朱節(jié)宏，謝述雙，蔡超銳

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海536000）

0 引言

輪履復(fù)合指的是機(jī)械設(shè)備的行走或行駛部分具有履帶式行走和輪胎式行走兩種行走機(jī)構(gòu)，可隨時(shí)根據(jù)路況選擇變換行走或行駛方式，或履帶式行走，或輪胎式行駛。近年來(lái)，工程機(jī)械輪履復(fù)合行走方式的研究日益深入，已出現(xiàn)主要產(chǎn)品有輪履復(fù)合式起重機(jī)、輪履復(fù)合挖掘機(jī)和輪履復(fù)合特種救援裝備，此外，隨著人工智能與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，國(guó)內(nèi)輪履復(fù)合式機(jī)器人的應(yīng)用研究，也開(kāi)始出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)、救援、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)及消防等領(lǐng)域。履帶式行走的優(yōu)勢(shì)是支撐面大、接地比壓小、通過(guò)能力強(qiáng)，輪胎式行走則具有速度快、機(jī)動(dòng)性好的特點(diǎn)，輪履復(fù)合，就是基于兩種行走方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使主機(jī)設(shè)備具有更強(qiáng)的工況適應(yīng)能力，提高工作效率，更好地滿足不同行業(yè)、不同地形條件及不同使用人員的工作需求[1-3]。一種電動(dòng)式輪履復(fù)合試驗(yàn)小車行走裝置（下稱“輪履復(fù)合行走裝置”）的研制，考慮的就是這種電動(dòng)輪履復(fù)合技術(shù)的可能性或可行性，為后續(xù)實(shí)際工程工業(yè)裝備的研究和試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1 輪履復(fù)合行走裝置的總體設(shè)計(jì)與零部件選型

1.1 輪履復(fù)合行走裝置的總體設(shè)計(jì)

電動(dòng)式輪履復(fù)合試驗(yàn)小車行走裝置總體包括輪式行走部分、履帶式行走部分、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、輪式結(jié)構(gòu)收放驅(qū)動(dòng)部分和車架等，輪式行走部分布置在履帶式行走部分內(nèi)側(cè)，整車設(shè)計(jì)自重約為400 kg。該行走裝置可實(shí)現(xiàn)履帶式行走和輪胎式行走，在履帶式行走時(shí)，前后輪式機(jī)構(gòu)通過(guò)收放機(jī)構(gòu)收起，輪胎離地，在輪胎式行走時(shí)，前后輪式機(jī)構(gòu)通過(guò)收放機(jī)構(gòu)下放撐起，履帶離地。輪履復(fù)合行走裝置總體布局，如圖1所示。

圖1 輪履復(fù)合行走裝置總體布局

1.2 輪履復(fù)合行走裝置的零部件選型設(shè)計(jì)

該輪履復(fù)合行走裝置的研制，采用的選型電動(dòng)部件主要有：輪式機(jī)構(gòu)伸縮電動(dòng)推桿、輪式機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向筆式電動(dòng)推桿、電動(dòng)推桿控制開(kāi)關(guān)、輪轂電機(jī)、輪轂電機(jī)控制器、履帶行走直流減速電機(jī)及控制組件、橡膠履帶、蓄電池組及其他控制部件等。對(duì)于以上電動(dòng)零部件，電動(dòng)推桿的推力根據(jù)整車設(shè)計(jì)自重選擇，所以這里主要考慮的是輪式機(jī)構(gòu)行走輪轂電機(jī)的功率和履帶式行走減速電機(jī)的功率是否滿足設(shè)計(jì)要求。

輪式行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率和履帶式行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率參考計(jì)算過(guò)程如下。

輪式行走以設(shè)計(jì)最高速度60 km/h計(jì)算，所需單個(gè)輪轂電機(jī)功率 P1=fυ/η = μmgυ/η =0.02 × 200 ×9.8×60 000/（3 600×0.87）=750.96 W（其中f為車輪滾動(dòng)摩擦力；μ為摩擦系數(shù)，取μ=0.02；υ為速度；mg為車輪所承受的重量；η為電機(jī)效率，取η=0.87）。

履帶式行走最高設(shè)計(jì)速度8 km/h計(jì)算，忽略空氣阻力，所需直流減速電機(jī)的功率P2=mgμ′υ′/（ηη′）=200×9.8×0.02×8 000/（3 600×0.87×0.9）=111.25 W，（其中 μ′是滾動(dòng)阻力系數(shù)，取 μ′=0.02；mg為直流減速電機(jī)所承受的重量；υ′為速度；η′為傳動(dòng)效率，η 為電機(jī)效率，取 η =0.87，取 η′=0.9）。

電動(dòng)零部件的初始選型主要以試驗(yàn)小車輕載或空載條件為參考，因?yàn)樵撛囼?yàn)小車研制的目的是為了驗(yàn)證該電動(dòng)式輪履復(fù)合技術(shù)的可行性，不做極限工況的考慮設(shè)計(jì)，部分電動(dòng)零部件的選型及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表1。

表1 行走裝置各零部件選型及技術(shù)參數(shù)

2 輪履復(fù)合行走裝置的研制過(guò)程

2.1 輪履復(fù)合行走裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以外購(gòu)件的形狀尺寸及小車總體布局為基礎(chǔ)，自制輪履復(fù)合行走裝置的外形尺寸1 300 mm×1 500 mm×1 400 mm，整個(gè)車架材料為方管、圓管及薄鋼板拼搭焊接而成。輪式行走機(jī)構(gòu)在履帶式行走機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)且對(duì)稱布置，輪式行走驅(qū)動(dòng)采用雙驅(qū)同步控制輪轂電機(jī)，輪式轉(zhuǎn)向則由筆式電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)易四桿機(jī)構(gòu)組成，小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成

轉(zhuǎn)向電動(dòng)推桿總行程為200 mm，以伸出100 mm時(shí)的推桿總長(zhǎng)度作為初始安裝位置。以轉(zhuǎn)向電動(dòng)推桿極限行程計(jì)算，轉(zhuǎn)向輪外輪中心輪跡的最小轉(zhuǎn)彎半徑放樣測(cè)量如下圖所3所示。

圖3 最小轉(zhuǎn)彎半徑示意圖

由Creo模型的實(shí)際測(cè)量可以獲得：轉(zhuǎn)向輪外輪最大轉(zhuǎn)角θ=50°，轉(zhuǎn)向輪外輪中心輪跡的最小轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)值R0=1 738.1 mm。

2.2 輪履復(fù)合行走裝置控制線路設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)小車的輪式行走機(jī)構(gòu)是由多個(gè)電動(dòng)部件組成。輪式機(jī)構(gòu)收起和下放采用直流電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，設(shè)伸縮開(kāi)關(guān)，有伸縮限位裝置；行走驅(qū)動(dòng)采用前輪驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向布置，前驅(qū)動(dòng)輪為獨(dú)立輪轂電機(jī)，自帶電位器雙驅(qū)控制器；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)采用筆式直流電動(dòng)推桿，設(shè)伸縮開(kāi)關(guān)，有伸縮限位裝置。履帶式行走機(jī)構(gòu)則包括驅(qū)動(dòng)部分及四輪一帶，驅(qū)動(dòng)部分采用直流減速機(jī)，左右履帶驅(qū)動(dòng)分別控制。

輪式機(jī)構(gòu)收放驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿電氣控制原理圖如圖4所示，主要采用的控制器件為空氣開(kāi)關(guān)、直流接觸器和行程開(kāi)關(guān)，而轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)筆式電動(dòng)推桿電氣控制方式與收放驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿一樣。

圖4 輪式機(jī)構(gòu)收放驅(qū)動(dòng)電氣控制原理圖

2.3 輪履復(fù)合行走裝置樣機(jī)及分析

輪履復(fù)合行走裝置樣機(jī)試制，經(jīng)過(guò)Creo建模、運(yùn)動(dòng)干涉分析與繪圖，小車車架的焊接加工，機(jī)械、電動(dòng)零部件的組裝以及控制電路的連接固定、安裝調(diào)試，小車樣機(jī)如圖5所示。

圖5 小車樣機(jī)

經(jīng)過(guò)對(duì)小車樣機(jī)的操控試驗(yàn)，電位器調(diào)節(jié)小車行駛速度，電動(dòng)推桿控制開(kāi)關(guān)控制輪式機(jī)構(gòu)伸縮和轉(zhuǎn)向，該小車可直線、轉(zhuǎn)彎行駛，可順利完成輪式行走模式和履帶式行走模式的切換，輪式機(jī)構(gòu)收放也達(dá)到了較好的同步，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 結(jié)語(yǔ)

輪履復(fù)合結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在救援機(jī)器人、工程機(jī)械及工程車輛等領(lǐng)域，主機(jī)設(shè)備可獲得良好的環(huán)境適應(yīng)能力[4]。該電動(dòng)式輪履復(fù)合試驗(yàn)小車行走裝置，正是采用了輪履復(fù)合機(jī)械結(jié)構(gòu)，樣機(jī)很好地實(shí)現(xiàn)了輪式行走和履帶式行走以及兩種行走模式之間的變換，表明該輪履復(fù)合行走裝置的的設(shè)計(jì)是可行的，這對(duì)純電力驅(qū)動(dòng)的輪履復(fù)合機(jī)械機(jī)構(gòu)或設(shè)備的進(jìn)一步研究具有一定的參考價(jià)值。