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、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1
4 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。
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*sinß-N1*cosß+F1- F4+F2*cosφ=0
竖直方向: F3*cos ß+N1*sinß+N2+F2*sin+N2-G=0
以B 为支点，有： F2*AB+F1* Rsinß +N2*R cosß-G*R cosß-F4*R(1-sinß) =0
（式中N 1 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* Rsinß +N2*R cos ß-G*R
cos ß-F4*R(1-sinß)>0，实现越障。
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]陈世荣, 许旻, 汪义平, 等. 轮式机器人越台阶控制与仿真[J].机械设计, 2007, 24 (1) : 13 - 15.
[3]机械设计手册编委会. 机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.
[4]刘会英，杨志强. 机械基础综合课程设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
[5]陈 欣, 孙园园, 蒋美华, 等. 高机动性多轴车辆越障性能分析模型研究[J]. 军事交通学院学报, 2010,12 (2) : 54 – 57.
[6]胡明, 邓宗全, 王少纯, 等. 月球探测与移动系统的关键技术分析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2003, 35(7) : 795 – 798.
[7]白师贤. 高等机构学[M ]. 上海:上海科学技术出版社, 1988: 1 – 3.
[8]陈 欣, 孙园园, 蒋美华, 等. 高机动性多轴车辆越障性能分析模型研究[J].军事交通学院学报,2010,12(2):54-57.
[9]张建民. 机电一体化系统设计[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 1996
[10]岳荣刚, 王少萍, 焦宗夏, 等. 一种新型轮爪式车轮设计与性能仿真[J].北京航空航天大学学报,2007,33(12):1408-1411.
[11]饶振纲. 行星齿轮传动设计「M].北京:化学工业出版社，2003.
[12]B.H.库德单亚夫采夫. 行星齿轮传动乎册[M].陈启松，张展，江耕华，等译. 北京:冶金工业出版社，1998.
[13]林建德, 陈小安. 行星轮系传动效率与自锁分析的新方法[J]. 机械工程学报,2004, 40
(9):33~37.
[14]杨实如, 段钦华. 周转轮系的内力矩、功率流与自锁[J].机械科学与技术，2004,23 ( 2) :189-191.
[15]土述彦. 行星轮系效率及自锁分析[J].机械科学与技术，2000, 19 (1):59-63.
[16]Tsai L W. An application of the linkage characteristic polynomial to the topological synthesis of epicycle gear trains [J].Journal of Mechanisms, Transmission and Automation in Design .1987, 109:329-336.
[17]韩玉龙·Pro/ENGINEER 工业设计应用案例——仿真车设计 清华大学出版社 2006.04
[18] 林清安 Pro/ENGINEER系列书籍
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、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1
4 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。
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*sinß-N1*cosß+F1- F4+F2*cosφ=0
竖直方向: F3*cos ß+N1*sinß+N2+F2*sin+N2-G=0
以B 为支点，有： F2*AB+F1* Rsinß +N2*R cosß-G*R cosß-F4*R(1-sinß) =0
（式中N 1 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* Rsinß +N2*R cos ß-G*R
cos ß-F4*R(1-sinß)>0，实现越障。
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]陈世荣, 许旻, 汪义平, 等. 轮式机器人越台阶控制与仿真[J].机械设计, 2007, 24 (1) : 13 - 15.
[3]机械设计手册编委会. 机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.
[4]刘会英，杨志强. 机械基础综合课程设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
[5]陈 欣, 孙园园, 蒋美华, 等. 高机动性多轴车辆越障性能分析模型研究[J]. 军事交通学院学报, 2010,12 (2) : 54 – 57.
[6]胡明, 邓宗全, 王少纯, 等. 月球探测与移动系统的关键技术分析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2003, 35(7) : 795 – 798.
[7]白师贤. 高等机构学[M ]. 上海:上海科学技术出版社, 1988: 1 – 3.
[8]陈 欣, 孙园园, 蒋美华, 等. 高机动性多轴车辆越障性能分析模型研究[J].军事交通学院学报,2010,12(2):54-57.
[9]张建民. 机电一体化系统设计[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 1996
[10]岳荣刚, 王少萍, 焦宗夏, 等. 一种新型轮爪式车轮设计与性能仿真[J].北京航空航天大学学报,2007,33(12):1408-1411.
[11]饶振纲. 行星齿轮传动设计「M].北京:化学工业出版社，2003.
[12]B.H.库德单亚夫采夫. 行星齿轮传动乎册[M].陈启松，张展，江耕华，等译. 北京:冶金工业出版社，1998.
[13]林建德, 陈小安. 行星轮系传动效率与自锁分析的新方法[J]. 机械工程学报,2004, 40
(9):33~37.
[14]杨实如, 段钦华. 周转轮系的内力矩、功率流与自锁[J].机械科学与技术，2004,23 ( 2) :189-191.
[15]土述彦. 行星轮系效率及自锁分析[J].机械科学与技术，2000, 19 (1):59-63.
[16]Tsai L W. An application of the linkage characteristic polynomial to the topological synthesis of epicycle gear trains [J].Journal of Mechanisms, Transmission and Automation in Design .1987, 109:329-336.
[17]韩玉龙·Pro/ENGINEER 工业设计应用案例——仿真车设计 清华大学出版社 2006.04
[18] 林清安 Pro/ENGINEER系列书籍