四輪野外無人車中心轉向計算分析

康亞彪，李慶杰，高世卿，朱慶宇，陶承虎Kang Yabiao，Li Qingjie，Gao Shiqing，Zhu Qingyu，Tao Chenghu

四輪野外無人車中心轉向計算分析

康亞彪，李慶杰，高世卿，朱慶宇，陶承虎
Kang Yabiao，Li Qingjie，Gao Shiqing，Zhu Qingyu，Tao Chenghu

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

對自主研制的四輪野外無人車原地轉向過程進行受力分析，并推導出原地轉向所需的阻力矩、驅動力矩和功率。結合四輪野外無人車試驗對計算模型進行驗證，證明該計算模型的可行性，對四輪差速轉向無人車的結構及動力器件選型具有一定的指導意義。

野外無人車；差速轉向；原地轉向；計算模型

0 引 言

近年來野外無人車輛采用輪式速差轉向技術日益增多，通過改變兩側車輪速度來實現不同半徑的轉向，獲得更好的通過性，已有多個品牌采用了輪式速差轉向技術。速差轉向具有如下優點：（1）當兩側車輪的速度大小相等，方向相反時可實現中心轉向[1]，在狹小的空間內可進行轉向；（2）與傳統車輛相比，車內利用空間更好，可承載更多的乘客或者貨物；（3）簡化了野外無人車轉向的機械操縱系統和結構[2]，效率高、成本低。對四輪野外無人車在不同路面上中心轉向（速差轉向的一種）進行受力分析和計算，并通過試驗驗證了計算模型的正確性，為野外無人車結構設計與分析提供一定程度的參考和借鑒。

1 原地轉向受力分析計算

1.1 原地轉向車輪的受力分析

四輪野外無人車中心轉向時的受力分析如1圖所示。

四輪野外無人車在水平地面上作逆時針原地轉彎運動，前后輪軸距為，左右輪距為，轉向時4個車輪所形成的接地面積形心O與整車質心重合[3]，繞O點的角速度為逆時針方向，每個車輪的負荷相等均為/4。每個車輪受到的驅動力大小相等，即

式中：Ft1、Ft2、Ft3和Ft4為每個車輪受到的驅動力，G為整車重量，f為車輪縱向最大附著系數，不同工況下系數不同，數值見表1。

每個車輪的滾動阻力大小相等，即

式中：F1、F2、F3和F4為每個車輪受到的滾動阻力，為車輪滾動阻力系數，不同工況下系數不同，數值見表1。

每個車輪的側向滑動阻力大小相等，即

式中：1、2、3和4為每個車輪受到的滑移阻力，為車輪滑移阻力系數，不同工況下系數不同，數值見表1。

表1 一般工況下車輪與地面的縱、橫向附著系數與滾動阻力系數

1. 2 原地轉向的驅動力矩計算[4]

如圖1假設逆時針為正，轉向時整車受到的驅動力矩為

整車受到的滑移阻力矩為

整車受到的滾動阻力矩為

式中：t1為單個車輪的驅動力矩；1為單個車輪的滑移阻力矩；M1為單個車輪的滾動阻力矩。

將式（1）～（6）代入式（7），可得出

從式（8）中可以看出，實現原地轉向功能需滿足車輛的輪距和軸距的比值大于1。

1.3 原地轉向的功率計算

車輛原地轉向時，兩側車輪的速度大小相等，方向相反，繞轉動中心轉動[5]，所需功率為

式中：為車輪轉速，r/min；為車原地轉彎時的線速度，m/s；為車輪滾動半徑，m；為整車傳動效率（包括減速機、鏈條和軸承）；為車轉向所需功率，W。

2 實際計算與實測對比

四輪野外無人車所受重力=15 000 N，軸距=1 100 mm，輪距=1 350 mm。不同工況下無人車原地轉向所受的阻力矩計算值和實測值，以及驅動力矩的計算值見表2。

表2 原地轉向阻力矩計算值和實測值、驅動力矩計算值

注：①偏差比率=（阻力矩計算值-阻力矩實測值）/阻力矩實測值í100%。

不同工況下無人車原地轉向所需功率的計算值和實測值見表3。

表3 原地轉向功率的計算值和實測值

注：①偏差比率=（功率計算值-功率實測值）/功率實測值í100%。

從表2、表3中可以看出，驅動力矩大于轉向阻力矩，符合轉向條件；阻力矩與功率的計算值與實測值具有很好的一致性，證明了計算的合理性。

3 結 論

由上述分析和試驗測量，得出以下結論：

（1）轉向阻力矩由轉向時的滑移阻力矩和滾動阻力矩組成，車輛實現原地轉向，需要滿足驅動力矩大于阻力矩，從結構條件說，車輛實現原地轉向，車輪的輪距必須大于其軸距；

（2）原地轉向時，車輛的最大驅動力矩由車輛重力、輪距和地面附著系數決定；

（3）轉向阻力矩由重力、輪距、軸距、滾動阻力系數、滑移附著系數決定。

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2020-05-19

U463.42.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.012

1002-4581（2020）06-0044-03