基于功能分析设计法的变体式车轮设计

徐　岩，张学玲，段秀兵

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161； 2.军事交通学院 军事物流系，天津 300161 )



基于功能分析设计法的变体式车轮设计

徐岩1，张学玲2，段秀兵2

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161； 2.军事交通学院 军事物流系，天津 300161 )

为克服变体式车轮设计的复杂性，通过功能分析设计法将变体式车轮功能分解成行进与变形两部分，再进一步细分为传动方式、形变方式、形变履带、驱动方式、形变动力等功能元。通过对功能元求解和组合得到多种变体式车轮设计方案，通过评价与决策最终确定了一种满足性能要求的设计方案。

变体式车轮；现代机械设计；功能分析

变体式车轮具有高机动性和高通过性的特点，与普通车轮有良好的互换性，大致结构尺寸变化不大。变体式车轮这类复杂的功能系统，集多种功能于一体，要求在有限的时间、空间内实现轮式状态和履带式状态转换，设计者很难设计出满足要求的结构。目前，国内外还没有类似变体式车轮的研究，因此对于变体式车轮的设计可参考的资料十分有限。本文将基于功能分析设计法，对变体式车轮进行功能分析、求解、评价，并提出一种切实可行的设计方案。

1　功能分析设计法

功能分析设计法是现代机械设计领域非常重要的一部分，其思路是分析系统的输入和输出分别是什么，通过“黑箱”法来确定该技术系统的总功能。然后将总功能逐级剖析，直到分功能和功能元都至少有一种实体解答方案与之对应。将这些解进行组合便可以得到不同的设计方案，最后通过评价和决策得到最佳方案(如图1所示)。

图1　功能分析设计流程

2　基于功能分析法的变体轮设计

2.1总功能分析

总功能分析需在明确设计任务的基础上进行[1]。 “黑箱法”是工程设计中常用的方法，利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能特性，进一步寻求实现该功能、特性所需具备的工作原理与内部结构[2]。

在战场前线以及沙滩、泥泞崎岖、冰雪等不良路面，现有轮式或履带式运输装备就会暴露出自身缺点。轮式装备行驶速度快、机动性强，但适应地形的能力差，在恶劣道路环境下容易抛锚趴窝。随着部队向纵深推进，履带式装备虽然越障性能好但机动性差、行驶速度慢、对路面破坏性大，严重影响部队行进速度。本文希望研究一种新型的轮履复合变体式车轮，该车轮可以与普通车轮互换直接应用于我军后勤运输车。在战术保障区域内，车辆以轮式快速平顺地行进；在恶劣路面以及战斗区域，变体式车轮通过自身机构伸展为角度可控的三角履带，可大大提高保障效率和灵活性。变体式车轮总功能就是通过车轮可重构技术[3]，实现轮式和履带式两种状态的相互转换，并且在两者状态下都可以平稳行进。其黑箱图如图2所示。

图2　变体式车轮黑箱

2.2总功能分解

现代机械系统往往是多种技术系统的综合，设计者难以直观地提出符合要求的设计方案。技术系统是有层次的，可以逐层分解：总功能→分功能→功能元。功能元是技术系统可划分的最小单元，往往可以在现有的系统中找到满足其要求的机构。功能分解可用功能树的形式来表达，对总功能进行分解，变体式车轮功能树如图3所示。一方面，变体式车轮如何像普通车轮那样可以不断行进；另一方面，变体式车轮如何展开成履带式状态，这其中便涉及到变体式车轮的变形方式。通过一定的机械结构可以使得变体式车轮在轮式状态和履带式状态之间顺利转换。

图3　变体式车轮功能树

功能结构图可以使技术系统由黑箱变为灰箱，甚至白箱，从而得出整个技术系统的实体解答方案。要使变体式车轮能够在驱动轴的驱动下行进，需要合理地设计变体式车轮内部传动系统。轮式状态在展开成履带式状态的过程中，变形履带的变形方式尤为重要，因此要合理地设计变形履带的结构。图4为变体式车轮功能结构。

2.3功能元求解

通过对系统总功能的分解，可以大致了解系统的功能原理，这就是分功能或是功能元求解的问题。德国R·科勒教授，把实现分功能或功能元的解定义为“原理解法”，并且指出原理解法是物理作用及作用件的函数：原理解法=f(物理作用，作用件)[2]。

移动机构的车轮构造、类型及功能繁多，包括轮胎式[4]、履带式[5]、步履式[6]、轨道式[7]、组合式[8]、变体式[9]等。大致可分为两类：一类是具有高机动性的适用于平地高速行驶的轮式移动机构；另外一类是具有高通过性、越障能力较强的适用于复杂路面的履带式移动机构。为了综合两类移动机构的优点，国内外都进行了大量的研究，图5所示为美国的Viper机器人[6]，车轮内部结构如图6所示，内部电机转动带动连杆机构将橡胶履带撑开，车轮变成类三角履带，能够轻松地爬楼梯，行走于碎石、沙土路面[10]。

图4　变体式车轮功能结构

图5　美国Viper机器人

图6　Viper机器人内部伸展机构

本文利用形态分析法中的形态学矩阵对功能元求解。形态学矩阵X轴为功能元的解，Y轴为功能元，不同功能元的不同解法随机组合即可得到一种设计方案。根据功能元的功能需要，本文广泛查阅各类移动机构资料来寻找符合要求的局部解，其形态学矩阵如图7所示。可能组合的方案数有N=2×3×3×3×4=216种。

理论上方案组合数N为216，在众多方案中，由定性到定量进行优选，有些方案不符合设计要求或各分功能的解不相容，这些应该删去。定性地选出几个可行方案，并进行原理性试验、评价和决策，从中选出符合功能目标的最佳原理方案。本文综合考虑列取以下5种可行的方案：

Ⅰ：A1+B1+C2+D1+E1；

Ⅱ：A1+B2+C1+D2+E2；

Ⅲ：A2+B2+C1+D3+E3；

Ⅳ：A2+B3+C2+D3+E4；

Ⅴ：A2+B3+C3+D2+E4。

2.4评价与决策

机械设计一个显著特点就是多解性，同一功能往往会有多种方案。在设计过程中，设计者要根据需要提出尽可能多的方案，然后从中选出最优解方案，这就涉及到评价与决策。

(1)外行星轮传动、内行星轮传动都可以实现变体式车轮的行进，但后者结构更加简单、紧凑，更像是一个车轮。

(2)轮体交错变形方式，履带伸展长度较大，实现起来比较困难。展开的那部分轮体不能与车体固连，载重性能差。轮体收缩变形方式，内部结构复杂，变体式车轮质量大。载重时，轮体伸展困难，对伸展动力要求较高，因此实现起来非常困难。履带变形方式，内部只有一对伸展结构，因此结构更加简洁。但要求履带具有一定的弹性，履带结构相对复杂。

图7　变体式车轮形态学矩阵

(3)整体橡胶履带，在使用方面，承载力以及抗破坏能力较弱，适合于轻型越障机械，如机器人底盘等。直线拉伸式履带，履带与轮毂不是一个整体，而且质量比整体橡胶的大一倍以上，外周履带的离心力较大；履带变节距，无法采用普通履带的齿啮合传动，动力传递效率难以得到保证。旋转拉伸式履带，空间有限，对旋转弹簧的要求较高。通过旋转改变水平拉伸距离，拉伸尺寸受高度影响较大，水平可拉伸距离受限，重量比较大。

(4)摩擦传动，凭借变体式车轮与履带间的摩擦力带动履带随着轮体转动，考虑到摩擦力比较小，因此摩擦传动一般只用于小型履带机器人。齿啮合传动，能够提供比较大的力，但对结构有一定的要求，一般用于大质量大载荷的装甲车辆。

(5)电机，系统输出力较小，适用于小型轮履变形机器人。电动缸，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动。考虑到变体式车轮结构尺寸，伺服电机一般较小，因此传动效率较低。气动缸工作压力比较小，而且工作平稳性较差，很难满足所设计变体式车轮压力要求。液压缸工作平稳，易于实现过载保护和自动化控制，对液体压力、流量和方向易于进行精确调节和控制[11]。相比较而言，液压缸更符合变体式车轮的设计要求。

现在用简单评价法，用“++”表示很好，“+”表示好，“-”表示不好，其评价结果见表1。

结果表明，方案Ⅳ为较为理想的方案。具体方案如图8所示，变体式车轮可分为展开机构、伸展臂、辅助轮和变形履带几部分。展开机构提供伸展力，伸展臂慢慢展开，辅助轮带动变形履带变形。当伸展力撤掉时，变形履带会在恢复弹力的作用下变回圆形状态，即车轮变回轮式状态。其三维模型如图9所示。

表1　简单评价结果

(a)轮式形态　　　　　　　　(b)覆式形态　　　　　图8　变体轮结构示意

(a)变体轮轮式状态　　　　　　(b)变体轮履带式状态图9　变体轮整体模型

3　结　语

对于变体式车轮这种复杂的机械系统，在设计之初往往会受限于现有机构，思维方式被大大局限，很难设计出满足要求的方案。本文通过功能分析设计法将变体式车轮功能分解成行进与变形两部分，再进一步细分为传动方式、形变方式、形变履带、驱动方式、形变动力等功能元。通过对功能元求解和组合得到变体式车轮多种设计方案，通过评价与决策最终确定了一种满足性能要求的设计方案。功能分析设计法更加注重功能设计，打破了现有的轮胎结构和履带结构对思维的束缚，为变体式车轮设计以及将来的机械设计提供了一种高效的方法。

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(编辑：史海英)

Design of Variant Wheel Based on Function Analysis

XU Yan1, ZHANG Xueling2, DUAN Xiubing2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161,China; 2.Military Logistics Department, Military Transportation University, Tianjin 300161,China)

The design of variant wheel is a complicated and difficult matter. According to function analysis, a variant wheel has two functions: rolling and transforming, which can be further divided into more functional elements in terms of its transmitting mode, transforming mode, track to be transformed, driving mode and transforming power. A number of designs of variant wheel are obtained by solving and combining these functional elements. These designs are evaluated and compared. Finally, a design which meets the performance requirements is determined.

variant wheel; modern mechanical design; function analysis

2016-05-01；

2016-06-27.

徐岩(1992—)，男，硕士研究生；

段秀兵(1971—)，男，博士，副教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.09.019

U463.34

A

1674-2192(2016)09- 0084- 05

● 基础科学与技术Basic Science & Technology