基于轮式和履带式两种行进方式的可变形轮胎*

韩校粉，孙立明，李志尊，王 艳

（陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄050003）

1 研制背景

当前主流越野车的行进方式主要有两种，分别是轮式和履带式，轮式车辆行进速度快，但是越野能力差；履带式车辆越野能力强，但是行进速度不高。例如，雪地越野车能适应雪地路段，越障能力比较强，但在平直路段上，无法提供较快的行进速度；轮式越野车在平直路段上能获得较快的速度，但极难跨越较高障碍物，越障能力不足，且在面临湿滑路段或泥泞路段时，轮胎容易打滑，甚至陷入泥潭，影响车辆的行进。针对这些轮胎存在的不足之处，提出一种可变形轮胎，它是融履带式与轮式为一体的新型轮胎，可直接装配在当前车型上，大幅度提升车辆对各种地形的适应能力。设计思路如图1 所示。

图1 可变形轮胎设计思路

2 技术路线

为圆满地完成设计任务，在研究过程中采用理论研究、三维仿真和样品制作相结合的方法，经过调研、设计、仿真、制作、检验等步骤，制作出一种可实现轮式和履带式两种行进方式的可变形越野轮胎。采取的技术路线为：广泛开展技术调研；对调研材料进行综合分析，初步确定变形方式；通过三维仿真，优化变形方式及整体结构；购买螺栓、轴、轴承、套筒等标准零件，利用快速成型设备打印构件，进行装配调试，制定使用说明书规范。该技术路线具体如图2 所示。

3 功能结构

3.1 整体结构

该轮胎主要由控制模块、传动模块、变形模块、履带式外轮胎四部分组成，如图3 所示。控制模块主要是利用电机控制动力主轴的转动，从而实现动力的输送，使轮胎运转，利用舵机带动变形模块运动，实现轮胎形状的改变；传动模块的作用是将电机主轴的运动和动力传递到轮胎上，主要是利用齿轮的啮合与分离，在动力源不变的情况下，实现轮胎整体运转和履带单独运转两种运行模式，如图4 所示；变形模块的动力由舵机提供，主要是利用齿轮连杆组合机构控制轮胎的变形，使变形前后轮胎的周长保持相等，实现最佳越障性能；履带式外轮胎在变形模块和传动模块共同的作用下，实现履带轮与履带链固化、履带轮与履带链相对运动两种状态。

3.2 控制模块

控制模块主要由单片机，电机，舵机组成。舵机的型号为MG996R 型180 度可控转角舵机，主要作用是提供动力，带动变形模块运动，实现轮胎形状的改变；单片机采用ArduinoUNO 型单片机，主要作用是控制舵机和电机的运动；电机采用的型号是33GA-365 直流减速电机，主要作用是为整个轮胎的运行提供动力。最终采用遥控实现对车轮的控制，遥控采用Arduino 自带的红外收发模块实现，通过接收不同的按键信号控制轮胎成为不同的形态。

图2 可变形轮胎技术路线

图3 可变形轮胎对应圆形形态时的立体结构模型图

图4 可变形轮胎两种行进方式

3.3 传动模块

这一模块由中央十字轴、动力主轴、锁止齿轮轴、传动齿轮轴、主动齿轮轴五部分组成，如图5 所示。当电机提供动力时，带动动力主轴进行转动，当机构处于轮式运转状态时，传动齿轮轴与主动齿轮轴上的锥齿轮处于分离状态，切断履带轮的动力传递，传动齿轮轴、锁止齿轮轴、主动齿轮轴及动力主轴上的五个锥齿轮处于抱紧锁死状态，整个车轮以相同的速度运转；在变形机构的作用下，当机构处于履带式运行状态时，如图6 所示，锁止齿轮轴发生移动，与动力主轴上的锥齿轮脱离啮合，传动齿轮轴与主动齿轮轴上的锥齿轮啮合，此时的运动传递路线为动力主轴-传动齿轮轴-主动齿轮轴-履带链，履带链相对车体发生运转，实现履带式运转状态。

图5 可变形轮胎传动模块的组成（轮式）

3.4 变形模块

整个变形模块共包括两个曲柄滑块机构1，两个曲柄滑块机构2 和一个齿轮机构，曲柄滑块机构1 和曲柄滑块机构2 间隔90°与中央十字轴相连，相对中央十字轴做相对移动，具体结构如图7 所示。舵机齿轮和转动圆盘形成齿轮机构，缩短轴、连杆1、转动圆盘及中央十字轴形成曲柄滑块机构1，伸长轴、连杆2、转动圆盘及中央十字轴形成曲柄滑块机构2。当舵机提供动力，驱动舵机齿轮转动时，通过齿轮的啮合带动转动圆盘运转，转动圆盘相当于曲柄，通过连杆1、连杆2 分别驱动缩短轴和伸长轴相对中央十字轴做相对移动，从而实现轮胎的变形，支撑杆1 和支撑杆2 可提高变形前后轮胎的稳定性和坚固性。

图6 可变形轮胎传动路线（履带式）

图7 可变形轮胎变形模块的组成

图8 可变形越野轮胎履带式外轮胎的组成

3.5 履带式外轮胎

这一模块由主动履带轮，从动履带轮及履带链及橡胶外履带（图中未显示）组成，如图8 所示。主动履带轮通过轮齿与履带链相啮合，能保证传动的平稳性，从动履带轮主要起支撑作用，在履带链的外围有一圈橡胶外履带，主要用于和地面接触，增大接触面积，提高抓地能力。当轮胎以轮式状态行进时，整个机构固化，主动履带轮与履带链没有相对运动，变形后，主动履带轮动力接通，带动履带链运动，实现履带式运行状态。

通过模型制作与实验，该模型能够初步实现所需功能，可以灵活转换运行方式，实现轮式和履带式两种行进方式。

4 创新点

该设计主要包括了三个创新点。首先，提出了一种可变形轮胎，巧妙利用周长不变的特点，实现轮式和履带式两种行进方式。其次，利用齿轮传动系统，实现变形模块与传动模块的固联，使履带与轮毂固化，同速转动。最后，通过齿轮连杆组合机构，控制轮胎的变形及传动路线的改变。

5 结束语

该可变形轮胎可提高普通越野车辆对各种地形的适应能力。在一般的平坦路面，利用齿轮传动系统，实现变形模块与传动模块的固联，使履带与轮毂固化，轮胎以轮式运转，可以获得较快的行进速度；在沙地、草地、雪地、山地等地形，通过齿轮连杆组合机构，控制轮胎的变形及传动路线的改变，轮胎以履带式运转，可以获得较好的越野能力，通过性强。该产品具有机械结构简单、变形响应快、机动性高、适应多种复杂地形等特点，可军民两用，可用于一般的车辆上，也可小型化，满足反恐、排爆、搜索、救援、侦查等任务，市场前景广阔，经济效益可观。