四輪野外無人車中心轉(zhuǎn)向計(jì)算分析

康亞彪，李慶杰，高世卿，朱慶宇，陶承虎Kang Yabiao，Li Qingjie，Gao Shiqing，Zhu Qingyu，Tao Chenghu

四輪野外無人車中心轉(zhuǎn)向計(jì)算分析

康亞彪，李慶杰，高世卿，朱慶宇，陶承虎
Kang Yabiao，Li Qingjie，Gao Shiqing，Zhu Qingyu，Tao Chenghu

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110000）

對自主研制的四輪野外無人車原地轉(zhuǎn)向過程進(jìn)行受力分析，并推導(dǎo)出原地轉(zhuǎn)向所需的阻力矩、驅(qū)動(dòng)力矩和功率。結(jié)合四輪野外無人車試驗(yàn)對計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明該計(jì)算模型的可行性，對四輪差速轉(zhuǎn)向無人車的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力器件選型具有一定的指導(dǎo)意義。

野外無人車；差速轉(zhuǎn)向；原地轉(zhuǎn)向；計(jì)算模型

0 引 言

近年來野外無人車輛采用輪式速差轉(zhuǎn)向技術(shù)日益增多，通過改變兩側(cè)車輪速度來實(shí)現(xiàn)不同半徑的轉(zhuǎn)向，獲得更好的通過性，已有多個(gè)品牌采用了輪式速差轉(zhuǎn)向技術(shù)。速差轉(zhuǎn)向具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）當(dāng)兩側(cè)車輪的速度大小相等，方向相反時(shí)可實(shí)現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向[1]，在狹小的空間內(nèi)可進(jìn)行轉(zhuǎn)向；（2）與傳統(tǒng)車輛相比，車內(nèi)利用空間更好，可承載更多的乘客或者貨物；（3）簡化了野外無人車轉(zhuǎn)向的機(jī)械操縱系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)[2]，效率高、成本低。對四輪野外無人車在不同路面上中心轉(zhuǎn)向（速差轉(zhuǎn)向的一種）進(jìn)行受力分析和計(jì)算，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性，為野外無人車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析提供一定程度的參考和借鑒。

1 原地轉(zhuǎn)向受力分析計(jì)算

1.1 原地轉(zhuǎn)向車輪的受力分析

四輪野外無人車中心轉(zhuǎn)向時(shí)的受力分析如1圖所示。

四輪野外無人車在水平地面上作逆時(shí)針原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，前后輪軸距為，左右輪距為，轉(zhuǎn)向時(shí)4個(gè)車輪所形成的接地面積形心O與整車質(zhì)心重合[3]，繞O點(diǎn)的角速度為逆時(shí)針方向，每個(gè)車輪的負(fù)荷相等均為/4。每個(gè)車輪受到的驅(qū)動(dòng)力大小相等，即

式中：Ft1、Ft2、Ft3和Ft4為每個(gè)車輪受到的驅(qū)動(dòng)力，G為整車重量，f為車輪縱向最大附著系數(shù)，不同工況下系數(shù)不同，數(shù)值見表1。

每個(gè)車輪的滾動(dòng)阻力大小相等，即

式中：F1、F2、F3和F4為每個(gè)車輪受到的滾動(dòng)阻力，為車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)，不同工況下系數(shù)不同，數(shù)值見表1。

每個(gè)車輪的側(cè)向滑動(dòng)阻力大小相等，即

式中：1、2、3和4為每個(gè)車輪受到的滑移阻力，為車輪滑移阻力系數(shù)，不同工況下系數(shù)不同，數(shù)值見表1。

表1 一般工況下車輪與地面的縱、橫向附著系數(shù)與滾動(dòng)阻力系數(shù)

1. 2 原地轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算[4]

如圖1假設(shè)逆時(shí)針為正，轉(zhuǎn)向時(shí)整車受到的驅(qū)動(dòng)力矩為

整車受到的滑移阻力矩為

整車受到的滾動(dòng)阻力矩為

式中：t1為單個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩；1為單個(gè)車輪的滑移阻力矩；M1為單個(gè)車輪的滾動(dòng)阻力矩。

將式（1）～（6）代入式（7），可得出

從式（8）中可以看出，實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向功能需滿足車輛的輪距和軸距的比值大于1。

1.3 原地轉(zhuǎn)向的功率計(jì)算

車輛原地轉(zhuǎn)向時(shí)，兩側(cè)車輪的速度大小相等，方向相反，繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)[5]，所需功率為

式中：為車輪轉(zhuǎn)速，r/min；為車原地轉(zhuǎn)彎時(shí)的線速度，m/s；為車輪滾動(dòng)半徑，m；為整車傳動(dòng)效率（包括減速機(jī)、鏈條和軸承）；為車轉(zhuǎn)向所需功率，W。

2 實(shí)際計(jì)算與實(shí)測對比

四輪野外無人車所受重力=15 000 N，軸距=1 100 mm，輪距=1 350 mm。不同工況下無人車原地轉(zhuǎn)向所受的阻力矩計(jì)算值和實(shí)測值，以及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算值見表2。

表2 原地轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算值和實(shí)測值、驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算值

注：①偏差比率=（阻力矩計(jì)算值-阻力矩實(shí)測值）/阻力矩實(shí)測值í100%。

不同工況下無人車原地轉(zhuǎn)向所需功率的計(jì)算值和實(shí)測值見表3。

表3 原地轉(zhuǎn)向功率的計(jì)算值和實(shí)測值

注：①偏差比率=（功率計(jì)算值-功率實(shí)測值）/功率實(shí)測值í100%。

從表2、表3中可以看出，驅(qū)動(dòng)力矩大于轉(zhuǎn)向阻力矩，符合轉(zhuǎn)向條件；阻力矩與功率的計(jì)算值與實(shí)測值具有很好的一致性，證明了計(jì)算的合理性。

3 結(jié) 論

由上述分析和試驗(yàn)測量，得出以下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)向阻力矩由轉(zhuǎn)向時(shí)的滑移阻力矩和滾動(dòng)阻力矩組成，車輛實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，需要滿足驅(qū)動(dòng)力矩大于阻力矩，從結(jié)構(gòu)條件說，車輛實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，車輪的輪距必須大于其軸距；

（2）原地轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛的最大驅(qū)動(dòng)力矩由車輛重力、輪距和地面附著系數(shù)決定；

（3）轉(zhuǎn)向阻力矩由重力、輪距、軸距、滾動(dòng)阻力系數(shù)、滑移附著系數(shù)決定。

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2020-05-19

U463.42.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.012

1002-4581（2020）06-0044-03