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(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(yīng)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(dāng)前車型上，大幅度提升車輛對各種地形的適應(yīng)能力。設(shè)計思路如圖1 所示。

圖1 可變形輪胎設(shè)計思路

2 技術(shù)路線

為圓滿地完成設(shè)計任務(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、仿真、制作、檢驗等步驟，制作出一種可實現(xiàn)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(shù)路線為：廣泛開展技術(shù)調(diào)研；對調(diào)研材料進行綜合分析，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(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)動力的輸送，使輪胎運轉(zhuǎn)，利用舵機帶動變形模塊運動，實現(xiàn)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(xiàn)輪胎整體運轉(zhuǎn)和履帶單獨運轉(zhuǎn)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(gòu)控制輪胎的變形，使變形前后輪胎的周長保持相等，實現(xiàn)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(xiàn)履帶輪與履帶鏈固化、履帶輪與履帶鏈相對運動兩種狀態(tài)。

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(zhuǎn)角舵機，主要作用是提供動力，帶動變形模塊運動，實現(xiàn)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(xiàn)對車輪的控制，遙控采用Arduino 自帶的紅外收發(fā)模塊實現(xiàn)，通過接收不同的按鍵信號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 可變形輪胎對應(yīng)圓形形態(tài)時的立體結(jié)構(gòu)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(dāng)電機提供動力時，帶動動力主軸進行轉(zhuǎn)動，當(dāng)機構(gòu)處于輪式運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，傳動齒輪軸與主動齒輪軸上的錐齒輪處于分離狀態(tài)，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(tài)，整個車輪以相同的速度運轉(zhuǎn)；在變形機構(gòu)的作用下，當(dāng)機構(gòu)處于履帶式運行狀態(tài)時，如圖6 所示，鎖止齒輪軸發(fā)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(fā)生運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)履帶式運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

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(gòu)1，兩個曲柄滑塊機構(gòu)2 和一個齒輪機構(gòu)，曲柄滑塊機構(gòu)1 和曲柄滑塊機構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖7 所示。舵機齒輪和轉(zhuǎn)動圓盤形成齒輪機構(gòu)，縮短軸、連桿1、轉(zhuǎn)動圓盤及中央十字軸形成曲柄滑塊機構(gòu)1，伸長軸、連桿2、轉(zhuǎn)動圓盤及中央十字軸形成曲柄滑塊機構(gòu)2。當(dāng)舵機提供動力，驅(qū)動舵機齒輪轉(zhuǎn)動時，通過齒輪的嚙合帶動轉(zhuǎn)動圓盤運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動圓盤相當(dāng)于曲柄，通過連桿1、連桿2 分別驅(qū)動縮短軸和伸長軸相對中央十字軸做相對移動，從而實現(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(wěn)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(dāng)輪胎以輪式狀態(tài)行進時，整個機構(gòu)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(xiàn)履帶式運行狀態(tài)。

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

4 創(chuàng)新點

該設(shè)計主要包括了三個創(chuàng)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(xiàn)輪式和履帶式兩種行進方式。其次，利用齒輪傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)變形模塊與傳動模塊的固聯(lián)，使履帶與輪轂固化，同速轉(zhuǎn)動。最后，通過齒輪連桿組合機構(gòu)，控制輪胎的變形及傳動路線的改變。

5 結(jié)束語

該可變形輪胎可提高普通越野車輛對各種地形的適應(yīng)能力。在一般的平坦路面，利用齒輪傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)變形模塊與傳動模塊的固聯(lián)，使履帶與輪轂固化，輪胎以輪式運轉(zhuǎn)，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(gòu)，控制輪胎的變形及傳動路線的改變，輪胎以履帶式運轉(zhuǎn)，可以獲得較好的越野能力，通過性強。該產(chǎn)品具有機械結(jié)構(gòu)簡單、變形響應(yīng)快、機動性高、適應(yīng)多種復(fù)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(wù)，市場前景廣闊，經(jīng)濟效益可觀。