董焱章 陳廣飛 劉啟鑫 陸海斌 李 瑩 ,?

*(湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北十堰 442002)

?(汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北十堰 442002)

指南車又名司南車，是中國(guó)古代在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的杰出成就之一。不同于依靠地磁效應(yīng)的指南針，指南車是由兩側(cè)車輪、傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向裝置、車架和指向標(biāo)等五大構(gòu)件所組成的雙輪無動(dòng)力車輛，其功能是為了自動(dòng)定向且具備負(fù)反饋。中國(guó)古代，人們依靠指南車實(shí)現(xiàn)在荒野和沙漠中行走時(shí)辨別方向，從晉代開始，指南車被用于“記里鼓車”和天子儀仗隊(duì)。除了機(jī)械發(fā)展史外，指南車的發(fā)明在控制論發(fā)展史同樣占有重要地位，被李約瑟稱為“所有控制論機(jī)器的祖先”[1-2]。

由于年代久遠(yuǎn)，古代指南車并無實(shí)物流傳下來，為了復(fù)原這個(gè)典型的自動(dòng)控制機(jī)械，近現(xiàn)代國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其進(jìn)行了嘗試。機(jī)械指南車復(fù)原主要分為兩大類，一類是以中國(guó)國(guó)家博物館現(xiàn)存的宋代燕肅指南車模型為代表的定軸式指南車：1937年中國(guó)學(xué)者王振鐸仔細(xì)考證了《宋史》等古籍，并實(shí)施了英國(guó)人摩爾（Moule AC）的想法，成功復(fù)原定軸式指南車；另一類是大英博物館陳列的差動(dòng)式指南車：1947年英國(guó)學(xué)者Lanchester G在其《黃帝的指南車》演說中提出差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)原理，進(jìn)而成功復(fù)原差動(dòng)式指南車[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，仿真工具和3D打印等現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論的進(jìn)步推動(dòng)了機(jī)械指南車的發(fā)展。李紹青[4]利用三維軟件對(duì)指南車進(jìn)行了完整設(shè)計(jì)，并建立了指南車的虛擬樣機(jī)模型，該虛擬樣機(jī)模型非常便于教學(xué)演示。劉釗等[5]通過3D打印技術(shù)成功復(fù)原了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的指南車，該款指南車結(jié)合了現(xiàn)代電機(jī)和單片機(jī)技術(shù)，提高了指南車的可操作性和準(zhǔn)確度。鄧崇林[6]在以指南車內(nèi)部運(yùn)作機(jī)理為黑箱的基礎(chǔ)上，借助微分幾何提出了指南車的廣義運(yùn)動(dòng)方程。此外，研究者也對(duì)機(jī)械指南車內(nèi)部齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。陳威等[7]針對(duì)差動(dòng)輪系設(shè)計(jì)了一款僅需7個(gè)錐齒輪的簡(jiǎn)易款指南車定向機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了模型仿制。高云峰[8]設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)，并通過亞克力板復(fù)原了實(shí)體指南車。聶建軍等[9]在行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中構(gòu)建了一種定軸輪系齒輪和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組成的混合傳動(dòng)方案，結(jié)構(gòu)緊湊且傳動(dòng)效率高。范工興等[10]借助虛擬仿真軟件ADAMS對(duì)牙嵌式離合器的結(jié)合過程進(jìn)行了仿真，獲得了影響主、從動(dòng)件結(jié)合的主要參數(shù)及規(guī)律。

綜上所述，定軸式指南車和差動(dòng)式指南車的相關(guān)研究幾乎沿著兩條平行的方向發(fā)展，鮮有交叉。本文將在分析定軸式指南車和差動(dòng)式指南車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，融合定軸式指南車的直線越障優(yōu)勢(shì)和差動(dòng)式指南車的平面任意直行和轉(zhuǎn)彎優(yōu)勢(shì)，將差動(dòng)式指南車的直行越障問題作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出一種新型指南車的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，繼而進(jìn)行三維實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真，最終完成樣車的制備及其功能實(shí)測(cè)。

1 新型指南車設(shè)計(jì)方案

指南車本質(zhì)上就是一種定向車，無論在直行工況亦或是轉(zhuǎn)彎工況，指南車上的木仙人均應(yīng)指向一個(gè)固定方向，故指南車的基本運(yùn)動(dòng)條件如下。

以地面為參考系，當(dāng)指南車的車架相對(duì)于地面偏轉(zhuǎn)一定的角度η，指南車的木仙人應(yīng)相對(duì)車架偏轉(zhuǎn)一定的角度ψs，且兩個(gè)角度應(yīng)滿足關(guān)系η = –ψs，理論上該條件在任何情況下均應(yīng)得到滿足，從而保證木仙人相對(duì)于地面參考系的轉(zhuǎn)角φ始終為零[11]

針對(duì)此，定軸式指南車采用了定軸輪系，如圖1（左）所示，只有1個(gè)自由度，當(dāng)指南車在平面直行和平面定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的工況下，可以滿足指南車的基本運(yùn)動(dòng)條件式（1）；盡管如此，由于定軸式指南車采用了離合機(jī)構(gòu)，指南車直行時(shí)兩車輪與木仙人之間的傳動(dòng)是斷開狀態(tài)，因此定軸式指南車在越障等曲面直行工況時(shí)也能完成指南功能。與此相對(duì)比，差動(dòng)式指南車采用了差動(dòng)輪系，如圖1（右）所示，有2個(gè)自由度，其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是當(dāng)指南車的兩車輪在平面內(nèi)存在不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向時(shí)，行星輪7可以解決兩車輪的轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)向問題[12]，因此差動(dòng)式指南車在平面直行和平面任意轉(zhuǎn)彎的工況下，均能滿足指南車的基本運(yùn)動(dòng)條件式（1），但是差動(dòng)式指南車在越障等曲面直行工況時(shí)，由于兩車輪均為原動(dòng)件，則兩車輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角差將會(huì)導(dǎo)致木仙人發(fā)生錯(cuò)誤的偏轉(zhuǎn)，故差動(dòng)式指南車在直行越障時(shí)不能完成指南功能。

圖1 定軸式指南車(左)和差動(dòng)式指南車(右)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of fixed-axle south-pointing chariot (left) and differential-type south-pointing chariot (right)

在常規(guī)的平面直行和任意轉(zhuǎn)彎等平面運(yùn)動(dòng)工況下，差動(dòng)式指南車具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但若遇到突發(fā)的越障等曲面直行工況時(shí)，定軸式指南車的優(yōu)勢(shì)更明顯。因此本文的目標(biāo)就是如何設(shè)計(jì)出一種同時(shí)滿足平面直行、平面任意轉(zhuǎn)彎和直行越障等多工況的新型指南車。

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

前述設(shè)計(jì)目標(biāo)可以歸結(jié)為如何解決差動(dòng)式指南車的直行越障問題，鑒于定軸式指南車直行越障的機(jī)構(gòu)特征，即通過恰當(dāng)?shù)碾x合機(jī)構(gòu)在直行工況下斷開木仙人與兩車輪之間的傳動(dòng)關(guān)系，在轉(zhuǎn)彎工況下重新恢復(fù)其傳動(dòng)關(guān)系，故分別基于傳統(tǒng)的定軸式離合機(jī)構(gòu)和現(xiàn)代的牙嵌式離合器提出兩種不同的總體設(shè)計(jì)方案。

方案一：以差動(dòng)式指南車的差動(dòng)輪系為藍(lán)本，采用定軸式指南車的類似離合機(jī)構(gòu)，直行工況下斷開差動(dòng)式指南車兩車輪與木仙人之間的齒輪傳動(dòng)，轉(zhuǎn)彎工況下再恢復(fù)其齒輪傳動(dòng)。該方案通過車轅控制內(nèi)部齒輪的位置移動(dòng)，進(jìn)而控制齒輪傳動(dòng)的分離與接合，理論上是可行的。但由于差動(dòng)式指南車的齒輪結(jié)構(gòu)較定軸式指南車更為復(fù)雜，多添加一個(gè)齒輪控制機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致整體設(shè)計(jì)方案極為復(fù)雜，相應(yīng)的設(shè)計(jì)和加工成本也將增加很多。更困難的是，齒輪控制機(jī)構(gòu)從分離狀態(tài)轉(zhuǎn)化為接合狀態(tài)時(shí)，齒輪接合瞬間未必嚙合良好，可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)齒現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致指南車無法完成指南功能。另外，從提高指南車定向機(jī)構(gòu)的精度考慮，齒輪副數(shù)目也需要盡可能減少[12]。

方案二：以差動(dòng)式指南車的差動(dòng)輪系為藍(lán)本，采用牙嵌式離合器控制木仙人與中心立柱的分離與接合，直行工況下木仙人與中心立柱之間的連接斷開，轉(zhuǎn)彎工況下再恢復(fù)木仙人與中心立柱的連接關(guān)系。與方案一相比較，該方案無需對(duì)差動(dòng)式指南車的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅改動(dòng)，因此其設(shè)計(jì)和加工成本可以得到很好地控制。同時(shí)，差動(dòng)式指南車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的上方相對(duì)簡(jiǎn)潔，留有比較充足的設(shè)計(jì)空間，通過引入一個(gè)大齒數(shù)的牙嵌式離合器，可以有效地改善傳動(dòng)關(guān)系接合時(shí)的錯(cuò)齒現(xiàn)象。

兩個(gè)設(shè)計(jì)方案在理論上均可實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足平面直行、平面任意轉(zhuǎn)彎和直行越障等多工況的指南功能，盡管如此，方案二相比方案一，在經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面優(yōu)勢(shì)更為明顯，因此本文選擇方案二來完成新型指南車的總體設(shè)計(jì)。

1.2 基本運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

新型指南車的差動(dòng)部分結(jié)構(gòu)示意如圖1（右）所示，左、右車輪分別與齒輪1和齒輪3同軸固連，齒輪2與齒輪6同軸固連，齒輪4與齒輪5同軸固連，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和便利性，這里鎖定齒輪1和齒輪2的齒數(shù)比等于齒輪3和齒輪4的齒數(shù)比，同時(shí)保持齒輪5與齒輪6齒數(shù)一致，即存在角速度關(guān)系式

以中心立柱為參照（中心立柱角速度ω0），齒輪5，齒輪6與行星齒輪7組成差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)，即存在關(guān)系式

通過式（2）和式（3）聯(lián)合可推知

式（4）表明，當(dāng)指南車處于平面直行工況時(shí)，左、右車輪角速度相等（ω1= ω3），中心立柱則保持不轉(zhuǎn)動(dòng)（ω0= 0），指南運(yùn)動(dòng)基本條件自然滿足；當(dāng)指南車處于直行越障或者平面任意轉(zhuǎn)彎工況時(shí)，左、右車輪角速度不相等（ω1≠ ω3），中心立柱則發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)（ω0≠ 0），此時(shí)若要滿足指南運(yùn)動(dòng)基本條件式（1），需保證指向器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（等同中心立柱角速度ω0）與車身整體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω大小相等且方向相反（ω = －ω0）。設(shè)指南車轉(zhuǎn)彎半徑為R，左、右車輪的間距為L(zhǎng)，車輪直徑為D。以指南車左轉(zhuǎn)彎為例，則兩車輪輪心所在平面上存在關(guān)系式

由式（5）和式（4）聯(lián)合可推知

最后獲得了指南車基本運(yùn)動(dòng)條件滿足時(shí)車輪間距L與車輪直徑D的尺寸設(shè)計(jì)要求

1.3 傳動(dòng)和離合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是新型指南車的核心部分，這里依據(jù)基本運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)（z1=z2，L=D）。出于設(shè)計(jì)和加工制造的便利，圖1（右）中齒輪分成四組處理，其齒輪參數(shù)如表1所示；且為了保證傳動(dòng)過程中行星輪受力均勻，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用了兩個(gè)行星輪對(duì)稱布置[4]。

表1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各組齒輪參數(shù)Table 1 Gear parameters of each group of transmission mechanism

離合機(jī)構(gòu)是新型指南車的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)是由牙嵌式離合器、連桿和推桿等組成。其中牙嵌式離合器是利用一對(duì)離合器環(huán)面上的齒牙互相嵌合或分離來實(shí)現(xiàn)主從動(dòng)軸的離合狀態(tài)切換；齒牙有矩形、梯形、三角形、鋸齒形和螺旋形等形式，由于中心立桿承受的扭矩較小，因此這里采用三角形齒牙；為有效降低齒牙接合瞬間的錯(cuò)牙現(xiàn)象，牙嵌式離合器的齒牙數(shù)應(yīng)不低于180。連桿的功能是用來連接牙嵌式離合器和推桿；直行越障等工況引起推桿的水平擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿來控制牙嵌式離合器的分離與接合。

2 新型指南車構(gòu)造及零件設(shè)計(jì)

2.1 車輪及車殼總成

車輪總成由車輪和車輪端蓋兩部分組成。如圖2所示，車輪又分為輪輞、輪輻和花鍵軸孔等三部分，與齒輪軸花鍵部分相連接；車輪端蓋通過M10的外螺紋與齒輪軸M10的螺紋孔相連接，其功能是固定車輪和齒輪軸，防止兩者間的軸向相對(duì)滑動(dòng)。車輪的直徑D與兩車輪的間距L相等，考慮到加工制造的尺寸限制，初定車輪直徑D=450 mm，車輪的厚度為30 mm。

圖2 車輪及車殼總成Fig.2 Wheel and body shell assembly

車殼總成由左右兩側(cè)板、前后擋板、頂板、底板、角塊、卡塊和軸塊共同組成。六塊板的厚度均為10 mm，板之間的接合是通過八個(gè)帶有M10螺紋孔的立方體角塊和若干M10的標(biāo)準(zhǔn)螺栓完成；兩個(gè)卡塊對(duì)稱螺接到左右側(cè)板上，功能是支撐離合機(jī)構(gòu)的推桿。兩個(gè)軸塊對(duì)稱螺接到后擋板且分別與左右側(cè)板相連接，起到對(duì)推桿的支撐和限位作用。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總成

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總成包括八個(gè)齒輪、兩根齒輪軸和一根中心立柱。如圖3所示，齒輪軸1一端與齒輪1相連接，另一端與一側(cè)車輪相連接；齒輪軸2一端與齒輪3相連接，另一端與另一側(cè)車輪相連接；齒輪4和齒輪5固聯(lián)且與中心立柱下部相連接，齒輪2和齒輪6固聯(lián)，齒輪7和齒輪8借助系桿同時(shí)與齒輪5和齒輪6嚙合。中心立柱上部通過套筒和離合機(jī)構(gòu)的牙嵌式離合器相連接。

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總成Fig.3 Transmission mechanism assembly

2.3 離合機(jī)構(gòu)總成

離合機(jī)構(gòu)總成由牙嵌式離合器、連桿、推桿和指向器共同組成。如圖4所示，通過控制離合套的升降來實(shí)現(xiàn)牙嵌式離合器的分離與接合狀態(tài)，其分離狀態(tài)對(duì)應(yīng)直行越障工況，可以保證該工況下兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)角差不觸發(fā)指向器的偏轉(zhuǎn)。

圖4 離合機(jī)構(gòu)總成Fig.4 Clutch mechanism assembly

連桿機(jī)構(gòu)主要由一對(duì)連桿和一對(duì)推桿組成。如圖5所示，直行越障和平面轉(zhuǎn)彎等工況引起推桿的水平擺動(dòng)變化，進(jìn)而通過連桿帶動(dòng)離合套沿車殼左右側(cè)板的滑槽垂直升降，完成牙嵌式離合器的分離與接合。

具體地，當(dāng)指南車處于直行越障工況時(shí)，如圖5（左）所示，連桿處于垂直位置；牙嵌式離合器上盤和下盤處于分離狀態(tài)，此時(shí)指向器與中心立柱之間的傳動(dòng)斷開，如此直行越障過程中帶來的擾動(dòng)不會(huì)影響指南功能。而當(dāng)指南車處于平面轉(zhuǎn)彎工況時(shí)，如圖5（右）所示，左、右推桿在水平方向擺動(dòng)，繼而帶動(dòng)連桿偏離垂直位置，這使得牙嵌式離合器上盤下移，且與下盤相接合，此時(shí)指向器與中心立柱之間的傳動(dòng)恢復(fù)，中心立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)通過牙嵌式離合器帶動(dòng)指向器反向偏轉(zhuǎn)，如此在平面轉(zhuǎn)彎時(shí)保持指南功能。

圖5 牙嵌式離合器的分離狀態(tài)(左)和接合狀態(tài)(右)Fig.5 Disengaged state of the tooth-mounted clutch (left) and engaged state of the tooth-mounted clutch (right)

牙嵌式離合器的引入可以有效地補(bǔ)充和完善差動(dòng)輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，順暢地實(shí)現(xiàn)平面直行、平面任意轉(zhuǎn)彎和直行越障等多工況的切換，保證新型指南車以不同的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)狀態(tài)應(yīng)對(duì)不同的工況，最終在比較高的精度下實(shí)現(xiàn)指南功能。

2.4 新型指南車整體模型

全部零件完成建模后，在CATIA軟件中依次裝配成車輪和車殼總成、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總成和離合機(jī)構(gòu)總成等，最后總裝配成一體，即可獲得新型指南車的整車模型。其外部面貌如圖6（左）所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6（右）所示。

圖6 新型指南車的外部面貌(左)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(右)Fig.6 Outer part of the new south-pointing chariot(left) and inner part of the new south-pointing chariot (right)

3 新型指南車運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真及樣車功能實(shí)測(cè)

新型指南車總成裝配完畢后，接下來將對(duì)其進(jìn)行直行越障工況和平面轉(zhuǎn)彎工況下的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析，這里通過CATIA中數(shù)字樣機(jī)（Digital mock-up，DMU）模塊對(duì)新型指南車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。為進(jìn)一步驗(yàn)證新型指南車設(shè)計(jì)的可行性，本文對(duì)牙嵌式離合器和差動(dòng)齒輪等精細(xì)零件進(jìn)行了3D打印試制，對(duì)車輪及車殼總成、連桿和推桿等零件進(jìn)行了機(jī)加工制備，并根據(jù)裝配關(guān)系完成了新型指南車的樣車組裝，進(jìn)而對(duì)其實(shí)施了直行越障和平面轉(zhuǎn)彎等工況的樣車功能測(cè)試。

3.1 直行越障工況的運(yùn)動(dòng)仿真及功能實(shí)測(cè)

在DMU模塊中的命令窗口，編輯公式設(shè)置左車輪轉(zhuǎn)速為35°/s，右車輪的轉(zhuǎn)速為30°/s，同時(shí)設(shè)置牙嵌式離合器處于分離狀態(tài)，即可模擬新型指南車的直行左車輪越障工況。如圖7（左）所示，新型指南車的紅旗指向相對(duì)車架隨動(dòng)坐標(biāo)系和地面參考系均未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，始終保持正確的初始指向。

選擇有障礙的路段（地面上堆起一個(gè)紙凸起）對(duì)新型指南車樣車進(jìn)行直線越障工況的功能測(cè)試，初始令樣車保持平面直行，待左車輪越過紙凸起時(shí)，觀察新型指南車的紅旗指向變化（整個(gè)樣車實(shí)測(cè)過程進(jìn)行錄像），樣車越過障礙的瞬間如圖7（右）所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，新型指南車樣車在直行越障工況下，樣車始終保持正確的初始指向，越過障礙的過程中牙嵌式離合器處于分離狀態(tài)，盡管由于越過障礙物導(dǎo)致兩車輪存在差速，但紅旗指向不會(huì)改變，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7 直行越障工況下DMU運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真(左)和樣車功能實(shí)測(cè)(右)Fig.7 DMU kinematic simulation under the condition of straight-drive over obstacle (left) and the functional testing of the prototype vehicle (right)

3.2 平面轉(zhuǎn)彎工況的運(yùn)動(dòng)仿真及功能實(shí)測(cè)

在DMU模塊中的命令窗口，編輯公式設(shè)置左車輪轉(zhuǎn)速為40°/s，右車輪的轉(zhuǎn)速為30°/s，同時(shí)設(shè)置牙嵌式離合器處于接合狀態(tài)，即可模擬新型指南車的平面向右轉(zhuǎn)彎工況。如圖8（左）所示，新型指南車的紅旗指向相對(duì)車架隨動(dòng)坐標(biāo)系有ψs角度偏轉(zhuǎn)，但指南車轉(zhuǎn)彎時(shí)車架相對(duì)于地面參考系存在偏轉(zhuǎn)角度η，差動(dòng)齒輪的傳動(dòng)關(guān)系可以保證角度滿足關(guān)系η = –ψs，如此可以確保最終的紅旗指向相對(duì)地面參考系的角度φ如式（1）所示不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即保持了正確的指南方向。

選擇一個(gè)平面路段對(duì)新型指南車樣車進(jìn)行平面轉(zhuǎn)彎工況的功能測(cè)試，初始令樣車保持平面直行，待行駛一段距離后開始右轉(zhuǎn)彎，然后繼續(xù)平面直行，再次右轉(zhuǎn)彎，平面直行，周而復(fù)始，觀察新型指南車的紅旗指向變化（整個(gè)樣車實(shí)測(cè)過程進(jìn)行錄像），樣車平面右轉(zhuǎn)彎的瞬間如圖8（右）所示。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，新型指南車樣車在平面轉(zhuǎn)彎的工況下，樣車車架相對(duì)于地面存在偏轉(zhuǎn)角度η，此時(shí)樣車的推桿在水平面內(nèi)有擺動(dòng)，進(jìn)而通過連桿帶動(dòng)離合套沿左右側(cè)板的滑槽垂直下降，此時(shí)牙嵌式離合器處于接合狀態(tài)，樣車的紅旗指向相對(duì)車架有一個(gè)反向偏轉(zhuǎn)角度ψs，最終樣車的紅旗指向相對(duì)地面的角度φ并未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，始終保持了正確的指南方向，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8 平面轉(zhuǎn)彎工況下DMU運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真(左)和樣車功能實(shí)測(cè)(右)Fig.8 DMU kinematic simulation under the condition of plane turning (left) and the functional testing of the prototype vehicle (right)

4 結(jié)論

本文綜合了定軸齒輪機(jī)構(gòu)的直線越障優(yōu)勢(shì)與差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)的任意轉(zhuǎn)彎優(yōu)勢(shì)，開發(fā)設(shè)計(jì)的新型指南車以差動(dòng)式指南車的差動(dòng)輪系為主體結(jié)構(gòu)，并引入關(guān)鍵部件?牙嵌式離合器來控制指向器與中心立柱的分離與接合。一方面，平面直行或直行越障工況下牙嵌式離合器處于分離狀態(tài)，即指向器與中心立柱間的連接關(guān)系斷開，此時(shí)地面工況引起的車輪差速變化不會(huì)觸發(fā)指向器偏轉(zhuǎn)；另一方面，平面轉(zhuǎn)彎工況下借助推桿和連桿傳動(dòng)使得離合套沿左右側(cè)板的滑槽垂直下降，此時(shí)牙嵌式離合器回歸接合狀態(tài)，即恢復(fù)指向器與中心立柱間的連接關(guān)系，此時(shí)地面工況引起的車輪差速和轉(zhuǎn)向變化，通過精心設(shè)計(jì)的差動(dòng)齒輪的傳動(dòng)關(guān)系可以確保車架相對(duì)于地面的偏轉(zhuǎn)角度η與指向器相對(duì)車架的偏轉(zhuǎn)角度ψs等值反向，最終使得指向器相對(duì)地面的角度φ不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，亦即保持了正確的指南方向。針對(duì)前述設(shè)計(jì)理念和具體設(shè)計(jì)方案，基于CATIA中數(shù)字樣機(jī)DMU模塊對(duì)新型指南車進(jìn)行了直行越障和平面轉(zhuǎn)彎等工況的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真，通過3D打印試制和機(jī)加工制備實(shí)現(xiàn)了新型指南車的零件制備和樣車組裝，進(jìn)而完成了對(duì)應(yīng)工況的樣車功能實(shí)測(cè)，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果均驗(yàn)證了新型指南車設(shè)計(jì)的可行性和有效性。