某6輪車(chē)越垂直障礙高度能力分析研究

劉西俠, 吳文文, 賈小平, 姚新民

(陸軍裝甲兵學(xué)院 車(chē)輛工程系，北京 100072)

近年來(lái)，地震、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害顯著增多[1]，為有效減少自然災(zāi)害帶來(lái)的人民生命財(cái)產(chǎn)損失，災(zāi)后快速救援十分緊迫。為此，筆者研究設(shè)計(jì)了具有折腰和擺臂特殊結(jié)構(gòu)功能的6輪車(chē)，該6輪車(chē)具有可變換出多種姿態(tài)的13個(gè)自由度，能有效地越過(guò)垂直障礙等多種典型障礙物，可對(duì)災(zāi)后物資、人員運(yùn)輸補(bǔ)給作出快速反應(yīng)。為達(dá)到準(zhǔn)確有效救援目的，需對(duì)6輪車(chē)越障能力[2]進(jìn)行分析。

1 6輪車(chē)結(jié)構(gòu)和功能

6輪車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)如圖1；各部件標(biāo)注如圖2。該6輪車(chē)分為前、后兩個(gè)車(chē)體，其前、后車(chē)體之間通過(guò)鉸接裝置和液壓缸連接，前車(chē)體左、右兩側(cè)各有一個(gè)車(chē)輪，后車(chē)體左、右兩側(cè)各有兩個(gè)車(chē)輪；前車(chē)體可通過(guò)液壓缸活塞桿拉動(dòng)前拉臂繞鉸接點(diǎn)1(圖2)實(shí)現(xiàn)折腰，6個(gè)擺臂能夠帶動(dòng)車(chē)輪繞其與車(chē)體鉸接點(diǎn)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，6個(gè)擺臂里面分別裝有電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)6輪驅(qū)動(dòng)，調(diào)整擺臂可使車(chē)體姿態(tài)發(fā)生變化；后車(chē)體上有重心塊可前后移動(dòng)，在該車(chē)在越障時(shí)通過(guò)調(diào)整重心塊位置來(lái)提高越障能力。

該6輪車(chē)具有13個(gè)自由度，在越障時(shí)可調(diào)整出多種姿態(tài)來(lái)快速越過(guò)障礙物。圖3為該車(chē)翻越垂直障礙物時(shí)的姿態(tài)變化。當(dāng)該車(chē)由水平靜止?fàn)顟B(tài)感知到前方有障礙物并向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，6輪車(chē)由姿態(tài)1調(diào)整前擺臂向前擺動(dòng)，中間擺臂和后擺臂均向后擺動(dòng)使車(chē)輛重心降低，使該車(chē)狀態(tài)調(diào)整到更加穩(wěn)定的姿態(tài)2，為下一步越障做準(zhǔn)備；當(dāng)前擺臂繼續(xù)向前擺動(dòng)，液壓缸活塞拉動(dòng)前拉臂向后擺動(dòng)(姿態(tài)3)，兩者相互配合使前輪剛好觸及前輪上沿；之后中間擺臂向后擺動(dòng)至一定高度，前輪和后輪著地(姿態(tài)4)；此時(shí)伸長(zhǎng)液壓缸活塞，使該車(chē)前車(chē)體與后車(chē)體處于同一平面，中間輪越上障礙物(姿態(tài)5)；最后將后擺臂向后擺動(dòng)至高于障礙物高度，中間擺臂向前擺動(dòng)，前擺臂向后擺動(dòng)直至越過(guò)障礙，使車(chē)體保持水平(姿態(tài)8)，通過(guò)調(diào)整擺臂和折腰角度來(lái)實(shí)現(xiàn)順利越障，提高了越障效率。

圖1 6輪車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Structure model of six-wheeled vehicle

圖2 6輪車(chē)標(biāo)注示意Fig. 2 Six-wheeled vehicle marking indication

圖3 越垂直障礙姿態(tài)變化Fig. 3 Posture change crossing over vertical obstacles

2 越障高度分析

為進(jìn)行計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)，筆者測(cè)得6輪車(chē)的各個(gè)部件質(zhì)量和尺寸。表1為6輪車(chē)部件名稱(chēng)及所對(duì)應(yīng)的含義和參數(shù)。

表1 6輪車(chē)參數(shù) Table 1 Six-wheeled vehicle parameters

2.1 6輪車(chē)最大折腰角度

通過(guò)測(cè)定6輪車(chē)最大折腰角度可得到前車(chē)輪所達(dá)到的最大高度，能對(duì)6輪車(chē)最大越障高度提供參考。為避免液壓缸缸體與后車(chē)體產(chǎn)生干涉[3]，當(dāng)液壓缸拉動(dòng)前拉臂到液壓缸缸體處于水平位置時(shí)，前車(chē)體具有最大折腰角度。圖4為最大折腰角度的6輪車(chē)示意。經(jīng)測(cè)量可得：b=560 mm、c=400 mm、d=880 mm、e=260 mm、f=400 mm。

由此可得到前車(chē)體最大折腰角度如式(1)：

41.82n

(1)

由式(1)得出最大折腰角度θ=41.82°，由此得到此時(shí)前輪在非擺臂狀態(tài)下高度如式(2)：

876.67 mm

(2)

當(dāng)6輪車(chē)前擺臂向前擺動(dòng)時(shí)，前輪高度會(huì)進(jìn)一步提升，翻越垂直障礙物其高度會(huì)相應(yīng)增高；但由于不同障礙的路面附著系數(shù)不同，以及前、中、后擺臂之間配合關(guān)系，6輪車(chē)越障高度不會(huì)隨著前輪抬升而一直升高。

圖4 最大折腰角度Fig. 4 Maximum bow angle

2.2 兩種不同障礙路面最大越障高度

當(dāng)前輪越上障礙后，通過(guò)折腰、中間輪擺臂向后擺，移動(dòng)重心塊等方式，使得中間輪能順利搭到障礙面上。在這一過(guò)程中，中間輪擺臂擺動(dòng)且在中間輪搭上障礙之前，前輪和后輪均著地，除了輪胎以外車(chē)體不與障礙接觸，在中間輪搭上障礙時(shí)，保證此時(shí)前輪和中間輪與地面接觸，調(diào)整后輪至能夠越過(guò)障礙位置，這樣才能順利越過(guò)障礙物。

圖5為障礙物與車(chē)體發(fā)生碰撞的情形。圖5中：當(dāng)6輪車(chē)前輪和后輪接觸地面，障礙高度超出一定范圍時(shí)，障礙物會(huì)在中間輪與障礙接觸前與車(chē)體發(fā)生碰撞，導(dǎo)致其不能順利越障[4]。因此，需計(jì)算出中間輪最大越障高度，進(jìn)而評(píng)估整車(chē)越障能力。

圖5 障礙與車(chē)體發(fā)生碰撞Fig. 5 A collision between obstacle and car body

為避免障礙物與車(chē)體發(fā)生碰撞，需進(jìn)一步減小障礙物高度，設(shè)車(chē)體的與水平面夾角為θ1，垂直障礙物高度為h0，則有式(3)：

(3)

當(dāng)中間擺臂向后擺動(dòng)90°時(shí)，即α2=90°，使中間輪剛好搭到障礙面上，此時(shí)可越過(guò)障礙的幾何理論高度如式(4)：

h0≤hcosα1+(L2-h)sinθ1+r

(4)

將式(3)帶入式(4)，可得到式(5)：

(5)

假設(shè)α1=30°、α2=60°，分別代入式(5)，可得到h0≤1 248.82 mm。則在幾何條件[5]上能滿足6輪車(chē)實(shí)際行駛過(guò)程中受到多種因素的影響。

2.2.1 硬質(zhì)水泥路面

基于以上分析，要求6輪車(chē)越障的最大高度為前輪和后輪在實(shí)際地面情況下均可越過(guò)障礙物的最大高度即為該車(chē)的最大越障高度。故筆者分兩種情況進(jìn)行討論：

1)前輪越障

圖6為前輪越障示意。前輪抬起至接觸障礙面，此時(shí)只有后輪和中間輪受力。

圖6 前輪越障示意Fig. 6 Diagram of front wheel crossing barrier

假定后車(chē)體重力為G2，前車(chē)體重力為G1，地面附著系數(shù)為φ，后、中間輪支持力分別為F1、F2，所受摩擦力分別為Ff1、Ff2，路面摩擦因數(shù)[6]為f，則有：Ff1=fF1、Ff2=fF2。后車(chē)體重心位置在距離車(chē)體尾部L1+L4處，則可得方程如式(6)：

(6)

其障礙高度計(jì)算如式(7)：

h0=(L4+L5)sinθ+h[cosα1-cos(θ+α3)]

(7)

圖7為6輪車(chē)前輪高度與折腰及前擺臂角度關(guān)系[7]。圖7中：6輪車(chē)實(shí)際前輪高度為折腰和前擺臂配合高度之和。若不發(fā)生車(chē)體與障礙面碰撞，當(dāng)折腰角度為41.82°和擺臂角度為90°時(shí)，配合得到前輪可抬升到1 730 mm處，越障高度不僅與前輪抬升高度有關(guān)，與中間輪最大越障高度也有直接關(guān)系。

圖7 前輪高度與折腰及前擺臂角度關(guān)系Fig. 7 Relationship between front wheel height and bow and front swing arm angle

2)中間輪越障

在幾何條件允許情況下，中間輪極限越障高度為h0≤1 248.82 mm。受路面條件等限制[8]，實(shí)際情況下越障高度達(dá)不到幾何值，對(duì)中間輪越障主要有如圖8中的兩個(gè)過(guò)程。

由圖8(a)可得式(8)：

(8)

同理，由圖8(b)可得到式(9)：

(9)

式中：附著系數(shù)φ=0.68；動(dòng)摩擦因數(shù)f=0.57。

式(7)～(9)聯(lián)立可得到中間輪越障高度h0=1 132.83 mm。

圖8 中間輪越障流程Fig. 8 Flow chart of middle wheel crossing obstacle

2.2.2 泥土路面

對(duì)泥土路面越障高度分析與在水泥路面分析原理相同[9]，此時(shí)路面附著系數(shù)與摩擦因數(shù)分別為φ=0.48、f=0.40。則中間輪越障高度h0=946.65 mm。

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真分析

在RecurDyn軟件中建立車(chē)輛模型[10]，通過(guò)SolidWorks軟件構(gòu)造3D模型圖導(dǎo)出為(*.x_t)格式，并將此文件導(dǎo)入到RecurDyn中，構(gòu)造出仿真模型。添加約束使車(chē)輛通過(guò)鉸接、固定等方式連接在一起，在車(chē)軸位置上添加車(chē)輪，仿真選用Fiala輪胎模型，該模型將輪胎簡(jiǎn)化為具有彈性的圓環(huán)梁模型且忽略輪胎的松弛效應(yīng)及外傾角的影響。在創(chuàng)建輪胎力時(shí)，輪胎力作用點(diǎn)方位角必須與輪胎幾何中心點(diǎn)保持一致[11]。RecurDyn中，若要建立正確的整車(chē)模型，需在建立地面模型和輪胎模型時(shí)調(diào)節(jié)重力方向?yàn)?z，才能使仿真模型正常運(yùn)轉(zhuǎn)，圖9為6輪車(chē)仿真模型。

圖9 6輪車(chē)仿真模型Fig. 9 Simulation model of six-wheeled vehicle

為得到折腰-擺臂車(chē)的最大越障高度，需進(jìn)行多次試驗(yàn)。筆者對(duì)該車(chē)翻越800、1 000、1 100、1 200 mm這4種垂直障礙進(jìn)行仿真分析，得到6輪車(chē)可順利越過(guò)800、1 000、1 100 mm障礙；在翻越1 100 mm垂直障礙時(shí)各輪胎受力如圖10(a)；在翻越1 200 mm垂直障礙時(shí)其受力分析如圖10(b)。

圖10 翻越垂直障礙各輪胎受力Fig. 10 Tire stress crossing vertical obstacle

由圖10分析可知：翻越1 200 mm障礙時(shí)，在6 s之后時(shí)間里，后輪和中間輪受力為0，表明已經(jīng)脫離地面，6輪車(chē)無(wú)法越過(guò)1 200 mm障礙，但可越過(guò)1 100 mm障礙。由此得到6輪車(chē)能翻越最高障礙高度為1 100～1 200 mm；仿真試驗(yàn)得到：在水泥路面上最大越障高度為1 170 mm。

同理，與之前建立仿真模型相同條件下，調(diào)整地面附著系數(shù)與摩擦因數(shù)分別為φ=0.48、f=0.40，構(gòu)建泥土障礙仿真路面模型。對(duì)6輪車(chē)在泥土路面翻越980 mm障礙時(shí)，其仿真如圖11。輪胎1～3分別代表后、中、前輪在泥土路面的受力，在7.3 s后這3個(gè)輪受力突降為0，證明此時(shí)整車(chē)發(fā)生了傾覆，即6輪車(chē)在泥土路面不可越過(guò)980 mm的垂直障礙；通過(guò)仿真得到：6輪車(chē)在泥土路面可越過(guò)的最大障礙高度為960 mm。

圖11 翻越980 mm垂直障礙各輪胎受力Fig. 11 Tire stress crossing 980 mm vertical obstacle

3.2 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行6輪車(chē)最大越障高度測(cè)試，水泥路面測(cè)試如圖12(a)，泥土路面測(cè)試如圖12(b)。在水泥路面最大越障高度為1 095 mm，在泥土路面該車(chē)可越過(guò)最大越障高度為945 mm，故可得到6輪車(chē)分別在這兩種路面下的最大越障高度理論值、仿真值、實(shí)際值、誤差及誤差率(表2)。

圖12 路面實(shí)驗(yàn)Fig. 12 Pavement experiment

越障高度路面類(lèi)型水泥路面泥土路面理論值/mm1 132.83946.65仿真值/mm1 170960實(shí)際值/mm1 095945誤差(理論值-實(shí)際值)/mm37.831.65誤差率(誤差/理論值)/%3.340.17

3.3 誤差分析

由表2可知：實(shí)際值、仿真值、理論值之間存在一定誤差。水泥路面誤差較大為3.34%，由于水泥路面較硬，輪胎受到彈力較大，給越障帶來(lái)了一定影響，6輪車(chē)本身存在系統(tǒng)誤差，測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生一些隨機(jī)誤差，則可通過(guò)提高測(cè)量?jī)x器精度來(lái)盡可能縮小誤差[12]；泥土路面誤差率為0.17%。這兩種路面誤差率均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性與正確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種具有折腰和擺臂結(jié)構(gòu)的6輪車(chē)。以越垂直障礙為目的，從理論上分析了6輪車(chē)在水泥和泥土兩種不同路面下的最大越障高度分別為1 170、960 mm。在Recurdyn軟件中進(jìn)行仿真并進(jìn)行實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，水泥路面和泥土路面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析對(duì)比誤差分別為3.34%、0.17%。