崔智　李年裕　張豫南

摘 要：針對傳統(tǒng)履帶式移動平臺轉向時效率低、可控性差、對履帶板損耗嚴重等缺點，設想出一種輕型履帶式移動平臺，在傳統(tǒng)平臺基礎上，在履帶板上增設可以自由滾動小輥輪，通過滾動摩擦阻力代替部分滑動摩擦阻力的方式提升平臺轉向效率。為了考察其適應復雜的實戰(zhàn)化戰(zhàn)場地形的能力，本文建立了平臺的三維模型，并通過仿真實驗分析了平臺的爬坡性能。結果表明，該平臺相比傳統(tǒng)平臺爬坡性能有所下降，但仍可以適應大多數斜坡地形。

關鍵詞：小輥輪；轉向效率；爬坡性能；仿真實驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.210

0 引言

眾所周知，履帶式移動平臺有穩(wěn)定的運動性能，較為突出的越障能力，可以在特定條件下快速順利完成指定路徑的運動[1]。不過在轉向過程中會存在轉向阻力大、轉向可控性差、效率低、對履帶板的磨損嚴重等一系列缺點[2]。高效轉向履帶移動平臺[3]解決了小型履帶式移動平臺的轉向性能問題。不過輥輪的存在影響了平臺越障能力，于是本文試圖提出一種輕型履帶式移動平臺既可以解決平臺的轉向問題，同時又具有傳統(tǒng)平臺的越障功能。

越障功能主要分為爬坡、越臺階、爬樓梯等情況。在實戰(zhàn)化戰(zhàn)場中坡面較為常見，為此，本文重點分析該平臺的爬坡性能。

1 平臺結構分析

該平臺的履帶和履帶板結構如圖1所示，履帶主要由主動輪、負重輪、誘導輪、拖帶輪、履帶板等構成，與傳統(tǒng)履帶式平臺類似。主要不同之處在于履帶板上面設置一定角度的輥輪支架，在支架上放置2組共4個對稱小輥輪，輥輪軸線與主動輪軸線構成的夾角定義為輥輪偏置角。在每個履帶板上分散放置4個小輥輪，目的是為了分散單個履帶板的接地面積以保證平臺的穩(wěn)定性。同時履帶板采用中空設計可以減少整條履帶的重量。平臺在轉向過程中，小輥輪的存在可以將履帶與地面產生的滑動摩擦力一部分轉變?yōu)樾≥佪啙L動摩擦力，由于滾動摩擦阻力遠小于滑動摩擦阻力，因此該平臺在轉向過程中相比傳統(tǒng)履帶平臺減小了履帶板損耗。

該平臺的整體布局與傳統(tǒng)履帶平臺結構相同，采用主體兩側各一條履帶布置，平臺內主要放置驅動電機、電機驅動器及電池等零部件，平臺為后驅動裝置，兩條履帶任意速度運動組合成平臺的運動。由于電傳動結構相比傳統(tǒng)機械傳動結構機動性強、總體布局靈活等優(yōu)點[4]，因此該平臺采用雙側電機獨立驅動。

2 爬坡性能分析

實戰(zhàn)化戰(zhàn)場中的地形和地物相對復雜，不僅有天然屏障還會有一些人為障礙。越障性能指的是不需要任何輔助設備而克服天然及人工障礙的能力[5]。傳統(tǒng)履帶式移動平臺有較強的越障能力，該輕型履帶式移動平臺由于小輪滾的存在，其運動易受到地形地貌等外界因素干擾，從而影響到平臺越障功能。在實戰(zhàn)化戰(zhàn)場中坡路路況最為常見，因此本文主要分析平臺的爬坡性能。

爬坡性能主要表現(xiàn)為爬坡的動力性和穩(wěn)定性。動力性由電機的功率和扭矩決定的，穩(wěn)定性是由平臺結構決定的[6]。該平臺與傳統(tǒng)平臺主要是結構上的不同，因此主要分析該平臺的爬坡穩(wěn)定性。穩(wěn)定性分為靜力穩(wěn)定和動力穩(wěn)定。靜力穩(wěn)定為作用于平臺上的外力或者外力矩具有靜力性質使平臺保持原始位置。動力穩(wěn)定為平臺受到動力或者動力矩后依舊保持其穩(wěn)定的能力[5]，動力穩(wěn)定的情況較為復雜，需考慮作用于平臺上的外力和外力矩的動力狀態(tài)，此處重點研究爬坡時的靜力穩(wěn)定性。

爬坡時靜力不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為下滑和顛覆，一般情況下顛覆前平臺就會開始下滑，因此主要分析平臺在下滑時的極限坡度。

由于該平臺履帶上設置有一定偏置角的小輥輪，所以分析地面給予履帶板的作用力可分為沿輥輪軸線方向和垂直輥輪軸線方向的作用力。平臺在坡面上，地面給予的作用力無論是沿輥輪軸線方向還是垂直于輥輪軸線方向均為靜滑動摩擦力。受力分析如圖2所示。垂直于輥輪軸線方向上的靜滑動摩擦力很小，可忽略不計。因此平臺在坡面上受到靜滑動摩擦力只考慮沿輥輪軸線方向。

圖2中xoy為與斜面固定的直角坐標系，為與平臺重心固定的直角坐標系，為平臺偏航角（），、、、為輥輪偏置角，為坡面的坡度，G為該行走裝置的重力，、、、為履帶接地段中心，假設履帶受到的垂直載荷均勻分布，則、、、分別為各自一側輥輪受到的靜摩擦力等效到、、、合力上。

3 仿真實驗與分析

將Solidworks中建立好的模型導入Adams中，同時在Adams中添加運動約束副、接觸力、驅動[7]等。仿真坡面采用堅硬路面。平臺樣機模型如圖3所示。

平臺樣機部分參數見表1。

假設地面附著系數=0.8，地面變形阻力系數f=0.03，結合前文分析，將表中數據代入式（6）、（7）中得，。因此建立斜面坡度為33°、30°、27°、24°四種情況，設定平臺勻速縱向爬坡，仿真結果如下：

3.1 爬33°斜坡

平臺樣機在爬33°斜坡過程中的運動軌跡和重心高度變化曲線如圖4所示，樣機平臺大約在第4秒時，平臺偏航角發(fā)生了改變。由于33°為平臺最大極限坡度角，因此航偏角發(fā)生改變后，極限坡度角導致了平臺樣機在坡面上滑落。

3.2 爬30°斜坡

樣機在爬30°斜坡過程中的運動軌跡和重心高度變化曲線如圖5所示，其偏航角在運動過程中發(fā)生了改變，導致極限坡度角也發(fā)生變化，因此當大約在第4.5秒時，極限坡度角，因而樣機平臺從坡面上滑落。

3.3 爬27°斜坡

樣機在爬27°斜坡時運動軌跡和重心高度變化曲線如圖6所示，偏航角大約在平臺運動第4秒時發(fā)生了改變，極限坡度角，導致樣機平臺在斜面上由于與地面間靜摩擦力原因停在了斜坡上。

3.4 爬24°斜坡

樣機在爬24°斜坡時運動軌跡和重心高度變化曲線如圖7所示，樣機平臺在爬坡過程中偏航角雖然有一些變化，但由于最小極限坡度角為，導致樣機在任意偏航角時的極限坡度角，因此平臺順利的爬上了24°斜坡。

4 結論

根據上述仿真實驗，當地面附著系數=0.8，地面變形阻力系數f=0.03時，該平臺在任意偏航角情況下可以爬上24°斜坡，因此斜坡坡度為24°是平臺最大穩(wěn)定爬坡角。根據車輛爬坡性能的要求，普通汽車極限坡度角約為20°，而履帶式車輛要求爬上32°縱坡。相比傳統(tǒng)履帶式平臺，該平臺爬坡性能有所下降，但根據城市道路交通規(guī)范，目前道路坡度一般不超過15%，即8°[8]，因此該平臺可適應大多數斜坡地形。

參考文獻：

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作者簡介：崔智（1994-），男，遼寧營口人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。