一种轮履复合式变体轮的设计与分析

摘要

复杂多变的非结构性环境使得全地形移动底盘越来越受到各国研究机构的重视，它对于提高车辆和移动机器人的机动性及通过性具有重要的研究和应用价值。轮履复合式变体轮由可重构履带、伸展机构、传动机构以及驱动机构组成，通过内部伸展机构改变车轮的形状实现在“圆形”和“三角形”之间的变换，从而改善移动底盘的运动性能，使其在良好路面行驶时，与轮式底盘一样可快速通行，节省通行时间;遇到滩涂、沟壑、冰雪等不良路面时变体为“类三角形”的履带式底盘，通过障碍后又可变回轮式底盘继续运行。具有结构紧凑、地形适应能力强、运行效率高的优点。
　　首先，分析了国内外有关轮式、履带式、组合式和变体式行走机构各自的优缺点以及它们的适用环境和场合，并结合现实需要，提出了变体轮的设计思路。详细分析了变体轮关键零部件的工作原理和设计方案，主要包括:轮体变形原理和方案;可重构履带形状、结构、伸展率以及材料构成;传动机构的结构和动力传动方案分析;伸展机构伸展与收缩的运动曲线规划、驱动方案对比以及液压缸选型、强度校核、液压回路的构建与控制。
　　然后，提出了变体轮的设计要点，对变体轮的机械结构进行详细设计，利用SolidWorks绘图软件建立其三维模型，并进行质量估算，干涉检查等。利用ANSYS有限元仿真软件分析变体轮的履带节、伸展机构、钢板片弹簧等关键零部件的应力应变，进行强度校核，优化其结构和尺寸，并生成工程图纸进行样机试制。
　　最后，通过INSTRON力学试验机对加工完毕的变体轮的履带节、钢板片弹簧等关键零部件进行独立加载试验;对装配好的单个变体轮进行伸展机构的运动轨迹以及可重构橡胶履带伸展率绘制和测量;将组装好的变体轮装于ATV四驱越野车进行联机调试，测试轮履复合式变体轮“圆形”时最高运动速度以及展开为“三角形”时的越障能力。试验结果:履带节、钢板片弹簧满足强度要求;车轮“圆形”时速25km/h，超出后“甩带”;“三角形”时爬坡28°，攀爬凸台高度180mm，跨域沟壑宽度400mm。
　　结论:轮履复合式变体轮可以顺利伸展和收回，并在两种状态下正常运行。证明了结构设计的合理性，初步达到第一代样机的设计要求。后续需要对变体轮重量、攀爬凸台的高度以及“轮式”的“甩带”问题进行深入研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究的目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 轮式行走机构研究现状

1．3．2 履带式行走机构研究现状

1．3．3 轮履复合式行走机构

1．4 课题来源和主要研究内容

第二章 轮履复合式变体轮原理分析

2．1 轮体变形思路

2．2 变体轮工作原理分析

2．2．1 接地比压情况分析

2．2．2 接地角对比分析

2．2．3 越障功能分析

2．3 变体轮可重构设计方案

2．3．1 固定履带长度方式

2．3．2 固定轮体半径方式

2．3．3 两种设计方案对比分析

2．4 可变形履带的原理分析

2．5 变体轮内部动力传动原理分析

2．6 伸展机构原理分析

2．6．1 伸展机构运动原理分析

2．6．2 变体轮伸展臂控制原理分析

2．6．3 变体轮伸展机构运动分析

2．7 本章小结

第三章 轮履复合式变体轮机械结构设计

3．1 轮履复合式变体轮总体设计要求

3．2 轮履复合式变体轮整体结构设计方案

3．3 可重构履带结构设计

3．3．1 履带节的设计

3．3．2 钢板片弹簧的设计

3．3．3 履带节自锁机构的设计

3．3．4 可重构履带整体结构设计

3．4 驱动轮的设计与分析

3．4．1 履带驱动形式的设计

3．4．2 驱动轮齿牙的设计

3．4．3 驱动轮运行特性分析

3．5 伸展机构的设计

3．5．1 伸展臂结构设计

3．5．2 液压缸受力计算和设计

3．5．3 伸展机构整体结构设计

3．6 变体轮内部传动系结构设计

3．7 变体轮总体三维模型

3．8 本章小结

第四章 变体轮关键零部件的有限元分析

4．1 履带节的有限元分析

4．2 伸展臂的有限元分析

4．3 片弹簧的结构强度优化设计

4．3．1 片弹簧的有限元分析

4．3．2 片弹簧的结构强度优化设计

4．4 本章小结

第五章 轮履复合式变体轮试验研究

5．1 变体轮关键零部件的加载试验

5．1．1 钢板片弹簧加载试验

5．1．2 履带节加载试验

5．2 变体轮整体性能试验

5．2．1 试验前准备

5．2．2 变体轮样机装配

5．2．3 变体轮展开收回功能的实现

5．2．4 变体轮越障试验

5．2．5 变体轮轮式试验

5．2．6 变体轮样机试验结果

5．3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 本文取得的成果

6．1．1 主要研究成果

6．1．2 主要创新点

6．2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢