四轮野外无人车中心转向计算分析

康亚彪，李庆杰，高世卿，朱庆宇，陶承虎Kang Yabiao，Li Qingjie，Gao Shiqing，Zhu Qingyu，Tao Chenghu

四轮野外无人车中心转向计算分析

康亚彪，李庆杰，高世卿，朱庆宇，陶承虎
Kang Yabiao，Li Qingjie，Gao Shiqing，Zhu Qingyu，Tao Chenghu

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110000）

对自主研制的四轮野外无人车原地转向过程进行受力分析，并推导出原地转向所需的阻力矩、驱动力矩和功率。结合四轮野外无人车试验对计算模型进行验证，证明该计算模型的可行性，对四轮差速转向无人车的结构及动力器件选型具有一定的指导意义。

野外无人车；差速转向；原地转向；计算模型

0 引 言

近年来野外无人车辆采用轮式速差转向技术日益增多，通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向，获得更好的通过性，已有多个品牌采用了轮式速差转向技术。速差转向具有如下优点：（1）当两侧车轮的速度大小相等，方向相反时可实现中心转向[1]，在狭小的空间内可进行转向；（2）与传统车辆相比，车内利用空间更好，可承载更多的乘客或者货物；（3）简化了野外无人车转向的机械操纵系统和结构[2]，效率高、成本低。对四轮野外无人车在不同路面上中心转向（速差转向的一种）进行受力分析和计算，并通过试验验证了计算模型的正确性，为野外无人车结构设计与分析提供一定程度的参考和借鉴。

1 原地转向受力分析计算

1.1 原地转向车轮的受力分析

四轮野外无人车中心转向时的受力分析如1图所示。

四轮野外无人车在水平地面上作逆时针原地转弯运动，前后轮轴距为，左右轮距为，转向时4个车轮所形成的接地面积形心O与整车质心重合[3]，绕O点的角速度为逆时针方向，每个车轮的负荷相等均为/4。每个车轮受到的驱动力大小相等，即

式中：Ft1、Ft2、Ft3和Ft4为每个车轮受到的驱动力，G为整车重量，f为车轮纵向最大附着系数，不同工况下系数不同，数值见表1。

每个车轮的滚动阻力大小相等，即

式中：F1、F2、F3和F4为每个车轮受到的滚动阻力，为车轮滚动阻力系数，不同工况下系数不同，数值见表1。

每个车轮的侧向滑动阻力大小相等，即

式中：1、2、3和4为每个车轮受到的滑移阻力，为车轮滑移阻力系数，不同工况下系数不同，数值见表1。

表1 一般工况下车轮与地面的纵、横向附着系数与滚动阻力系数

1. 2 原地转向的驱动力矩计算[4]

如图1假设逆时针为正，转向时整车受到的驱动力矩为

整车受到的滑移阻力矩为

整车受到的滚动阻力矩为

式中：t1为单个车轮的驱动力矩；1为单个车轮的滑移阻力矩；M1为单个车轮的滚动阻力矩。

将式（1）～（6）代入式（7），可得出

从式（8）中可以看出，实现原地转向功能需满足车辆的轮距和轴距的比值大于1。

1.3 原地转向的功率计算

车辆原地转向时，两侧车轮的速度大小相等，方向相反，绕转动中心转动[5]，所需功率为

式中：为车轮转速，r/min；为车原地转弯时的线速度，m/s；为车轮滚动半径，m；为整车传动效率（包括减速机、链条和轴承）；为车转向所需功率，W。

2 实际计算与实测对比

四轮野外无人车所受重力=15 000 N，轴距=1 100 mm，轮距=1 350 mm。不同工况下无人车原地转向所受的阻力矩计算值和实测值，以及驱动力矩的计算值见表2。

表2 原地转向阻力矩计算值和实测值、驱动力矩计算值

注：①偏差比率=（阻力矩计算值-阻力矩实测值）/阻力矩实测值Í100%。

不同工况下无人车原地转向所需功率的计算值和实测值见表3。

表3 原地转向功率的计算值和实测值

注：①偏差比率=（功率计算值-功率实测值）/功率实测值Í100%。

从表2、表3中可以看出，驱动力矩大于转向阻力矩，符合转向条件；阻力矩与功率的计算值与实测值具有很好的一致性，证明了计算的合理性。

3 结 论

由上述分析和试验测量，得出以下结论：

（1）转向阻力矩由转向时的滑移阻力矩和滚动阻力矩组成，车辆实现原地转向，需要满足驱动力矩大于阻力矩，从结构条件说，车辆实现原地转向，车轮的轮距必须大于其轴距；

（2）原地转向时，车辆的最大驱动力矩由车辆重力、轮距和地面附着系数决定；

（3）转向阻力矩由重力、轮距、轴距、滚动阻力系数、滑移附着系数决定。

[1]赵秀梅. 矿用胶轮车滑移转向分析[J]. 煤矿机电，2017（6）：40-42.

[2]郁录平. 工程机械底盘设计[M]. 北京：人民交通出版社，2004：178-4129.

[3]范永超，柳波，刘湘，等. 滑移装载机原地转向动力学分析[J].机床与液压，2015，43（8）：65-67.

[4]程玉军. WC2型顺槽车滑移转向能力的分析研究[J]. 煤矿机械，2013，34（9）：24-26.

[5]郁录平，张志友. 滑移转向装载机的转向原理分析[J]. 工程机械，2001，32（6）：24-26.

2020-05-19

U463.42.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.012

1002-4581（2020）06-0044-03