一種轉(zhuǎn)彎半徑為0的車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

曹昂，楊珊

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

一種轉(zhuǎn)彎半徑為0的車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

曹昂，楊珊

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

目前的車輛結(jié)構(gòu)使車輛在行駛中有較大的轉(zhuǎn)彎半徑，導(dǎo)致運(yùn)行的靈活度低，在很多特殊場(chǎng)合中應(yīng)用不便。介紹了一種新型的車輛機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用了車輪機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)方案和轉(zhuǎn)向的欠驅(qū)動(dòng)控制方案，在運(yùn)行過(guò)程中，僅需要2臺(tái)電機(jī)，就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為0，可原地進(jìn)行任意方向的前進(jìn)，并分析了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中差速現(xiàn)象對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，試驗(yàn)了其運(yùn)動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和載重能力，可為車輛的改進(jìn)提供新的思路。

全方位移動(dòng)車輛；傳動(dòng)設(shè)計(jì)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.082

1 引言

車輛轉(zhuǎn)彎半徑為0的特點(diǎn)是可以原地進(jìn)行轉(zhuǎn)向，這種車輛在運(yùn)行中具有高度靈活性，現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外很多研究所在減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑中展開了大量工作，但都無(wú)法避免電機(jī)數(shù)目多或輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，難以推廣。論文將研究方向定位于車輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向半徑降低為0，有很好的路面適應(yīng)性能和載重能力，在軍工的特種設(shè)備、貨物的物流運(yùn)輸、代步車輛等多個(gè)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

2 設(shè)計(jì)方案介紹

1）上下分離轉(zhuǎn)向方案

為了實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向的功能，采用車體和底盤分離的方案，車體可相對(duì)底盤旋轉(zhuǎn)，車輪和車體轉(zhuǎn)動(dòng)同步，可以原地任意角度轉(zhuǎn)向，并實(shí)現(xiàn)全部車輪聯(lián)動(dòng)，使控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。

圖1 車體和車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

2）欠驅(qū)動(dòng)和車輪聯(lián)動(dòng)方案

車輪結(jié)構(gòu)中，采用錐齒輪改變傳動(dòng)方向，經(jīng)同步帶傳動(dòng)，帶動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)車輪結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)；整體結(jié)構(gòu)中，通過(guò)皮帶帶動(dòng)全體車輪的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了多車輪的聯(lián)動(dòng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車輪機(jī)構(gòu)數(shù)量可以增加，進(jìn)一步提高對(duì)路面的適應(yīng)性。

方向控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，采用了齒輪系結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，通過(guò)中央方向齒輪，帶動(dòng)所有車輪結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向和車的轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪和車體的同步轉(zhuǎn)向。

利用自鎖電機(jī)的自鎖功能，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)合理，電機(jī)帶動(dòng)車輪結(jié)構(gòu)中的方向齒輪，進(jìn)而控制車輪方向，并且可以實(shí)現(xiàn)任意角度轉(zhuǎn)向。

圖2 傳動(dòng)部分機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 結(jié)構(gòu)介紹

結(jié)構(gòu)示意圖見圖3～圖7。

圖3 外觀圖

圖4 內(nèi)部視圖

圖5 內(nèi)部俯視圖

圖6 車輛車輪外觀圖

4 分析

轉(zhuǎn)向誤差分析：車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)，兩個(gè)錐齒輪會(huì)有一定的運(yùn)動(dòng)，形成差速現(xiàn)象。假設(shè)動(dòng)力電機(jī)靜止，動(dòng)力軸上的錐齒輪1固定，車輪360°旋轉(zhuǎn)一周，動(dòng)力改變軸上的錐齒輪2則相對(duì)于錐齒輪1旋轉(zhuǎn)一周，致使車輪進(jìn)行一定的前進(jìn)或者后退，車輪在地面上的軌跡為圓，而非點(diǎn)。

車輪旋轉(zhuǎn)一圈，移動(dòng)軌跡的距離：

圖7 車輪內(nèi)部視圖

式（1）、式（2）中，r為車輪半徑，m；z1為錐齒輪1齒數(shù)；z2為錐齒輪2齒數(shù)；a1為動(dòng)力改變軸上帶輪齒數(shù)；a2為車輪軸上帶輪齒數(shù)。

減小車輪軌跡圓的半徑的辦法：增大車輪軸上同步帶輪2的齒數(shù)a2，動(dòng)力改變軸上錐齒輪2的齒數(shù)z2和車輪半徑r，或者減小動(dòng)力改變軸上的同步帶輪1的齒數(shù)a1，動(dòng)力軸上錐齒輪1的齒數(shù)z1。

完全消除車輪軌跡偏差辦法：使2個(gè)錐齒輪之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向時(shí)，假設(shè)車輪機(jī)構(gòu)整體的轉(zhuǎn)速為n r/min，動(dòng)力軸上錐齒輪提供相同的轉(zhuǎn)速n r/min，使2個(gè)錐齒輪之間無(wú)相對(duì)運(yùn)行。

5 總結(jié)與展望

文章介紹了一種新型的轉(zhuǎn)彎半徑為0的車輛結(jié)構(gòu)，可原地任意方向前進(jìn)，主要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了底盤和載物臺(tái)分離、車輪聯(lián)動(dòng)、外殼和車輪轉(zhuǎn)向同步的設(shè)計(jì)方案，僅需要兩個(gè)電機(jī)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可靠性，通過(guò)分析解決了轉(zhuǎn)向和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的影響。采用本結(jié)構(gòu)的車輛可作為其他設(shè)備的運(yùn)載工具，具有高度靈活性，四輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)性良好，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加履帶結(jié)構(gòu)，在軍工特種設(shè)備上具有很好的發(fā)展前景。

【1】趙冬斌，易建強(qiáng).全方位移動(dòng)車輛導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

【2】郁錄平，趙丁選.工程機(jī)械底盤設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2004.

【3】李瑞峰，孫笛生，閻國(guó)榮，等.移動(dòng)式作業(yè)型智能服務(wù)車輛的研制[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003(1):22-25.

【4】曹昂.萬(wàn)向車:中國(guó).201510687608.0[P].2015-12-16.

Vehicle Transmission Structure with Turning Radius 0

CAO Ang,YANG Shan
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering of Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China; 2.College of Foreign Language of Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China)

At present,the larger turning radius in vehicle structure leads to low operation flexibility,and causes inconvinience in application.Thus,a new model of mechanical transm ission structure of vehicle was figured out.It adopted linkage scheme of wheel mechanism and under actuated control scheme of steering.Besides,it just needs two sets of motors to move forward in situ during the process of running with turning radius of 0.In this paper,the author analyzed the influence of differential speed phenomenon on the steering process and verified motor performance,structural strength and load capacity through experiment, which provides a new way of thinking for the improvement of vehicle.

omni-directional mobilerobot;mechanical transmission

U463

A

1007-9467（2016）08-0150-02

2016-07-22

山東科技大學(xué)全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助。

曹昂（1995～），男，山東濟(jì)寧人，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與研究。