新型智能掛彈車的應用分析與研究

張翼，孫益軍

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

掛彈車用于舉升、掛裝導彈，因其廣泛的載荷范圍，方便的駕駛性受到了市場的歡迎。麥克納姆輪因其結構特性可以做出平移、原地旋轉等動作，被廣泛應用于特種車輛來增加靈活性。將麥克納姆輪和傳統的掛彈車結合起來能夠進一步提升掛彈車的效率，縮小再次出動準備時間TAT（Turn around Time）。但是隨著麥克納姆輪的引入，需要對傳統掛彈車進行重新設計計算，本文結合引入麥克納姆輪的工程實際，對研發過程中遇到的設計問題進行了敘述，為今后同類型掛彈車的設計提供了理論和實際的范例。

1 麥克納姆輪的機構簡介和運動原理

1．1 麥克納姆輪的組成

麥克納姆輪由2個輪輻、9個小輪輥組成，其中小輪輥與輪輻軸線成45°安裝。如圖1所示，輪子饒軸線做圓周運動，小輪輥饒軸線做圓周運動的同時還繞自身做旋轉運動。

1．2 麥克納姆輪的全方位移動原理

全方位移動是指移動機構在二維平面上從當前位置向任意方向運動的能力，包括橫向、縱向和旋轉，即3個自由度。選取多個麥克納姆輪在平面上配合，就可以使整個移動裝置有3個自由度（X方向移動、Y方向移動、繞中心垂直軸的轉動）。這種移動機構具有相當好的運動性能，即在當前位置能按任意方向移動和轉動，并且能夠更好地適應狹小的工作環境。如圖2。

Fa：輪子滾動時，小輥子受到的軸向摩擦力；Fr：小輥子做從動滾動時受到的摩擦力；ω：各輪轉動的角速度。

圖1 麥輪納姆輪結構

圖2 車輪運動方向和各輪受力方向分析

2 麥克納姆輪式參數設計

2．1 麥克納姆輪輥子圓柱設計

全方位移動平臺的麥克納姆輪設計，關鍵在于輥子的設計和輪體的結構設計，輥子可以繞輪子軸線轉動，也可以在地面摩擦力的作用下繞自身軸線自轉。公轉和自傳的速度矢量之和會與輪子軸線形成夾角，從而實現麥克納姆輪移動平臺的全方位移動。

如圖3所示，麥克納姆輪的輥子曲面是根據其理論設計的。從A點延Z軸向上勻速運動，同時繞Z軸等角速度旋轉運動到B點，即曲線AB是等速螺旋線；直線AB與Z軸的夾角為θ。曲線AB繞直線AB旋轉一周便生成麥克納姆輪的輥子曲面。圖3中，a為等速螺旋線繞Z軸轉角（rad），R為理論設計圓柱半徑（mm），h為理論設計圓柱高度（mm）。當a、R、h三一參數一定時，輥子曲面便可確定。

圖3 輥子理論設計圓柱生成曲線

2．2 麥克納姆輪輥子參數設計

麥克納姆輪的結構設計參數是依據輪子需要工作的平臺結構設計的，包括輪子寬度b和輪子外圓半徑輪廓。麥克納姆輪的重要幾何參數：輥子最小半徑rmin和最大半徑rmax；輥子的數目n；輥子長度L，輪子寬度b；輥子軸線和z軸最小距離lz；全方位輪連續比例系數λ。C是曲線AB上任意一點，CD為C點所對應的輥子半徑；AE曲線點對應的圓心角為β；F點對應圓心角為α。其中，E和F分別是C和B在xoy平面上的投影。β的取值范圍是0~α。

輥子半徑：

每個麥克納姆輪都是由多個輥子組成的，需要考慮輥子的重合度，即連續性比率系數λ：

λ=1時，1個輥子與地面接觸；1＜λ＜2時，在運動過程中會有2個輥子和地面接觸。

在Matlab中計算求出β。根據移動平臺結構和尺寸的需要設定R=65mm，h=150mm。預先選取一個δmin，用Matlab解方程得到β，帶入方程得到δ。最終得到棍子的長L。按照得到的數據可以確定所用麥克納姆輪的規格型號，并依照所負載的重量確定電機的功率大小，如表1。

表1 各參數計算結果

3 存在問題及解決措施

掛彈車從存儲倉庫移動到飛機停放處有一段距離，此距離一般為3km左右。以麥克納姆輪的行進速度需要花近1h才能完成上述距離的移動，對掛彈的效率有極大影響，而2套輪組的設計可以解決此問題。

3．1 輔助輪組結構強度的設計

車體的設計重量為2t，考慮到地面不平3輪著地時所產生的側向力會引起直線軸承的不穩定甚至失效，設計選型采用可以承受大的側向力的液壓缸加鋼板焊接骨架結構作為輔助輪承重架。

首先根據車體結構的需要，設計結構造型。圖4是根據實際需求設計的承重架的結構，其中承重架的鋼板及筋用的厚度為5mm的鋼板。

圖4 輔助輪承重架

3．2 輔助輪承重架靜力分析

2副承重架被分別用螺母連接車體的兩端，以螺母聯接面為固定面，與輔助輪接觸的面為施力面，用solidworks建立三位模型并作靜態受力分析。如圖5。

圖5 模型模擬計算結果

計算結果表明：初始設計的承重架最大應力集中在2副車架連接部位，峰值應力達到1240MPa，超過材料許用應力或者安全系數不夠，不能滿足強度的要求。

經過優化設計選用8mm厚的鋼板，強度校核計算結果見圖6所示，優化2副車架連接部位的應力集中，能夠滿足強度要求。

圖6 改進后的計算結果

4 試驗驗證

根據設計和計算結果，完成承重架制造，見圖7所示。

按照得到的數據可以確定所用麥克納姆輪的規格型號直徑235mm，并依照所負載的重量確定電機的功率大小1.5kW，完成的掛彈車如圖所示。掛彈車從存儲倉庫移動到飛機停放處有一段距離，此距離一般為3km左右，以麥克納姆輪的行進速度需要花近1h才能完成上述距離的移動。而采用兩套輪組，時間縮短為10min。

圖7 承重架實物圖

5 結語

本文對麥克納姆輪的理論原理進行了描述，并首次把麥克納姆輪技術應用到掛彈車上。展示出了很好的實用效果。同時分析了采用麥克納姆輪的掛彈車所存在的弊端，并提出解決此弊端的方案且用實際案例證明了方案的可行。

本文敘述的麥克納姆輪式掛彈車已經得到應用，在掛彈車的投送效率上此掛彈車的設計比傳統單套輪組的掛彈車有了很大的提高，通常存放掛彈車的機屋距離飛機起飛距離2km，以此計算在移動效率上提高了50%；掛彈效率比傳統的掛彈車提高了15%。