1、基于杠杆原理的多用途越障装载车设计说明书哈尔滨工业大学（威海）杜文灿 肖晓飞2010 年 6 月 15 日基于杠杆原理的多用途越障装载车作者：哈尔滨工业大学（威海） 杜文灿 肖晓飞作品内容简介我们通过实验设计了一套越障系统. 为提高越障车的越障能力,结合路况的复杂环境,设计了一种杠杆式越障车. 该车主要由车 架 、 定 轴 齿 轮 啮 合 传 动 装 置 、 棘 轮 机 构 、 控 制器 、 检 测 装 置 、 电 动 马 达 、 自 动 报 警 装 置 、 电 源 、 传 动 装 置 等 部 分 组 成 . 设计重点在定 轴 轮 系 啮 合 传 动 装 置 ,该车主要考虑了提高车轮本身的越障
2、能力采用了定 轴 齿 轮啮 合 传 动 装 置 . 该装置主要通过增加力臂,以增加力矩, 从而提高其越障能力. 为确定行越障车的垂直越障能力,通过简化力学模型,分析了在单个车轮越障情况下车轮的受力特点，估计了垂直越障碍高度与车辆参数之间的关系，机构试制实验证明理论推导结果是可靠的.对该车的行驶系统进行了概述,并对行驶性能进行了分析和计算. 结果表明:该车具有较强的越障能力特性,能够适应凹凸不平的环境.我们已经经进行了机构调整试制，经测试其性能达到了预期的功能。现在已经完成样车的车架部分和控制部分，定轴齿轮啮合传动装置正在校金工实习场所加工，预计七月将完成样车调试工作，整个系统完成。1 研制背景
3、及意义1.1 研究意义：目前，在越障车的研究史上已经提出了各种越障的解决方案，然而每一种解决方案都有不同程度的局限性，每一辆车都会有不同程度的缺陷，因而需要不断的提出新的解决方案。现有的解决方案中存在很多问题。而我们提出的杠杆应用于越障领域至今还一个全新的方案，没有相关的研究。同时，越障车的应用还只是限制在一些个别的领域，其应用范围需要拓宽。由于近几年自然灾害的频繁发生，急需一种低成本，使用性高的越障车辆。因此，在越障车方面的研究具有极大的发展空间。1.2 国内外研究现状：世界上越障车的研究已经有近百年的历史,已经提出了各种越障的解决方案。在已有的越障解决方案中,有连续式越障方案,比如履带式、
4、行星轮式;间歇式越障解决方案,比如步进式。在这些越障车中最热门的研究方向主要有登月车,爬楼梯机器人,特别是美国和前苏联在这方面已有成熟的经验。为适应复杂的路况, 理论分析和试验结果表明, 履带式和腿式移动系统不适合用于越障车。越障车的轮式移动系统均采用各轮独立驱动、固定悬挂方式, 工作起来方便灵巧, 同心性和转向性均较好。国外采用轮式结构的行星探测车都是通过悬架来提高其越障能力, 而没有考虑车轮本身的越障能力。哈工大邓宗全等教授已在行星轮方面做了比较全面的研究1.3 研究目的：在生活水平显著提高的今天，自然灾害成了对人类危害最大的灾难。在灾害发生后如何能够在废墟中最大限度的挽救人们的生命财产的
5、需要，也促使我们在越障领域有所突破。同时，越障车不应只限于有限的领域，而要把它应用到更多的领域，这需要我们的探索。在国家倡导自主创新的大环境下，掌握先进的越障车设计方法，探索越障车不同的应用领域，多用途越障装载车就成为了一个重要的课题。2 主要功能和性能指标主要功能：平地行驶功能；垂直越障功能；防到退功能；可编程调速功能；可编程状态指示功能；其它附属功能:自动预警功能 性能指标：越障高度：15cm;行驶速度:=3m/s车架材料：采用铝型材 3030；电机：输出功率250W;蓄电池输出电压：6V；3 设计方案3.1.系 统 装 置整 个 装 置 由 ： 车 架 、 定 轴 齿 轮 啮 合 传 动
6、 装 置 、 棘 轮 机 构 、 控 制 器 、 检 测 装 置 、电 动 马 达 、 自 动 报 警 装 置 、 电 源 、 传 动 装 置 等 部 分 组 成 。整 车 三 维 示 意 简 图 如 图 1 所 示 。图 14 理论设计计算越障车行驶时会遇到各种障碍 ,其中最为恶劣的障碍就是垂直障碍 ,所以越障车越过垂直障碍的能力最能体现其越障能力的好坏。下面将通过对越障车越过垂直障碍进行分析，分析其越障能力。G图 2图 3图 3 为硬路面上个前轮垂直越障的受力模型. 由图 3 可知,前轮碰到垂直障碍时有下列平衡方程:水平方向: F3*sin-N1*cos+F1- F4+F2*cos=0竖直
7、方向: F3*cos+N1*sin+N2+F2*sin+N2-G=0以 B 为支点，有： F2*AB+F1* Rsin +N2*R cos-G*R cos-F4*R(1-sin) =0（式中N1 为垂直障碍作用于前车轮上的地面反作用力; N2 , 为轮的地面反作用力; G 为车重; D 为行星车轮上大齿轮的半径;F2 为轮越障时的驱动力. F4为地面对轮的摩擦力，B点为轮与阶梯的接触点，线段BA垂直F2且与F2的延长线交于A点） 。只需取较小的 G, F4,取较大的 F2，由于 BA 较长，很容易使 F2*AB+F1* Rsin +N2*R cos-G*R cos-F4*R(1-sin)0，实
8、现越障。5 工作原理及性能分析5.1 越障原理：车轮采用杠杆原理，由于齿轮的啮合点始终位于远离轴线的地方,在遇到障碍物后，车轮静止，动力源驱动齿轮转动,而此时的动力臂大于阻力臂,比普通车轮有更大的力矩,同时后轮给以驱动力,车轮将会容易攀升，越障成功。5.2 防倒退原理：车体在翻越障碍时，棘轮机构在工作，能有效的防止车轮的回转;如果需要车轮的回转，可以解除棘轮机构工作状态。图机构调整试制样车试制6 创新点及应用6.1 创新点1.本车采用了杠杆原理、定轴齿轮啮合传动，显著提高了车辆的越障能力。2.棘轮机构有效的排除了车轮在越障时可能后退的危险。3.后轮的驱动力有助于越障。4. 作用力偏离轴线，延长
9、力臂，增强越障的能力。5.本车可用于轮椅改造，无人消防车改造，灾害救援车改装，爬楼梯工具改造以及搬运车改造工程。6.2 应用前景本车能有效的实现越障功能功能。它在越障方面卓越的性能，使其可用于轮椅改造，无人消防车改造，灾害救援车改装，爬楼梯工具改造以及搬运车改造工程。本车改变以往普通轮系无法有效越障的缺点。在火灾、水灾、地震、矿难等灾害发生时，能高效的抢救人民生命和财产。综上分析，这种产品具有潜力巨大的市场前景和较高的使用价值，适于推广应用。参考文献1邓宗全,高海波,王少纯,等. 行星轮式月球车的越障能力分析J. 北京航空航天大学学报, 2004, 30 (3) : 197 - 201. 2陈
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