一種轉(zhuǎn)彎半徑為0的車輛傳動結(jié)構(gòu)

曹昂，楊珊

（山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

一種轉(zhuǎn)彎半徑為0的車輛傳動結(jié)構(gòu)

曹昂，楊珊

（山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

目前的車輛結(jié)構(gòu)使車輛在行駛中有較大的轉(zhuǎn)彎半徑，導(dǎo)致運行的靈活度低，在很多特殊場合中應(yīng)用不便。介紹了一種新型的車輛機械傳動結(jié)構(gòu)，采用了車輪機構(gòu)的聯(lián)動方案和轉(zhuǎn)向的欠驅(qū)動控制方案，在運行過程中，僅需要2臺電機，就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為0，可原地進行任意方向的前進，并分析了運動過程中差速現(xiàn)象對運動的影響，試驗了其運動性能、結(jié)構(gòu)強度和載重能力，可為車輛的改進提供新的思路。

全方位移動車輛；傳動設(shè)計

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.082

1 引言

車輛轉(zhuǎn)彎半徑為0的特點是可以原地進行轉(zhuǎn)向，這種車輛在運行中具有高度靈活性，現(xiàn)今，國內(nèi)外很多研究所在減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑中展開了大量工作，但都無法避免電機數(shù)目多或輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，難以推廣。論文將研究方向定位于車輛的機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型的車輛傳動結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向半徑降低為0，有很好的路面適應(yīng)性能和載重能力，在軍工的特種設(shè)備、貨物的物流運輸、代步車輛等多個領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

2 設(shè)計方案介紹

1）上下分離轉(zhuǎn)向方案

為了實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向的功能，采用車體和底盤分離的方案，車體可相對底盤旋轉(zhuǎn)，車輪和車體轉(zhuǎn)動同步，可以原地任意角度轉(zhuǎn)向，并實現(xiàn)全部車輪聯(lián)動，使控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)得以簡化。

圖1 車體和車輪同步轉(zhuǎn)動示意圖

2）欠驅(qū)動和車輪聯(lián)動方案

車輪結(jié)構(gòu)中，采用錐齒輪改變傳動方向，經(jīng)同步帶傳動，帶動車輪，實現(xiàn)車輪結(jié)構(gòu)的驅(qū)動；整體結(jié)構(gòu)中，通過皮帶帶動全體車輪的運動，實現(xiàn)了多車輪的聯(lián)動。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，車輪機構(gòu)數(shù)量可以增加，進一步提高對路面的適應(yīng)性。

方向控制的機械結(jié)構(gòu)中，采用了齒輪系結(jié)構(gòu)傳動，通過中央方向齒輪，帶動所有車輪結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向和車的轉(zhuǎn)動，車輪和車體的同步轉(zhuǎn)向。

利用自鎖電機的自鎖功能，使傳動機構(gòu)運動合理，電機帶動車輪結(jié)構(gòu)中的方向齒輪，進而控制車輪方向，并且可以實現(xiàn)任意角度轉(zhuǎn)向。

圖2 傳動部分機構(gòu)簡圖

3 結(jié)構(gòu)介紹

結(jié)構(gòu)示意圖見圖3～圖7。

圖3 外觀圖

圖4 內(nèi)部視圖

圖5 內(nèi)部俯視圖

圖6 車輛車輪外觀圖

4 分析

轉(zhuǎn)向誤差分析：車輪在轉(zhuǎn)向時，兩個錐齒輪會有一定的運動，形成差速現(xiàn)象。假設(shè)動力電機靜止，動力軸上的錐齒輪1固定，車輪360°旋轉(zhuǎn)一周，動力改變軸上的錐齒輪2則相對于錐齒輪1旋轉(zhuǎn)一周，致使車輪進行一定的前進或者后退，車輪在地面上的軌跡為圓，而非點。

車輪旋轉(zhuǎn)一圈，移動軌跡的距離：

圖7 車輪內(nèi)部視圖

式（1）、式（2）中，r為車輪半徑，m；z1為錐齒輪1齒數(shù)；z2為錐齒輪2齒數(shù)；a1為動力改變軸上帶輪齒數(shù)；a2為車輪軸上帶輪齒數(shù)。

減小車輪軌跡圓的半徑的辦法：增大車輪軸上同步帶輪2的齒數(shù)a2，動力改變軸上錐齒輪2的齒數(shù)z2和車輪半徑r，或者減小動力改變軸上的同步帶輪1的齒數(shù)a1，動力軸上錐齒輪1的齒數(shù)z1。

完全消除車輪軌跡偏差辦法：使2個錐齒輪之間不會產(chǎn)生相對的運動，在轉(zhuǎn)向時，假設(shè)車輪機構(gòu)整體的轉(zhuǎn)速為n r/min，動力軸上錐齒輪提供相同的轉(zhuǎn)速n r/min，使2個錐齒輪之間無相對運行。

5 總結(jié)與展望

文章介紹了一種新型的轉(zhuǎn)彎半徑為0的車輛結(jié)構(gòu)，可原地任意方向前進，主要通過傳動機構(gòu)設(shè)計，采用了底盤和載物臺分離、車輪聯(lián)動、外殼和車輪轉(zhuǎn)向同步的設(shè)計方案，僅需要兩個電機來控制運動。

通過實驗證明了設(shè)計的可靠性，通過分析解決了轉(zhuǎn)向和前進運動的影響。采用本結(jié)構(gòu)的車輛可作為其他設(shè)備的運載工具，具有高度靈活性，四輪驅(qū)動，通過性良好，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加履帶結(jié)構(gòu)，在軍工特種設(shè)備上具有很好的發(fā)展前景。

【1】趙冬斌，易建強.全方位移動車輛導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

【2】郁錄平，趙丁選.工程機械底盤設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2004.

【3】李瑞峰，孫笛生，閻國榮，等.移動式作業(yè)型智能服務(wù)車輛的研制[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003(1):22-25.

【4】曹昂.萬向車:中國.201510687608.0[P].2015-12-16.

Vehicle Transmission Structure with Turning Radius 0

CAO Ang,YANG Shan
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering of Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China; 2.College of Foreign Language of Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China)

At present,the larger turning radius in vehicle structure leads to low operation flexibility,and causes inconvinience in application.Thus,a new model of mechanical transm ission structure of vehicle was figured out.It adopted linkage scheme of wheel mechanism and under actuated control scheme of steering.Besides,it just needs two sets of motors to move forward in situ during the process of running with turning radius of 0.In this paper,the author analyzed the influence of differential speed phenomenon on the steering process and verified motor performance,structural strength and load capacity through experiment, which provides a new way of thinking for the improvement of vehicle.

omni-directional mobilerobot;mechanical transmission

U463

A

1007-9467（2016）08-0150-02

2016-07-22

山東科技大學(xué)全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助。

曹昂（1995～），男，山東濟寧人，從事機械設(shè)計與研究。