一種輕型履帶式移動(dòng)平臺(tái)爬坡性能仿真分析

崔智　李年裕　張?jiān)ツ?/p>

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)履帶式移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)向時(shí)效率低、可控性差、對(duì)履帶板損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)，設(shè)想出一種輕型履帶式移動(dòng)平臺(tái)，在傳統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，在履帶板上增設(shè)可以自由滾動(dòng)小輥輪，通過(guò)滾動(dòng)摩擦阻力代替部分滑動(dòng)摩擦阻力的方式提升平臺(tái)轉(zhuǎn)向效率。為了考察其適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)戰(zhàn)化戰(zhàn)場(chǎng)地形的能力，本文建立了平臺(tái)的三維模型，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析了平臺(tái)的爬坡性能。結(jié)果表明，該平臺(tái)相比傳統(tǒng)平臺(tái)爬坡性能有所下降，但仍可以適應(yīng)大多數(shù)斜坡地形。

關(guān)鍵詞：小輥輪；轉(zhuǎn)向效率；爬坡性能；仿真實(shí)驗(yàn)

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

0 引言

眾所周知，履帶式移動(dòng)平臺(tái)有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)[1]。不過(guò)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中會(huì)存在轉(zhuǎn)向阻力大、轉(zhuǎn)向可控性差、效率低、對(duì)履帶板的磨損嚴(yán)重等一系列缺點(diǎn)[2]。高效轉(zhuǎn)向履帶移動(dòng)平臺(tái)[3]解決了小型履帶式移動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向性能問(wèn)題。不過(guò)輥輪的存在影響了平臺(tái)越障能力，于是本文試圖提出一種輕型履帶式移動(dòng)平臺(tái)既可以解決平臺(tái)的轉(zhuǎn)向問(wèn)題，同時(shí)又具有傳統(tǒng)平臺(tái)的越障功能。

越障功能主要分為爬坡、越臺(tái)階、爬樓梯等情況。在實(shí)戰(zhàn)化戰(zhàn)場(chǎng)中坡面較為常見(jiàn)，為此，本文重點(diǎn)分析該平臺(tái)的爬坡性能。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

該平臺(tái)的履帶和履帶板結(jié)構(gòu)如圖1所示，履帶主要由主動(dòng)輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、拖帶輪、履帶板等構(gòu)成，與傳統(tǒng)履帶式平臺(tái)類似。主要不同之處在于履帶板上面設(shè)置一定角度的輥輪支架，在支架上放置2組共4個(gè)對(duì)稱小輥輪，輥輪軸線與主動(dòng)輪軸線構(gòu)成的夾角定義為輥輪偏置角。在每個(gè)履帶板上分散放置4個(gè)小輥輪，目的是為了分散單個(gè)履帶板的接地面積以保證平臺(tái)的穩(wěn)定性。同時(shí)履帶板采用中空設(shè)計(jì)可以減少整條履帶的重量。平臺(tái)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，小輥輪的存在可以將履帶與地面產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾≥佪啙L動(dòng)摩擦力，由于滾動(dòng)摩擦阻力遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦阻力，因此該平臺(tái)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中相比傳統(tǒng)履帶平臺(tái)減小了履帶板損耗。

該平臺(tái)的整體布局與傳統(tǒng)履帶平臺(tái)結(jié)構(gòu)相同，采用主體兩側(cè)各一條履帶布置，平臺(tái)內(nèi)主要放置驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電池等零部件，平臺(tái)為后驅(qū)動(dòng)裝置，兩條履帶任意速度運(yùn)動(dòng)組合成平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。由于電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、總體布局靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此該平臺(tái)采用雙側(cè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

2 爬坡性能分析

實(shí)戰(zhàn)化戰(zhàn)場(chǎng)中的地形和地物相對(duì)復(fù)雜，不僅有天然屏障還會(huì)有一些人為障礙。越障性能指的是不需要任何輔助設(shè)備而克服天然及人工障礙的能力[5]。傳統(tǒng)履帶式移動(dòng)平臺(tái)有較強(qiáng)的越障能力，該輕型履帶式移動(dòng)平臺(tái)由于小輪滾的存在，其運(yùn)動(dòng)易受到地形地貌等外界因素干擾，從而影響到平臺(tái)越障功能。在實(shí)戰(zhàn)化戰(zhàn)場(chǎng)中坡路路況最為常見(jiàn)，因此本文主要分析平臺(tái)的爬坡性能。

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

爬坡時(shí)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(tái)就會(huì)開(kāi)始下滑，因此主要分析平臺(tái)在下滑時(shí)的極限坡度。

由于該平臺(tái)履帶上設(shè)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(tái)在坡面上，地面給予的作用力無(wú)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(dòng)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(dòng)摩擦力很小，可忽略不計(jì)。因此平臺(tái)在坡面上受到靜滑動(dòng)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(biāo)系，為與平臺(tái)重心固定的直角坐標(biāo)系，為平臺(tái)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(shè)履帶受到的垂直載荷均勻分布，則、、、分別為各自一側(cè)輥輪受到的靜摩擦力等效到、、、合力上。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

將Solidworks中建立好的模型導(dǎo)入Adams中，同時(shí)在Adams中添加運(yùn)動(dòng)約束副、接觸力、驅(qū)動(dòng)[7]等。仿真坡面采用堅(jiān)硬路面。平臺(tái)樣機(jī)模型如圖3所示。

平臺(tái)樣機(jī)部分參數(shù)見(jiàn)表1。

假設(shè)地面附著系數(shù)=0.8，地面變形阻力系數(shù)f=0.03，結(jié)合前文分析，將表中數(shù)據(jù)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(shè)定平臺(tái)勻速縱向爬坡，仿真結(jié)果如下：

3.1 爬33°斜坡

平臺(tái)樣機(jī)在爬33°斜坡過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡和重心高度變化曲線如圖4所示，樣機(jī)平臺(tái)大約在第4秒時(shí)，平臺(tái)偏航角發(fā)生了改變。由于33°為平臺(tái)最大極限坡度角，因此航偏角發(fā)生改變后，極限坡度角導(dǎo)致了平臺(tái)樣機(jī)在坡面上滑落。

3.2 爬30°斜坡

樣機(jī)在爬30°斜坡過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡和重心高度變化曲線如圖5所示，其偏航角在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了改變，導(dǎo)致極限坡度角也發(fā)生變化，因此當(dāng)大約在第4.5秒時(shí)，極限坡度角，因而樣機(jī)平臺(tái)從坡面上滑落。

3.3 爬27°斜坡

樣機(jī)在爬27°斜坡時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡和重心高度變化曲線如圖6所示，偏航角大約在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)第4秒時(shí)發(fā)生了改變，極限坡度角，導(dǎo)致樣機(jī)平臺(tái)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(jī)在爬24°斜坡時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡和重心高度變化曲線如圖7所示，樣機(jī)平臺(tái)在爬坡過(guò)程中偏航角雖然有一些變化，但由于最小極限坡度角為，導(dǎo)致樣機(jī)在任意偏航角時(shí)的極限坡度角，因此平臺(tái)順利的爬上了24°斜坡。

4 結(jié)論

根據(jù)上述仿真實(shí)驗(yàn)，當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)=0.8，地面變形阻力系數(shù)f=0.03時(shí)，該平臺(tái)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(tái)最大穩(wěn)定爬坡角。根據(jù)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(tái)，該平臺(tái)爬坡性能有所下降，但根據(jù)城市道路交通規(guī)范，目前道路坡度一般不超過(guò)15%，即8°[8]，因此該平臺(tái)可適應(yīng)大多數(shù)斜坡地形。

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作者簡(jiǎn)介：崔智（1994-），男，遼寧營(yíng)口人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。