劉西俠, 吳文文, 賈小平, 姚新民

(陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系，北京 100072)

近年來，地震、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害顯著增多[1]，為有效減少自然災(zāi)害帶來的人民生命財產(chǎn)損失，災(zāi)后快速救援十分緊迫。為此，筆者研究設(shè)計了具有折腰和擺臂特殊結(jié)構(gòu)功能的6輪車，該6輪車具有可變換出多種姿態(tài)的13個自由度，能有效地越過垂直障礙等多種典型障礙物，可對災(zāi)后物資、人員運輸補給作出快速反應(yīng)。為達到準(zhǔn)確有效救援目的，需對6輪車越障能力[2]進行分析。

1 6輪車結(jié)構(gòu)和功能

6輪車整車結(jié)構(gòu)如圖1；各部件標(biāo)注如圖2。該6輪車分為前、后兩個車體，其前、后車體之間通過鉸接裝置和液壓缸連接，前車體左、右兩側(cè)各有一個車輪，后車體左、右兩側(cè)各有兩個車輪；前車體可通過液壓缸活塞桿拉動前拉臂繞鉸接點1(圖2)實現(xiàn)折腰，6個擺臂能夠帶動車輪繞其與車體鉸接點進行360°旋轉(zhuǎn)，6個擺臂里面分別裝有電機來實現(xiàn)6輪驅(qū)動，調(diào)整擺臂可使車體姿態(tài)發(fā)生變化；后車體上有重心塊可前后移動，在該車在越障時通過調(diào)整重心塊位置來提高越障能力。

該6輪車具有13個自由度，在越障時可調(diào)整出多種姿態(tài)來快速越過障礙物。圖3為該車翻越垂直障礙物時的姿態(tài)變化。當(dāng)該車由水平靜止?fàn)顟B(tài)感知到前方有障礙物并向前運動時，6輪車由姿態(tài)1調(diào)整前擺臂向前擺動，中間擺臂和后擺臂均向后擺動使車輛重心降低，使該車狀態(tài)調(diào)整到更加穩(wěn)定的姿態(tài)2，為下一步越障做準(zhǔn)備；當(dāng)前擺臂繼續(xù)向前擺動，液壓缸活塞拉動前拉臂向后擺動(姿態(tài)3)，兩者相互配合使前輪剛好觸及前輪上沿；之后中間擺臂向后擺動至一定高度，前輪和后輪著地(姿態(tài)4)；此時伸長液壓缸活塞，使該車前車體與后車體處于同一平面，中間輪越上障礙物(姿態(tài)5)；最后將后擺臂向后擺動至高于障礙物高度，中間擺臂向前擺動，前擺臂向后擺動直至越過障礙，使車體保持水平(姿態(tài)8)，通過調(diào)整擺臂和折腰角度來實現(xiàn)順利越障，提高了越障效率。

圖1 6輪車整車結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Structure model of six-wheeled vehicle

圖2 6輪車標(biāo)注示意Fig. 2 Six-wheeled vehicle marking indication

圖3 越垂直障礙姿態(tài)變化Fig. 3 Posture change crossing over vertical obstacles

2 越障高度分析

為進行計算和仿真實驗，筆者測得6輪車的各個部件質(zhì)量和尺寸。表1為6輪車部件名稱及所對應(yīng)的含義和參數(shù)。

表1 6輪車參數(shù) Table 1 Six-wheeled vehicle parameters

2.1 6輪車最大折腰角度

通過測定6輪車最大折腰角度可得到前車輪所達到的最大高度，能對6輪車最大越障高度提供參考。為避免液壓缸缸體與后車體產(chǎn)生干涉[3]，當(dāng)液壓缸拉動前拉臂到液壓缸缸體處于水平位置時，前車體具有最大折腰角度。圖4為最大折腰角度的6輪車示意。經(jīng)測量可得：b=560 mm、c=400 mm、d=880 mm、e=260 mm、f=400 mm。

由此可得到前車體最大折腰角度如式(1)：

41.82n

(1)

由式(1)得出最大折腰角度θ=41.82°，由此得到此時前輪在非擺臂狀態(tài)下高度如式(2)：

876.67 mm

(2)

當(dāng)6輪車前擺臂向前擺動時，前輪高度會進一步提升，翻越垂直障礙物其高度會相應(yīng)增高；但由于不同障礙的路面附著系數(shù)不同，以及前、中、后擺臂之間配合關(guān)系，6輪車越障高度不會隨著前輪抬升而一直升高。

圖4 最大折腰角度Fig. 4 Maximum bow angle

2.2 兩種不同障礙路面最大越障高度

當(dāng)前輪越上障礙后，通過折腰、中間輪擺臂向后擺，移動重心塊等方式，使得中間輪能順利搭到障礙面上。在這一過程中，中間輪擺臂擺動且在中間輪搭上障礙之前，前輪和后輪均著地，除了輪胎以外車體不與障礙接觸，在中間輪搭上障礙時，保證此時前輪和中間輪與地面接觸，調(diào)整后輪至能夠越過障礙位置，這樣才能順利越過障礙物。

圖5為障礙物與車體發(fā)生碰撞的情形。圖5中：當(dāng)6輪車前輪和后輪接觸地面，障礙高度超出一定范圍時，障礙物會在中間輪與障礙接觸前與車體發(fā)生碰撞，導(dǎo)致其不能順利越障[4]。因此，需計算出中間輪最大越障高度，進而評估整車越障能力。

圖5 障礙與車體發(fā)生碰撞Fig. 5 A collision between obstacle and car body

為避免障礙物與車體發(fā)生碰撞，需進一步減小障礙物高度，設(shè)車體的與水平面夾角為θ1，垂直障礙物高度為h0，則有式(3)：

(3)

當(dāng)中間擺臂向后擺動90°時，即α2=90°，使中間輪剛好搭到障礙面上，此時可越過障礙的幾何理論高度如式(4)：

h0≤hcosα1+(L2-h)sinθ1+r

(4)

將式(3)帶入式(4)，可得到式(5)：

(5)

假設(shè)α1=30°、α2=60°，分別代入式(5)，可得到h0≤1 248.82 mm。則在幾何條件[5]上能滿足6輪車實際行駛過程中受到多種因素的影響。

2.2.1 硬質(zhì)水泥路面

基于以上分析，要求6輪車越障的最大高度為前輪和后輪在實際地面情況下均可越過障礙物的最大高度即為該車的最大越障高度。故筆者分兩種情況進行討論：

1)前輪越障

圖6為前輪越障示意。前輪抬起至接觸障礙面，此時只有后輪和中間輪受力。

圖6 前輪越障示意Fig. 6 Diagram of front wheel crossing barrier

假定后車體重力為G2，前車體重力為G1，地面附著系數(shù)為φ，后、中間輪支持力分別為F1、F2，所受摩擦力分別為Ff1、Ff2，路面摩擦因數(shù)[6]為f，則有：Ff1=fF1、Ff2=fF2。后車體重心位置在距離車體尾部L1+L4處，則可得方程如式(6)：

(6)

其障礙高度計算如式(7)：

h0=(L4+L5)sinθ+h[cosα1-cos(θ+α3)]

(7)

圖7為6輪車前輪高度與折腰及前擺臂角度關(guān)系[7]。圖7中：6輪車實際前輪高度為折腰和前擺臂配合高度之和。若不發(fā)生車體與障礙面碰撞，當(dāng)折腰角度為41.82°和擺臂角度為90°時，配合得到前輪可抬升到1 730 mm處，越障高度不僅與前輪抬升高度有關(guān)，與中間輪最大越障高度也有直接關(guān)系。

圖7 前輪高度與折腰及前擺臂角度關(guān)系Fig. 7 Relationship between front wheel height and bow and front swing arm angle

2)中間輪越障

在幾何條件允許情況下，中間輪極限越障高度為h0≤1 248.82 mm。受路面條件等限制[8]，實際情況下越障高度達不到幾何值，對中間輪越障主要有如圖8中的兩個過程。

由圖8(a)可得式(8)：

(8)

同理，由圖8(b)可得到式(9)：

(9)

式中：附著系數(shù)φ=0.68；動摩擦因數(shù)f=0.57。

式(7)～(9)聯(lián)立可得到中間輪越障高度h0=1 132.83 mm。

圖8 中間輪越障流程Fig. 8 Flow chart of middle wheel crossing obstacle

2.2.2 泥土路面

對泥土路面越障高度分析與在水泥路面分析原理相同[9]，此時路面附著系數(shù)與摩擦因數(shù)分別為φ=0.48、f=0.40。則中間輪越障高度h0=946.65 mm。

3 仿真分析與實驗驗證

3.1 仿真分析

在RecurDyn軟件中建立車輛模型[10]，通過SolidWorks軟件構(gòu)造3D模型圖導(dǎo)出為(*.x_t)格式，并將此文件導(dǎo)入到RecurDyn中，構(gòu)造出仿真模型。添加約束使車輛通過鉸接、固定等方式連接在一起，在車軸位置上添加車輪，仿真選用Fiala輪胎模型，該模型將輪胎簡化為具有彈性的圓環(huán)梁模型且忽略輪胎的松弛效應(yīng)及外傾角的影響。在創(chuàng)建輪胎力時，輪胎力作用點方位角必須與輪胎幾何中心點保持一致[11]。RecurDyn中，若要建立正確的整車模型，需在建立地面模型和輪胎模型時調(diào)節(jié)重力方向為-z，才能使仿真模型正常運轉(zhuǎn)，圖9為6輪車仿真模型。

圖9 6輪車仿真模型Fig. 9 Simulation model of six-wheeled vehicle

為得到折腰-擺臂車的最大越障高度，需進行多次試驗。筆者對該車翻越800、1 000、1 100、1 200 mm這4種垂直障礙進行仿真分析，得到6輪車可順利越過800、1 000、1 100 mm障礙；在翻越1 100 mm垂直障礙時各輪胎受力如圖10(a)；在翻越1 200 mm垂直障礙時其受力分析如圖10(b)。

圖10 翻越垂直障礙各輪胎受力Fig. 10 Tire stress crossing vertical obstacle

由圖10分析可知：翻越1 200 mm障礙時，在6 s之后時間里，后輪和中間輪受力為0，表明已經(jīng)脫離地面，6輪車無法越過1 200 mm障礙，但可越過1 100 mm障礙。由此得到6輪車能翻越最高障礙高度為1 100～1 200 mm；仿真試驗得到：在水泥路面上最大越障高度為1 170 mm。

同理，與之前建立仿真模型相同條件下，調(diào)整地面附著系數(shù)與摩擦因數(shù)分別為φ=0.48、f=0.40，構(gòu)建泥土障礙仿真路面模型。對6輪車在泥土路面翻越980 mm障礙時，其仿真如圖11。輪胎1～3分別代表后、中、前輪在泥土路面的受力，在7.3 s后這3個輪受力突降為0，證明此時整車發(fā)生了傾覆，即6輪車在泥土路面不可越過980 mm的垂直障礙；通過仿真得到：6輪車在泥土路面可越過的最大障礙高度為960 mm。

圖11 翻越980 mm垂直障礙各輪胎受力Fig. 11 Tire stress crossing 980 mm vertical obstacle

3.2 實車驗證

在試驗場地進行6輪車最大越障高度測試，水泥路面測試如圖12(a)，泥土路面測試如圖12(b)。在水泥路面最大越障高度為1 095 mm，在泥土路面該車可越過最大越障高度為945 mm，故可得到6輪車分別在這兩種路面下的最大越障高度理論值、仿真值、實際值、誤差及誤差率(表2)。

圖12 路面實驗Fig. 12 Pavement experiment

越障高度路面類型水泥路面泥土路面理論值/mm1 132.83946.65仿真值/mm1 170960實際值/mm1 095945誤差(理論值-實際值)/mm37.831.65誤差率(誤差/理論值)/%3.340.17

3.3 誤差分析

由表2可知：實際值、仿真值、理論值之間存在一定誤差。水泥路面誤差較大為3.34%，由于水泥路面較硬，輪胎受到彈力較大，給越障帶來了一定影響，6輪車本身存在系統(tǒng)誤差，測量也會產(chǎn)生一些隨機誤差，則可通過提高測量儀器精度來盡可能縮小誤差[12]；泥土路面誤差率為0.17%。這兩種路面誤差率均在5%以內(nèi)，驗證了理論計算的合理性與正確性。

4 結(jié) 語

筆者設(shè)計了一種具有折腰和擺臂結(jié)構(gòu)的6輪車。以越垂直障礙為目的，從理論上分析了6輪車在水泥和泥土兩種不同路面下的最大越障高度分別為1 170、960 mm。在Recurdyn軟件中進行仿真并進行實車實驗，水泥路面和泥土路面實驗結(jié)果與理論分析對比誤差分別為3.34%、0.17%。