畢業(yè)論文——全地貌輕型多功能驅(qū)動車輪設(shè)計

1、<p>　　江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院</p><p><b>　　屆畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　全地貌輕型多功能驅(qū)動車輪設(shè)計 </p><p>　　系 部： 機電與動力工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)名稱： 機械設(shè)計制造及其自動化

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　作 者： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

3、 </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院本科畢業(yè)論文</p><p>　　全地貌輕型多功能驅(qū)動車輪設(shè)計</p><p>　　Design of all terrain light multi function driving wheel</p>&

4、lt;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　越發(fā)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境普通輪式車輪將無法工作，這使得復(fù)合式車輪愈發(fā)受到了重視。常見的復(fù)合式車輪由伸展臂，可重構(gòu)履帶，液壓裝置，驅(qū)動片輪組成，通過內(nèi)部液壓裝置，使得輪體形狀在輪式和三角式轉(zhuǎn)換，從而可以克服許多麻煩的地勢環(huán)境。當(dāng)輪履復(fù)合式車輪在良好的路面上行駛時，其與普通車輪無異，保持普通車輪良好的機動性，從而縮短行駛時間；當(dāng)遇到雪地

5、沙漠等復(fù)雜地勢時，轉(zhuǎn)變?yōu)槿锹膸剑秸铣晒罄^續(xù)恢復(fù)輪式狀態(tài)。</p><p>　　開始，本文著重分析了輪式，履帶式，變形式各自的優(yōu)劣點以及一般使用的情況，提出了完整的思路。分析了關(guān)鍵元件，闡述了其工作原理和設(shè)計理念，其主要包括可重構(gòu)履帶形狀，結(jié)構(gòu)，傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及傳動方式，伸展臂的運作方式，以及液壓缸的選擇，回路控制。</p><p>　　然后根據(jù)已經(jīng)提出的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，利用

6、UG三維建模，并檢查是否有干涉。</p><p>　　最后，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行強度校核，檢驗是否滿足使用要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并用3D打印機打出樣品。</p><p>　　因此。復(fù)合式車輪可以通過液壓裝置的控制實現(xiàn)伸展臂的控制，并在相應(yīng)的狀態(tài)下自由切換工作形式，證實了設(shè)計的合理，后續(xù)可對其他機構(gòu)做更深入的討論提供了指導(dǎo)意義。</p><p>　　關(guān)鍵字：全地

7、貌；變形輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Many ordinary roller wheel can not work due to more and more complicated working environment, which makes people put more attention

8、 to composite wheel. The ordinary roller consists of arm, reconfigurable tracking,hydraulic equipment, driven wheel. The wheel shape converses wheel to triangle by hydraulic equipment, which makes many terrible situation

9、 be overcomed. The complicated wheel drived in ordinary road is the same to ordinary wheel, which makes time shorten as the flexibility is maintained</p><p>　　Firstly, the article put more attention on the p

10、ros and cons of the wheel, crawler and change-size, and put forward the complete idea, analyses the key elements, expounds its working principle and designing concept, including the reconfigurable tracked shape, structur

11、e, trainsmission mechanism, structure design and drive of extended arm, as well as the selection of hydraulic cylinder, control loop.</p><p>　　Then, use the UG of three-dimensional modeling, and check for in

12、terference according to the requirements which has been put forward for mechanical structure design.</p><p>　　Finally, checking the strength test whether meets the requirements by ANSYS, optimizing the struc

13、ture design, and printing 3Dsamples.</p><p>　　Thus, composite wheel can be realized to control the arms by hydraulic equipment, and converse in any conditions freely, and confirm the reasonable of designing,

14、 It also provides some guiding to other institutions.</p><p>　　Keywords: Landscape; Deformation wheel; Structure design; The finite element analysis </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p>

15、;<p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們試圖征服著更多，更廣的未知領(lǐng)域，車輛就是其中之一。車輛作為車輛關(guān)鍵組成部件來承載著運動，以及車輛與愈發(fā)廣泛的用途，其近年來的發(fā)展更加可觀?，F(xiàn)如今，我們仔細(xì)的觀察后，不難得出這樣的結(jié)論：傳統(tǒng)的車輪已經(jīng)很難來滿足現(xiàn)代化作業(yè)，如今復(fù)雜的地勢要求移動車輪具備較高的快速性，靈活性。這點在泥濘的農(nóng)業(yè)里更為顯而易見。因此，設(shè)計新

16、型車輪乃是現(xiàn)代會生產(chǎn)中的大勢所趨。</p><p>　　就目前而言，全地貌式多功能車輪在市面上較為少見，傳統(tǒng)的更換式車輪依舊占據(jù)著市場的主體地位，其中包括輪式，履帶式，足腿式等等。我在騰訊視頻上見到一個常見的場景，當(dāng)車輪到達(dá)泥濘場地時，駕駛員不得不換下原來的輪式車輪，換上三角履帶式，一段有一段周而復(fù)始地前行。這樣做的原因早已不是什么秘密，履帶式車輪與地面的接觸面積較大，附著性越障性較為突出，因此在工程實際作業(yè)中履

17、帶式車輪有著極為廣泛的應(yīng)用。但其也有一些局限性，其機動性較差，輪體重量大易對地面產(chǎn)生破壞。輪式車輪與其相比有著相反的特點，一般在短時間內(nèi)即可達(dá)到相對理想的速度，理論技術(shù)也比較成熟，制造成本也遠(yuǎn)低于履帶式?？勺鲞@樣一個試想，利用一個液壓裝置將而這特點結(jié)合，一旦實現(xiàn)的話現(xiàn)場作業(yè)的話繁瑣程度大大降低。</p><p>　　本課題旨在打破傳統(tǒng)的履帶輪式分離的觀念，設(shè)計一種多功能型復(fù)合車輪，并保證其外形與普通車輪大小無異，

18、通過液壓技術(shù)控制，使得其在輪式和三角式轉(zhuǎn)換，這樣的話，就可以避免每次作業(yè)換車輪的尷尬，某種程度上實現(xiàn)了車輛在正常路面的高機動性與多障礙路面高通過性的兼容問題，鑒于其可以通過液壓控制的快速轉(zhuǎn)換，其實際作業(yè)環(huán)境得以大大擴展，使得災(zāi)難救援，戰(zhàn)場偵察，行星探測等復(fù)雜情況不再難以克服。軍事也好，民用也罷，對于相關(guān)生產(chǎn)以及作業(yè)有著長遠(yuǎn)而重要的意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p

19、>　　1.2.1 輪式車輪</p><p>　　輪式車輪是一種常見的機構(gòu)，下面對不同的機構(gòu)進(jìn)行一一陳述。</p><p><b>　　（1）剛性輪體</b></p><p>　　剛性輪體在行星探測器中有著廣泛的應(yīng)用，其所工作的環(huán)境多為松軟等承載力低的條件下，與剛性地面接觸是不可取的。</p><p>　　圖1-1和

20、圖1-2是美國的月球車，輪子采用網(wǎng)紗狀結(jié)構(gòu)，三個鈦金環(huán)和履帶刺連接，組成輪緣，將鋼制的網(wǎng)罩罩在輪外，外環(huán)也較小，與地面點接觸。這樣的設(shè)計目的在于防塵，但不可避免的是其減震能力欠缺，只能用于沙土地上。圖1-3為法國設(shè)計的lama[1]，輪子由圓錐和圓柱組成，性質(zhì)為剛性輪，在硬度較大的剛性地面上，圓錐部分接觸，在較軟的地表由圓錐接觸，因此得以降低接地比，以至于其通過性較高。圖1-4是美國的勇氣號，機身由鋁合金鍛造。中間是橙黃色泡沫，起到減輕

21、震動和吸塵作用。</p><p>　　圖1-1 美國月球車</p><p><b>　　圖1-2 網(wǎng)狀輪</b></p><p>　　圖1-3 Lama機器人</p><p><b>　　（2）彈性沙地輪</b></p><p>　　這種車輪設(shè)計初衷用在類似于沙漠等松軟地表的

22、現(xiàn)場作業(yè)。其設(shè)計理念借鑒了駱駝腳掌與地表的緩沖增大接觸面積等原理。如圖1-4，為單胎式，其分為彈性和剛性，弧形狀的彈簧和輪輻內(nèi)輪緣搭建起其剛性部分，這使得其能夠輕松地在地表上行駛，并且，接地側(cè)偏剛度也較為客觀。圖1-5為雙胎式，與單胎式一樣，吸震能力較強。圖1-6為沙地可調(diào)式[2]，其可以調(diào)節(jié)測傾角度，從而改變本體形狀，以至于改變附著力與牽引力。</p><p>　　圖1-4 彈性雙側(cè)胎式</p>

23、<p>　　圖1-5 彈性單胎式</p><p>　　圖1-6 彈性可調(diào)式</p><p><b>　　（3）變徑式輪體</b></p><p>　　顧名思義，變徑式意為半徑可以變化，通過特定的機構(gòu)變化使得半徑得以改變。圖1-7為吉林大學(xué)設(shè)計的簡易版半步行輪，腿的內(nèi)側(cè)安好彈簧元件，起著減震作用。此結(jié)構(gòu)雖然在凹凸不平的路面上有著顯著的越

24、障能力，但其平順性卻難以得到保障。故一家公司提出另一種方案，使用了偏心輪機構(gòu)，這樣得以確保其輪心離地面距離為一個定值，平順性自然好得多[3]，如圖1-8。</p><p>　　圖1-7 無輪緣半步行輪</p><p>　　圖1-8 偏心輪機構(gòu)簡圖</p><p>　　上文講到過美國的月球車，曾計劃圓規(guī)腳步行輪，如圖1-9，適時切換輪行以此來適應(yīng)地面的不平整性。但每一

25、步都通過計算機，控制過于繁雜。</p><p>　　吉林大學(xué)還提出過月球車樣機，其為可伸縮葉片式，如圖1-10，其組成機構(gòu)為葉片，彈簧，外圈，葉片與外圈以及內(nèi)輪相連，彈簧連著內(nèi)輪，這種設(shè)計不但可以滿足松軟地面上對牽引性能的要求，又能保證其平順性。</p><p>　　圖1-9 原理型月球車</p><p>　　圖1-10 可伸縮葉片式復(fù)式步行輪結(jié)構(gòu)</p>

26、;<p>　　1.2.2 履帶式車輪近況</p><p>　　履帶式行走帶輪有著越野性能好，牽引力穩(wěn)定，接地比小，等特點，因此在工農(nóng)業(yè)上有著較為廣泛的應(yīng)用[4]，下面我們依據(jù)常見的行式給大家介紹一下：</p><p><b>　?。?）傳統(tǒng)行走機構(gòu)</b></p><p>　　傳統(tǒng)的履帶行走機構(gòu)由導(dǎo)向輪、履帶輪、張緊裝置、支重板以

27、及履帶板構(gòu)成，比較典型的就是坦克和挖掘機，如圖1-11與圖1-12。</p><p><b>　　圖1-11 坦克車</b></p><p><b>　　圖1-12 挖掘機</b></p><p>　　此類機械因?qū)Φ孛嬗兄薮蟮膲簭?，很容易對地面造成損壞，故受到一定的使用限制。</p><p>　　

28、（2）可變形的行走帶輪</p><p>　　此種帶輪一般通過輔助機構(gòu)改變底盤的幾何形狀,從而使得其可以順利越障，例如LMA機器人[5]，通過改變臂展大小使得履帶形狀發(fā)生轉(zhuǎn)變，處于較低端位置時機器人呈現(xiàn)坦克狀，在頂端時，變?yōu)槠胀ǖ娜锹膸睢?lt;/p><p>　　1.2.3 履帶復(fù)合帶輪</p><p>　　所謂的履帶復(fù)合式車輪，也是本文主要的研究對象，是將二種功能糅

29、合到一個車輪里，省去了特定環(huán)境下?lián)Q車輪的這一環(huán)節(jié)，這樣的話可以實現(xiàn)優(yōu)缺點互補。典型的例子是美國排爆機器人[6]，如圖1-13，當(dāng)車輛在行駛時為了使車輪能夠快速前進(jìn)，后關(guān)節(jié)履帶抬起，遇到障礙物時，再將前后關(guān)節(jié)履帶落下，以提高越障性能。這種機器人特點是同時安裝輪式和履帶式機構(gòu)，使得其在不同的障礙環(huán)境中能夠做出改變，但不可忽視的是，這種同時安裝了兩種機構(gòu)，自然而然的增加了自身的重量，加大原來的體積，續(xù)航能力變差，救援能力也相對的受到了限制。&

30、lt;/p><p>　　圖1-13 美國排爆機器人</p><p>　　另一種常用的是更換式履帶輪，其主要組成部分是履帶（橡膠），導(dǎo)向輪，支撐部件，主要應(yīng)用于軍事，國內(nèi)暫時還處于空白狀態(tài)。與普通輪式車輪相比而言，三角履帶在接地比壓，附著性能，牽引力，穩(wěn)定性，越障性等方面有著無可比擬的優(yōu)勢，與整體履帶輪相比，其通過性轉(zhuǎn)向性，靈活性也占盡優(yōu)勢，但其組成部分卻是繁雜，很多由鐵質(zhì)搭建，所以機動性較低，

31、需要換裝，所以應(yīng)用難以得到推廣。</p><p>　　1.3 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　本文具體分為四章節(jié)，分別為：</p><p>　　第一章：就本文研究內(nèi)容，以及國內(nèi)外現(xiàn)狀，以及意義分別闡述。</p><p>　　第二章：提出變形的整體思路，從機械原理，機械設(shè)計聯(lián)系理論力學(xué)相關(guān)知識分析了變形的原理，提出可重構(gòu)這一概念，具體分析

32、內(nèi)部動力傳輸機構(gòu)，確定最優(yōu)的方案。</p><p>　　第三章：利用UG對實物進(jìn)行建模，依據(jù)第二章具體的分析方案，確定最終的完整模型。</p><p>　　第四章：對變形輪的關(guān)鍵部件如履帶節(jié)三腳架進(jìn)行有限元分析，以檢驗其強度是否復(fù)合使用標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　第五章：對全文研究的結(jié)果進(jìn)行一系列的總結(jié)，以及對未來工作的展望。</p><p>

33、;　　第二章 多功能行走機構(gòu)原理分析</p><p><b>　　2.1 輪式變形</b></p><p>　　從第一章的分析來看，目前市場上多數(shù)的行走機構(gòu)很難做到理想的變形輪這些特點。</p><p>　　本章就從實際出發(fā)，對行走帶輪進(jìn)行了基礎(chǔ)的原理分析，結(jié)合了行走機構(gòu)高越障性與高機動性的性能特點，從而使得分析更加趨于合理化。</p&

34、gt;<p><b>　　普通輪體變形思路</b></p><p>　　就目前而言，輪式車輪在車輛的使用中占據(jù)著主導(dǎo)地位[7],其超高的機動性與實用性是一般的車輛首選，但也存在一些不足，比如其越障性。圖2-1為輪式車輪的工況圖。</p><p>　　圖2-1 輪式行走機構(gòu)工況分析</p><p>　　如圖（a），此圖為輪式在平地上

35、行走的工況圖，遇到了沉陷的情景，不難看出，輪體與地面有一定的接觸面積，沉陷量越大，接觸面積就越小，反之則越大，所以極易發(fā)生打滑。</p><p>　　如圖（b），輪式在攀爬斜面，此時車輪除了得克服摩擦力外，還必須考慮重力在水平方向的分力，所以得在原來的基礎(chǔ)上適當(dāng)考慮增加一些附著力。</p><p>　　如圖（c），輪式左邊為以凸塊，如果凸塊的體積過大或者高度過高，這也對車輪越過障礙早成巨大

36、障礙。</p><p>　　如圖（d），輪式遇到壕溝，如果壕溝左右寬度大于輪式的直徑，這也很難使得輪式通過。</p><p>　　綜合上述四大常見工況，輪式車輪雖然有著較強的機動性，但其也存在很多缺陷，使得其有著很多的局限性。</p><p>　　但如果上面四大工況利用履帶輪是否能夠順利通過呢，很顯然，履帶輪可以利用自身輪體變形，增大接觸面積，從而克服這些工況。如圖

37、2-2所示，從圖2-2可知，履帶輪通過變形，增大了與地面的接觸面積，或者改變接地比從而克服了障礙。</p><p>　　圖2-2 變形后工況分析</p><p>　　2.2 越障功能的討論</p><p>　　一般履帶輪面臨的惡劣環(huán)境無非壕溝，臺階以及斜坡三種。圖2-3為跨越壕溝的原理圖。</p><p>　　圖2-3 跨越壕溝障礙變形輪動作

38、原理圖</p><p>　　從a至b，為到達(dá)壕溝前，停止前行，展開伸展臂，cde為其在壕溝上的行走過程，當(dāng)重</p><p>　　基于上述分析，尺寸為極其重要的因素。圖2-4為運動分析圖，F(xiàn)為機動車輛對車輪的作用力，作用線穿過車輪對地面的重心切點，如果變形輪越過壕溝，而伸展臂卻未到達(dá)壕溝右邊緣，F(xiàn)的作用線此時卻超過左邊緣，這種情況下越障宣告失敗。</p><p>　

39、　圖2-5 跨越壕溝運動分析圖</p><p>　　如圖2-4，B≤l0</p><p>　　計算出最大的壕溝寬度，考慮到兩側(cè)棱角有著較大的寬度，應(yīng)盡量低速通過。</p><p><b>　?。?）分析凸臺</b></p><p>　　下圖為車輪跨越凸臺的情形。</p><p>　　圖2-6 越障

40、動作規(guī)劃圖</p><p>　　從a至b，輪式車輪開始緩緩變形，伸展臂開始撐開，前臂搭在凸臺的棱角上，再到c，左臂緩緩放置地面上，c到d，左臂借助與地面的摩擦力使得車輪向上爬行，爬至e，這時的情形，此時輪體以輪身與棱角的接觸點為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動如圖f所示[8]。</p><p>　　如圖2-6為對運動情況的分析圖。</p><p>　　圖2-7 爬越臺階運動分析圖&

41、lt;/p><p>　　所以根據(jù)三角函數(shù)運算得到以下公式。</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　對進(jìn)行二次求導(dǎo)，得到下列關(guān)系式。</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　不難看出此式子小于0，故上式H渴求的最大值，當(dāng)ab

42、r三個變量確定時。</p><p><b>　?。?）爬坡</b></p><p>　　這個問題研究的是爬坡過程中輪體的變形，在之中，質(zhì)心起著決定性的作用。</p><p>　　圖2-8 爬越障礙動作規(guī)劃圖</p><p>　　從a至b，車輪先是在平坦的路面上行駛，，遇到斜坡時緩緩地將雙臂展開，因為有斜面坡度的存在，前臂

43、搭在斜面上，后臂慢慢落在地面上。從b至c，利用車身與地面的摩擦力，順利的爬至斜面上。從c至d，爬至斜坡與地面的轉(zhuǎn)折點，此時繞頂點處旋轉(zhuǎn)。從d至e，落在地面上先收回左臂，目的是防止車輪后仰。e圖中，將伸展臂完全收回?；谏鲜龅姆治觯覀兊弥冃屋喯鄬τ诼膸л喤c輪式車輪有著更好的適應(yīng)性。</p><p>　　2.3 變形輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案</p><p>　　上述的分析進(jìn)一步推測，可得出結(jié)論，

44、設(shè)計的關(guān)鍵在于車輪如何才能從圓形變?yōu)槿切危@種方案無非有兩種。</p><p>　?。?）固定履帶的長度，這種方案將輪體設(shè)計為分段圓弧狀[9]，這樣來支撐大圓狀態(tài),此時半徑為R，在圓形狀態(tài)時可在平地路面上行駛，遇到障礙時，通過內(nèi)部液壓機構(gòu)進(jìn)行伸縮控制。這樣的話半徑會縮小為r，從而產(chǎn)生多余的一段，看起來比較別扭。此時將內(nèi)部液壓機構(gòu)撐至三角履帶輪的形狀。</p><p>　　圖2-9 固定履

45、帶長度可變形原理分析圖</p><p><b>　　多余的長度：</b></p><p><b>　　從而化簡得到</b></p><p>　　(2)此方案在于調(diào)整履帶的長度，將履帶設(shè)計為彈性履帶，這樣輪體方可保持不變，下面為輪體的原理示意圖。</p><p>　　圖2-10 履帶可變輪體原理分析&

46、lt;/p><p>　　圓形為初始狀態(tài)，,伸展臂a,伸展臂端點至中心線b，小輪半徑r,，因此可以得到相應(yīng)的幾何關(guān)系,從而計算出對應(yīng)的履帶長度,,所以對應(yīng)的履帶長度為。</p><p>　　2.4 將兩種方案作為比對分析</p><p>　　上述兩種方案分別改變輪體的半徑與履帶長度[10]，最終個目的車輪的形態(tài)的以在輪體和三角履帶之間互相轉(zhuǎn)變，適應(yīng)相對復(fù)雜的地理環(huán)境。&l

47、t;/p><p>　　固定履帶長度的優(yōu)缺點：</p><p>　?。╝）結(jié)構(gòu)簡單，不需要過多的拉伸收縮的設(shè)計。</p><p>　?。╞）因為運行方式保持分段弧形狀，張開部分的履帶難以支撐，所以有的時候會有內(nèi)凹現(xiàn)象，對車輪的性能會產(chǎn)生一定的影響。</p><p>　?。╟）當(dāng)R變成r時，圓弧收縮，曲率發(fā)生變化，一定程度上影響高速運行時的性能。&l

48、t;/p><p>　　（d）半徑變化時，輪體質(zhì)心下移，雖然某些程度上穩(wěn)定性得到了提高，但離地間隙減小，越障性能變化[11]。</p><p><b>　　固定半徑的優(yōu)點：</b></p><p>　　（a）履帶與驅(qū)動輪緊貼，車身運行平穩(wěn)。</p><p>　?。╞）內(nèi)部伸展數(shù)目較少，便于控制。</p><

49、p>　?。╟）履帶設(shè)計較難，組合較為復(fù)雜。</p><p>　　綜合上述兩種方案，個人選擇第二種方案。</p><p>　　2.5 對于可變性履帶的原理分析</p><p>　　本文采用分段履帶節(jié)的設(shè)計方法[12]，履帶節(jié)之間采用銷軸連接，履帶節(jié)身采用金屬作為材料，外側(cè)壓制橡膠，因考慮銷軸位置的不穩(wěn)定性，故考慮在里面加上片彈簧之類的彈性元件。圖2-11為其視圖

50、。</p><p>　　圖2-11 履帶節(jié)三維立體圖</p><p><b>　　2.6 原理的討論</b></p><p>　　如圖2-11,1和2為一組相連的履帶節(jié)[13]，3和4分別為預(yù)期固定的傳動銷軸A為履帶節(jié)內(nèi)的空間，彈簧元件放入A中，上部分圖為初始的圓輪狀態(tài)，履帶節(jié)也緊貼，當(dāng)輪體從初始狀態(tài)變形為三角履帶式，伸展機構(gòu)擠壓履帶節(jié)，銷軸壓

51、縮片彈簧，每節(jié)履帶都可以伸長dl，對于一條履帶也相應(yīng)的伸長，多出的履帶長度由伸展臂伸開，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，當(dāng)車輪從輪式向三角履帶式轉(zhuǎn)變時，此時只需要將伸展臂收回，彈簧5將履帶頂回原來的位置，履帶設(shè)計結(jié)構(gòu)簡潔方便，易于拆卸維護(hù)。圖為對三角履帶受力分析的平面圖，原理與普通的傳送帶類似，由于摩擦力的存在，與轉(zhuǎn)動方向相反的一側(cè)出現(xiàn)緊邊，轉(zhuǎn)動方向相同的一邊出現(xiàn)松邊。所以，設(shè)定靜止時兩邊的拉力為F，工作時一邊拉力增大至，另一邊增大至，松緊邊的拉力值差

52、為有效拉力，將受力分析圖在水平方向投影，，上式采用微元法，為正壓力，為離心力，由于值很小，利用極限的思想，，所以將上式化簡為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　聯(lián)列上述兩式得到下式：</p><p><b>

53、　　（2-5）</b></p><p>　　對兩邊積分，從而得到下式</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　所以與拉力不同，即松緊邊拉力不一致，緊邊拉力大與松邊拉力，同時也存在離心力，履帶中也存在著離心力，且各處離心力相同。由于履帶彎曲存在著一定的彎曲應(yīng)力，曲率越大，彎曲應(yīng)力越大，所以相應(yīng)的伸展小輪彎曲

54、應(yīng)力比驅(qū)動輪處的彎曲應(yīng)力大。</p><p>　　圖2-12 分段式履帶節(jié)示意圖</p><p>　　2.7 伸展運動的原理分析</p><p>　　對伸展機構(gòu)運動原理的闡述：</p><p>　　想要實現(xiàn)車輪從輪式到履帶節(jié)的轉(zhuǎn)變，除了得提供一條可變形的履帶，關(guān)鍵在于伸展機構(gòu)為其提供動力[14]，通過伸展機構(gòu)打開履帶。圖2-12為伸展機構(gòu)的驅(qū)

55、動原理圖。圖2-13表示此驅(qū)動裝置具有直線位移，該直線驅(qū)動裝置能夠驅(qū)動伸展臂實現(xiàn)往復(fù)的直線運動，由實線位置運動到虛線位置，為了精確地控制伸展臂位移的目的，需要對伸展臂的擺角進(jìn)行控制，f為位移。</p><p>　　圖2-13 伸展機構(gòu)的驅(qū)動原理圖</p><p>　　圖2-14為現(xiàn)在市面上最為常見的直線位移驅(qū)動裝置，分別是電動缸、氣動缸和液壓缸。</p><p>　

56、　如圖（a），為電動缸，通過螺母轉(zhuǎn)化為直線運動，來實現(xiàn)往返運動，用以完成各種設(shè)備的精密推拉，閉合，起降控制，電動缸的主要構(gòu)成是：電機，絲杠（渦輪渦桿），螺母，防旋轉(zhuǎn)裝置，傳感器電機有伺服電機，步進(jìn)電機，直流電機，交流電機絲杠分為滾珠絲杠，行星滾珠絲杠，T型絲杠，電動缸的電機防護(hù)等級是IP66,并可以配備低溫電機,可以滿足各種復(fù)雜環(huán)境下的使用,其主要特性還是精度高，絲杠的行程，速度，推力都可以實現(xiàn)很高的精度控制，其精度差可控制在0.01m

57、m。電動缸的維護(hù)成本特別低，只需定期檢查潤滑系統(tǒng)即可，省時，節(jié)約費用，箱體采用高強度耐府蝕鋁合金材料，推桿為不銹鋼或高合金剛，并可以做到防塵密封，大大增加運行的安全性。電動缸的安裝方式有法蘭式，銷孔式（單耳雙耳），螺紋端，可以與電機平行，垂直，直線，安裝方式非常靈活，并可以連接各式附件，結(jié)構(gòu)緊湊，且很方便與PLC等控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)高精度控制，目前在坐標(biāo)機械手，物流傳送，自動糾偏，并聯(lián)實驗臺，醫(yī)療CT伽瑪?shù)兜阮I(lǐng)域得到了越來越廣泛的使用，

58、由于采用的是螺紋副傳動，在實際使用中易磨損，傳動效率低下。</p><p>　　如圖（b）為氣動缸,以壓縮氣體為工作介質(zhì)實現(xiàn)活塞桿的直線往復(fù)運動，理論上氣壓傳動的位移，速度可以得到較好的控制，氣體便于壓縮，易于受到負(fù)載的影響，穩(wěn)定性較差，很難滿足壓力的需求。</p><p>　　如圖（c）為液壓缸，以油液作為工作介質(zhì)，通過密封容積的變化來傳遞運動，通過油液內(nèi)部的壓力來傳遞動力。相比于氣動裝

59、置會產(chǎn)生更大的動力，工作較為平穩(wěn)，易于實現(xiàn)過載保護(hù)和自動化控制，無論從哪個環(huán)節(jié)考慮，液壓傳動的方案都會是本文的首選方案。</p><p>　?。╝）電動缸 （b）氣動缸 （c）液壓缸</p><p>　　圖2-14 三種不同的驅(qū)動位移裝置</p><p>　　如圖2-15，液壓裝置與伸展臂相連[15]，該結(jié)構(gòu)形式簡單

60、，容易實現(xiàn)。當(dāng)車輪通過一些相對復(fù)雜的地形，會受到?jīng)_擊載荷的沖擊，如果此時車身裝有懸架，會起到一定的緩沖作用，但對于內(nèi)部液壓缸等裝置，無減震環(huán)節(jié)的保護(hù)，且液壓油無法壓縮，大部分的沖擊力還是會負(fù)載在液壓缸上，因此有必要在內(nèi)部裝減震裝置。</p><p>　　圖2-15 液壓缸直接與伸展臂相連</p><p>　　如圖2-16為四連桿結(jié)構(gòu)，將液壓缸端部與伸展擺臂相連，同時與彈性緩沖鉸接，另一側(cè)與

61、固定板相連，當(dāng)載荷沖擊伸展機構(gòu)，載荷經(jīng)過剛體，傳遞到減震部件。減震部件局部變形用來吸收載荷，一定程度上減震機構(gòu)起保護(hù)作用外[16]，還可以提供拉力從而有利于伸展臂收回。</p><p>　　圖2-16 四連桿機構(gòu)示意圖</p><p>　　2.8 伸展臂液壓原理分析</p><p>　　當(dāng)車輪從輪式變形為履帶式時，外力來自于液壓缸，這都需要對液壓方面進(jìn)行詳細(xì)的分析，

62、從而確定最終方案。</p><p>　　多功能車輪最終目的是普通車輪與履帶輪通過液壓裝置實行互相轉(zhuǎn)化，由于現(xiàn)在很多現(xiàn)場作業(yè)遇到了相對復(fù)雜的地形，凹凸不平的坑洼地形，只需伸展開輪體，平常地形的話只需要保持原有的狀態(tài)，并且每個變形輪體驅(qū)動展開形式是獨立的，有必要安裝兩個液壓缸，這兩個驅(qū)動形式關(guān)系到變形輪變化的靈活性，甚至決定其是否可以逾越障礙。比如一些障礙需要雙臂同時展開，有些需要一個展開一定角度，并保持住一段時間，

63、再展開另外一個，并且展開的角度大小都得按照對應(yīng)的環(huán)境。本文采用雙缸順序動作回路，并用電磁閥控制[17]。</p><p>　　如圖2-17，當(dāng)二位四通電磁閥向5通電，液壓油流入A，A的活塞桿向右做進(jìn)給運動，第一個動作完成?；钊麠U碰到2（行程開關(guān)）時，電信號發(fā)出，二位四通電磁閥向6通電，接通其左位，液壓油流入B（液壓缸），B向右進(jìn)給，完成第二個動作。這種回路使用調(diào)整方便，適合PLC控制以及自動化控制。</p&

64、gt;<p>　　圖2-17 電磁閥控制的雙缸順序動作電路</p><p>　　2.9 變形輪傳動原理分析</p><p>　　伸展機構(gòu)放置于車輪機構(gòu)內(nèi)部[18]，設(shè)計目的都是可以在任意時刻將履帶展開，而且相對于車體保持靜止?fàn)顟B(tài)。伸展機構(gòu)在伸展時超出了車輪的輪廓線，因此車輪輪輞與普通輪體有所區(qū)別，本文采用內(nèi)行星輪輸入形式。如圖2-17，其最大優(yōu)點在于中間軸輸出動力，結(jié)構(gòu)簡單，

65、布局緊湊，而且與普通變形輪有著很好的互換性[19]。</p><p>　　圖2-18 內(nèi)行星輪輸入形式</p><p><b>　　2.10 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要是根據(jù)前一章對機動車輛的國內(nèi)外現(xiàn)狀，提出了將輪式復(fù)合式有點結(jié)合的特點。對多功能變形輪的可重構(gòu)履帶以及動力傳輸系統(tǒng)作了分析，對比幾種方案分析各自的優(yōu)缺點，得出最

66、終的最優(yōu)方案。再分析液壓裝置，得出適用于本設(shè)計的方案。將有減震緩沖作用的四連桿機構(gòu)里加入彈性裝置。并針對了四連桿機構(gòu)做了一系列的運動分析，整個第二章為第三章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計做了充分的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第三章 輪履式復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　本文設(shè)計的實物兼?zhèn)漭喪杰囕喓吐膸礁髯缘膬?yōu)點，在特定的條件下可以進(jìn)行輪履式互相轉(zhuǎn)變，這些主要歸功于本身的機械結(jié)構(gòu)特性，如何進(jìn)行輪履式

67、轉(zhuǎn)變是本章的眾中之重。</p><p>　　3.1 輪履式車輪的設(shè)計總體方案</p><p>　　因本文研究的課題融合了輪式與履帶式各自的優(yōu)點，所以其可用在很多領(lǐng)域包括郊外一些復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，可靈活轉(zhuǎn)換不同的形式并且用途相對廣泛，所以，對本文設(shè)計的產(chǎn)品應(yīng)具有如下要求與特點[20]：</p><p>　　(1)結(jié)構(gòu)精簡，質(zhì)量較輕，便于手動拆卸安裝以及維修護(hù)理。<

68、/p><p>　　(2)為了充分體現(xiàn)其功能強大這一特點，其應(yīng)在試驗中能夠通過上一章所說的凸臺斜坡溝壕等復(fù)雜地形。</p><p>　　(3)設(shè)計時其外形尺寸應(yīng)與平常輪胎大致相同，使得可以與平常輪胎互換，其所用的零件也應(yīng)該符合大眾市場能夠買到的產(chǎn)品。有可能的話盡量降低相關(guān)成本。</p><p>　　3.2 輪履式車輪整體設(shè)計（結(jié)構(gòu)設(shè)計）</p><p&

69、gt;　　根據(jù)上一章的仔細(xì)分析，本產(chǎn)品采用四連桿機構(gòu)，其內(nèi)部組成主要是伸展機構(gòu)，支撐機構(gòu)，內(nèi)部傳動機構(gòu)組成。當(dāng)車輪從輪式轉(zhuǎn)化為履帶式，可利用可重構(gòu)特性將機構(gòu)展開，當(dāng)需要收回至輪式時候，完全可以利用自身彈性恢復(fù)。所以可以清晰地指出本車輪的特點：當(dāng)在平面上行駛時，采用輪式形態(tài)快速前進(jìn)，當(dāng)在復(fù)雜地勢下行駛，變形為三角履帶從而完成作業(yè)需求[21]。</p><p>　　圖3-1 輪履復(fù)合式總體設(shè)計方案</p>

70、<p><b>　　3.3 履帶的設(shè)計</b></p><p>　　當(dāng)車輪從輪式轉(zhuǎn)換為履帶式時，伸展機構(gòu)將履帶撐開至三角狀，收回時，即將履帶收回至車輪內(nèi)部，這表明了完成此動作需要履帶要有一定的彈性。這就是所謂的可重構(gòu)性，其是履帶的重要組成部分。</p><p>　　3.4 履帶節(jié)的設(shè)計</p><p>　　(1)履帶節(jié)是組成履帶的

71、部件，可重構(gòu)性其需要履帶節(jié)之間有一定的彈性，且每節(jié)履帶節(jié)都對應(yīng)著相同的弧度，這樣才能覆蓋在驅(qū)動輪上。如圖3-2為履帶節(jié)三維圖。</p><p>　　圖3-2 履帶節(jié)建模圖</p><p>　　一個半徑為R的履帶輪由n個履帶節(jié)組成，那么可以求出對應(yīng)得節(jié)距p=2πR/n。履帶節(jié)是一個關(guān)鍵的參數(shù)因為它表示兩個銷軸的距離，兩個履帶節(jié)相連，其中一個銷軸鑲嵌在另外一個可變空間內(nèi)，且履帶節(jié)之間保留一些間

72、隙，所以履帶節(jié)的尺寸會被這間隙所限制，而間隙與履帶節(jié)又被節(jié)距限制，所以在可變空間內(nèi)加一片彈簧，其厚度為h，留一定的長度d，銷軸直徑D，可變空間長度l，所以求出變形長度為l-D-d-h。</p><p>　　(2)由于變形輪要用于實際，所以采用45剛，但某些程度上也存在一些缺點，比如長時間在泥水中行走會出現(xiàn)腐蝕生銹，對路面壓強過大等等。因此為了減少對路面的損壞以及生銹等金屬弊端，可對履帶節(jié)上膠。橡膠應(yīng)采用下列物理性

73、質(zhì)要求：</p><p>　　（a）硬度（邵爾A型，度）：；</p><p><b>　?。╞）拉伸強度：；</b></p><p>　?。╟）拉伸伸長率：；</p><p>　?。╠）拉斷永久變形：；</p><p>　?。╡）300%定伸應(yīng)力：；</p><p><

74、;b>　?。╢）脆性溫度：；</b></p><p>　?。╣）阿克隆磨損：；</p><p><b>　?。╤）剝離強度：。</b></p><p>　　由以上的設(shè)計要求，進(jìn)行三位建模，畫出圖單個履帶節(jié)與多個履帶輪的裝配圖。</p><p>　　3.5 驅(qū)動輪的分析</p><p&

75、gt;　　3.5.1 對驅(qū)動輪形式的討論</p><p>　　履帶常見的驅(qū)動形式為輪齒嚙合與摩擦傳動，一般用前者，因其可以彌補摩擦傳動動力不足，運動不穩(wěn)定這一致命缺點，且其一般不會打滑并能夠傳遞較大的力，后者只能傳遞較小的力，很顯然爬坡越凸臺這些越障形式需要很大的動力。</p><p>　　圖3-3為對履帶轉(zhuǎn)開過程中示意圖（裝有傳動銷），1-n為履帶，1’-n’代表齒槽，在初始狀態(tài)即圓形時

76、，關(guān)系為一一對應(yīng)，伸展臂展開時很難達(dá)到頂端，達(dá)不到的地方依舊在卡槽里，如圖紅色區(qū)域。</p><p>　　當(dāng)履帶從三角狀恢復(fù)到初始狀態(tài)時，1-3號首先會進(jìn)入其對應(yīng)的卡槽中，因其變化較小。上部也是此原理。但也不可忽視有的部分難以進(jìn)入原來的槽，例如當(dāng)傳動銷5處履帶未完全變形，傳動銷5就已經(jīng)進(jìn)入齒槽6’，一次類推，最終會有一些傳動銷為進(jìn)入齒槽暴露在外面，如下圖3-3紅色區(qū)域。</p><p>　

77、　圖3-3 傳動銷軸轉(zhuǎn)開圖</p><p>　　圖3-4 傳動銷收縮圖</p><p>　　由上述情形表明，每節(jié)履帶節(jié)裝傳動銷展開時會遇到很多問題，所以沒必要每節(jié)都裝傳動銷，所以可以考慮在一定的間隔安裝傳動銷。為防止此方案因動力不足帶來越障失敗等后果，可在外輪邊緣處加以凸臺，一方面可以用來支撐履帶，另一層面上，為變?yōu)槁膸л喓髠鬟f摩擦力。</p><p>　　3.5.

78、2 齒牙的討論</p><p>　　如圖3-4是驅(qū)動片輪的三維建模圖。</p><p>　　圖3-4 驅(qū)動片輪示意圖</p><p>　　本文設(shè)計中齒牙的形態(tài)是關(guān)鍵，選用鏈輪結(jié)構(gòu)，主要考慮的是齒形可以使得鏈節(jié)自由進(jìn)入和退出，形狀也應(yīng)盡可能精簡化。圖3-5為齒牙形態(tài)。</p><p>　　圖3-5 齒牙設(shè)計圖</p><p&

79、gt;　　P為驅(qū)動輪的節(jié)距，假設(shè)變形輪的旋轉(zhuǎn)半徑為R，履帶節(jié)Z個齒，可以算出節(jié)距與齒個數(shù)的函數(shù)表達(dá)式：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　驅(qū)動輪齒分度圓直徑：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　齒頂圓直徑：<

80、/b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　根據(jù)齒頂圓的形態(tài)可以確定外輪廓的形狀，即圖中所示弧aa,ab,cd,bc確定圓心以及對應(yīng)的半徑：</p><p>　　為傳動銷的直徑，并進(jìn)一步推算出的坐標(biāo)：</p><p>　　通過以上設(shè)計計算出齒牙的輪廓。</p><

81、p>　　3.6 對驅(qū)動輪的運動學(xué)分析</p><p>　　由于輪履復(fù)合式與普通的輪式與履帶式不同，結(jié)構(gòu)較后兩者相對復(fù)雜，為了使得模型更為簡單，需考慮下列條件：</p><p>　　履帶節(jié)不可拉伸，各個履帶節(jié)之間獨立。</p><p>　　初始輪式狀態(tài)時滿足純滾動條件。</p><p>　　下圖為輪式和履帶式在地面上運動時個點的運動示意圖

82、，主要分為兩個運動，一個是牽連運動一個是相對運動，根據(jù)觀察來看，分為兩種運動，一是隨車輪一起向前運動，二是相對本體轉(zhuǎn)動。而絕對運動時這兩種運動的矢量和。</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　V:該點此時絕對速度；</p><p>　　：該點此時相對速度；</p><p>　?。涸擖c此時的牽

83、連速度。</p><p>　　圖3-6為運動各點示意圖。</p><p>　　圖3-6 變體輪各點速度示意圖</p><p>　　由上述公式看出，各點的絕對速度不同，根據(jù)的大?。ǎ?，將運動形式分為如下幾種：</p><p>　?。?），,意味著絕對速度為0，此時靜止不動。</p><p>　?。?）,可得，此時履帶輪可

84、能發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，一般發(fā)生在輪體剛啟動階段，也與摩擦系數(shù)有關(guān)。</p><p>　?。?），此時發(fā)生滑移現(xiàn)象，一般發(fā)生在減速階段。</p><p>　　任何階段的打滑現(xiàn)象都可以通：過增加摩擦力來避免，這也是我們不可忽視的一點。常見的就是改善胎紋或者使用摩擦系數(shù)較大的材料。</p><p>　　3.6 對液壓缸的受力分析與相關(guān)設(shè)計計算</p><p&

85、gt;　　（1）正常情況下液壓缸采用的是標(biāo)準(zhǔn)件[22]，但本文設(shè)計的產(chǎn)品因尺寸與用途的限制，故采用非標(biāo)準(zhǔn)件。下面對液壓缸進(jìn)行相關(guān)的受力分析。圖3-7為受力分析。</p><p>　　圖3-7 四連桿機構(gòu)受力分析圖</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p&g

86、t;<p>　　為伸展臂所受的外力，為連桿對伸展臂的力，為伸展臂支反力。聯(lián)列方程，算出結(jié)果：</p><p>　　因此液壓缸桿件1確定受力值，與大小相同方向相反。</p><p>　　（2)因本文選用雙作用活塞缸，不限制左右方向，液壓缸缸筒與活塞桿鉸接，工作原理圖如圖3-8所示。</p><p><b>　?。?-7）</b>&l

87、t;/p><p>　　最終確定D=30mm，外徑=40mm，壁厚5mm，額定壓強12MPa，按照第二壓強理論：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　帶入數(shù)值算出結(jié)果，故此液壓缸滿足要求。</p><p>　　圖3-8 雙作用單桿缸工作圖</p><p>　　3.7 伸展

88、機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)展示</p><p>　　本文設(shè)計的伸展機構(gòu)主要是由固定板，伸展臂，輔助輪，液壓缸，連桿幾部分組成，其兩個固定板同軸配合，固定板之間是伸展機構(gòu)，并通過固定軸與車輪懸架相連，車體與伸展機構(gòu)相連并固定，是的輪體不能隨意旋轉(zhuǎn)，這點設(shè)計可以保證變形輪可以任意時刻展開，并且展開的位置相對不會發(fā)生變化?；钊麠U驅(qū)動伸展臂與彈性元件帶動輔助輪展開與收回，彈性元件在橫縱兩向都有較大的變形，這也也可以起著一定的緩沖作用。

89、并為液壓伸展留有空間，當(dāng)液壓缸繼續(xù)伸展，履帶繼續(xù)形變，整體會得到提高，有利于越障。</p><p>　　伸展臂的長度決定了履帶可變性長度，設(shè)每節(jié)履帶變形為l，一共n節(jié)，那么可變總長度為nl。在展開的情況下考慮下變形長度，展開量也需有個余量，這也直接可以提高越障性能，因這種情況下底盤高度得到提高。圖3-9為伸展臂伸縮原理圖。</p><p>　　圖3-9 伸展臂伸縮原理圖</p>

90、<p>　　根據(jù)圖3-9考慮一下下列因素：</p><p>　　保證伸展機構(gòu)能夠伸縮在輪體內(nèi)是設(shè)計的前提。</p><p>　　確保輔助輪與液壓缸銷軸有著一定的間隙。</p><p><b>　　上圖中。</b></p><p>　　3.8 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　由于

91、伸展臂在輪體內(nèi)，所以應(yīng)當(dāng)采用分體設(shè)計，履帶的動力由驅(qū)動輪提供。必須保證履帶輪撐開的位置相對不變才能每次順利地將伸展臂展開，所以伸展機構(gòu)得相對輪體保持靜止?fàn)顟B(tài)，但兩個驅(qū)動輪得同時獲得動力，所以導(dǎo)致控制的難度。所以本文設(shè)計了單軸行星輪式傳遞結(jié)構(gòu)。圖3-10為動力系統(tǒng)傳遞結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3-10 變體輪內(nèi)部動力傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　如圖，為了使得固定法蘭盤7與固

92、定軸8以及中間固定軸固定，所以7（固定法蘭盤）與8（固定軸）固連，動力由發(fā)動機通過5（主傳動軸）傳給1（右驅(qū)動片輪），1又與6固連（內(nèi)齒圈），再通過2（行星齒輪）與3（行星齒輪軸）傳遞動力到左驅(qū)動片輪上，這也使得左右驅(qū)動片輪同向旋轉(zhuǎn)切轉(zhuǎn)速一致。</p><p>　　3.9 三角履帶輪的驅(qū)動片輪設(shè)計步驟</p><p>　　步驟1—驅(qū)動片輪草圖繪制（圖3-2）</p><

93、p>　　打開UG之后，選擇【文件】中【新建】命令，在彈出的【新建】對話框里輸入【model1.prt】后單擊【確定】按鈕。接著在【直接草圖】工具條中選【草圖】按鈕，彈出草圖繪圖界面，選擇一個以系統(tǒng)坐標(biāo)軸所參考的面XC-YC，單擊【確定】按鈕。</p><p>　　圖3-11 選定坐標(biāo)系</p><p>　　繪制草圖，確定帶旋轉(zhuǎn)矩形規(guī)格，確認(rèn)【完成草圖】，單擊【曲面】工具條的【更多】中

94、拓展框中【旋轉(zhuǎn)】，打開對話框，編輯狀態(tài)。在【截面】條目里選擇曲線勾選帶旋轉(zhuǎn)曲線，【軸】中選擇合適的指定矢量Y，指定點坐標(biāo)設(shè)為（0,0,0）。在【限制】條目限制開始角度為0，結(jié)束角度為360，【布爾】條目中選擇為【無】單擊【確定】按鈕，如圖3-3。</p><p>　　圖3-12 確定旋轉(zhuǎn)矩形規(guī)格</p><p>　　步驟2—陣列特性的繪制</p><p>　　繪制草

95、圖如圖所示，確認(rèn)完成草圖，單擊主頁【特征】工具條中的【陣列特征】按鈕，以打開【陣列特征】條目，選擇剛剛繪制的草圖特征，參考指定點直接通過草圖定位出草圖繪制的幾何中心。由于驅(qū)動片輪為圓形件，在【陣列定義】的【布局】選項中選擇圓形，【旋轉(zhuǎn)軸】指定矢量一般選擇為與草圖面垂直的矢量Y，指定點坐標(biāo)也取坐標(biāo)原點，間距設(shè)定【數(shù)量和跨距】，數(shù)量為8，跨角360。這樣輪盤類零件上將會出現(xiàn)8個陣列特性草圖。</p><p>　　拉伸

96、陣列特性，單擊曲面工具條更多【拉伸】，彈出對話框，選定陣列特性曲線32條，指定矢量Y。【限制】條目設(shè)置開始距離和結(jié)束距離滿足布爾求差的需要，在此我選擇數(shù)據(jù)30。布爾求差（或求和）必須選擇關(guān)聯(lián)體，關(guān)聯(lián)體的選擇為剛剛繪制的旋轉(zhuǎn)特性的驅(qū)動片輪盤，單擊【確定】按鈕，如圖3-4。</p><p>　　圖3-13 繪制陣列特性（a）</p><p>　　圖3-14 繪制陣列特性（b）</p>

97、;<p>　　圖3-15 繪制陣列特性（c）</p><p>　　步驟3—陣列面的繪制</p><p>　　繪制草圖如圖所示，確認(rèn)完成草圖，對草圖進(jìn)行拉伸獲得參考陣列面，單擊主頁【特征】工具條中的【陣列面】按鈕，以打開【陣列特征】條目，選擇剛剛建立的拉伸模型，選擇出與外部相關(guān)聯(lián)的四個面。由于驅(qū)動片輪為圓形件，在【陣列定義】的【布局】選項中選擇圓形，【旋轉(zhuǎn)軸】指定矢量一般選擇為

98、與草圖面垂直的矢量Y，指定點坐標(biāo)也取坐標(biāo)原點，間距設(shè)定【數(shù)量和跨距】，數(shù)量為8，跨角360。操作如上文所示在此不再贅述。</p><p>　　圖3-16 陣列面繪制（a）</p><p>　　圖3-17 陣列面繪制（b）</p><p>　　圖3-18 陣列面繪制（c）</p><p><b>　　步驟3—齒型繪制</b>

99、;</p><p>　　單擊【草圖】按鈕，彈出草圖繪制界面。繪制參數(shù)如下文所示，由于裝配中會采用中心軸對稱的方式去定位外齒槽和履帶的位置，履帶結(jié)與外齒槽數(shù)量較多，且標(biāo)準(zhǔn)件的圖形繪制中對齒輪外部分特征圓點的選取較為麻煩，為了簡化裝配流程，此次設(shè)計采用非標(biāo)準(zhǔn)件作為參考設(shè)計依據(jù)用于裝配，故參考草圖如下所示。</p><p>　　對所示草圖參考已列舉方法進(jìn)行陣列特性的繪制，然后通過拉伸布爾求差的方

100、法繪制，在此不再贅述，最后繪制的齒數(shù)為36齒，此時驅(qū)動片輪從動輪的設(shè)計已經(jīng)初步完成。</p><p>　　圖3-19 齒牙繪制（a）</p><p>　　圖3-20 齒牙繪制（b）</p><p>　　圖3-21 齒牙繪制（c）</p><p>　　3.10 三角履帶輪的裝配步驟</p><p>　　步驟1—裝配文件的

101、建立</p><p>　　打開UG之后，選擇【文件】中【新建】命令，在彈出的【新建】對話框里輸入【asm1.prt】后單擊【確定】按鈕。接著在【添加組件】工具條中選出之前建立的模型，預(yù)覽后確定，可獲得待裝配的三維模型圖。</p><p>　　圖3-21 裝配文件建立圖</p><p>　　步驟2—基準(zhǔn)的確定和裝配要點</p><p>　　首先

102、確定基準(zhǔn)，所有裝配參考所選基準(zhǔn)，此裝配圖選擇中間固定軸為參考實體，所有零部件參考該實體進(jìn)行裝配。首先對驅(qū)動片輪進(jìn)行裝配，右擊驅(qū)動片輪【移動】，呼出移動組件菜單，選擇組件在確定為所選實體后，通過將驅(qū)動片輪移動至與中間固定軸的所選平面重合，列出對應(yīng)坐標(biāo)。對中間固定軸軸和驅(qū)動片輪設(shè)定裝配約束，對驅(qū)動片輪右鍵【裝配約束】，單擊【類型】條目的【對其/鎖定】后，對【要約束的幾何體】選擇我們剛剛想選擇的驅(qū)動片輪和中間固定軸，編輯狀態(tài)，確定，最終完成第

103、一步中間固定軸和驅(qū)動片輪的裝配。其余部件裝配原理如上步驟參考，最終獲得待檢驗裝配圖。</p><p>　　圖3-22 確定基準(zhǔn)和裝配要點</p><p>　　步驟2—單個模型在ASM中的二次生成與裝配檢測</p><p>　　三角履帶輪有部分部件屬于對稱結(jié)構(gòu)，可以對繪制單一實體通過復(fù)制粘貼的方法完成在裝配圖中的二次生成，操作步驟選擇要復(fù)制的模型，右鍵選擇復(fù)制，然后對

104、ASM的總裝配標(biāo)簽右擊選擇粘貼確認(rèn)，會如上截圖所示其中所調(diào)用部件的文件名后面會形成數(shù)量標(biāo)注。之后對重疊的部件進(jìn)行移動，輸入所計算的坐標(biāo)，通過旋轉(zhuǎn)X，Y，Z軸將部件移動至設(shè)計中規(guī)定的尺寸或位置。但由于部分曲面在裝配中要形成部分干涉，在裝配中除了滿足所選擇位置，還需要對其進(jìn)行裝配約束避免部分干涉。右鍵位于工具欄第二行的【菜單】，點擊【分析】，會找到【簡單干涉】選項，單擊后得到如下圖的界面，根據(jù)狀態(tài)欄的提示選擇剛剛裝配完成的【第一體】和【第二

105、體】，結(jié)果對象選擇【干涉體】，會獲得結(jié)果僅面或邊干涉，可以符合裝配要求。</p><p>　　圖3-23 裝配檢測</p><p>　　第四章 變形輪關(guān)鍵零部件的有限元分析</p><p><b>　　4.1 引言</b></p><p>　　伸展臂與履帶節(jié)是工作車輪最關(guān)鍵的兩個部件，是整個車輪的基體。伸展臂作用是使輪

106、體從初始狀態(tài)變化到三角履帶狀，履帶節(jié)功用是承受各種外力載荷，這兩者強度與車輪的性能息息相關(guān)，由于輪體結(jié)構(gòu)以及載荷分布情況較為復(fù)雜，用經(jīng)典力學(xué)方法計算其強度與精度，或進(jìn)行動態(tài)性能分析的過程中，需要做太多的假設(shè)猜想，精度也比較低。有限元分析作為一種現(xiàn)代的力學(xué)性能分析法[23]，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機體，計算時間也大大縮短，是一種非常實用的工具，本文在介紹有限元分析的基礎(chǔ)上對三腳架以及履帶節(jié)做靜力分析。</p><p>　

107、　4.2 有限元分析法理論</p><p>　　有限元是伴隨著計算機發(fā)展產(chǎn)生的一種數(shù)值分析法，可以靈活地處理很多經(jīng)典力學(xué)難以處理的問題。其產(chǎn)生于上世紀(jì)五十年代，成熟于七十年代，八十年代后得到產(chǎn)業(yè)化，其運用領(lǐng)域也愈發(fā)廣泛，由固體力學(xué)擴散到流體力學(xué)，熱力學(xué)等，深度也在加大，由靜態(tài)問題到動態(tài)問題，由塑性力學(xué)擴展到粘塑性以及復(fù)合材料，成為各種產(chǎn)品分析的主要手段[24]。</p><p>　　力學(xué)分

108、析主要是分析法與數(shù)值法，因為在實際生活中遇到的物體通常是不規(guī)則的，此時解析法便無用武之地，數(shù)值法成為主流。</p><p>　　有限元的基本思想是將連續(xù)的區(qū)域離散化為一組有限個按一定方式聯(lián)系在一起的單元組合體，將整個幾何體看做有限個單元組成的有效幾何體。各單元方程組合在一起計入邊界條件后即可完成求解。因為一些單元能由不同的方法組合，所以可以模型化幾何形狀復(fù)雜的區(qū)域。有限元離散后，各個單元之間通過節(jié)點相連，力和位移

109、都通過節(jié)點運算，在每個單元中，選擇合適的插值函數(shù)，使得該函數(shù)在內(nèi)部外部都滿足一定的條件，把方程聯(lián)列，就得到了問題的近似解[9]。</p><p>　　4.3 影響有限元精度的因素</p><p>　　有限元精度主要取決于單元尺寸和插值函數(shù)，但在實際工程使用中，確定問題絕非易事，經(jīng)全面的思考，影響精度的主要原因如下：</p><p>　?。?）單元類型 劃分計算模型的

110、單元有很多種，單元位移插值函數(shù)次數(shù)越高，單元形狀越復(fù)雜，適應(yīng)能力就越好，精度也更高。</p><p>　?。?）網(wǎng)格形式 單元尺寸的大小以及密度分布</p><p><b>　　（3）對誤差的認(rèn)識</b></p><p>　　因此下列為提高有限元精度的措施</p><p>　　(1)深入具體的實際問題，建立更加完善的幾何

111、模型。</p><p>　　(2)對材料進(jìn)行試驗，考慮不同情況下的變化。</p><p>　　(3)通過合理的測試確定邊界條件。 </p><p>　　(4)研究精度與規(guī)模協(xié)調(diào)采取局部分析法。</p><p><b>　　4.4 有限元計算</b></p><p>　　4.4.1 有限元計算模

112、型的建立</p><p>　　由于履帶節(jié)模型復(fù)雜，ANSYS內(nèi)建模較為繁雜，故先用UG建立履帶節(jié)的實體模型，然后在轉(zhuǎn)化為x_t格式，導(dǎo)入ANSYS，作為分析的模型。</p><p>　　為了避免有限元網(wǎng)格的尺寸大小分布不均，從而影響最終的計算準(zhǔn)確性，可以對履帶節(jié)的一部分不影響機械性能的結(jié)構(gòu)導(dǎo)角做簡化，簡化過后的模型作為有限元最終模型網(wǎng)格劃分如圖4-1所示。</p><p

113、>　　圖4-1 履帶節(jié)網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　4.4.2 單元的選擇與劃分 </p><p>　　為了方便用戶的需求，ANSYS提供了很多單元類型，如何選取最合適的單元類型是本次有限元分析的關(guān)鍵，選取核心是全面反映機械結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征。根據(jù)已知的有限元理論，復(fù)雜結(jié)構(gòu)用三維實體單元描述最為貼切。常用的的有限元分析有六面體單元和四面體單元。因六面體單元在劃分時要求比較規(guī)則，所以一般