6×6特种无人地面车辆越障性能研究

摘 要：为了研究6×6特种无人地面车辆的越障性能，介绍了一种轮式行走机构，建立了越障性能分析模型，对在无主动力矩和带主动力矩两种情况下摆臂悬架车辆的越障能力进行对比研究，分析了不同参数条件以及不同摆臂主动力矩对无人地面车辆越障性能的影响，并通过ADAMS软件进行仿真。结果表明，在车桥上施加主动力矩可以大幅提高该样车的越障性能，为无人地面车辆越障性能研究及车辆设计工作提供了重要的理论依据。

关键词：轮式行走机构；无人地面车辆；越障性能

中图分类号：U461.5文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.04.03

越障性能是无人地面车辆的基本性能。车辆在越野过程中会遇到各种障碍，其中典型的障碍是垂直障碍。因此本文对6×6垂直特种无人地面车辆跨越垂直障碍的性能进行分析研究。

对于普通车辆来说，在实际行驶过程中，如果垂直障碍高度超过车轮半径的话，车辆是难以跨越的。然而，无人地面车辆由于其特有的轮式行走机构（见第1节），能够通过施加主动力矩调节摆臂的扭转角度，从而使车轮抬离地面，变相地增大车轮半径，帮助其跨越障碍。

1 轮式行走机构简介

整个车辆系统[1]，如图2所示[图2（c）、（d）分别为图2（a）、（b）摆臂处的放大图]，由车厢1、车轮2以及位于两者之间的行走机构组成。用于驱动摆臂的旋转油缸3固定于车厢的内侧，每个旋转油缸都可以单独控制，以便将转矩传递至相应的摆臂4。转矩传递路线为旋转油缸3的传动轴―花键套筒5―星型套筒6―减振橡胶块7―带凹槽的摆臂4。橡胶块7是缓冲减振的重要部件，在车辆受力的情况下，橡胶块会受到挤压变形，其力学特性将决定缓冲减振性能的好坏。摆臂的最大摆角靠设置于车厢外侧的限位块11来限制。摆臂的旋转由专门设计的旋转油缸来驱动，旋转油缸可以实现约280°范围的旋转，即单向最大摆角约140°，这对越障十分有利，在一定程度上解决了轮式车辆越障性能受到的限制。该行走机构的车轮选用轮毂电机单独驱动。车辆越障分解过程如图3所示。

2 越障模型[2-5]

在建立模型之前，首先作如下假定。

（1）各摆臂与车身铰接点在同一直线上。

（2）水平地面和障碍接触面的附着系数相同，且车轮为刚性轮，车轮及摆臂重量均不计。

为了便于表示，在越障过程中，设各轮所受地面法向力为Fi；各摆臂橡胶弹簧提供的反力矩为Ti；各摆臂施加的主动力矩为；橡胶弹簧的角位移为Δθi；摆臂摆角为（i=1，2，3分别表示前轮、中间轮、后轮），障碍高度为h；地面附着系数为φ，车身倾斜角度为β。

下面根据不同摆臂回转工况分别进行分析研究，其中摆臂回转工况A表示摆臂无施加主动力矩的无人地面的越障工况，摆臂回转工况B表示摆臂有施加主动力矩的无人地面的越障工况。

2.1 摆臂回转工况A的无人地面车辆越障模型

2.1.1 平衡状态

无人地面车辆在水平路面只受重力作用时，其受力模型如图4所示。设各摆臂平衡位置摆角为π/6（前摆臂向前摆，中间摆臂和后摆臂向后摆）。

由图4可求得竖直方向（z方向）作用力平衡方程及对前轮轮心的力矩M平衡方程，即

另外，对各摆臂列力矩平衡方程，有

式中，k1、k2、k3分别为前摆臂、中间摆臂及后摆臂橡胶弹簧刚度，N・mm/rad。

由于橡胶弹簧的刚度是非线性的，为了便于计算，且考虑该车的实际行驶工况，并结合以上方程的约束，设定各摆臂橡胶弹簧等效刚度为

k1=9.346 9×106（N・mm/rad），

k2=1.024 1×107（N・mm/rad），

k3=7.664 9×106（N・mm/rad）。

已知该无人地面车辆的原始设计参数为

G=16 000 N，R=375.2 mm，L2=1 241.5 mm，

L3=2 490 mm，L=386.7 mm，a=1 245 mm。

代入式（1）和式（2），解得各轮所受地面反作用力为

F1=5 487.5 N，F2=6 012.5 N，F3=4 500 N。

以此求得摆臂橡胶弹簧的角位移为

（约0.14 rad）。

2.1.2 前轮越障

前轮越障受力模型如图5所示。

由图5可求得车辆行驶方向（x方向）、竖直方向（z方向）作用力及对前轮轮心的力矩M平衡方程式，如下：

式中，。

前轮越障时，车体与各摆臂的夹角将产生微小变化，由于中间轮和后轮在同一水平地面，且摆臂的压缩方向相同，因此可近似地认为

。

又有橡胶弹簧刚度、载荷与角位移的关系

。

通过以上方程，运用MATLAB软件[4]可得出前轮跨越垂直障碍的高度与车轮半径的比值h/R跟地面附着系数φ、质心到前摆臂与车身铰接点水平距离a的关系。

（1）h/R与地面附着系数φ的关系如图6所示。

由图6可知，地面附着系数φ越大，车辆越障高度越大。当地面附着系数在0.2～0.5之间时，其对车辆越障能力的影响最为明显。当附着系数达到一定值时，前轮可跨越大于车轮半径R的垂直障碍（在图示给定参数的情况下，当φ=0.5时，h ≈ R）。为了更好地优化结构，取φ=0.4。

（2）h/R与车辆质心到前摆臂与车身铰接点水平距离a的关系如图7所示。

由图7可看出，在其它条件不变的情况下，随着质心位置向后移动，车辆越障高度越来越高。刚开始在距离前摆臂铰接点0～500 mm范围内时，质心位置对车辆越障能力影响较小，随着距离越来越大，对越障能力的影响也越来越大，在距离1 000～2 000 mm时达到最大，随后趋于平缓。

2.1.3 中间轮越障

中间轮越障受力模型如图8所示。

由图8可求得车辆行驶方向（x方向）、竖直方向（z方向）作用力的平衡方程及对后轮轮心的力矩M平衡方程，如下所示。

式中，；h0为质心到摆臂铰接点连线的

距离，mm。

当中间轮越障时，车体与各摆臂夹角产生变化，由几何关系得

。

又有橡胶弹簧刚度、载荷与角位移的关系：

通过以上方程，可得到中间轮越障时车辆垂直越障高度与地面附着系数φ的关系，如图9所示。

由图9可知，地面附着系数φ越大，车辆垂直越障高度值也越大。当地面附着系数在0.2～0.6之间时，其对车辆越障能力影响最为明显，且当附着系数达到一定值时，中间轮可跨越大于车轮半径的垂直障碍（在图示给定参数情况下，当φ=0.55时，h ≈ R）。

2.1.4 后轮越障

后轮跨越垂直障碍的受力模型如图10所示。

由图可求得车辆行驶方向（x方向）、竖直方向（z方向）作用力的平衡方程及对后轮轮心的力矩M平衡方程，如下所示。

式中，。

当后轮越障时，车体与各摆臂之间夹角产生变化，由几何关系得

。

又有橡胶弹簧刚度、载荷与角位移的关系

通过以上方程，可得到后轮垂直越障高度与地面附着系数φ的关系如图11所示。

由图11可知，地面附着系数φ越大，垂直越障高度也越大。当地面附着系数在0.2～0.5之间时，其对车辆越障能力影响最为明显，当附着系数达到一定值时，车辆后轮可跨越大于半径R 的垂直障碍（在图示给定参数情况下，当φ=0.55时，h ≈ R）。

综合以上各图的分析结果可知，在无主动力矩的情况下，随着地面附着系数φ由0增至1，前轮、中间轮及后轮越障高度都随之增加。在相同附着系数条件下，车辆中间轮越障高度最大，后轮次之，前轮最小。因此，在一定地面附着系数的条件下，车辆前轮越障高度即是无人地面车辆整车越障高度。

2.2 摆臂回转工况B的无人地面车辆越障模型

2.2.1 平衡状态

无人地面车辆为实现前轮的抬起，必须让中间摆臂向前摆动，使车辆质心位于中间轮轮心和后轮轮心之间，才能保持车体的平衡。在重力作用下必然导致摆臂橡胶弹簧发生扭转，使中间摆臂和后摆臂与车体之间的夹角发生变化，造成车身向前倾斜，如图12所示。

在的作用下，前轮抬起离地，假如此时中间摆臂和后摆臂都没有施加主动力矩，车辆在橡胶弹簧的作用支承下处于静止平衡状态。由图12可求得竖直方向（z方向）作用力的平衡方程及对质心的力矩M平衡方程，即

。

对中间轮和后轮摆臂列力矩平衡方程，有

。

又由几何关系式有

。

联立式（12）、（13），式（14）代入k2、k3解得

，，，。

由结果可知，前轮抬起离地后，中间车轮承担82.3%的车身载荷，中间摆臂摆角为0.92 rad（约合52.7°）。后摆臂摆角为0.6 rad（约合34.4°），车身向前倾斜。因此，为保证车辆的行驶安全稳定性，需在中间摆臂及后摆臂施加主动力矩，使车体保持水平平衡状态。

下面讨论为使车体保持水平平衡状态，并且中间和后摆臂处于平衡角度π/6，所需施加摆臂主动力矩的大小。设中间摆臂和后摆臂施加的主动力矩分别为和，则有

。

将两摆臂弹簧刚度k2、k3以及式（14）中角位移Δθ2、Δθ3代入式（15），即可求得

=4 096 400 N・mm，=613 192 N・mm。

如图13所示，在施加主动力矩和以后，车身保持水平平衡姿态，摆臂橡胶弹簧不发生扭转，没有产生反力矩。

2.2.2 前轮越障

下面对前轮越障过程进行研究，其受力分析如图14所示。

由图可求得车辆行驶方向（x方向）、竖直方向（z方向）作用力的平衡方程及对前轮轮心的力矩M平衡方程，如下所示。

式中，；h'为车辆越障时前轮抬起高度。

前轮越障时，车体与各摆臂之间夹角发生变化，由于中间轮和后轮在同一水平面，且摆臂的压缩角度很小，因此可近似为

。

在主动力矩作用下，前轮抬离地面高度为h'，则有关系式

。

且有橡胶弹簧刚度、载荷与角位移的关系

联立式（16）、（17）、（18）、（19），将 k1、k2、k3及、、代入其中，即可得到在不同附着系数下，车辆越障高度与前轮抬起高度h'（前摆臂力矩）的关系，如图15所示。

上文已介绍，该轮式行走机构单向最大摆角为140°（ h' ≈ 631 mm），因此文章只研究前轮0～600 mm抬起量时车辆的越障能力。由图15可以看出，随着前轮抬起量的增加，无人地面车辆垂直越障高度呈现线性增长状态。在附着系数较小的情况下，其对车辆越障能力的影响较大，随着附着系数的不断增大，越障高度的增幅也不断减小。

比较图6和图15可知，不管附着系数φ为何值，当前轮抬起量h'=0时，车辆的越障高度都比无摆臂主动力矩的越障高度高，这一方面是由于无人地面车辆结构上的变化（为了保持车体的稳定，中间摆臂向前摆动），另一方面是由于中间摆臂和后摆臂为了保持车身平衡所施加的主动力矩、。

2.2.3 中间轮越障

由图16所示的分析模型中可知，无人地面车辆在摆臂主动力矩的作用下，各轮摆到图示的相应位置：前摆臂和后摆臂同时处于竖直状态，中间轮摆到与车身底部相切于O点。假设此时车辆能够成功跨越障碍，要使该障碍高度即是无人地面车辆在此附着系数下中间轮所能跨越的极限障碍高度，则需要满足以下条件。

（1）中间轮与垂直障碍恰好能够接触，接触点也为O点。

（2）后轮与地面之间没有力的作用，地面给前轮和中间轮提供的摩擦力足以保持车辆的稳定。

如果以上两个条件得到满足，下一时刻在中间摆臂主动力矩的作用下，车体可缓慢抬起并向前运动，最终实现越障过程。下面先求出此时的垂直障碍高度h。

由图17可求得车辆行驶方向（x方向）、竖直方向（z方向）作用力的平衡方程及对中间轮轮心的力矩M平衡方程，如下所示：

式中，LG为质心G到中间轮轮心的距离，mm；

。

又由图示几何关系，有

。

为了研究的方便，将中间车轮单独进行受力分析，如图16所示。则有

。

式中，h0为车辆质心到摆臂铰接点连线的距离。

联立式（20）、（21）、（22），即可得到车辆越障高度与地面附着系数φ的关系，如图18所示。

图18中曲线分别对应h0=100 mm、h0=200 mm以及h0=300 mm时，中间轮在不同附着系数下的极限越障高度。由图可以看出，对于中间轮越障，地面附着系数越大，车辆越障高度越高，并且地面附着系数在较小的范围（小于0.5）时，对车辆的越障性能影响较大。车辆质心到摆臂铰接点连线的距离h0越小，车辆越障高度越高。

2.2.4 后轮越障

如果前轮和中间轮已经成功越上障碍，则通过摆臂主动力矩的作用，前轮和中间轮竖起，车辆继续向前行驶，后轮就可以轻松跨越障碍。

3 越障过程仿真研究

本研究对车辆虚拟样机模型进行如下设计：车体与摆臂之间添加了线性弹簧，替代纵向摆臂式悬架行走机构中扭转弹簧的作用，车轮采用圆柱体代替，运动副采用旋转副，车轮和地面之间的作用采用接触力进行处理，驱动力为施加在车轮上的力矩。在ADAMS中的虚拟样机模型如图19所示。该车体模型的主要参数如下：车体长3 090 mm，宽1 527 mm，高1 013 mm，摆臂长386.7 mm，车轮半径为375 mm。

3.1 摆臂回转工况A的无人地面车辆

由于所建立的摆臂回转工况A的无人地面车辆越障模型都为静力学越障模型，因此无论是地面附着系数φ，还是质心到前摆臂与车身铰接点水平距离a，当其达到一定值时车辆的越障高度将达到或超过车轮半径，这在实际行驶过程中是难以实现的。因此下面将首先建立摆臂回转工况A的无人地面车辆虚拟样机越障模型进行分析与仿真。

3.1.1 越障高度h=200 mm

（1）车体速度变化

图20表明车辆在给定速度下能顺利跨越高度为200 mm的障碍。在前轮碰触障碍时，车体速度明显下降，当前轮越上障碍后，车体速度回归正常。此时中间轮处于悬空状态车体速度正常，当其碰触障碍时车体速度下降，在其越障过程中摆臂弹簧压缩并迅速释放（图21），使车体（质心）相对地面运动的同时，与摆臂之间也产生相对速度。该相对速度的大小由弹簧的弹性系数决定，弹性系数越小，相对速度越大，因此表现在车体质心速度出现较大波动。同理，后轮碰触障碍时，车体速度同样出现波动，当其越上障碍后，车体速度趋于平稳。

（2）车轮受力变化

图22～24表明，在车轮碰触障碍的瞬间，所受的冲击力一般是最大的。对于前轮，当其越上障碍后车轮出现一个悬空的瞬间（受力为0），但马上在摆臂弹簧的作用下接触地面并承担车身的重量。在中间轮和后轮越障之前，它们都有一个悬空的过程。对于后轮，在前轮碰触障碍时所受的冲击力还要大于其车轮本身碰触到障碍的瞬间所受冲击力（图24），这是因为在前轮碰触障碍时，中间轮悬空，车体重量全部由前轮和后轮承担，而在后轮碰触障碍之前，车体重量已经全部被前轮和中间轮所承担，因此其所受冲击力变小。

3.1.2 越障高度h=330 mm

（1）车体速度变化

图25表明车辆在给定速度下可以成功跨越高度为330 mm的障碍。在前轮越障的过程中，车体速度出现短暂稳定现象（如图放大区域），这表明在越障过程中车轮已经开始打滑了。因此，该障碍高度即为车辆前轮越障的极限高度。该结果与论文2.1节越障模型计算的高度值相差比较大，这是因为前面采用的是静力学分析，而车辆在实际越障行驶过程中，一般情况高于车轮半径的障碍是难以跨越的。并且，由图可以看出车辆在各轮越障过程中速度波动明显比跨越200 mm障碍时要大。

（2）车轮受力变化

由图26～28可知，除后轮以外，在车轮碰触障碍瞬间，所受的冲击力一般是最大的。同样，在越障过程中各轮所受地面冲击力明显大于跨越200 mm障碍时车轮所受冲击力。

3.2 摆臂回转工况B的无人地面车辆

图29所示为无人地面车辆在摆臂主动力矩作用下实现跨越高障碍的运动过程。

3.2.1 车体速度变化

无人地面车辆垂直越障高度为1 000 mm时，车体速度变化如图30所示。

由图30可以看出，车辆前轮抬起在给定速度下能够顺利跨越高度为1 000 mm的障碍。

3.2.2 车轮受力变化

从图31～33可知，在整个运动过程中，中间轮所受地面垂向力的作用明显比前轮和后轮要大（中间轮悬空期间除外），主要承担了车体的重量。这是因为中间轮离车体质心距离小，作用力臂小，因此必须增大作用力才能保持车体平衡。

通过车体（质心）速度变化图和各轮受力图可以看出，当施加摆臂主动力矩时，力矩变化速度越慢，对整车的平衡稳定性影响越小。因此，在实际行驶越障过程中，为了提高车辆的稳定性，摆臂主动力矩应尽可能缓慢施加，并降低车速。如果路况允许的话，当前轮越上障碍后也可将车速降为0使其处于静止状态，然后进行车体姿态（各摆臂摆角）的调整，调整完成后再继续驱动车辆依次进行中间轮和后轮的越障。并且，在给定设计参数条件下，该无人地面车辆在主动力矩的作用下，可以跨越1 m的垂直障碍。

4 结论

（1）本文介绍了无人地面车辆轮式行走机构，该悬架不仅具有缓冲减振功能，而且可以产生扭转力矩对车辆越障性能的提高起到了重要作用。

（2）分析表明，在已知车体设计参数下，摆臂回转工况A的无人地面车辆最大越障高度为330 mm，摆臂回转工况B的无人地面车辆可以跨越1 m的垂直障碍，约为前者的3倍。

（3）结果表明，在车桥上施加主动力矩可以大幅提高该样车的越障性能，为无人地面车辆越障性能研究及车辆设计工作提供了重要的理论依据。

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