第７期 ２０１７年７月 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ １３１ 应用稳定性行星轮式越障机构优化设计 黄艳，潘江如，马 良 ８３００２３） （工程学院，乌鲁木齐摘要：行星轮式越障行走机构可应用于矿产开采运输。针对具有４组行星轮系组成的越障机构，机构轮系可根据不同 地形状况在定轴和行星轮系之间转换。基于机构的行驶可靠性，采用模糊优化相关理论对行星轮系进行优化，确定机构 的最优结构尺寸；建立机构在工作过程中的力学模型和稳定性力学模型。基于ＡＤＭＡＳ建立了行星轮式越障机构虚拟样 机和典型的地面谱（单边越０．４５ｍ障碍、０．４５ｍ壕沟、横坡道转向），对优化后不同工况下机构的稳定性进行分析。结果可 知：行星轮式越障机构通过驱动轮系在定轴轮系和行星轮系间的转换，实现其越障、跨沟、爬坡等不同工况运行；不同运 行工况下，机构的稳定性良好；分析结果为此类结构参数及控制参数确定提供理论基础。 关键词：行星轮式越障机构；模型；地面谱；稳定性；定轴轮系 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１１３．２＋２；Ｕ４６３．２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１７）０７—０１３１－０５ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｗｈｅｅｌ Ｒｕｎｎｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ Ｏｖｅｒｓｔｅｐｐｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ＨＵＡＮＧ Ｙａｎ，ＰＡＮ Ｊｉａｎｇ一１３１，ＭＡ Ｌｉａｎｇ （Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｒｕｍｑｉ ８３００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｗｈｅｅｌ ｒｕｎｎｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｏｖｅｒｓｔｅｐｐｉｎｇ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｅ￣ａｉｎ，ｍｉｎｉｎｇ ａＦｅｏ．Ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｔｈｅ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｗｈｅｅｌ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ４ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆｐｌａｎｅｔａｒｙ ｇｅａｒ ｔｒａｉｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌｓｆｏｒｃｅｆｒｏｍ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｔｒａｉｎ Ｃａｎ ｂｅ ｔｕｒｎｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｆｉｘｅｄ ａｘｉｓ ｅａｇｒ ｔｒａｉｎ ｎｄｐｌａａｎｅｔｒｙ ａｅａｇｒ ｔｒａｉｎ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｆｏｒ ｔｈｅ ｐｌｎｅｔａａｒｙ ｅａｇｒ ｔｒｉａｎ ｆ ｏｔｈｅ ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｊ ｚ ｒｅｌｉｂｉａｌｉｔｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｇｏｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｂｉａｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｏｕｒｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｓｐｅｃｔｒａ 珊ｅｓｔａｂｌｓｉｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＭＡＳ． ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ３０ ｄｅｇｒｅｅ ｓｌｏｐｅ，ｂｉｌｔｅｒａａｌ ０．５５ｍ ｄｉｓｏｒｄｅｒ，ｕｎｉｌｔｅｒａｌａ ０．４５ｍ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｎｄ ０．４５ｍ ｄｉｔｃｈ．Ｔｈｅ ｓｔｂｉａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｃｈａｍｎｉｓｍ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ Ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｐｌｎｅｔａｒａｙ ｗｈｅｅｌ ｅｃｈａｍｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｏｖｅｒｓｔｅｐｐｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｔｒｉａｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎｆｉｘｅｄ ｘｉａｓ ｅａｇｒ ｎｄ ａｔｈｅ ｐｌｎｅｔａｒａｙ ｅａｇｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｂｓｔｃｌａｅ， ｃｒｏｓｓ ｃｈａｎｎｅｌ，ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｎｄ ＳａＯ ｏｒｂ，Ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒｔｉａｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｓｔｂｉａｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｇｏｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎａａｌｙｓｓｉ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｓｕｃｈ ｏｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｗｈｅｅｌ Ｒｕｎｎｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ Ｏｖｅｒｓｔｅｐｐｉｎｇ；Ｍｏｄｅｌ；Ｒｏａｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ；Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；Ｇｅａｒ Ｔｒａｉｎ ｗｉｔｈ Ｆｉｘｅｄ Ａｘｅｓ １引言 行星轮式越障机构由４组行星轮系组成，可根据不同地形 用；文献目搭建机构的多体动力学模型，分析相关参数对整车行驶 稳定性的影响，并对参数进行优化设计；文献 搭建履带式行走机 在模型的基础上对机构遇到不同障碍时的稳定性 状况，驱动轮系在定轴和行星轮系之间转换。该机构非常适合于 构的力学模型，文献噬于ＡＤＡＭＳ建立车辆操纵稳定性模型，对非线 爬坡、越障、跨沟、斜坡转弯等工况，而被广泛应用于地形十分复 进行分析；阻尼等的影响进行分析。 杂和恶劣采矿等领域＿１＿。由于工作环境，机构运行稳定性直接影响 性影响因素橡胶、针对具有４组行星轮系组成的越障机构基于稳定性进行优 工作效率及生产成本。因此，对机构进行优化设计，保证运行可靠 性的前提下，实现良好的越障性能，具有重要意义。 化设计，根据机构的结构特点和工作特性，应用模糊可靠性优化 对机构稳定性的研究学者们取得一定成果：文献嚏立１４自 设计理论对行星轮系进行优化，确定机构的最优结构尺寸；建立 由度的非线性车体模型和地面模型，研究车辆和地面问的相互作 机构在工作过程中的力学模型和稳定性力学模型。基于ＡＤＭＡＳ 来稿日期：２０１７—０１—１１ 基金项目：工程学院科研基金项目（２０１５ｘｇｙ２２１７１２） 作者简介：黄艳，（１９８１一），女，河南长葛人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：机械制造及其自动化； 潘江如，（１９７８一），男，上海人，博士研究生，副教授，主要研究方向：内燃机燃烧与排放控制 ＿２—— 黄艳等：应用稳定性行星轮式越障机构优化设计 第７期 建立了行星轮式越障机构虚拟样机和四种典型的地面谱（单边越 ０．４５ｍ障碍、０．４５ｍ壕沟、横坡道转向），对不同工况下机构的稳定 性进行分析。 轮系距离； 一前桥轴心到质心的距离；６—左轮系的轮心到 质心的距离； 珩星轮行走机构质心的高度；Ｄ—行星轮 轮胎直径； 广行星轮系两轮轴心的距离。 ２行星轮式越障机构模型 ２．１行星轮式机构结构特点 所研究机构进行总体布置，如图１（ａ）所示。机构由左右四组行 由 星轮系组成，均为驱动轮，平地运行时机构为定轴轮系，遇到障碍 时，转化为行星轮系，实现越障功能。前后车体采用铰接式连接，能 够适应较小的转弯半径。行星轮机构传动简图，如图１（ｂ）所示。 Ｆｓｃｏｓａ＋ｆＦ５ｓｉｎａ－￣Ｆ５ｓｉｎａ＋Ｆｌ＋ ＋ ） （ ＋Ｆ４）：０ 识ｃｏｓ ｓｉｎ ｃ０ｓ０ —Ｇ＋ ＝｜Ｄ Ｆ，（ｈｗ－Ｒ）－Ｇ［ｏ＋争＋丢ｃｏｓ（叶子）］ （ 一ｈｗ）＋（１） （ 十 ）［三＋ ＋击ｃ。ｓ（叶子）］’（ （ ＋ ＝｜９ 由几何关系得，ｈｗ＝ （１一ｓｉｎ ） ，ｃｏ￣ａ（ｈ＞Ｌ。），设 ，６＝６ 。 式中：＾ 一障碍物高度；咖 一障碍物附着系数｜厂一障碍物的摩擦 （ａ）总体布置 系数。 ２．３机构动力学方程 机构稳定行驶的动力学方程为：Ａ ｑ＋Ｂｑ＝厂 （２） ∑∑∑ Ｏ ｌｌ Ｏ ＝ Ｏ ： ，ｆ 式中： 、伊一系数矩阵；ｇ—状态坐标列阵ｉ，—输入列阵。 ｍ 一ｒｎ， ｍ，ｈ ０ 导 Ａ＝ ｍ ）ｆ ，０ ０ （ｂ）行星轮传动简图 图１行星轮式越障机构 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ Ｏｖｅｒａｌｌ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｗｈｅｅｌ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｏｂｓｔａｃｌｅ ｍ ｈ ｍ ｈ：ｈＪｒ＋ｍ ｈ ０ ０ ０ ０ １ 丝ｋＬ—— （ｎＺｆ＋ｍ） ｒ 兰 ± ！ 丝一 ２＿２机构力学模型 机构作业时受力，如图２所示。这里以第１个轮系为例进行 驱动轮系转变为行星轮系越障的受力分析。 ，ｒ ｍ，ｈｒ＋ｋ￣ Ｌｒ－ｈｒ）＋ ０ ｋ Ｌ 够一ｋｃｙ－ 对于系数矩阵Ａ、。Ｂ为实非对称阵的微分方程组，其对应的 特征值问题为：（ｓＡ＋Ｂ）Ｑ＝０，当特征值ｓ的实部为０时，此时系统 处于临界状态，对应的车速即为临界车速。 ＝； ㈨ 。 ３行走机构稳定性分析 ３．１单边越障・ 机构单边越障时的受力，如图３所示。 图３单边越障受力图 （ｂ） Ｆｉｇ．３ Ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ｆｏｒｃｅ 图２机构工作时受力 Ｆｉｇ．２ Ｆｏｒｃｅ Ｗｈｅｎ ｔｈｅ Ｂｏｄｙ Ｗｏｒｋｓ 机构在做等速直线行驶时，惯性力Ｐ：Ｏ。由平衡条件得： 走机构在所受 ・图中：Ｇ —行星轮式行走机构整车的重量；晰的动力； 力， １、２，３、４； 曰・ｅ。￣３＋Ｆｙ ・ｈｇ・ｃ。 ＋ ＇．ｓｉｒｄ・孚一 ・ｃ。 ・下Ｂ一 ｉ车轮负荷，ｉ＝１、２、３、４；Ｆｔ卜＿第ｉ车轮驱动 ｉ车轮的滚动阻力，ｉ＝１、２，３、４；Ｄ厂１／２ ・ｓｉｎ／３・ 。・ｈｗ＝Ｏ （３） 模型中各轮的轮心，ｉ＝１、２，３、４；￡—前后桥的轴距；Ｂ—行星 不倾翻的条件为Ｆ 。＞－－０， ＞－－０，即不倾翻的最大 角为： Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ．２０１７ ＝ａｒｃｔａｎ 机械设计与制造 １３３ 罢 ； 。机构等速转向行驶时，设行驶速度 ２ ｎ，４．２齿轮强度可靠度 行星轮系在运行时受力复杂。以对数正态分布作为齿轮应 的联接方程为： 一为 ，转向半径为Ｒ，由于等速曲线行驶而产生离心力 ＝ 当机构向右转向行驶时，由平衡条件得： ‘， 力及强度的概率模型，此时由应力、强度及可靠性指数三者组成 Ｂ。ｃｏ ＋ ｈｇ’ｃｏ￣＋Ｆｙ ｓｉ ‘｝一 ‘ ‘ｃ。 Ｉｎ（Ｏ＇ｍｌｍ／ｏ＂Ｈ） Ｂ—ｇＹｏ￣ｈ ＋ ｝‘ｈｇ＝０ （４） 一Ｖ ＋ Ｉｎ（Ｏ＇Ｆ￣／Ｏ＂ｒ） （１０） 不倾翻的条件为： 。≥０，Ｇｏ－＞０，即不倾翻的临界行驶速 －度为： ＝ （５） 、／ ＋ ， 式中： 、 —齿面接触疲劳极限的均值和齿面接触应力均值； 、３－２双边越障 由于车体对称性，故去左半边模型进行分析，则 （ ＿＝厂）（Ｆｊ＋ ＋ ＋ ）一 ０ ，１， 、 ｃ —接触疲劳极限和接触应力的变异系数； —齿轮弯曲疲劳极限的均值和弯曲应力的均值； —、 弯曲疲劳极限和弯曲应力的变异系数。 ＋ ＋ ＋ 一５ －＝０ 设计中，齿轮材料为３０ＣｒＭｎＳｉ，经调质处理，接触疲劳极限 胁‘ 。 ＋ ）＇ｈｗ－Ｆ３。 ｃ。ｓ 一 （ ｃ。ｓ ＋ ）＋ （ｈｏ＋Ｒ （６） 一 为７４０ＭＰａ，弯曲疲劳极限 为３３９ＭＰａ，求得 和 令： ＋ （ ＋ａｃｏｓ 。ｓｉｎ ）一 ・ ＝ｏ 一 Ｈ－－￣ＺＨ＋４０．＇７＋０．９３，再从正态分布表中查得相应的可靠度： （１１） 【ＺＦ ＋４０．７＋０．９３ ’ ｑｂ（ｚｎ机构稳定条件为 ＞１０。 ，ｔＲ，＝ （ ） ４行星轮系模糊可靠性优化设计 ４．１优化设计数学模型 ４．１．１目标函数 这样便实现了齿轮强度可靠度约束的转化计算。 ４．３求解模型 ４．３．１确定影响Ａ★取值的因素集，因素等级 —研究的行星轮系为中心对称结构，故取其三分之一进行研 究，即中心齿轮１、过渡齿轮２和驱动齿轮３。取中心齿轮齿数 模数ｍ，齿宽ｂ为设计变量，即： ＝ 设计水平；ｐ：一制造水平泓 —材质好坏； —使用条 件；／ｚ 一重要程度； —维修费用，这六个方面构成了影响 取 ］ ＝［ ｂ ｍ］ ，即目标 值的因素集：Ｕ＝｛／ｚ ， ：， ，／ｘ ，／１， ， ｝，分别对于胁（ 从１－６）有 函数为 ）＝ ＝叮Ｔ６ｍ （ ； ：）／４ （７） １，２，３，４，５等五个等级表示从高，较高，一般，较低，低。 平 ，其取值范围是区间［Ｏ，１］，根据 式中： 一中心齿轮、过渡齿轮和驱动齿轮的体积和，ｍｍ。；，ｎ＿一中 ４．３．２确定备择集 心齿轮、过渡齿轮和驱动齿轮的模数，ｍｍ；６一中心齿轮、过 渡齿轮和驱动齿轮的齿宽，ｍｍ；ｚ厂中心齿轮齿数；ｚ厂过渡 设计要求及模糊约束的性质，现规定对隶属度小于０５的不予考 齿轮齿数；ｚ厂＿驱动齿轮齿数。又由几何尺寸条件得， ＝．１＿ 虑，给定备择集如下：Ａ＝（０．６０，０．６５，０．７０，０．７５，０．８０，０．８５，０．９０） ｍ（ｚｌ＋２Ｚ ）；由传动比条件得 ，＝ ： ： ＝ ，代入得： ４．３．３确定因素等级权重集及因素权重集 为准确反映各因素及因素等级对评判对象Ａ的影响，应赋 ｆ（ｘ）： ６ｍ。 ＋１） 一争（ ） ］ ｝ ４．１．２约束条件 齿轮不根切条件： （ｘ）＝１７－ｘ －＜０ －齿宽最小值：ｇ２（ ）＝１０ ＜－０ 模数条件：岛（ ）＝２ ，＜－０ 齿宽系数ｂ／ｍ的范围：５ ６，ｍ １７，得： ｆｇ４（ ）＝５ｘ３ ２－＜０ －（ （ ）＝ ２—１７ｘ３－＜０ －（８） 予各因素及因素等级以不同权重 和Ａ ，现确定因素权重集为： Ａ＝（０．２０，０．２０，０．１５，０．１０，０．１８，０．１７） 实际情况给出各因素等级的权重集：Ａ。＝（０．３５，０．４５，０．２０，０，０）； Ａ ２＝（Ｑ１０，０．３５，０．４５，０．１０，０） ３＿－（０．３５，０．４５，０．２０，０，０） ４＝（０４Ｏ，０．４０， ０．２０，０，０）； （Ｏ，０，０．１０，０．７０，０．２０） （Ｏ，０．１０，０．３５，０．４５，０．１０） ４．３．４进行二级模糊综合评判 根据各因素等级次序对评判对象Ａ的影响，确定各因素的 等级评判矩阵Ｒ ｛ｉ＝１，２，３，４，５，６｝，分别对第ｉ个因素作一级综合 ０ ０ ０ ０．３ ０．６ １．０ ０．６ 得一级模糊综合评判集嘲。 强度约束。设计要求齿轮传动的接触疲劳强度可靠度Ｒ．和 评判，弯曲疲劳强度可靠度 均大于或等于０．９９９，即： ｆｇ６（ ） －ＲＨ－＜０ －【 （ ）＝ 一ＲＦ－＜０ －０ ０ ０．３ ０．６ １．Ｏ０．６０．３ Ｒ ＝ Ｏ Ｏ＿３ Ｏ．６１．Ｏ ０．６０＿３ ０ ０－３ Ｏ．６ １．０ ０．６ ０．３ ０ ０ Ｏ．６ １．Ｏ ０．６ ０－３ ０ Ｏ ０ ； ‘Ｒ （ｉ＝１，２，３，４，５，６） 综上所述，行星齿轮传动的优化数学模型归结为： ｍｉｎｆ（ｘ） ∈Ｒ“；ｓ上ｇ（ ）－＜０（ｉ－＝１，２，…，７） 由 ．构成二级模糊综合评判矩阵 。综合考虑各因素的影 （９） 响，由模糊变换得到二级模糊综合评判结果：Ｂ＝Ａ・Ｒ＝｛０．１０１１， Ｎｏ．７ ｌ３４ 机械设计与制造 不 Ｉ －Ｊｕｌｙ．２０１７ ０．２６６３，０．４７５９，０．５９２９，０．５９１１，０．４１７１，０．１９４９｝按最大隶属原则， 取与二级模糊综合评判集曰中的最大评判指标０．５９２９相对应的 备择集Ａ＝０．７５作为评判结果，即最优截集水平Ａ 为０．７５。 ＝ 牝示 ｛ ｌ ４．４优化结果分析 据上述数学模型，用ＭＡＴＬＡＢ的优化工具箱进行优化，得到 结果，如表１所示。由表可知，模糊可靠性优化设计方法比普通优化 Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ） 设计方法更优越，在保证可靠度的同时，使行星轮系传动机构体积 下降了１４．９％。从设计结果来看，模糊可靠性优化设计方法克服了 ４￣ｔＴＹ法的盲目性，提高设计的合理Ｉ生，得到更加紧凑的结构， （ｄ）前轮系三个轮的角速度 图５越障过程分析结果 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ｎｅｇｏｔｉａｔｉｏｎ 由图可知，由于轮系为同轴驱动，则各轮的角速度变化一致。 显示模糊可靠性优化设计具有良好的效益和较高的应用价值。 表１三种设计方法数据对比 Ｔａｂ．１ Ｄａｔａ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ５基于ＡＤＡＭＳ机构稳定性分析 在ＡＤＡＭＳ／ＶＩＥＷ建立机构模型，如图４所示。 图４机构的虚拟样机 Ｆｉｇ．４ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ５．１ ０．５５ｍ双边越障 双边越障，越障高度为０．５５ｍ，分析结果，如图５所示。 ｝ ｝ ｌ Ｉ， ｉ ｛ ｌ Ｉ Ｉ， ｛ ｉ ｝ ｌ ｝／ ｝ ｌ ｉ ｌ ｙ ｌ ｉ ｛ ｌ ，ｌ ｌ ｉ ｝ 厂｝ ｌ ｛ ｌ Ｉ ／ ｛ ｌ ｛ ｛ Ｉ ， ｝ ｉ ｉ ｌ ｌ ／ Ｉ ｌ ｛ ｌ ｉ ／ Ｉ ｌ ｊ ｌ ’ Ｉ ［ ｉ ｌ Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ） （ａ）质心Ｙ方向位移 ６．０ ９．０ １２０ Ｔｉｍｅ（ｓｅｅ） （ｂ）质心ｘ方向速度 ，系１ 卜 ｌ｛ Ｉ｝ Ｉｌ ＩＩ 』 ｆ● Ｊ ｔ Ｉｌ ｌ ｌｉ Ｉｎｌ １ ．１ 儿 ｌ ＾． Ｉ ｌ Ｉ ＾１．１ｌ Ｉ’’ ｌ ｌ儿ｌ，、ｌＩ， Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ） （ｃ）前、后轮系的驱动力矩 机构启动后，ｎ，￣ｒｊ（ｅ系的轮１与垂直障碍接触时，在驱动力矩作用下， 速度逐渐增大，轮２抬起，定轴轮系变为行星轮系，行星架转动，为 了减小轮３与障碍物的＠－Ｕ￣４３，在程序的控制下，驱动力矩减小，轮 ３与障碍物接触开始越障，驱动力矩又开始增大，这时轮２爬上障 碍物，前轮系越障完成。前轮系越障后，后轮系在平地行走，当后轮 系中的轮４接触障碍后，车体速度降低，趋于０，这时驱动力矩增 大，使轮５抬起，定轴轮系转变为行星轮系，行星轮架转动，轮６与 障碍物物接触，开始越障，角速度急增，当轮４越上障碍后，整个采 矿车越过障碍，质心速度、驱动力矩、角速度均趋于稳定。 ５＿２ ０．４５ｍ跨沟 壕沟宽度为０．４５ｍ，机构跨沟过程分析结果，如图６所示。 ｌ ｌ ＝ 。～—— ｛ ｜ ７ Ｊ ｙ Ｔｉｍｅ（ｓｅｅ） （ａ）质心ｌ，方向位移 ／ ＾ ｜ ＼ ，＼／ 一Ｔ一 、，、 Ｖ Ｔｉｍｅ（ｓｅｅ） （ｂ）质心 方向速度 系］ ●ｎ Ｈ ¨ Ｉ Ｉ・ ， ｝ｆ Ｉ １ Ｊ Ｉ ＩＪｌ Ｉ ＼ ‘ 、 Ｊ Ｉ Ｉ．／ －ｑ 一 Ｉ＼ ， 、八＾ ｙ ｙ Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ） （ｃ）前、后轮系的驱动力矩 Ｔｉｍｅ（８ｅｃ） （ｄ）前轮系各轮的角速度 图６跨沟工况分析结果 Ｆｉｇ．６ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｃｒｏｓｓ Ｄｉｔｃｈ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ．２０１７ 机械设计与制造 １３５ 当轮１落入壕沟时，由于重力的作用，沿着壕沟后壁滑落， 速度和输出功率也很平稳。当采矿车转弯开始后，先向上爬坡，这 速度急增，惯性作用使轮１迅速与壕沟前壁相撞，轮３与壕沟接 期间角速度和输出功率出现小幅振动，当机构转到下坡方向时， 触，由定轴轮系转变为行星轮系，前轮系驱动力矩达到最大值，随 角速度和输出功率比上坡时均有明显的增加，当机构又回到转弯 各项数据恢复到开始状态，趋于平稳。 后驱动力矩、角速度逐渐减小，趋于平稳。后轮系跨沟过程与前轮 起始点时，系基本相同。跨过壕沟后，采矿车速度稳定在Ｏ．８ｒｉｄｓ。 ６结论 针对行星轮式越障机构进行分析，分析其工作过程中的力学 ５．３坡道横向转向 建立一个坡道，使行驶机构在坡道上横向等速直线行驶，速 模型和稳定性力学模型。对机构的行星齿轮传动进行模糊可靠性优 度为ｌｍ／ｓ，在某一时刻，在液压油缸上施加一转向力，使其向坡道 化设计，在满足试用条件的前提下得到更加紧凑的结构，基于 上方转向，转弯半径为５．６７ｍ，这是机构坡道行驶最为危险情况， ＡＤＡＭＳ对系统进行行驶稳定陛能分析和评价。结果可知：（１）采用 机构能够稳定转向的最大坡度角为８。。分析结果，如图７所示。 ｌ——＼ 厂 、 厂 ＼ 、 ／ Ｆｉｍｅ（ｓｅｅ） （ａ）质心Ｙ方向位移曲线 ｌ ｌ ｌ／Ｉ Ｉｆｌ ｌ＾ ．厂 １ Ｉ ｌｆ ｌ ＾，＼ ’ １ ｌ Ｖ ｌ ｌＴｉｍｅ（ｓｅｅ） （ｂ）质心速度曲线 薰墓垂蓊嘲 醯豳圆匡垂萋 蓁 Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ） （Ｃ）前、后轮系的驱动力矩 ｒ…一 』Ｍ二，Ｉ 、一１、 １／ 一 呻 卜ｖ — ● 、 ｛ ｌ｝ ｛ ｉ ｝ ｛ ｉ ｉ ｌｌ ｉ ｉ ｌｌ ｉ ｉ ｝ｉ ｌ ｛ ｝ ｌ ｌ Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ） （ｄ）前轮系的角速度 ，ｌ 轮系４１ ｌ、 一 簇９ ｌ； ＋ ’ Ｉ ：ｔ ｔ １．．Ｉ 厂 ｒ ｌ ，ｚｏ ’ ： ．＾ ｎ ： ●：・ｉ’ ｉ： ｌ｝“ＩＴ 硪 ｉｌ ｝ ！Ｉ Ｉ：】 Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ） （ｅ）后轮系输出功率 图７坡道横向转向工况分析结果 Ｆｉｇ．７ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｔｅｒａｌ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒａｍｐ 由图可知，质心位移和速度曲线来看，机构在８。的横坡道转 向过程中，质心位移和速度有小的波动，但总体行驶比较平稳，没 有失稳现象发生。在等速直线行驶阶段，速度曲线平直，轮系的角 模糊可靠性优化设计方法获得了比常规优化 紧凑的结构。优 化结果可知体积下降约１４．９％，使机构更加紧凑。（２）优化后行星轮 式机构可以顺利且平稳的通过典型的地形。当机构进行爬坡、越障、 跨沟仿真时，虽然车体的质心位移曲线、速度曲线、驱动力矩、角速 度和输出功率曲线在某些阶段发生波动，但是总体上是平稳的，并 且在爬坡、越障、跨沟结束，机构行走到平地后速度都能稳定到 ０．８ｍ／ｓ附近，车体质心颠簸也近似为０。这说明机构在工作的稳定眭 是有保证的，能够实现各种地面的行走。（３）分析结果表明所搭建的 力学模型和采用模糊可靠性优化设计方法对行星轮系的齿轮结构 尺寸进行优化的准确性与可靠性，为同类设计研究提供参考。 参考文献 ［１］Ｓｕｇａｈａｒａ Ｙ，Ｙｏｎｅｚａｗａ Ｎ，Ｋｏｓｕｇｅ Ｋ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｓｔａｉｒ—ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｂｌｅ ｗｈｅｅｌｅｄ ｆｏｕｒ－ｂａｒ ｌｉｎｋａｇｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１０，２９（７）：３３３３—３３３９． 【２ Ｊ Ｍｉｙａｇｉ Ｍ，Ｕｃｈｉｄａ Ｔ，Ｋｏｍｅｄａ Ｔ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｔａｉｒ Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｗｈｅｅｌｃ－ ｈａｉｒ ｗｉｔｈ Ｌｅｇ＆Ｗｈｅｅｌ Ｓｙｓｔｅｍ（２ｎｄ Ｒｅｐｏｒｔ）：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｔａｉｒ Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｔｅｓｔｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｉｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ［Ｊ］ｄｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｊａｐａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８（６４）：８４０—８４４． ［３］Ｋａｍｂｌｅ Ｎ Ｐ，Ｓｕｊａｔｈａ Ｓ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ‘Ｙ’Ｗｈｅｅｌ Ｓｔａｉｒ Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．２０１５（７８６）： ２６９－２７４． ［４］Ｗａｎｇ Ｚ Ｌ，Ｈｕ Ｙ Ｊ，Ｃｈｅｎ Ｙ Ｗ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏ—Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｆｌｉｐ Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｔａｉｒ—Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒ［Ｊ］． Ｋｅｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，６２１（６２１）：３７２－３７７． ［５］郭会珍，谭长均，陈俊锋．基于ＡＤＡＭＳ的行星轮系动力学仿真［Ｊ１．机 械传动，２０１３，３７（５）：８６—８９． （Ｇｕｏ Ｈｕｉ—ｚｈｅｎ，Ｔａｎ Ｃｈａｎｇ－ｊｕｎ，Ｃｈｅｎ Ｊｕｎ—ｆｅｎｇ．Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｇｅａｒ Ｔｒａｉｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＡＭＳ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｒａｎ— ｓｍｉｓｓｉｏｎ，２０１３，３７（５）：８６—８９．） ｌ６ｊ Ｋｉｍ Ｂ Ｓ，Ｋｉｍ Ｓ Ｈ，Ｌｅｅ Ｊ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｔａｉｒ－Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｗｈｅｅｌ Ｔｙｐｅ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ ｉｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ［Ｊ１］＿Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９５，２７（５）：１２３８—１２４２． ［７］高海波，孟庆鑫，邓宗全．月球车用行星车轮的优化设计ｆＪ］．哈尔滨工 业大学学报，２００６，３８（６）：８４３—８４７． （ＧａｏＨａｉ—ｂｏ，ＭｅｎｇＱｉｎｇ－ｘｉｎ，ＤｅｎｇＺｏｎｇ－ｑｕａｎ．Ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｐｌａ— ｎｅｔａｒｙｗｈｅｅｌ ｏｆｌｕｎａｒ ｒｏｖｅｒ［Ｊ］Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００６，３８（６）：８４３—８４７．） ［８］冯雅丽，马佳珍，张文明．深海采矿机行星轮式行走机构越障行为［Ｊｊ＿ 北京科技大学学报，２００９，３１（７）：９２３—９２８． （Ｆｅｎｇ Ｙａ－ｌｉ，Ｍａ Ｊｉａ－ｚｈｅｎ，Ｚｈａｎｇ Ｗｅｎ—ｍｉｎｇ．Ｏｂｓｔａｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｗｈｅｅｌ ｍｉｎｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｅａ ｂｅｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｉｖ－ ｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，２００９，３１（７）：９２３－９２８．） ［９］，张子达．铰接式车辆行驶稳定性的理论分析与数值计算［Ｊ］．吉 林大学学报：工学版，２００４，３４（３）：３６７—３７２． （Ｌｉｕ Ｇａｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｚｉ—ｄａ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ—ｆｌａｍｅ ｖｅｈｉｅｌｅｓ［Ｊ￣．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎ— ｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ），２００４，３４（３）：３６７—３７２．） ［１Ｏ］乔桂玲，薛山，张文明．行星轮式行走机构的设计［Ｊｊ．机械设计与制 造，２００９（１）：２７－２８． （Ｑｉａｏ Ｇｕｉ—ｌｉｎｇ，Ｘｕｅ Ｓｈａｎ，Ｚｈａｎｇ Ｗｅｎ—ｍｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｗｈｅｅｌ ｍｉｎｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｅａ ｂｅｄ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａ－ ｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００９（１）：２７—２８．）
