1、 江苏科技大学苏州理工学院 届毕业设计（论文） 全地貌轻型多功能驱动车轮设计 系 部： 机电与动力工程学院 专业名称： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 作 者 ： 指导教师 ： 年 月 日 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业论文 全地貌轻型多功能驱动车轮设计 Design of all terrain light multi function driving wheel 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 越发复杂的作业环境普通轮式车轮将无法工作，这使得复合式车轮愈发受到了重视。常见的复合式车轮由伸展臂，可重构履带，液压装置，驱动片轮组成，通过内部液压装置，使得
2、轮体形状在轮式和三角式转换，从而可以克服许多麻烦的地势环境。当轮履复合式车轮在良好的路面上行驶时，其与普通车轮无异，保持普通车轮良好的机动性，从而缩短行驶时间；当遇到雪地沙漠等复杂地势时，转变为三角履带式，越障成功后继续恢复轮式状态。 开始，本文着重分析了轮式，履带式，变形式各自的优劣点以及一般使用的情况，提出了完整的思路。分析了关键元件，阐述了其工作 原理和设计理念，其主要包括可重构履带形状，结构，传动机构的结构设计以及传动方式，伸展臂的运作方式，以及液压缸的选择，回路控制。 然后 根据已经提出的机械结构设计要求，利用 UG 三维建模，并检查是否有干涉。 最后，利用有限元软件 ANSYS 进
3、行强度校核，检验是否满足使用要求，优化结构设计，并用 3D 打印机打出样品。 因此。复合式车轮可以通过液压装置的控制实现伸展臂的控制，并在相应的状态下自由切换工作形式，证实了设计的合理，后续可对其他机构做更深入的讨论提供了指导意义。 关键字 ： 全地貌；变形轮；结构设计；有限元分析 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） II Abstract Many ordinary roller wheel can not work due to more and more complicated working environment, which makes people put more a
4、ttention to composite wheel. The ordinary roller consists of arm, reconfigurable tracking,hydraulic equipment, driven wheel. The wheel shape converses wheel to triangle by hydraulic equipment, which makes many terrible situation be overcomed. The complicated wheel drived in ordinary road is the same
5、 to ordinary wheel, which makes time shorten as the flexibility is maintained. When the wheel meet complex topography as dessert, the body converses to triangular and return back to roller after a successful obstacle. Firstly, the article put more attention on the pros and cons of the wheel, crawler
6、 and change-size, and put forward the complete idea, analyses the key elements, expounds its working principle and designing concept, including the reconfigurable tracked shape, structure, trainsmission mechanism, structure design and drive of extended arm, as well as the selection of hydraulic cyli
7、nder, control loop. Then, use the UG of three-dimensional modeling, and check for interference according to the requirements which has been put forward for mechanical structure design. Finally, checking the strength test whether meets the requirements by ANSYS, optimizing the structure design, and p
8、rinting 3Dsamples. Thus, composite wheel can be realized to control the arms by hydraulic equipment, and converse in any conditions freely, and confirm the reasonable of designing, It also provides some guiding to other institutions. Keywords: Landscape; Deformation wheel; Structure design; The fini
9、te element analysis 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 轮式车轮 . 1 1.2.2 履带式车轮近况 . 5 1.2.3 履带复合带轮 . 5 1.3 本文主要研究内容 . 6 第二章 多功能行走机构原理分析 . 7 2.1 轮式变形 . 7 2.2 越障功能的讨论 . 8 2.3 变形轮体结构设计的方案 . 11 2.4 将两种方案作为比 对分析 . 12 2.5 对于可变性履带的原理分析 . 12 2.6 原理的讨论 . 13 2.7 伸展运动的原
10、理分析 . 14 2.8 伸展臂液压原理分析 . 16 2.9 变形轮传动原理分析 . 17 2.10 本章小结 . 17 第三章 轮履式复合结构设计 . 17 3.1 轮履式车轮的设计总体方案 . 17 3.2 轮履式车轮整体设计（结构设计） . 18 3.3 履带的设计 . 18 3.4 履带节的设计 . 18 3.5 驱动轮的分析 . 19 3.5.1 对驱动轮形式的讨论 . 19 3.5.2 齿牙的讨论 . 20 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） IV 3.6 对驱动轮的运动学分析 . 22 3.6 对液压缸的受力分析与相关设计计算 . 23 3.7 伸展机构 整体结构展示
11、 . 24 3.8 传动系统结构设计 . 25 3.9 三角履带轮的驱动片轮设计步骤 . 25 3.10 三角履带轮 的装配步骤 . 30 第四章 变形轮关键零部件的有限元分析 . 33 4.1 引言 . 33 4.2 有限元分析法理论 . 33 4.3 影响有限元精度的因素 . 33 4.4 有限元计算 . 34 4.4.1 有限元计算模型的建立 . 34 4.4.2 单元的选择与划分 . 34 4.4.3 应力分析 . 35 4.4.4 三脚架的有限元分析 . 36 4.5 本章小结 . 37 总结与展望 . 38 1.全文总结 . 38 2.主要研究成果 . 38 3.本文的不同点 .
12、38 4.未来展望 . 38 致谢 . 40 参考文献 . 41 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 及意义 随着科学技术的迅猛发展，人们试图征服着更多，更广的未知领域，车辆就是其中之一。车辆作为车辆关键组成部件来承载着运动，以及车辆与愈发广泛的用途，其近年来的发展更加可观。现如今，我们仔细的观察后，不难得出这样的结论：传统的车轮已经很难来满足现代化作业，如今复杂的地势要求移动车轮具备较高的快速性，灵活性。这点在泥泞的农业里更为显而易见。因此，设计新型车轮乃是现代会生产中的大势所趋。 就目前而言，全地貌式多功能车轮在市面上较为少见，传统的更换式车轮
13、依旧占据着市场的主体地位，其中包括轮式，履带式，足腿式等等。我在腾讯视频上见到一个常见的场景，当车轮到达泥泞场地时，驾驶员不得不换下原来的轮式车轮，换上三角履带式，一段有一段周而复始地前行。这样做的原因早已不是什么秘密，履带式车轮与地面的接触面积较大，附着性越障性较为突出，因此在工程实际作业中履带式车轮有着极为广泛的应用。但其也有一些局限性，其机动性较差，轮体重量大易对地面产生破坏。轮式车轮与其相比有着相反的特点，一般在短时间内即可达到相对理想 的速度，理论技术也比较成熟，制造成本也远低于履带式。可做这样一个试想，利用一个液压装置将而这特点结合，一旦实现的话现场作业的话繁琐程度大大降低。 本课
14、题旨在打破传统的履带轮式分离的观念，设计一种多功能型复合车轮，并保证其外形与普通车轮大小无异，通过液压技术控制，使得其在轮式和三角式转换，这样的话，就可以避免每次作业换车轮的尴尬，某种程度上实现了车辆在正常路面的高机动性与多障碍路面高通过性的兼容问题，鉴于其可以通过液压控制的快速转换，其实际作业环境得以大大扩展，使得灾难救援，战场侦察，行星探测等复杂情况不再难以克服。军事也好，民用也罢，对于相关生产以及作业有着长远而重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 轮式车轮 轮式车轮是一种常见的机构，下面对不同的机构进行一一陈述。 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） 2 （ 1）刚性
15、轮体 刚性轮体在行星探测器中有着广泛的应用，其所工作的环境多为松软等承载力低的条件下，与刚性地面接触是不可取的。 图 1-1 和图 1-2 是美国的月球车，轮子采用网纱状结构，三个钛金环和履带刺连接，组成轮缘，将钢制的网罩罩在轮外，外环也较小，与地面点接触。这样的设计目的在于防尘，但不可避免的是其减震能力欠缺，只能用于沙土地上。图 1-3 为法国设计的 lama1，轮子由圆锥和圆柱组成，性质为刚性轮，在硬度较大的刚性地面上，圆锥部分接触，在较软的地表由圆锥接触，因此得以降低接地比，以至于其通过性较高。图 1-4 是美国的勇气号，机身由铝合金锻造。中间是橙黄色泡沫，起到减轻震动和吸尘作用。 图
16、1-1 美国月球车 图 1-2 网状轮 图 1-3 Lama 机器人 （ 2） 弹性沙地轮 这种车轮设计初衷用在类似于沙漠等松软地表的现场作业。其设计理念借鉴了骆江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） 3 驼脚掌与地表的缓冲增大接触面积等原理。如图 1-4，为单胎式，其分为弹性和刚性，弧形状的弹 簧和轮辐内轮缘搭建起其刚性部分，这使得其能够轻松地在地表上行驶，并且，接地侧偏刚度也较为客观。图 1-5 为双胎式，与单胎式一样，吸震能力较强。图 1-6 为沙地可调式 2，其可以调节测倾角度，从而改变本体形状，以至于改变附着力与牵引力。 图 1-4 弹性双侧胎式 图 1-5 弹性单胎式 图 1
17、-6 弹性可调式 （ 3）变径式轮体 顾名思义，变径式意为半径可以变化，通过特定的机构变化使得半径得以改变。图 1-7 为吉林大学设计的简易版半步行轮，腿的内侧安好弹簧元件，起着减震作用。此结构虽然在凹凸不平的路面上有着显著的越障能力，但其平顺性却难以得到保障。故一家公司提出另一种方案，使用了偏心轮机构，这样得以确保其轮心离地面距离为一个定值，平顺性自然好得多 3，如图 1-8。 江苏科技大学苏州理工学院本科毕业设计（论文） 4 图 1-7 无轮缘半步行轮 图 1-8 偏心轮机构简图 上文讲到过美国的月球车，曾计划圆规脚步行轮，如图 1-9，适时切换轮行以此来适应地面的不平整性。但每一步都通过计算机，控制过于繁杂。 吉林大学还提出过月球车样机，其为可伸缩叶片式，如图 1-10，其组成机构为叶片，弹簧，外圈，叶片与外圈以及内轮相连，弹簧连着内轮，这种设计不但可以满足松软地面上对牵引性能的要求，又能保证其平顺性。 图 1-9 原理型月球车 图 1-10 可伸缩叶片式复式步行轮结构
