輪槳混合驅動兩棲偵察車設計及輪槳分析

王常龍，馬新謀，何自力，于 歡

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

為了應對東海、南海島礁爭端，維護領土主權和權益，必須有相應的武器裝備應對來自各方勢力的挑戰。所以研制了一種具有良好的行走適應性和水面通過性的輪槳混合驅動的兩棲無人偵察車[1-2]。該輪槳混合驅動的兩棲無人偵察車，前輪采用常規輪胎，后輪采用不同于前輪規格直徑的三幅輪槳結構。在水中行進時，輪槳向后回轉90°，起到螺旋槳的作用，在水中提供前進的動力，設計水中行進速度為0.5 m/s。在陸地上行進時最大行進速度為2.5 m/s。該輪槳混合驅動兩棲無人偵查車自重26.2 kg，負載能力10 kg。

1 機構設計

輪槳混合驅動[3]的兩棲無人偵察車，主要包括后輪槳的回轉系統和驅動部分，前輪的驅動系統，和車首的類似船首的形狀設計，還有部分動密封的結構設計。為實現輪槳的混合驅動，每個輪胎和輪槳分別采用獨立的電機驅動。

設計目標，該輪槳混合驅動兩棲無人偵察車具有較大的負載能力，前輪電機選型為MAXON DC 370354，輪槳驅動電機和回轉電機選型為22ECS60 ULTRA EC，該兩棲無人偵察車選用的電機直接與負載相連接，通過PWM脈寬控制技術控制電機轉速，從而控制該無人偵察車的行進速度以及左右兩側轉速差實現轉向。由于諸多因素的考慮，該偵察車車體采用碳纖維框架結構，外加環氧樹脂板蒙皮。其陸地上的蒙皮結構如圖1所示。

圖1 輪槳混合驅動兩棲無人偵察車

圖1兩棲偵察車前端留有不完全封閉的開口，可以看到內部置有中央控制系統和配電器等自動控制系統，載體部分偵察裝置配備有信號收發裝置，便于遠程遙控和適時收發戰場信息。

該兩棲無人偵察車由車架和兩個前輪和兩個輪槳組成，車架內裝有電池、控制板、配電器、自毀裝置。其蓄電池設計安放在蓄電池的導軌上，以便在第一次下水試驗時調整整體的重心位置，保證該兩棲無人偵察車的水中姿態。輪槳與驅動電機殼體直接相連接，驅動電機由回轉電機驅動進行左右90°的回轉，來切換陸地與水上的姿態。

輪槳回轉系統[4]如圖2所示，由三幅輪槳[5]，驅動部分和回轉驅動部分三部分組成。其中輪槳部分可以近似看成一個雙槳船的結構，且該兩棲無人偵察車需要一定的負載能力，即吃水深度達到該兩棲無人偵察車的最大高度180 mm時，根據雙槳船的螺旋槳直徑的經驗設計公式，其D=(0.6～0.7)TK，其中TK為滿載時的吃水深度，D=126 mm，但是由于吃水深度遠沒有180 mm，所以輪槳直徑定為120 mm。回轉部分包括回轉電機殼體、回轉電機、密封套筒、電機支撐架、止推軸承。

圖2 回轉系統結構

回轉系統有兩個自由度，輪槳部分的扭矩為Q=KQρn2D5，查得近似形狀的螺旋槳[6]敞水特性曲線得10KQ=0.25，則Q=25 mNm。回轉關節M處的扭矩為M=15 N·m。理想狀態下輪槳轉速為8 rad/s，陸地上最高 理論速度為2.5 m/s。水中行進速度設置為0.5 m/s。該輪槳混合驅動兩棲無人偵察車[7]結構參數見表1。

表1 輪槳混合驅動兩棲無人偵察車結構參數

其中回轉系統的回轉范圍為0°<α<90°。密封套筒所起到的密封作用是將電機支撐架和回轉電機殼體所開的90°的缺口給密封起來，將面積較大的密封改為密封較為容易的旋轉動密封。

2 推進系統設計

2.1 輪槳槳葉

推進系統的設計關鍵在于輪槳的結構設計，如圖3所示，輪槳[8-9]的設計需要在原有螺旋槳的基礎上合計一個輪槳幅板的結構，要考慮到幅板的角度，與螺旋槳葉稍的連接方式，幅板的厚度等因素。

出于輪槳結構要在地面有一定行走能力的使用要求，故將螺旋槳設計時的傾角θ設為0°，其余結構參數嚴格按照螺旋槳的設計要求進行設計。

圖3 輪槳結構示意圖

2.2 幅板角度

取輪槳跨越的垂直墻高為50 mm，并選取l=85.5 mm為輪槳越障的初始狀態。該輪槳混合驅動的兩棲無人偵察車后輪獨特的輪槳結構，輪槳幅板的角度設為γ，為了在復雜地面的通過性，幅板的角度γ≥60°，并且兩輪槳之間的相位角為60°。該兩棲無人偵察車跨越垂直墻高主要有三種狀態：初始狀態、后初始狀態、前初始狀態。其具體信息參見表2。

表2 輪槳跨越垂直墻高信息表

前初始狀態的后續狀態是后初始狀態，故只考慮初始狀態和后初始狀態。

圖4為輪槳跨越垂直墻高初始狀態，由圖4可知輪槳由初始狀態(黑實線)向前行進H，即轉過角度β0=23.8°，到達臨界狀態，即：右輪槳與墻高相切，左輪槳也剛好相切，槳葉參考線到墻高的距離為h0，右輪槳轉到兩槳葉之間的空隙位置，由幅板起支撐作用，因而右輪槳在垂直方向上下降h1的距離。此時左輪槳槳葉參考線與墻高之間的夾角為γ/2，即是所求幅板角度γ的一半。測得γ=64°。滿足γ≥60°的條件。

圖4 輪槳跨越垂直墻高初始狀態

輪槳處于后初始狀態時，控制該兩棲無人偵察車，繼續向前行進H(即轉過角度β0=23.8°)，如圖5所示。

圖5 輪槳跨越垂直墻高后初始狀態

由圖5知，后臨界狀態越障時，整個兩棲無人偵察車會有一定程度的右傾，為使該兩棲無人偵察車越障后迅速調整姿態，各個輪槳和各個車輪分別由獨立的電機驅動。

2.3 幅板厚度計算

將輪槳剛與地面接觸的地方至與槳葉固定的地方，簡化為力矩為H的直梁，其截面圖如圖6。

圖6 簡化直梁截面圖

圖6中b代表幅板寬度為40 mm，h為幅板厚度為目標值，dy為所取積分單元，即建立起在材料極限應力的允許的條件下，求取最小h的值，建立相應的數學模型。直梁所受的外力偶矩為Me=FN×H，

目標函數如下：

(1)

式中：σt·max為材料7075-T651的極限應力值；IZ為直梁的軸慣性矩；

直梁的軸慣性矩為：

(2)

由此數學模型得出幅板的最小厚度為0.939 mm，并且由0.939到5 mm之間取若干個值進行計算，所得出的幅板厚度與幅板所承受應力的關系如圖7所示。

圖7 幅板承受應力曲線

系鋁合金作為一種塑性材料，其安全系數取值范圍一半在1.5～2，由幅板所承受的應力曲線可以得出，幅板厚度應在1.1～1.4 mm，但是考慮到便于加工、水中阻力對其的影響，幅板厚度取值為2 mm，并對2 mm的幅板進行計算，得出幅板所受應力為101 MPa，安全系數為4.55。其最大轉角為2.09′，最大撓度為1.21×10-2mm。

2.4 輪槳的撓度和轉角計算

輪槳的幅板受力分析如圖8所示。

圖8 輪槳設計參數

輪槳弧形幅板所形成的角度為α，α所形成的角度為64°，β所形成的的角度為56°。α與β所形成的的角度沒有均分，是因為輪槳在于前輪形成三角步態的過程中，防止控制過程出現問題，提高容錯率，能更好的保持形式過程中的平穩性。

輪槳幅板與地面剛接觸的時候，所受的力為FN，幅板與葉稍固定點的水平距離為H，垂直距離為D，幅板厚度為d，圖中虛線代表取0.75R，此處螺距值約等于螺旋槳的平均螺距。

根據圖8建立幅板的撓度和最大轉角的方程

M(x)=-FN(H-x)

EIw″=-M(x)=FN(H-x)

(3)

其中：M(x)是彎矩方程；EIw″是微分方程；H與地面接觸點到幅板固定點的距離；FN是地面給輪槳的支持力。根據式(4)得到最大撓度及轉角：

(4)

式中：FN為幅板所受到的支撐力；H為受力點到固定端所受力矩；E為幅板材料的楊氏模量(7.5×1010)；I為軸慣性矩，見式(2)。

2.5 輪槳越垂直墻高理論分析

該輪槳混合驅動的兩棲無人偵察車的越障受力分析對該兩棲無人偵察車的進行模擬仿真和實驗是非常必要的，如圖9所示。

圖9 前輪越障受力分析

根據牛頓第三定律和力矩平衡原理，列出下列平衡方程：

(5)

式中：Fn為臺階位置給輪胎的支持力；f為滾動摩擦系數；ψ為附著系數；M電機額定轉矩。

由于輪槳獨特的結構，一般靜力學平衡方程不能準確計算輪槳的跨越垂直墻高的能力，這里采用另一種分析方法，如圖10所示，即輪槳的兩個幅板的邊緣都與垂直墻高剛好接觸(接觸點為m，n)，在牽引力足夠大的情況下，以n點為支撐點，跨越垂直墻高為hW。

圖10 輪槳跨越垂直墻高受力分析示意圖

根據圖10，可得：

hM=R(1+cosα)

(6)

圖中若α的角度僅滿足三角步態的要求，且控制輪槳轉動過程中不會出現滑移現象，即α=60°時，輪槳理論上跨越垂直墻高的高度hM=90 mm。

考慮到工作環境的復雜性及多變性，且保證該兩棲無人偵察車在工作過程中的穩定性，以及確保傳輸信號的質量，這里取BM=0.56hM。

3 輪槳敞水性能分析

根據以上計算結果調整輪槳三維模型，然后用Gambit軟件畫出輪槳的三維計算域網格。如圖11所示。

圖11 輪槳計算域及其輪槳三維網格劃分

輪槳計算域的大小為直徑300 mm×3 000 mm的圓柱形區域928 306個節點，2 974 125個網格單元。

在電機轉速的允許條件下，應用Fluent軟件對上如輪槳的類螺旋槳的槳葉和幅板進行了敞水性能[10]仿真計算，求得槳葉，幅板的表面壓力、表面速度和推力等參數。

輪槳的槳葉和幅板表面的壓力分布云圖如圖12所示。

圖12 槳葉及幅板表面壓力分布云圖

由圖可知，升力面(葉面推水的一面)與吸力面(相對于升力面的槳葉的另一面)交界的導邊壓力值比較大，導邊到隨邊過程中，壓力值逐漸減小。其中幅板側面和幅板與槳葉連接處壓力值最大。

圖13是輪槳表面的速度分布云圖： 根據伯努利方程，速度越大，壓力越小；速度越小壓力越大。圖14是輪槳表面的速度等值線圖，從圖14可以看出，從葉根到葉稍，再到幅板，速度越來越大，槳轂到葉根的圓柱部分速度變化很小。圖15是輪槳升力面、吸力面及幅板的流線型狀及其在隨邊處匯合形成的泄出渦形狀，圖16是去掉幅板的輪槳的尾渦圖，方便與圖15進行比較。

圖14 輪槳速度等值線

圖15 輪槳尾渦圖

圖16 去掉幅板的輪槳尾渦圖

4 結論

1) 設計了一種輪槳混合驅動的兩棲無人偵察車，其結構設計簡單。

2) 執行偵察任務。并對輪槳的結構做了陸地上的強度理論分析，也利用FLuent軟件對輪槳結構做了敞水性能分析，分析結果與理論經驗公式分析的結果相吻合。