基于功能分析設(shè)計(jì)法的變體式車輪設(shè)計(jì)

徐　巖，張學(xué)玲，段秀兵

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津 300161 )

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基于功能分析設(shè)計(jì)法的變體式車輪設(shè)計(jì)

徐巖1，張學(xué)玲2，段秀兵2

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津 300161 )

為克服變體式車輪設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，通過功能分析設(shè)計(jì)法將變體式車輪功能分解成行進(jìn)與變形兩部分，再進(jìn)一步細(xì)分為傳動(dòng)方式、形變方式、形變履帶、驅(qū)動(dòng)方式、形變動(dòng)力等功能元。通過對(duì)功能元求解和組合得到多種變體式車輪設(shè)計(jì)方案，通過評(píng)價(jià)與決策最終確定了一種滿足性能要求的設(shè)計(jì)方案。

變體式車輪；現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)；功能分析

變體式車輪具有高機(jī)動(dòng)性和高通過性的特點(diǎn)，與普通車輪有良好的互換性，大致結(jié)構(gòu)尺寸變化不大。變體式車輪這類復(fù)雜的功能系統(tǒng)，集多種功能于一體，要求在有限的時(shí)間、空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)輪式狀態(tài)和履帶式狀態(tài)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)者很難設(shè)計(jì)出滿足要求的結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外還沒有類似變體式車輪的研究，因此對(duì)于變體式車輪的設(shè)計(jì)可參考的資料十分有限。本文將基于功能分析設(shè)計(jì)法，對(duì)變體式車輪進(jìn)行功能分析、求解、評(píng)價(jià)，并提出一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。

1　功能分析設(shè)計(jì)法

功能分析設(shè)計(jì)法是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域非常重要的一部分，其思路是分析系統(tǒng)的輸入和輸出分別是什么，通過“黑箱”法來確定該技術(shù)系統(tǒng)的總功能。然后將總功能逐級(jí)剖析，直到分功能和功能元都至少有一種實(shí)體解答方案與之對(duì)應(yīng)。將這些解進(jìn)行組合便可以得到不同的設(shè)計(jì)方案，最后通過評(píng)價(jià)和決策得到最佳方案(如圖1所示)。

圖1　功能分析設(shè)計(jì)流程

2　基于功能分析法的變體輪設(shè)計(jì)

2.1總功能分析

總功能分析需在明確設(shè)計(jì)任務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行[1]。 “黑箱法”是工程設(shè)計(jì)中常用的方法，利用對(duì)未知系統(tǒng)的外部觀測，分析該系統(tǒng)與環(huán)境之間的輸入和輸出，通過輸入和輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系確定系統(tǒng)的功能特性，進(jìn)一步尋求實(shí)現(xiàn)該功能、特性所需具備的工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2]。

在戰(zhàn)場前線以及沙灘、泥濘崎嶇、冰雪等不良路面，現(xiàn)有輪式或履帶式運(yùn)輸裝備就會(huì)暴露出自身缺點(diǎn)。輪式裝備行駛速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但適應(yīng)地形的能力差，在惡劣道路環(huán)境下容易拋錨趴窩。隨著部隊(duì)向縱深推進(jìn)，履帶式裝備雖然越障性能好但機(jī)動(dòng)性差、行駛速度慢、對(duì)路面破壞性大，嚴(yán)重影響部隊(duì)行進(jìn)速度。本文希望研究一種新型的輪履復(fù)合變體式車輪，該車輪可以與普通車輪互換直接應(yīng)用于我軍后勤運(yùn)輸車。在戰(zhàn)術(shù)保障區(qū)域內(nèi)，車輛以輪式快速平順地行進(jìn)；在惡劣路面以及戰(zhàn)斗區(qū)域，變體式車輪通過自身機(jī)構(gòu)伸展為角度可控的三角履帶，可大大提高保障效率和靈活性。變體式車輪總功能就是通過車輪可重構(gòu)技術(shù)[3]，實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式兩種狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換，并且在兩者狀態(tài)下都可以平穩(wěn)行進(jìn)。其黑箱圖如圖2所示。

圖2　變體式車輪黑箱

2.2總功能分解

現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)往往是多種技術(shù)系統(tǒng)的綜合，設(shè)計(jì)者難以直觀地提出符合要求的設(shè)計(jì)方案。技術(shù)系統(tǒng)是有層次的，可以逐層分解：總功能→分功能→功能元。功能元是技術(shù)系統(tǒng)可劃分的最小單元，往往可以在現(xiàn)有的系統(tǒng)中找到滿足其要求的機(jī)構(gòu)。功能分解可用功能樹的形式來表達(dá)，對(duì)總功能進(jìn)行分解，變體式車輪功能樹如圖3所示。一方面，變體式車輪如何像普通車輪那樣可以不斷行進(jìn)；另一方面，變體式車輪如何展開成履帶式狀態(tài)，這其中便涉及到變體式車輪的變形方式。通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以使得變體式車輪在輪式狀態(tài)和履帶式狀態(tài)之間順利轉(zhuǎn)換。

圖3　變體式車輪功能樹

功能結(jié)構(gòu)圖可以使技術(shù)系統(tǒng)由黑箱變?yōu)榛蚁?，甚至白箱，從而得出整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)體解答方案。要使變體式車輪能夠在驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)下行進(jìn)，需要合理地設(shè)計(jì)變體式車輪內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)。輪式狀態(tài)在展開成履帶式狀態(tài)的過程中，變形履帶的變形方式尤為重要，因此要合理地設(shè)計(jì)變形履帶的結(jié)構(gòu)。圖4為變體式車輪功能結(jié)構(gòu)。

2.3功能元求解

通過對(duì)系統(tǒng)總功能的分解，可以大致了解系統(tǒng)的功能原理，這就是分功能或是功能元求解的問題。德國R·科勒教授，把實(shí)現(xiàn)分功能或功能元的解定義為“原理解法”，并且指出原理解法是物理作用及作用件的函數(shù)：原理解法=f(物理作用，作用件)[2]。

移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪構(gòu)造、類型及功能繁多，包括輪胎式[4]、履帶式[5]、步履式[6]、軌道式[7]、組合式[8]、變體式[9]等。大致可分為兩類：一類是具有高機(jī)動(dòng)性的適用于平地高速行駛的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)；另外一類是具有高通過性、越障能力較強(qiáng)的適用于復(fù)雜路面的履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了綜合兩類移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究，圖5所示為美國的Viper機(jī)器人[6]，車輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)將橡膠履帶撐開，車輪變成類三角履帶，能夠輕松地爬樓梯，行走于碎石、沙土路面[10]。

圖4　變體式車輪功能結(jié)構(gòu)

圖5　美國Viper機(jī)器人

圖6　Viper機(jī)器人內(nèi)部伸展機(jī)構(gòu)

本文利用形態(tài)分析法中的形態(tài)學(xué)矩陣對(duì)功能元求解。形態(tài)學(xué)矩陣X軸為功能元的解，Y軸為功能元，不同功能元的不同解法隨機(jī)組合即可得到一種設(shè)計(jì)方案。根據(jù)功能元的功能需要，本文廣泛查閱各類移動(dòng)機(jī)構(gòu)資料來尋找符合要求的局部解，其形態(tài)學(xué)矩陣如圖7所示?？赡芙M合的方案數(shù)有N=2×3×3×3×4=216種。

理論上方案組合數(shù)N為216，在眾多方案中，由定性到定量進(jìn)行優(yōu)選，有些方案不符合設(shè)計(jì)要求或各分功能的解不相容，這些應(yīng)該刪去。定性地選出幾個(gè)可行方案，并進(jìn)行原理性試驗(yàn)、評(píng)價(jià)和決策，從中選出符合功能目標(biāo)的最佳原理方案。本文綜合考慮列取以下5種可行的方案：

Ⅰ：A1+B1+C2+D1+E1；

Ⅱ：A1+B2+C1+D2+E2；

Ⅲ：A2+B2+C1+D3+E3；

Ⅳ：A2+B3+C2+D3+E4；

Ⅴ：A2+B3+C3+D2+E4。

2.4評(píng)價(jià)與決策

機(jī)械設(shè)計(jì)一個(gè)顯著特點(diǎn)就是多解性，同一功能往往會(huì)有多種方案。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者要根據(jù)需要提出盡可能多的方案，然后從中選出最優(yōu)解方案，這就涉及到評(píng)價(jià)與決策。

(1)外行星輪傳動(dòng)、內(nèi)行星輪傳動(dòng)都可以實(shí)現(xiàn)變體式車輪的行進(jìn)，但后者結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，更像是一個(gè)車輪。

(2)輪體交錯(cuò)變形方式，履帶伸展長度較大，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。展開的那部分輪體不能與車體固連，載重性能差。輪體收縮變形方式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變體式車輪質(zhì)量大。載重時(shí)，輪體伸展困難，對(duì)伸展動(dòng)力要求較高，因此實(shí)現(xiàn)起來非常困難。履帶變形方式，內(nèi)部只有一對(duì)伸展結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)更加簡潔。但要求履帶具有一定的彈性，履帶結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

圖7　變體式車輪形態(tài)學(xué)矩陣

(3)整體橡膠履帶，在使用方面，承載力以及抗破壞能力較弱，適合于輕型越障機(jī)械，如機(jī)器人底盤等。直線拉伸式履帶，履帶與輪轂不是一個(gè)整體，而且質(zhì)量比整體橡膠的大一倍以上，外周履帶的離心力較大；履帶變節(jié)距，無法采用普通履帶的齒嚙合傳動(dòng)，動(dòng)力傳遞效率難以得到保證。旋轉(zhuǎn)拉伸式履帶，空間有限，對(duì)旋轉(zhuǎn)彈簧的要求較高。通過旋轉(zhuǎn)改變水平拉伸距離，拉伸尺寸受高度影響較大，水平可拉伸距離受限，重量比較大。

(4)摩擦傳動(dòng)，憑借變體式車輪與履帶間的摩擦力帶動(dòng)履帶隨著輪體轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到摩擦力比較小，因此摩擦傳動(dòng)一般只用于小型履帶機(jī)器人。齒嚙合傳動(dòng)，能夠提供比較大的力，但對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的要求，一般用于大質(zhì)量大載荷的裝甲車輛。

(5)電機(jī)，系統(tǒng)輸出力較小，適用于小型輪履變形機(jī)器人。電動(dòng)缸，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)?？紤]到變體式車輪結(jié)構(gòu)尺寸，伺服電機(jī)一般較小，因此傳動(dòng)效率較低。氣動(dòng)缸工作壓力比較小，而且工作平穩(wěn)性較差，很難滿足所設(shè)計(jì)變體式車輪壓力要求。液壓缸工作平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)和自動(dòng)化控制，對(duì)液體壓力、流量和方向易于進(jìn)行精確調(diào)節(jié)和控制[11]。相比較而言，液壓缸更符合變體式車輪的設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)在用簡單評(píng)價(jià)法，用“++”表示很好，“+”表示好，“-”表示不好，其評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

結(jié)果表明，方案Ⅳ為較為理想的方案。具體方案如圖8所示，變體式車輪可分為展開機(jī)構(gòu)、伸展臂、輔助輪和變形履帶幾部分。展開機(jī)構(gòu)提供伸展力，伸展臂慢慢展開，輔助輪帶動(dòng)變形履帶變形。當(dāng)伸展力撤掉時(shí)，變形履帶會(huì)在恢復(fù)彈力的作用下變回圓形狀態(tài)，即車輪變回輪式狀態(tài)。其三維模型如圖9所示。

表1　簡單評(píng)價(jià)結(jié)果

(a)輪式形態(tài)　　　　　　　　(b)覆式形態(tài)　　　　　圖8　變體輪結(jié)構(gòu)示意

(a)變體輪輪式狀態(tài)　　　　　　(b)變體輪履帶式狀態(tài)圖9　變體輪整體模型

3　結(jié)　語

對(duì)于變體式車輪這種復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初往往會(huì)受限于現(xiàn)有機(jī)構(gòu)，思維方式被大大局限，很難設(shè)計(jì)出滿足要求的方案。本文通過功能分析設(shè)計(jì)法將變體式車輪功能分解成行進(jìn)與變形兩部分，再進(jìn)一步細(xì)分為傳動(dòng)方式、形變方式、形變履帶、驅(qū)動(dòng)方式、形變動(dòng)力等功能元。通過對(duì)功能元求解和組合得到變體式車輪多種設(shè)計(jì)方案，通過評(píng)價(jià)與決策最終確定了一種滿足性能要求的設(shè)計(jì)方案。功能分析設(shè)計(jì)法更加注重功能設(shè)計(jì)，打破了現(xiàn)有的輪胎結(jié)構(gòu)和履帶結(jié)構(gòu)對(duì)思維的束縛，為變體式車輪設(shè)計(jì)以及將來的機(jī)械設(shè)計(jì)提供了一種高效的方法。

[1]錢煒苗. 基于功能分析、約束理論和TRIZE 創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論的產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[2]廖林清，王化培，石曉輝，等.機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1997.

[3]劉宗豪.一種輪履復(fù)合式變體輪的設(shè)計(jì)與分析[D].天津：天津理工大學(xué)，2014.

[4]羅自榮，尚建忠，張志雄.六輪月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析與綜合[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,31(1):109-113.

[5]閆清東，張連弟.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社, 2007:7477.

[6]趙希慶.四連桿變形履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2009.

[7]DORAY E, CLYMER A, MCKENNA J, et al. Unmanned tunnel exploitation[J].Technologies for Homeland Security, 2009,661-668.

[8]張國斌.履帶式還是輪式[J]. 國外坦克,2014 (4):10-13.

[9]藥曉江，高峰,周煜，等.可變直徑輪全地形車輛越障性能分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(2):6-11.

[10]黃璟璐.移動(dòng)機(jī)器人行駛平穩(wěn)性仿真研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[11]劉延俊,關(guān)浩, 周德繁.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京: 高等教育出版社, 2009: 1-18.

(編輯：史海英)

Design of Variant Wheel Based on Function Analysis

XU Yan1, ZHANG Xueling2, DUAN Xiubing2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161,China; 2.Military Logistics Department, Military Transportation University, Tianjin 300161,China)

The design of variant wheel is a complicated and difficult matter. According to function analysis, a variant wheel has two functions: rolling and transforming, which can be further divided into more functional elements in terms of its transmitting mode, transforming mode, track to be transformed, driving mode and transforming power. A number of designs of variant wheel are obtained by solving and combining these functional elements. These designs are evaluated and compared. Finally, a design which meets the performance requirements is determined.

variant wheel; modern mechanical design; function analysis

2016-05-01；

2016-06-27.

徐巖(1992—)，男，碩士研究生；

段秀兵(1971—)，男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.09.019

U463.34

A

1674-2192(2016)09- 0084- 05

● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)Basic Science & Technology