高通過性變形輪行走機構(gòu)的模態(tài)分析

王東亮，郭曉燕

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

無人地面車輛及其相關(guān)技術(shù)是當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，最早的研究是出于軍事領(lǐng)域的需要，目前在軍事、民用領(lǐng)域的研究都得到了大力發(fā)展[1-2].國外研制的無人地面車輛為增強其地形適應(yīng)能力，改變了傳統(tǒng)的單一的輪式或履帶式行走機構(gòu)，而是采用新型的高通過性行走機構(gòu)及相關(guān)技術(shù).而目前國內(nèi)對無人地面車輛的研究還只限于少數(shù)幾種類型，尤其是對高通過性行走機構(gòu)及其技術(shù)的研究比較少，與發(fā)達(dá)國家相比還有相當(dāng)?shù)木嚯x.因此，開展高通過性行走機構(gòu)及其技術(shù)的研究，對于加速我國無人地面車輛的發(fā)展，提高無人地面車輛的地形適應(yīng)能力，具有極其重要的意義.

為提高行走機構(gòu)的通過能力，尤其是在松軟路面上的通過能力，車輛多采用松軟路面輪胎或壓力輪胎系統(tǒng)[3].與普通輪胎相比，松軟路面輪胎或壓力輪胎系統(tǒng)能改變車輪的接地面積，但改變量有限，且壓力輪胎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高.變形輪行走機構(gòu)利用變形輪圈的變形來改變接地面積，它兼有輪式行走機構(gòu)和履帶式行走機構(gòu)的優(yōu)點，既有較高的行駛速度又有良好的通過能力.

1 機構(gòu)工作原理及特點

1.1 機構(gòu)工作原理

變形輪行走機構(gòu)的原理示意圖如圖1所示，包括變形輪圈1、驅(qū)動輪2、限位輪3、限位輪4和導(dǎo)向輪5.變形輪圈由彈性材料 (如橡膠、金屬彈性材料等)制成，其彈性特性由使用條件和承受載荷而定.變形輪圈1的內(nèi)表面有輪齒，通過驅(qū)動輪2與導(dǎo)向輪5，以嚙合的方式行駛.驅(qū)動輪2和導(dǎo)向輪5對稱地分布在變形輪圈1圓心垂線兩邊，其夾角根據(jù)實際尺寸而定，但最大不超過180°.為保證變形輪圈1的正常行駛，在驅(qū)動輪2和導(dǎo)向輪5相應(yīng)處安裝限位輪3和限位輪4.

圖1 機構(gòu)組成原理圖

機構(gòu)受載時，如圖2所示，在載荷作用下變形輪圈發(fā)生變形，由圓形變?yōu)榻茩E圓形，且載荷越大，變形也越大，從而改變接地面積，減小單位壓力，提高車輛的通過能力.

圖2 受載變形圖

1.2 機構(gòu)特點

輪式行走機構(gòu)由于輪胎的變形量有限，在松軟路面上行駛時，容易發(fā)生沉陷和打滑，而變形輪行走機構(gòu)通過變形輪圈的變形獲得較大的接地面積，從而提高在松軟路面上的通過能力.履帶式行走機構(gòu)由于自身的“鏈?zhǔn)健苯Y(jié)構(gòu)，不適合高速運動的情況，而變形輪行走機構(gòu)克服了這一缺陷，運動速度相對較高.它充分結(jié)合了兩種行走機構(gòu)的優(yōu)點，既有較高的行駛速度又有良好的通過能力，其地形適應(yīng)能力大大增強.

變形輪圈具有較好的彈性，相當(dāng)于懸架中的彈性元件，導(dǎo)向輪和限位輪對變形輪圈起導(dǎo)向和支撐作用，相當(dāng)于懸架中的導(dǎo)向元件，故機構(gòu)本身具有懸架的作用，車輛無需另裝懸架，這是該機構(gòu)的另一亮點.

2 變形輪圈的模態(tài)分析及系統(tǒng)阻尼匹配

2.1 變形輪圈的模態(tài)分析

模態(tài)對于結(jié)構(gòu)剛度及系統(tǒng)振動特性影響較大.分析系統(tǒng)振動特性，有必要對變形輪圈的模態(tài)進(jìn)行分析.實際的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以看成多自由度的振動系統(tǒng)，具有多個固有頻率，每個固有頻率對應(yīng)一個振型.這種結(jié)構(gòu)所具有的基本振動特性稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài).模態(tài)分析的目的在于確定結(jié)構(gòu)的振動特性，找出結(jié)構(gòu)的共振頻率和有害振型，以指導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或部件的設(shè)計[4].對于機械系統(tǒng)而言，低階模態(tài)對系統(tǒng)的振動影響較大，遠(yuǎn)離振源頻帶的高階模態(tài)對系統(tǒng)的實際振動影響較小.因此，這里分析前10階模態(tài).圖3、圖4為典型模態(tài)振型，表1為前10階模態(tài)頻率.

圖3 1階模態(tài)振型

圖4 10階模態(tài)振型

表1 前10階固有頻率統(tǒng)計表 Hz

文中設(shè)計的變形輪圈材料為橡膠，分度圓半徑為96 mm，齒根圓半徑為102 mm，齒頂圓半徑為94 mm，齒數(shù)為36.對于該變形輪圈而言，1階、2階、3階、6階、8階、9階模態(tài)主要為擺動，4階、7階、10階模態(tài)主要為扭振.變形輪圈的1階模態(tài)頻率距離車身的固有頻率較遠(yuǎn)，因此，變形輪圈的振動不會引起車身共振.對于路面激勵，若研究30 Hz以內(nèi)的頻段，變形輪圈的前4階模態(tài)頻率都在此范圍內(nèi).說明此頻段的路面激勵可以引起變形輪圈的共振，但可通過添加阻尼元件來改善.

2.2 阻尼匹配

變形輪行走機構(gòu)的主要特點之一就是機構(gòu)本身具有懸架的功能，變形輪圈兼起彈性元件的作用.由汽車?yán)碚摷罢駝永碚摽芍?，減振器的阻尼系數(shù)是影響車輛特性尤其是平順性的主要參數(shù)之一.減振器的阻尼系數(shù)越大，振動消除越快，但卻使彈性組件的作用不能充分發(fā)揮，同時，過大的阻尼使減振器本身溫度過高，從而導(dǎo)致密封件損壞;而減振器阻尼系數(shù)過低，振動消除的太慢，行駛平順性變壞[5].因此，懸架阻尼與剛度匹配是否合適對車輛特性有很大影響，有必要對行走機構(gòu)進(jìn)行阻尼匹配分析.另外，上文已分析變形輪圈的振動模態(tài)，路面激勵能引起系統(tǒng)共振，為消除或改善這種共振，也需對行走機構(gòu)進(jìn)行阻尼匹配分析.

圖5是單質(zhì)量系統(tǒng)模型，它由簧上質(zhì)量m和彈簧剛度K、減振器阻尼系數(shù)C的懸架組成.q是輸入的路面不平度函數(shù).

圖5 單質(zhì)量系統(tǒng)模型

簧上質(zhì)量垂直位移坐標(biāo)z的原點取在靜力平衡位置，根據(jù)牛頓第二定律，得到系統(tǒng)的運動微分方程為

系統(tǒng)的固有頻率為

阻尼比為

阻尼比對車輛的平順性影響很大，車輛工程中阻尼比一般取0.2～0.4.

阻尼比取0.2，由公式 (3)可得

文中設(shè)計的行走機構(gòu)，簧上質(zhì)量為1.25 kg，平衡位置時的變形量h為17.3 mm，則該處剛度值由下式計算.

將式 (5)代入式 (2)即可得固有頻率f0=3.8 Hz.此時匹配的阻尼可由式 (4)求得C=12.02 N/m·s-1.

3 結(jié)論

在闡述新型的變形輪行走機構(gòu)工作原理與特點基礎(chǔ)之上，重點進(jìn)行了模態(tài)分析.結(jié)果表明:變形輪圈的模態(tài)頻率距離車身的固有頻率較遠(yuǎn)，變形輪圈的振動不會引起車身共振;路面激勵可以引起變形輪圈的共振，通過對系統(tǒng)進(jìn)行阻尼匹配，求得系統(tǒng)的阻尼，添加具有此阻尼的阻尼元件可減弱因路面激勵引起的振動.

需要說明的是，文章新型行走機構(gòu)的探討與嘗試，有很多方面需要進(jìn)一步深入研究.

[1]徐國華，譚 民.移動機器人的發(fā)展及其趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001，(3):6-14.

[2]吳邵斌，陳慧巖.軍用地面無人車輛的發(fā)展 [J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001，(3):49-54.

[3]狀繼德.汽車地面力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1980.

[4]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2002.

[4]李德葆，陸秋海.試驗?zāi)B(tài)分析及其應(yīng)用 [M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[5]余志生.汽車?yán)碚揫M].4版.北京:機械工業(yè)出版社，2008.