基于輪式和履帶式兩種行進方式的可變形輪胎*

韓校粉，孫立明，李志尊，王 艷

（陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊050003）

1 研制背景

當前主流越野車的行進方式主要有兩種，分別是輪式和履帶式，輪式車輛行進速度快，但是越野能力差；履帶式車輛越野能力強，但是行進速度不高。例如，雪地越野車能適應雪地路段，越障能力比較強，但在平直路段上，無法提供較快的行進速度；輪式越野車在平直路段上能獲得較快的速度，但極難跨越較高障礙物，越障能力不足，且在面臨濕滑路段或泥濘路段時，輪胎容易打滑，甚至陷入泥潭，影響車輛的行進。針對這些輪胎存在的不足之處，提出一種可變形輪胎，它是融履帶式與輪式為一體的新型輪胎，可直接裝配在當前車型上，大幅度提升車輛對各種地形的適應能力。設計思路如圖1 所示。

圖1 可變形輪胎設計思路

2 技術路線

為圓滿地完成設計任務，在研究過程中采用理論研究、三維仿真和樣品制作相結合的方法，經過調研、設計、仿真、制作、檢驗等步驟，制作出一種可實現輪式和履帶式兩種行進方式的可變形越野輪胎。采取的技術路線為：廣泛開展技術調研；對調研材料進行綜合分析，初步確定變形方式；通過三維仿真，優化變形方式及整體結構；購買螺栓、軸、軸承、套筒等標準零件，利用快速成型設備打印構件，進行裝配調試，制定使用說明書規范。該技術路線具體如圖2 所示。

3 功能結構

3.1 整體結構

該輪胎主要由控制模塊、傳動模塊、變形模塊、履帶式外輪胎四部分組成，如圖3 所示。控制模塊主要是利用電機控制動力主軸的轉動，從而實現動力的輸送，使輪胎運轉，利用舵機帶動變形模塊運動，實現輪胎形狀的改變；傳動模塊的作用是將電機主軸的運動和動力傳遞到輪胎上，主要是利用齒輪的嚙合與分離，在動力源不變的情況下，實現輪胎整體運轉和履帶單獨運轉兩種運行模式，如圖4 所示；變形模塊的動力由舵機提供，主要是利用齒輪連桿組合機構控制輪胎的變形，使變形前后輪胎的周長保持相等，實現最佳越障性能；履帶式外輪胎在變形模塊和傳動模塊共同的作用下，實現履帶輪與履帶鏈固化、履帶輪與履帶鏈相對運動兩種狀態。

3.2 控制模塊

控制模塊主要由單片機，電機，舵機組成。舵機的型號為MG996R 型180 度可控轉角舵機，主要作用是提供動力，帶動變形模塊運動，實現輪胎形狀的改變；單片機采用ArduinoUNO 型單片機，主要作用是控制舵機和電機的運動；電機采用的型號是33GA-365 直流減速電機，主要作用是為整個輪胎的運行提供動力。最終采用遙控實現對車輪的控制，遙控采用Arduino 自帶的紅外收發模塊實現，通過接收不同的按鍵信號控制輪胎成為不同的形態。

圖2 可變形輪胎技術路線

圖3 可變形輪胎對應圓形形態時的立體結構模型圖

圖4 可變形輪胎兩種行進方式

3.3 傳動模塊

這一模塊由中央十字軸、動力主軸、鎖止齒輪軸、傳動齒輪軸、主動齒輪軸五部分組成，如圖5 所示。當電機提供動力時，帶動動力主軸進行轉動，當機構處于輪式運轉狀態時，傳動齒輪軸與主動齒輪軸上的錐齒輪處于分離狀態，切斷履帶輪的動力傳遞，傳動齒輪軸、鎖止齒輪軸、主動齒輪軸及動力主軸上的五個錐齒輪處于抱緊鎖死狀態，整個車輪以相同的速度運轉；在變形機構的作用下，當機構處于履帶式運行狀態時，如圖6 所示，鎖止齒輪軸發生移動，與動力主軸上的錐齒輪脫離嚙合，傳動齒輪軸與主動齒輪軸上的錐齒輪嚙合，此時的運動傳遞路線為動力主軸-傳動齒輪軸-主動齒輪軸-履帶鏈，履帶鏈相對車體發生運轉，實現履帶式運轉狀態。

圖5 可變形輪胎傳動模塊的組成（輪式）

3.4 變形模塊

整個變形模塊共包括兩個曲柄滑塊機構1，兩個曲柄滑塊機構2 和一個齒輪機構，曲柄滑塊機構1 和曲柄滑塊機構2 間隔90°與中央十字軸相連，相對中央十字軸做相對移動，具體結構如圖7 所示。舵機齒輪和轉動圓盤形成齒輪機構，縮短軸、連桿1、轉動圓盤及中央十字軸形成曲柄滑塊機構1，伸長軸、連桿2、轉動圓盤及中央十字軸形成曲柄滑塊機構2。當舵機提供動力，驅動舵機齒輪轉動時，通過齒輪的嚙合帶動轉動圓盤運轉，轉動圓盤相當于曲柄，通過連桿1、連桿2 分別驅動縮短軸和伸長軸相對中央十字軸做相對移動，從而實現輪胎的變形，支撐桿1 和支撐桿2 可提高變形前后輪胎的穩定性和堅固性。

圖6 可變形輪胎傳動路線（履帶式）

圖7 可變形輪胎變形模塊的組成

圖8 可變形越野輪胎履帶式外輪胎的組成

3.5 履帶式外輪胎

這一模塊由主動履帶輪，從動履帶輪及履帶鏈及橡膠外履帶（圖中未顯示）組成，如圖8 所示。主動履帶輪通過輪齒與履帶鏈相嚙合，能保證傳動的平穩性，從動履帶輪主要起支撐作用，在履帶鏈的外圍有一圈橡膠外履帶，主要用于和地面接觸，增大接觸面積，提高抓地能力。當輪胎以輪式狀態行進時，整個機構固化，主動履帶輪與履帶鏈沒有相對運動，變形后，主動履帶輪動力接通，帶動履帶鏈運動，實現履帶式運行狀態。

通過模型制作與實驗，該模型能夠初步實現所需功能，可以靈活轉換運行方式，實現輪式和履帶式兩種行進方式。

4 創新點

該設計主要包括了三個創新點。首先，提出了一種可變形輪胎，巧妙利用周長不變的特點，實現輪式和履帶式兩種行進方式。其次，利用齒輪傳動系統，實現變形模塊與傳動模塊的固聯，使履帶與輪轂固化，同速轉動。最后，通過齒輪連桿組合機構，控制輪胎的變形及傳動路線的改變。

5 結束語

該可變形輪胎可提高普通越野車輛對各種地形的適應能力。在一般的平坦路面，利用齒輪傳動系統，實現變形模塊與傳動模塊的固聯，使履帶與輪轂固化，輪胎以輪式運轉，可以獲得較快的行進速度；在沙地、草地、雪地、山地等地形，通過齒輪連桿組合機構，控制輪胎的變形及傳動路線的改變，輪胎以履帶式運轉，可以獲得較好的越野能力，通過性強。該產品具有機械結構簡單、變形響應快、機動性高、適應多種復雜地形等特點，可軍民兩用，可用于一般的車輛上，也可小型化，滿足反恐、排爆、搜索、救援、偵查等任務，市場前景廣闊，經濟效益可觀。