基于輪式和履帶式兩種行進(jìn)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(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊050003）

1 研制背景

當(dāng)前主流越野車的行進(jìn)方式主要有兩種，分別是輪式和履帶式，輪式車輛行進(jìn)速度快，但是越野能力差；履帶式車輛越野能力強(qiáng)，但是行進(jìn)速度不高。例如，雪地越野車能適應(yīng)雪地路段，越障能力比較強(qiáng)，但在平直路段上，無法提供較快的行進(jìn)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(shí)，輪胎容易打滑，甚至陷入泥潭，影響車輛的行進(jìn)。針對(duì)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(dāng)前車型上，大幅度提升車輛對(duì)各種地形的適應(yīng)能力。設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

圖1 可變形輪胎設(shè)計(jì)思路

2 技術(shù)路線

為圓滿地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，在研究過程中采用理論研究、三維仿真和樣品制作相結(jié)合的方法，經(jīng)過調(diào)研、設(shè)計(jì)、仿真、制作、檢驗(yàn)等步驟，制作出一種可實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式兩種行進(jìn)方式的可變形越野輪胎。采取的技術(shù)路線為：廣泛開展技術(shù)調(diào)研；對(duì)調(diào)研材料進(jìn)行綜合分析，初步確定變形方式；通過三維仿真，優(yōu)化變形方式及整體結(jié)構(gòu)；購(gòu)買螺栓、軸、軸承、套筒等標(biāo)準(zhǔn)零件，利用快速成型設(shè)備打印構(gòu)件，進(jìn)行裝配調(diào)試，制定使用說明書規(guī)范。該技術(shù)路線具體如圖2 所示。

3 功能結(jié)構(gòu)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

該輪胎主要由控制模塊、傳動(dòng)模塊、變形模塊、履帶式外輪胎四部分組成，如圖3 所示?？刂颇K主要是利用電機(jī)控制動(dòng)力主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸送，使輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)，利用舵機(jī)帶動(dòng)變形模塊運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪胎形狀的改變；傳動(dòng)模塊的作用是將電機(jī)主軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到輪胎上，主要是利用齒輪的嚙合與分離，在動(dòng)力源不變的情況下，實(shí)現(xiàn)輪胎整體運(yùn)轉(zhuǎn)和履帶單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)兩種運(yùn)行模式，如圖4 所示；變形模塊的動(dòng)力由舵機(jī)提供，主要是利用齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)控制輪胎的變形，使變形前后輪胎的周長(zhǎng)保持相等，實(shí)現(xiàn)最佳越障性能；履帶式外輪胎在變形模塊和傳動(dòng)模塊共同的作用下，實(shí)現(xiàn)履帶輪與履帶鏈固化、履帶輪與履帶鏈相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)。

3.2 控制模塊

控制模塊主要由單片機(jī)，電機(jī)，舵機(jī)組成。舵機(jī)的型號(hào)為MG996R 型180 度可控轉(zhuǎn)角舵機(jī)，主要作用是提供動(dòng)力，帶動(dòng)變形模塊運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪胎形狀的改變；單片機(jī)采用ArduinoUNO 型單片機(jī)，主要作用是控制舵機(jī)和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；電機(jī)采用的型號(hào)是33GA-365 直流減速電機(jī)，主要作用是為整個(gè)輪胎的運(yùn)行提供動(dòng)力。最終采用遙控實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的控制，遙控采用Arduino 自帶的紅外收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)，通過接收不同的按鍵信號(hào)控制輪胎成為不同的形態(tài)。

圖2 可變形輪胎技術(shù)路線

圖3 可變形輪胎對(duì)應(yīng)圓形形態(tài)時(shí)的立體結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 可變形輪胎兩種行進(jìn)方式

3.3 傳動(dòng)模塊

這一模塊由中央十字軸、動(dòng)力主軸、鎖止齒輪軸、傳動(dòng)齒輪軸、主動(dòng)齒輪軸五部分組成，如圖5 所示。當(dāng)電機(jī)提供動(dòng)力時(shí)，帶動(dòng)動(dòng)力主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于輪式運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，傳動(dòng)齒輪軸與主動(dòng)齒輪軸上的錐齒輪處于分離狀態(tài)，切斷履帶輪的動(dòng)力傳遞，傳動(dòng)齒輪軸、鎖止齒輪軸、主動(dòng)齒輪軸及動(dòng)力主軸上的五個(gè)錐齒輪處于抱緊鎖死狀態(tài)，整個(gè)車輪以相同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)；在變形機(jī)構(gòu)的作用下，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于履帶式運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如圖6 所示，鎖止齒輪軸發(fā)生移動(dòng)，與動(dòng)力主軸上的錐齒輪脫離嚙合，傳動(dòng)齒輪軸與主動(dòng)齒輪軸上的錐齒輪嚙合，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)傳遞路線為動(dòng)力主軸-傳動(dòng)齒輪軸-主動(dòng)齒輪軸-履帶鏈，履帶鏈相對(duì)車體發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)履帶式運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖5 可變形輪胎傳動(dòng)模塊的組成（輪式）

3.4 變形模塊

整個(gè)變形模塊共包括兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1，兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2 和一個(gè)齒輪機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1 和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2 間隔90°與中央十字軸相連，相對(duì)中央十字軸做相對(duì)移動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。舵機(jī)齒輪和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤形成齒輪機(jī)構(gòu)，縮短軸、連桿1、轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤及中央十字軸形成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1，伸長(zhǎng)軸、連桿2、轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤及中央十字軸形成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2。當(dāng)舵機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過齒輪的嚙合帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤相當(dāng)于曲柄，通過連桿1、連桿2 分別驅(qū)動(dòng)縮短軸和伸長(zhǎng)軸相對(duì)中央十字軸做相對(duì)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性和堅(jiān)固性。

圖6 可變形輪胎傳動(dòng)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(dòng)履帶輪，從動(dòng)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(dòng)履帶輪通過輪齒與履帶鏈相嚙合，能保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性，從動(dòng)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(dāng)輪胎以輪式狀態(tài)行進(jìn)時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)固化，主動(dòng)履帶輪與履帶鏈沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，變形后，主動(dòng)履帶輪動(dòng)力接通，帶動(dòng)履帶鏈運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)履帶式運(yùn)行狀態(tài)。

通過模型制作與實(shí)驗(yàn)，該模型能夠初步實(shí)現(xiàn)所需功能，可以靈活轉(zhuǎn)換運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式兩種行進(jìn)方式。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

該設(shè)計(jì)主要包括了三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。首先，提出了一種可變形輪胎，巧妙利用周長(zhǎng)不變的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式兩種行進(jìn)方式。其次，利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變形模塊與傳動(dòng)模塊的固聯(lián)，使履帶與輪轂固化，同速轉(zhuǎn)動(dòng)。最后，通過齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)，控制輪胎的變形及傳動(dòng)路線的改變。

5 結(jié)束語

該可變形輪胎可提高普通越野車輛對(duì)各種地形的適應(yīng)能力。在一般的平坦路面，利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變形模塊與傳動(dòng)模塊的固聯(lián)，使履帶與輪轂固化，輪胎以輪式運(yùn)轉(zhuǎn)，可以獲得較快的行進(jìn)速度；在沙地、草地、雪地、山地等地形，通過齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)，控制輪胎的變形及傳動(dòng)路線的改變，輪胎以履帶式運(yùn)轉(zhuǎn)，可以獲得較好的越野能力，通過性強(qiáng)。該產(chǎn)品具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變形響應(yīng)快、機(jī)動(dòng)性高、適應(yīng)多種復(fù)雜地形等特點(diǎn)，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(wù)，市場(chǎng)前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益可觀。