輪槳混合驅(qū)動(dòng)兩棲偵察車設(shè)計(jì)及輪槳分析

王常龍，馬新謀，何自力，于 歡

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

為了應(yīng)對(duì)東海、南海島礁爭(zhēng)端，維護(hù)領(lǐng)土主權(quán)和權(quán)益，必須有相應(yīng)的武器裝備應(yīng)對(duì)來自各方勢(shì)力的挑戰(zhàn)。所以研制了一種具有良好的行走適應(yīng)性和水面通過性的輪槳混合驅(qū)動(dòng)的兩棲無人偵察車[1-2]。該輪槳混合驅(qū)動(dòng)的兩棲無人偵察車，前輪采用常規(guī)輪胎，后輪采用不同于前輪規(guī)格直徑的三幅輪槳結(jié)構(gòu)。在水中行進(jìn)時(shí)，輪槳向后回轉(zhuǎn)90°，起到螺旋槳的作用，在水中提供前進(jìn)的動(dòng)力，設(shè)計(jì)水中行進(jìn)速度為0.5 m/s。在陸地上行進(jìn)時(shí)最大行進(jìn)速度為2.5 m/s。該輪槳混合驅(qū)動(dòng)兩棲無人偵查車自重26.2 kg，負(fù)載能力10 kg。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪槳混合驅(qū)動(dòng)[3]的兩棲無人偵察車，主要包括后輪槳的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)部分，前輪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，和車首的類似船首的形狀設(shè)計(jì)，還有部分動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)輪槳的混合驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪胎和輪槳分別采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

設(shè)計(jì)目標(biāo)，該輪槳混合驅(qū)動(dòng)兩棲無人偵察車具有較大的負(fù)載能力，前輪電機(jī)選型為MAXON DC 370354，輪槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)和回轉(zhuǎn)電機(jī)選型為22ECS60 ULTRA EC，該兩棲無人偵察車選用的電機(jī)直接與負(fù)載相連接，通過PWM脈寬控制技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制該無人偵察車的行進(jìn)速度以及左右兩側(cè)轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。由于諸多因素的考慮，該偵察車車體采用碳纖維框架結(jié)構(gòu)，外加環(huán)氧樹脂板蒙皮。其陸地上的蒙皮結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪槳混合驅(qū)動(dòng)兩棲無人偵察車

圖1兩棲偵察車前端留有不完全封閉的開口，可以看到內(nèi)部置有中央控制系統(tǒng)和配電器等自動(dòng)控制系統(tǒng)，載體部分偵察裝置配備有信號(hào)收發(fā)裝置，便于遠(yuǎn)程遙控和適時(shí)收發(fā)戰(zhàn)場(chǎng)信息。

該兩棲無人偵察車由車架和兩個(gè)前輪和兩個(gè)輪槳組成，車架內(nèi)裝有電池、控制板、配電器、自毀裝置。其蓄電池設(shè)計(jì)安放在蓄電池的導(dǎo)軌上，以便在第一次下水試驗(yàn)時(shí)調(diào)整整體的重心位置，保證該兩棲無人偵察車的水中姿態(tài)。輪槳與驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體直接相連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行左右90°的回轉(zhuǎn)，來切換陸地與水上的姿態(tài)。

輪槳回轉(zhuǎn)系統(tǒng)[4]如圖2所示，由三幅輪槳[5]，驅(qū)動(dòng)部分和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分三部分組成。其中輪槳部分可以近似看成一個(gè)雙槳船的結(jié)構(gòu)，且該兩棲無人偵察車需要一定的負(fù)載能力，即吃水深度達(dá)到該兩棲無人偵察車的最大高度180 mm時(shí)，根據(jù)雙槳船的螺旋槳直徑的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式，其D=(0.6～0.7)TK，其中TK為滿載時(shí)的吃水深度，D=126 mm，但是由于吃水深度遠(yuǎn)沒有180 mm，所以輪槳直徑定為120 mm。回轉(zhuǎn)部分包括回轉(zhuǎn)電機(jī)殼體、回轉(zhuǎn)電機(jī)、密封套筒、電機(jī)支撐架、止推軸承。

圖2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)有兩個(gè)自由度，輪槳部分的扭矩為Q=KQρn2D5，查得近似形狀的螺旋槳[6]敞水特性曲線得10KQ=0.25，則Q=25 mNm。回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)M處的扭矩為M=15 N·m。理想狀態(tài)下輪槳轉(zhuǎn)速為8 rad/s，陸地上最高 理論速度為2.5 m/s。水中行進(jìn)速度設(shè)置為0.5 m/s。該輪槳混合驅(qū)動(dòng)兩棲無人偵察車[7]結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 輪槳混合驅(qū)動(dòng)兩棲無人偵察車結(jié)構(gòu)參數(shù)

其中回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)范圍為0°<α<90°。密封套筒所起到的密封作用是將電機(jī)支撐架和回轉(zhuǎn)電機(jī)殼體所開的90°的缺口給密封起來，將面積較大的密封改為密封較為容易的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封。

2 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 輪槳槳葉

推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于輪槳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示，輪槳[8-9]的設(shè)計(jì)需要在原有螺旋槳的基礎(chǔ)上合計(jì)一個(gè)輪槳幅板的結(jié)構(gòu)，要考慮到幅板的角度，與螺旋槳葉稍的連接方式，幅板的厚度等因素。

出于輪槳結(jié)構(gòu)要在地面有一定行走能力的使用要求，故將螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)的傾角θ設(shè)為0°，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴(yán)格按照螺旋槳的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 輪槳結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 幅板角度

取輪槳跨越的垂直墻高為50 mm，并選取l=85.5 mm為輪槳越障的初始狀態(tài)。該輪槳混合驅(qū)動(dòng)的兩棲無人偵察車后輪獨(dú)特的輪槳結(jié)構(gòu)，輪槳幅板的角度設(shè)為γ，為了在復(fù)雜地面的通過性，幅板的角度γ≥60°，并且兩輪槳之間的相位角為60°。該兩棲無人偵察車跨越垂直墻高主要有三種狀態(tài)：初始狀態(tài)、后初始狀態(tài)、前初始狀態(tài)。其具體信息參見表2。

表2 輪槳跨越垂直墻高信息表

前初始狀態(tài)的后續(xù)狀態(tài)是后初始狀態(tài)，故只考慮初始狀態(tài)和后初始狀態(tài)。

圖4為輪槳跨越垂直墻高初始狀態(tài)，由圖4可知輪槳由初始狀態(tài)(黑實(shí)線)向前行進(jìn)H，即轉(zhuǎn)過角度β0=23.8°，到達(dá)臨界狀態(tài)，即：右輪槳與墻高相切，左輪槳也剛好相切，槳葉參考線到墻高的距離為h0，右輪槳轉(zhuǎn)到兩槳葉之間的空隙位置，由幅板起支撐作用，因而右輪槳在垂直方向上下降h1的距離。此時(shí)左輪槳槳葉參考線與墻高之間的夾角為γ/2，即是所求幅板角度γ的一半。測(cè)得γ=64°。滿足γ≥60°的條件。

圖4 輪槳跨越垂直墻高初始狀態(tài)

輪槳處于后初始狀態(tài)時(shí)，控制該兩棲無人偵察車，繼續(xù)向前行進(jìn)H(即轉(zhuǎn)過角度β0=23.8°)，如圖5所示。

圖5 輪槳跨越垂直墻高后初始狀態(tài)

由圖5知，后臨界狀態(tài)越障時(shí)，整個(gè)兩棲無人偵察車會(huì)有一定程度的右傾，為使該兩棲無人偵察車越障后迅速調(diào)整姿態(tài)，各個(gè)輪槳和各個(gè)車輪分別由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.3 幅板厚度計(jì)算

將輪槳?jiǎng)偱c地面接觸的地方至與槳葉固定的地方，簡(jiǎn)化為力矩為H的直梁，其截面圖如圖6。

圖6 簡(jiǎn)化直梁截面圖

圖6中b代表幅板寬度為40 mm，h為幅板厚度為目標(biāo)值，dy為所取積分單元，即建立起在材料極限應(yīng)力的允許的條件下，求取最小h的值，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。直梁所受的外力偶矩為Me=FN×H，

目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

式中：σt·max為材料7075-T651的極限應(yīng)力值；IZ為直梁的軸慣性矩；

直梁的軸慣性矩為：

(2)

由此數(shù)學(xué)模型得出幅板的最小厚度為0.939 mm，并且由0.939到5 mm之間取若干個(gè)值進(jìn)行計(jì)算，所得出的幅板厚度與幅板所承受應(yīng)力的關(guān)系如圖7所示。

圖7 幅板承受應(yīng)力曲線

系鋁合金作為一種塑性材料，其安全系數(shù)取值范圍一半在1.5～2，由幅板所承受的應(yīng)力曲線可以得出，幅板厚度應(yīng)在1.1～1.4 mm，但是考慮到便于加工、水中阻力對(duì)其的影響，幅板厚度取值為2 mm，并對(duì)2 mm的幅板進(jìn)行計(jì)算，得出幅板所受應(yīng)力為101 MPa，安全系數(shù)為4.55。其最大轉(zhuǎn)角為2.09′，最大撓度為1.21×10-2mm。

2.4 輪槳的撓度和轉(zhuǎn)角計(jì)算

輪槳的幅板受力分析如圖8所示。

圖8 輪槳設(shè)計(jì)參數(shù)

輪槳弧形幅板所形成的角度為α，α所形成的角度為64°，β所形成的的角度為56°。α與β所形成的的角度沒有均分，是因?yàn)檩啒谟谇拜喰纬扇遣綉B(tài)的過程中，防止控制過程出現(xiàn)問題，提高容錯(cuò)率，能更好的保持形式過程中的平穩(wěn)性。

輪槳幅板與地面剛接觸的時(shí)候，所受的力為FN，幅板與葉稍固定點(diǎn)的水平距離為H，垂直距離為D，幅板厚度為d，圖中虛線代表取0.75R，此處螺距值約等于螺旋槳的平均螺距。

根據(jù)圖8建立幅板的撓度和最大轉(zhuǎn)角的方程

M(x)=-FN(H-x)

EIw″=-M(x)=FN(H-x)

(3)

其中：M(x)是彎矩方程；EIw″是微分方程；H與地面接觸點(diǎn)到幅板固定點(diǎn)的距離；FN是地面給輪槳的支持力。根據(jù)式(4)得到最大撓度及轉(zhuǎn)角：

(4)

式中：FN為幅板所受到的支撐力；H為受力點(diǎn)到固定端所受力矩；E為幅板材料的楊氏模量(7.5×1010)；I為軸慣性矩，見式(2)。

2.5 輪槳越垂直墻高理論分析

該輪槳混合驅(qū)動(dòng)的兩棲無人偵察車的越障受力分析對(duì)該兩棲無人偵察車的進(jìn)行模擬仿真和實(shí)驗(yàn)是非常必要的，如圖9所示。

圖9 前輪越障受力分析

根據(jù)牛頓第三定律和力矩平衡原理，列出下列平衡方程：

(5)

式中：Fn為臺(tái)階位置給輪胎的支持力；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；ψ為附著系數(shù)；M電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

由于輪槳獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，一般靜力學(xué)平衡方程不能準(zhǔn)確計(jì)算輪槳的跨越垂直墻高的能力，這里采用另一種分析方法，如圖10所示，即輪槳的兩個(gè)幅板的邊緣都與垂直墻高剛好接觸(接觸點(diǎn)為m，n)，在牽引力足夠大的情況下，以n點(diǎn)為支撐點(diǎn)，跨越垂直墻高為hW。

圖10 輪槳跨越垂直墻高受力分析示意圖

根據(jù)圖10，可得：

hM=R(1+cosα)

(6)

圖中若α的角度僅滿足三角步態(tài)的要求，且控制輪槳轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，即α=60°時(shí)，輪槳理論上跨越垂直墻高的高度hM=90 mm。

考慮到工作環(huán)境的復(fù)雜性及多變性，且保證該兩棲無人偵察車在工作過程中的穩(wěn)定性，以及確保傳輸信號(hào)的質(zhì)量，這里取BM=0.56hM。

3 輪槳敞水性能分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果調(diào)整輪槳三維模型，然后用Gambit軟件畫出輪槳的三維計(jì)算域網(wǎng)格。如圖11所示。

圖11 輪槳計(jì)算域及其輪槳三維網(wǎng)格劃分

輪槳計(jì)算域的大小為直徑300 mm×3 000 mm的圓柱形區(qū)域928 306個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 974 125個(gè)網(wǎng)格單元。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速的允許條件下，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)上如輪槳的類螺旋槳的槳葉和幅板進(jìn)行了敞水性能[10]仿真計(jì)算，求得槳葉，幅板的表面壓力、表面速度和推力等參數(shù)。

輪槳的槳葉和幅板表面的壓力分布云圖如圖12所示。

圖12 槳葉及幅板表面壓力分布云圖

由圖可知，升力面(葉面推水的一面)與吸力面(相對(duì)于升力面的槳葉的另一面)交界的導(dǎo)邊壓力值比較大，導(dǎo)邊到隨邊過程中，壓力值逐漸減小。其中幅板側(cè)面和幅板與槳葉連接處壓力值最大。

圖13是輪槳表面的速度分布云圖： 根據(jù)伯努利方程，速度越大，壓力越小；速度越小壓力越大。圖14是輪槳表面的速度等值線圖，從圖14可以看出，從葉根到葉稍，再到幅板，速度越來越大，槳轂到葉根的圓柱部分速度變化很小。圖15是輪槳升力面、吸力面及幅板的流線型狀及其在隨邊處匯合形成的泄出渦形狀，圖16是去掉幅板的輪槳的尾渦圖，方便與圖15進(jìn)行比較。

圖14 輪槳速度等值線

圖15 輪槳尾渦圖

圖16 去掉幅板的輪槳尾渦圖

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種輪槳混合驅(qū)動(dòng)的兩棲無人偵察車，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

2) 執(zhí)行偵察任務(wù)。并對(duì)輪槳的結(jié)構(gòu)做了陸地上的強(qiáng)度理論分析，也利用FLuent軟件對(duì)輪槳結(jié)構(gòu)做了敞水性能分析，分析結(jié)果與理論經(jīng)驗(yàn)公式分析的結(jié)果相吻合。