一種適用于履帶式移動機器人的小型三擋變速器設(shè)計與研究

歐屹，陶衛(wèi)軍，馮虎田

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

由于具有良好的地面適應(yīng)性、負(fù)載能力大和越野越障能力強等特點，履帶式移動機器人開始廣泛應(yīng)用于消防救援、反恐防爆、防核化作業(yè)、軍用偵查探測和無人地面武器平臺等多種特殊場合。近年來，履帶式移動機器人及其相關(guān)技術(shù)已成為機器人領(lǐng)域的一大研究熱點[1－3]。

在履帶式移動機器人設(shè)計過程中，其動力輸出匹配是需要解決的首要問題。在履帶式移動機器人動力匹配時，一方面需要驅(qū)動電機提供高力矩來實現(xiàn)越野越障，另一方面在平整路面時需要驅(qū)動電機提供高速度來實現(xiàn)機器人高速行進。在車輛的動力輸出匹配上也存在此問題，通過采用換擋變速器得到了很好的解決。同樣，在履帶式移動機器人上也非常有必要設(shè)計一種類似于汽車換擋變速器的變速機構(gòu)。考慮到履帶式移動機器人主要采用遙控方式，其換擋變速必須能在操控者發(fā)出命令后由電動執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)。

目前為止，研究者在變速機構(gòu)方面的研究主要集中于車輛用換擋變速器方面，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積和質(zhì)量較大，并不適合用于履帶式移動機器人[4－5]。而在適用于履帶式移動機器人的小型變速器或小型自動變速器方面，研究成果相對較少。其中，王華坤等研究了一種彈性滑鍵變速機構(gòu)，具有體積小、可實現(xiàn)自動變速等優(yōu)點，但在其換擋過程中，主要靠彈鍵切入空套齒輪鍵槽來實現(xiàn)空套齒輪與轉(zhuǎn)軸的結(jié)合，難以避免在換擋過程中的沖擊作用[6－7]。張振宇[8]提出了一種基于齒輪離合器和氣動執(zhí)行機構(gòu)的自動變速換擋器，可用于小型電動汽車以及履帶式移動機器人，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并需要多個執(zhí)行電機來實現(xiàn)三擋變速。有別于上述換擋變速機構(gòu)，作者提出一種適用于履帶式移動機器人的三擋變速機構(gòu) (專利申請?zhí)?201010154001.3)，在對此小型三擋變速器的工作原理進行介紹的基礎(chǔ)上，對其具體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并通過仿真對其換擋功能進行了驗證。所提出的三擋變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、可電動換擋且換擋過程沖擊很小等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于履帶式移動機器人動力傳動系統(tǒng)。

1 小型三擋變速器工作原理

由于小型三擋變速器主要考慮用在履帶式移動機器人上，因而要求體積小、結(jié)構(gòu)簡單且換擋可靠。在這里，充分利用齒輪、同步器和電磁離合器的相關(guān)功能，通過機構(gòu)綜合和簡化結(jié)構(gòu)，得到小型三擋變速器的原理結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 小型三擋變速器結(jié)構(gòu)原理

參照圖1，此小型三擋變速器主要由多對傳動齒輪、一套鎖銷式同步器、兩個電磁離合器以及一套電動換擋裝置構(gòu)成。其中，傳動齒輪主要用于動力的傳遞，鎖環(huán)式同步器用于換擋，而電磁離合器則用于動力傳動或換擋前的動力脫開，而電動換擋裝置通過一個步進電機驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)帶動同步器左右移動來進行擋位選擇。

根據(jù)使用場合的不同，小型三擋變速器可采用3種不同擋位:當(dāng)履帶式機器人爬越樓梯或障礙時，采用高力矩低速度的低速擋，以保證機器人具有足夠的驅(qū)動力矩;當(dāng)履帶機器人在平地上移動時，由于所需的驅(qū)動力矩最小，一般采用低力矩高速度的高速擋;而當(dāng)機器人在一般野外路面或小坡面時則采用中速擋，在保證一定越野性能的同時具有適中的移動速度。在換擋過程中，首先要控制相應(yīng)電磁離合器斷開從而減少換擋時間和換擋過程中的阻力，在完成換擋之后，則需要控制相應(yīng)的電磁離合器閉合來實現(xiàn)動力傳遞。此外，同步器同軸的齒輪z3和z5都空套在軸Ⅲ上，可通過在軸Ⅲ滑動花鍵上左右移動的同步器來與軸Ⅲ連接成一體，3種不同擋位時的傳動過程如圖2所示，各種擋位動力傳動路線由圖中虛線及箭頭表示。

圖2 3種不同擋位時的傳動過程

在圖2(a)中，電磁離合器D1斷開，電磁離合器D2閉合，同步器處于右側(cè)位置并與空套齒輪z5連成一體。這里，由于同步器與軸Ⅲ采用滑動花鍵連接，空套齒輪z5也與軸Ⅲ處于固定連接狀態(tài)，從而驅(qū)動電機動力通過齒輪對z1/z2、z4/z5、電磁離合器D2和齒輪對z7/z6傳送到軸Ⅱ并從變速箱往外輸出;由于傳動鏈中的齒輪對z1/z2、z4/z5和z7/z6都是減速傳動，此時變速箱輸出力矩最大而速度最低，處于低速擋。在圖2(b)中，電磁離合器D1閉合，電磁離合器D2斷開，同步器處于中間位置與左右兩側(cè)的空套齒輪z3和z5都不相連，驅(qū)動電機動力通過齒輪對z1/z2、電磁離合器D1由軸Ⅱ直接從變速箱輸出;由于此時傳動鏈中只有減速齒輪對z1/z2，變速箱輸出力矩和輸出速度居中，處于中速擋。在圖2(c)中，電磁離合器D1斷開，電磁離合器D2閉合，同步器處于左側(cè)位置并與空套齒輪z3連成一體，從而空套齒輪z5也與軸Ⅲ處于固定連接狀態(tài);這樣驅(qū)動電機動力通過齒輪對z1/z2、z2/z3、電磁離合器D2和齒輪對z7/z6傳送到軸Ⅱ并從變速箱往外輸出;由于傳動鏈中的齒輪對z1/z2和z7/z6都是減速傳動，而齒輪對z2/z3是增速運動且其增速比大于齒輪對z7/z6的減速比，此時變速箱輸出力矩最小而速度最高，處于高速擋。

通過同步器換擋和2個電磁離合器的控制，可實現(xiàn)三擋變速的功能，非常適用于履帶式移動機器人。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

在三擋變速器原理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步對三擋變速器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。從使用功能來進行區(qū)分，三擋變速器結(jié)構(gòu)主要包括傳動鏈結(jié)構(gòu)和電動換擋裝置，下面分別對這兩部分進行設(shè)計。

根據(jù)圖1所示的原理結(jié)構(gòu)，對整個傳動鏈進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機M1 功率為400～600 W，最大輸出力矩2 N·m，額定轉(zhuǎn)速5 000 r/min。電磁離合器D1和D2外徑為85 mm，能傳遞的最大力矩為11 N·m。各齒輪模數(shù)都設(shè)置為m=2，其齒數(shù)分別為z1=19、z2=50、z3=17、z4=50、z5=17、z6=42 和z7=25。低速擋總傳動比為13∶1，中速擋總傳動比為2.63∶1，高速擋總傳動比為1.5∶1。在此小型三擋變速器輸出軸后還可以連接減速器，再與履帶式機器人驅(qū)動輪相連接，以進一步增大履帶式機器人驅(qū)動輪的輸出力矩。

圖3 傳動鏈三維結(jié)構(gòu)

在設(shè)定傳動鏈的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套與同步器外側(cè)的同步環(huán)相配合并推動同步器在軸Ⅲ上左右滑動的電動換擋裝置，如圖4所示。此電動換擋裝置主要由電機M2、絲桿、螺母組件、軸承座等構(gòu)成，由電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)動受限的螺母組件移動，推動通過開口槽與螺母組件連接的撥叉擺動并使得同步器左右移動來實現(xiàn)其換擋功能。

圖4 電動換擋裝置

在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，還需要在此小型三擋變速器換擋撥叉在不同擋位時的位置信息進行檢測，以判斷其換擋過程是否完成。這里，通過在變速器箱蓋上設(shè)置3個對射式紅外位置傳感器，分別對應(yīng)換擋撥叉的左側(cè)位置、中間位置和右側(cè)位置，確定其高速擋、中速擋和低速擋是否到位。換擋過程的整個流程如圖5所示。

圖5 換擋過程的整個流程

在圖中，當(dāng)收到擋位指令后，通過對目前擋位和目標(biāo)擋位的分析，來控制電機M2 按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)目標(biāo)擋位處設(shè)置的位置傳感器得到預(yù)期信號后則認(rèn)為已達到目標(biāo)擋位，此次換擋過程結(jié)束。

3 換擋過程力學(xué)分析

對小型三擋變速器而言，其換擋過程能否順利進行非常關(guān)鍵。在這里對其換擋過程中換擋裝置的驅(qū)動力學(xué)進行分析。

由于換擋裝置采用步進電機和滑動絲桿螺母來驅(qū)動撥叉，根據(jù)滑動螺旋傳動原理，步進電機驅(qū)動力矩可由式(1)進行計算:

式中:T1為螺旋副的摩擦轉(zhuǎn)矩，T2和T3分別為兩端支承面的摩擦轉(zhuǎn)矩。其中，螺旋副摩擦轉(zhuǎn)矩T1可按式(2)計算:

式中:d2為螺紋中徑，γ為螺紋導(dǎo)程角，ρv為螺旋副的當(dāng)量摩擦角，F(xiàn)為螺旋副所受軸向載荷，其大小主要由換擋過程中撥叉在撥動同步器時所受阻力決定。

根據(jù)換擋裝置結(jié)構(gòu)，在換擋過程中撥叉實際上是一個繞其轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的受力杠桿，其軸向載荷F與撥叉在撥動同步器時的阻力Fs的關(guān)系如式 (5)所示:

式中:H為絲桿軸線與撥叉轉(zhuǎn)動軸之間的距離，L為撥叉上撥動同步器的受力點與撥叉轉(zhuǎn)動軸之間的距離，而參數(shù)θ 則為撥叉與豎直方向的夾角。由于撥叉在撥動同步器時的阻力Fs主要由連接同步器與空套齒輪的滑動鍵所受滑動摩擦力和同步器與軸Ⅲ上花鍵配合的滑動摩擦力構(gòu)成，可用式(6)進行計算:

式中:μ1為滑動摩擦因數(shù)，Tq1和dq1分別為軸Ⅲ傳遞給同步器的轉(zhuǎn)動力矩和花鍵中徑，Tq2和dq2分別為同步器與空套齒輪之間的轉(zhuǎn)動力矩和滑動鍵中心線所在圓的直徑。

此外，由于絲桿兩端均為軸承支承，兩端支承面的摩擦轉(zhuǎn)矩T2和T3可分別由式(7)和式(8)進行計算:

式中:參數(shù)μg為支承面的滾動摩擦因數(shù)，dm2和dm3分別為兩端支承軸承滾動體中心的分布直徑。

4 仿真與應(yīng)用

所設(shè)計的三擋變速器主要尺寸及性能參數(shù)如下:外形尺寸為210 mm×240 mm×100 mm，總質(zhì)量約4.95 kg，傳遞最大功率不大于1 kW，最大轉(zhuǎn)速不大于6 000 r/min，高速擋、巡航擋、低速擋的輸出減速比分別為1.5、2.63、13。所選用的電磁離合器其最大動負(fù)荷大于11.0 N·m，步進電機工作時轉(zhuǎn)速為300 r/min，此時的最大輸出力矩為0.45 N·m，滑動絲桿中徑和螺距分別為10 和1.5 mm，換擋時同步環(huán)最大可移動距離為16 mm。由于此三擋變速器體積小、質(zhì)量輕和具有3種對應(yīng)不同輸出力矩與輸出速度的擋位，非常適用于履帶式移動機器人動力匹配。

基于所設(shè)計的三擋變速器結(jié)構(gòu)與換擋過程力學(xué)分析，進一步對換擋過程進行力學(xué)仿真。仿真參數(shù)參照實際設(shè)計的機器人底盤，該機器人單側(cè)履帶動力傳動鏈為:驅(qū)動電機→三擋變速器→主減速器→驅(qū)動輪→履帶，驅(qū)動電機使用400 W的直流伺服電機，其額定連續(xù)輸出力矩為747 mN·m，額定輸出轉(zhuǎn)速為4 960 r/min，主減速器減速比為17.65。換擋過程中的一些參數(shù)及所涉及的變速器參數(shù)見表1，其中部分動力參數(shù)需根據(jù)具體結(jié)構(gòu)經(jīng)計算得出，計算過程這里不做過多說明。

表1 設(shè)計計算相關(guān)參數(shù)

分別對三擋變速器由低速擋換到中速擋、中速擋換到高速擋和高速擋換到低速擋的過程進行仿真計算，得到換擋過程中步進電機的輸出力矩曲線分別如圖6—8所示。低速擋換到中速擋首先拖動同步環(huán)移動6 mm 使其脫離空套齒輪z5，再移動2 mm 到達中擋位置，一共需要1.07 s;中速擋換到高速擋首先拖動同步環(huán)移動2 mm 使其接觸空套齒輪z3，再移動6 mm 到達高速擋位置，一共需要1.07 s;高速擋換到低速擋首先拖動同步環(huán)移動6 mm 使其脫離空套齒輪z3，再移動4 mm 使其接觸空套齒輪z3，最后移動6 mm 到達低速擋位置，一共需要2.14 s。

圖6 低速擋到中速擋換擋電機輸出扭矩

圖7 中速擋到高速擋換擋電機輸出扭矩

圖8 高速擋到低速擋換擋電機輸出扭矩

圖9為實際加工的變速器換擋部分部件(未含離合器部分)及使用該變速器的小型移動機器人底盤。通過實驗，上述設(shè)計的換擋機構(gòu)基本滿足地面移動機器人的實際使用。

圖9 變速器部件實物及使用該變速器移動機器人實驗底盤照片

5 結(jié)束語

針對履帶式移動機器人動力匹配要求，對提出的三擋變速器進行了設(shè)計與研究，主要工作為:提出了一種適用于履帶式移動機器人的三擋變速機構(gòu)，并對其工作原理進行了分析;對所提出的三擋變速器傳動鏈結(jié)構(gòu)和電動換擋裝置進行了具體設(shè)計，給出了其實現(xiàn)自動換擋的工作流程;對其換擋過程進行了力學(xué)分析，并通過仿真驗證了其能夠?qū)崿F(xiàn)自動換擋功能。今后，還需要通過結(jié)合具體的履帶式移動機器人完善三擋變速器樣機，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與可靠性分析，提高其實際性能與適用性。

【1】仲崇慧，賈喜花.國外地面無人作戰(zhàn)平臺軍用機器人發(fā)展概況綜述[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2005(3):18－24.

【2】章小兵，宋愛國.地面移動機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2006(8):19－24.

【3】王鵬飛，孫立寧，黃博.地面移動機器人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].機械設(shè)計，2006，27(7):1－4.

【4】張炳力，趙韓，金朝勇.汽車自動變速器研究與展望[J].中國機械工程，2006，17(s1):417－420.

【5】盛英泰，張蕾.自動變速器技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[J].機電工程技術(shù)，2010，39(7):113－117.

【6】王華坤，范元勛，宋德鋒.機床彈性滑鍵齒輪變速換擋機構(gòu)的設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2000(7):11－13.

【7】張振宇.電動汽車用齒輪離合器自動變速器設(shè)計[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2006.

【8】陳寧.電控機械式自動變速器選換擋執(zhí)行器設(shè)計[J].機電工程，2009(3):76－77.