孫榮哲

(大連浦州航空科技有限公司)

水陸兩棲車搖臂式收放輪機(jī)構(gòu)設(shè)計

孫榮哲

(大連浦州航空科技有限公司)

針對某型水陸兩棲車收放輪要求，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，性能可靠的收放輪機(jī)構(gòu)，并根據(jù)該機(jī)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了主要零件受力分析以及電機(jī)需用扭矩計算。

水路兩棲車收放輪機(jī)構(gòu) 電機(jī)需用扭矩 自鎖

0 前言

水上航行速度是水陸兩棲車的一項重要指標(biāo)。相對于船艇，兩棲車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大吃水深；流線形車身被車輪以及車輪懸架破壞；造成航行阻力大。所以多數(shù)兩棲車采用收放輪結(jié)構(gòu)，在水中行駛時將車輪收起于水面之上，減小阻力。達(dá)到提高車速的目的。而收放輪裝置設(shè)計的優(yōu)劣直接影響陸地行駛性能以及水中航行阻力的大小。

目前比較成熟的兩棲車產(chǎn)品有英國吉布斯公司的Humingda、Gibbs Humdinga和Gibbs Quadski，瑞士Rinspeed公司的Splash，美國watercar公司的兩棲車，這些兩棲車最高航行速度都可以達(dá)到70～80km/h。國內(nèi)對兩棲車的研制起步較晚，與國外相比有較大差距。收輪機(jī)構(gòu)不成熟，水上航行速度一般不超過20km/h。水上航行速度低的一個重要原因是水中阻力過大，如果能夠?qū)崿F(xiàn)車輪收起至水面以上且對船體流線形體破壞較少，將會顯著提高兩棲車性能。

本文設(shè)計了一種外掛式輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的收放輪機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)如圖1、圖2所示。

此收放輪機(jī)構(gòu)的輪邊完全懸掛在兩棲車車體外側(cè)，保持了車體底部的流線型低阻外形。當(dāng)收放輪時，電機(jī)經(jīng)減速箱驅(qū)動搖臂拉起減震器，減震器拉動傳動臂使其繞著A點(diǎn)轉(zhuǎn)動。搖臂旋轉(zhuǎn)一周的過程中，在車輪下止點(diǎn)與上止點(diǎn)位置搖臂與減震器相互平行，此時減震器傳給搖臂的力完全平行于搖臂，因此不會對搖臂產(chǎn)生扭矩，搖臂只受到拉力或壓力。

1.車輪；2.傳動臂；3.車體；4.減震器；5.下限位塊；6.搖臂；7.電機(jī)；8減速箱；9.上限位塊

圖1 收放輪機(jī)構(gòu)簡圖(放下狀態(tài))

Fig.1 Wheel suspension folding mechanism(drop state)

本結(jié)構(gòu)的力學(xué)簡化模型如圖3所示，傳動臂、減震器、搖臂構(gòu)成了一個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。搖臂旋轉(zhuǎn)一周，傳動臂上下?lián)u擺一次，搖擺過程中搖臂有兩次與減震器相平行，形成死點(diǎn)。

圖2 收放輪機(jī)構(gòu)簡圖(收起狀態(tài))

圖3 力學(xué)簡化模型

1 指標(biāo)要求

根據(jù)該兩棲車設(shè)計要求，收放輪機(jī)構(gòu)要求如下：

2 機(jī)構(gòu)受力分析

車輪收起過程中，機(jī)構(gòu)中桿系受力情況如圖4所示；件2傳動臂上扭矩平衡，可得方程式：

(1)

件4減震器為二力桿，所以件4施加給件6搖臂的力矩為：

(2)

將(1)式帶入@2)式可得

(3)

由(3)式可以看出，欲求電機(jī)需用扭矩必須求得γ、α、和β的角度，其余搖臂長度、傳動臂等尺寸參數(shù)均為已知的設(shè)計值。在搖臂旋轉(zhuǎn)一周的過程中G、AB、ED、AC值均保持不變，而γ、α、和β角均隨著搖臂的轉(zhuǎn)動而變化。以A點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系如圖4所示。圖中，確定各角度值的關(guān)鍵在于確定D點(diǎn)、C點(diǎn)的位置，由于已知搖臂長度和搖臂初始角度與旋轉(zhuǎn)角度，其中D點(diǎn)的位置可以很容易求得。而C點(diǎn)位置不容易求得，從幾何關(guān)系上分析，它是兩個圓的交點(diǎn)，一個圓是以D點(diǎn)為圓心，CD為半徑的圓，另一個圓是以A點(diǎn)為圓心，AC為半徑的圓。因此可得兩個方程：

(4)

(5)

注：XC、YC為C點(diǎn)橫縱坐標(biāo)；XD、YD為D點(diǎn)橫縱坐標(biāo)。

此二元二次方程求解比較復(fù)雜且不是本論文重點(diǎn)，借助數(shù)學(xué)工具以搖臂旋轉(zhuǎn)角度為變量計算D點(diǎn)位置，再以D點(diǎn)位置計算C點(diǎn)位置，迭代搖臂旋轉(zhuǎn)角度得到搖臂旋轉(zhuǎn)一周C點(diǎn)、D點(diǎn)軌跡如圖5所示。圖中D點(diǎn)繞E點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周，減震器CD保持長度不變，拉動C點(diǎn)繞坐標(biāo)原點(diǎn)A沿弧線軌跡運(yùn)動一個反復(fù)。

圖4 桿系受力分析

根據(jù)C、D點(diǎn)坐標(biāo)計算各桿角度以及桿系間夾角，其變化曲線如圖6所示。圖6中，以搖臂旋轉(zhuǎn)角度為橫軸，對應(yīng)鏈盒角度α、鏈盒間夾角β、減振器與搖臂間夾角γ的角度為縱軸，繪制出α、β、γ的變化曲線。隨著搖臂旋轉(zhuǎn)角度的增加，鏈盒角度α由初始37°逐漸增大，當(dāng)搖臂旋轉(zhuǎn)258°時，α增加至最大值112.4°，此時車輪被收起至最高點(diǎn)，然后隨著搖臂旋轉(zhuǎn)角度的增加，再降回37°。減振器與鏈盒間夾角β由28°開始，在11°～60°之間波動，最終回到28°。減振器與搖臂間夾角γ由0°開始逐漸增大，在搖臂旋轉(zhuǎn)258°時達(dá)到180°，此時搖臂與減振器折疊重合。搖臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至360°時，γ角也旋轉(zhuǎn)至360°回到初始位置，機(jī)構(gòu)處于同樣的圖2位置，搖臂與減振器軸線重合。γ角為0°或180°時搖臂與減振器處于折疊重合或軸線重合，減震器對搖臂拉力產(chǎn)生的扭矩為F4×ED×sin(γ)，因sin0°或sin180°的值都為零，所以搖臂所受扭矩為0。

圖5 C、D點(diǎn)運(yùn)動軌跡

圖6 桿系夾角變化曲線

搖臂需用扭矩如圖7所示。圖7中，搖臂由圖2位置(下死點(diǎn))開始順時針旋轉(zhuǎn)一周回到初始位置?？梢钥闯觯瑥某跏嘉恢弥?58度區(qū)間，搖臂受到逆時針方向扭矩，扭矩由0開始逐漸增大至54N.m(搖臂旋轉(zhuǎn)100°時)。然后再逐漸降低至0(搖臂旋轉(zhuǎn)258°時)，到達(dá)上死點(diǎn)。然后搖臂繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，搖臂受到扭矩變?yōu)轫槙r針方向并迅速升高，最高達(dá)到225N.m(搖臂旋轉(zhuǎn)312°時)。然后又迅速降低至0?；氐较滤傈c(diǎn)。由圖7可以看出，搖臂旋轉(zhuǎn)角度在0～258°區(qū)間時，搖臂扭矩變化比較平緩，最大扭矩只有54 N.m，而在后半段搖臂旋轉(zhuǎn)的角度較小，只有102°，但是搖臂扭矩變化劇烈，需要的最大扭矩太大，不利于減小電機(jī)功率和結(jié)構(gòu)尺寸，因此選擇前半段0°～258°區(qū)間為本結(jié)構(gòu)的工作區(qū)間，并在區(qū)間分隔點(diǎn)設(shè)置限位塊以防止搖臂旋轉(zhuǎn)過度。

圖7 搖臂需用扭矩變化曲線

3 減速機(jī)與電機(jī)選擇

根據(jù)需用扭矩為Nmax=54 N.m，選用減速比n為1:50的渦輪蝸桿減速機(jī)，查其機(jī)械效率η為79%，可計算得到需用電機(jī)扭矩為：

Nd=Nmax/n/η=54/50/0.79=1.37 N.m

電機(jī)選用額定扭矩2 N.m，扭矩裕度為1.46，電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速900rpm。計算可得搖臂轉(zhuǎn)速為18rpm。旋轉(zhuǎn)258°收放車輪需用時間為2.4秒。

[1] 《基于車輪收放技術(shù)的兩棲車懸架的運(yùn)動學(xué)特性對比研究》，王重陽，吳志成，吳靖杰，機(jī)械設(shè)計與研究，2013.

[2] 《水陸兩棲車輛減阻增速關(guān)鍵問題研究》，宋桂霞，博士學(xué)位論文，南京航空航天大學(xué)，2008.

[3] 《基于流體仿真的兩棲車車輪收起前后阻力對比分析》，吳珂，宋桂霞，趙又群，系統(tǒng)仿真技術(shù)，2007.

[4] 《懸架變動對水陸兩棲車輛性能的影響》，宋桂霞，趙又群，吳珂，機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008.

[5] 《高速兩棲車滑行車體阻力分析與可實(shí)現(xiàn)形式》，賈小平，邢俊文，于魁龍，車輛與動力技術(shù)，2001.

Design of Suspension for the Amphibious vehicle

SunRongzhe

(PANWOOAviationTechnologyCo.,Ltd)

In order to meet the demand of the Suspension System of Amphibious vehicle, I designed a wheel retracting suspension. Compared with other wheel retracting suspension, The structure has following advantage of simple structure, light-weight and Reliable performance. According to the characteristic of this structure, The stress analysis of the main components are conducted and the motor selected.

Wheel retracting suspension Structure of amphibious vehicle motor torque self locking

1006-8244(2017)02-038-03

U469.79

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