基于ADAMS的水陆两栖车行驶系统的设计

摘 要：文章介绍了一种设计和优化水陆两栖汽车轮胎收回系统的方法。所涉及到的轮胎收回系统参考于德国GIBBS 技术公司研制出的AQUADA水陆两栖汽车轮胎收回系统，通过adams软件建立虚拟模型，然后利用该模型，在各尺寸适当的范围内，以最小驱动力为目标，设置优化项目，最后通过仿真，进行动态分析，得到需求最小驱动力时的机械结构。

关键词：两栖机器人；优化；仿真；动态分析

在现代战争中，水域作战是海洋军队的一块重要领域。在作战中，经常遇到水障碍，目前通过水障碍的方法有很多，例如，在河上建立一座桥梁，或者浮渡，或者直接涉水过河等。其中浮渡是最有效的一种方式，通过浮渡，机械化部队不需要花费太多时间成本和财物成本，甚至不需要考虑气候条件，时间因素等。

作为浮渡的主要工具---水陆两栖车辆，因其具有不可预测性与灵活性，作战时，在一定程度上能起到决定性的作用。因此，在抢滩登陆战中越来越受到广泛的关注。近些年，很多国家都在研究水陆两栖车辆，研究如何将水陆两栖车辆更有效地投入到战斗中使用。

目前，大多数水陆两栖车在进入水中之后，轮胎悬挂在车底下，受到水的阻力，从而限制了两栖车在水中的行驶速度。因此，如何消减轮胎对行驶速度的影响，成为水陆两栖车辆的一大核心研究问题。针对这个问题，此论文设计了一个能将轮胎收回的机构。从而减少轮胎悬挂时对行进速度的影响。

一、水陆两栖汽车轮胎收回机构的结构形式及其工作原理

如图1.1所示，图中43处连接轮胎，连接差速器6 把动力通过动力输出装置7传给转动轴10，然后带动轮胎旋转。动力源通过管29传递到液压缸28，液压缸28通过杆27将转动传递到主传动轴26，主传动轴26两端分别连接杆27及下支杆12，下支杆12一端通过销钉连接到车体2上，另一端通过销钉与支架16底端相连，支架16上端通过销钉20与上支杆11相连，上支架11通过销钉22与车体2相连。[1，2]

因此，当液压缸输出动力通过主传动轴26带动上下支杆将支架16抬起。从而起到把轮胎收回的目的。

为便于分析，先简化模型，根据立体模型，利用ADAMS软件创建一个同等功能的平面模型，以点5为原点，液压缸初始位是竖直的，起到抬起作用的主要部件是支架2、上支杆3、下支杆8 及液压缸4，之后添加约束，创建变量点。如图1.2所示。由于变量点一要与液压缸4保持竖直，所以其X值固定为-250。

车体参数：车重1500KG，载重 500KG，轮胎抬起高度500～700mm， 轮胎最高处倾斜角度450～600。

二、两栖汽车轮胎收回机构的优化设计及分析

对模型进行运动学仿真分析，主要进行抬起试验仿真。进行抬起试验验证所建立的模型是否正确并进行优化设计。根据仿真分析，得到最优化的尺寸。在本设计中，我们所要得到的是液压缸所承受的最小力量，所以，测量部件就为液压缸。设置好后利用ADAMS软件进行模拟仿真，当仿真结束之后，能得出每一次仿真的受力曲线图，如图2.1所示，同时会得出一个列表，在该列表中能清晰反应出每次仿真时的最大受力及每个变量点的值，如图2.2所示

该表也会综合比较出所有仿真值中的最大值及最小值及各值所在的仿真次序。在此轮仿真中，最小受力是在第25次仿真中得出的，其值是3316.4N。查询数据可知第25次仿真时各数值如下：

力值： 3316.4；DV_1： -126.00；DV_2： -270.00；DV_3： 165.00； DV_4： -517.00； DV_5： 81.000。

所以，取在第25次仿真得到的数值，即取变量点一的坐标为（-250，-126）；变量点二的坐标为（-270，165）；变量点三的坐标为（-517，81）。最终确定的结构系统如图2.3

三、液压缸的计算与选择

计算液压缸的主要结构尺寸

液压缸主要设计参数见图3.1，a为液压缸活塞杆工作在受压状态，b为活塞杆工作在受拉状态。

液压缸的缸筒内径D是根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入的流量，经过计算之后，再从GB/T 2348―1993（见表3.1）标准中选取最近的标准值而得出D为63mm合适。

一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为

A1=（F+ P2A2）/P1

运用上式须事先确定A1与A2的关系，或是活塞杆直径d与活塞直径D的关系，这个可按表3.2来选取d/D。再按表3.3圆整。

本设计选择的工作压力P=1.2MPa

即D=63mm d=32mm

液压缸的行程则由上章中可知为 L=70-（-126）=196 mm

计算液压缸工作时所需流量Q

Q=v×A=v×πD2/4=0.01×3.14×0.0632/4=0.0000312m3=31.2 ml

综上，可选用型号为HSJ-63/32200 最大压力为1.2MPa的液压缸。[3，4]

结论与展望

如今虚拟样机技术在主要的工业领域（通用机械、汽车、航空、机械电子等）得到了广泛的运用，它融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需要的能力。

本文仿真研究结果表明，运用虚拟样机技术对水陆两栖汽车轮胎收回机构进行动力学仿真分析可以很好的将机构的各种工况较为真实的反映出来，是一种可行的分析手段，同时也证明使用该项技术为水陆两栖车的设计和实验提供较重要的参考数据，可以大大缩短整机系统的设计周期，节约研制经费。

但是由于水陆两栖车是处于一种新型的产品，虽然在德国有了这种产品，但由于所有真实数据尚处于军事机密当中，该设计只是通过几张实物照片及专利文献来进行模仿研究设计，因此，本文可能会存在一些不足之处，期望有同行校正。

参考文献

[1] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7027851B1[P]，2007.

[2] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7214112B2[P]，2007.

[3] 邱宣怀主编.机械设计.第4版. 北京：高等教育出版社，1997.

[4] 赵明生.机械工程手册.北京：机械工业出版社，1996.

作者简介：黄江安（1985年）男，籍贯：湖南耒阳，现入户深圳龙岗，汉族，大本学历，研究方向：自动化设备。