滑块机构充分利用小径内空间，在轴向上实现并联，曲柄通过内耳与轴 联接，由蜗轮蜗杆传动和锁定轮径状态。1-滑动杆，2-传动轴，3-轮盘，4、5、6-曲柄，7-连杆，8-轮片销，9、10-轮片，11-蜗轮蜗杆传动自锁装置(b)轴向装配示意图3装配图图4基于Pro/E的三维实体模型图5实物样机图4为变径轮三维造型，图5为实物样机。