四轮驱动原地转向底盘设计_王帅1
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第
５
期
（
总第
２０４
期
）
２０１７
年
１０
月
机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ
ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
＆
ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．
文章编号
：
１６７２
－
６４１３
（
２０１７
）
０５
－
０１００
－
０２
櫜
四轮驱动原地转向底盘设计
王
帅
，
张津阳
，
孙意凡
，
崔振权
，
史颖刚
，
刘
利
（
西北农林科技大学 机械与电子工程学院
，
陕西
杨凌
７１２１００
）
摘要
：
设计了一种原地转向的四轮小车底盘
。
先对小车进行整体布局设计
；
然后分析了四轮驱动小车底盘的
通过性
，
选择空间桁架为小车底盘的车身结构
，
选用轮毂电机为底盘车轮
；
之后
，
确定了整车的尺寸参数
；
最后分别对各个子系统进行了设计
，
并使用
Ｓｏｌｉｄ
Ｗｏｒｋｓ
软件对零部件
、
整车进行了建模和仿真
。
关键词
：
原地转向
；
轮毂电机
；
底盘
；
四轮驱动
中图分类号
：
ＴＰ２４２．３
文献标识码
：
櫜
Ａ
陕西省科技统筹创新工程计划项目
（
２０１５ＫＴＺＤＮＹ０２
－
０５
）；
西北农林科技大学
“
大学生创新创业训练计划
”
项目
（
２０１６１０７１２０５８
）
收稿日期
：
２０１７
－
０２
－
１４
；
修订日期
：
２０１７
－
０７
－
１７
作者简介
：
王帅
（
１９９５
－
），
男
，
山东曹县人
，
在读本科生
，
专业为农业机械化与自动化
。
０
引言
在医院
、
工厂等狭小空间中应用的四轮转向机器
人底盘主要由车架
、
转向机构
、
避震系统和制动系统组
成
，
需要较高的通过性和越野性
，
其车架重量不能过
重
，
转向必须灵活
，
且行进过程中不能出现被动转向情
况
。
针对上述应用情况
，
需要设计一种有针对性的轮式
底盘
，
本文介绍了一种四轮驱动原地转向底盘的设计
。
１
系统整体方案设计
参考现有的原地转向底盘
［
１－４
］
，
初步确定的机器
人底盘的参数如表
１
所示
。
表
１
机器人底盘参数
整车长
ｍｍ
整车宽
ｍｍ
净重
ｋ
ｇ
最大载重
ｋ
ｇ
轮距
ｍｍ
轴距
ｍｍ
高度
ｍｍ
５５０
５５０
５０
１００
３５０
３５０
４００
所设计的四轮转向机器人底盘结构如图
１
所示
。
机器人底盘的车轮固定在一根轴上
，
通过轴的旋转使
车轮发生转向
，
转向系统整体布局如图
２
所示
。
转向
电机驱动主动齿轮轴
，
通过
４
个传动齿轮带动
４
个转
向被动齿轮转动
，
使小车实现复杂形式的运动
。
为使
四轮小车具有较强的环境适应性
，
满足不同路况下的
行驶
，
减震器采用液压式机械减震
，
制动系统选用鼓式
制动器
。
车架采用工字钢
，
设计为空间桁架结构
。
四轮驱动原地转向小车运动时
，
要考虑车轮与地
面的相互作用力
，
尤其是在松软的土壤上行进时
，
车轮
的一部分会下陷入土壤中
，
其转向时
，
侧面必定受到土
壤的挤压
［
５
］
。
地面对转向轮的作用力为侧向力
、
牵引
力和垂直力三种
，
地面对转向轮的作用力矩为翻转力
矩
、
滚动力矩和回正力矩
。
影响小车转向阻力矩的因
素有小车车轴负载
、
轮胎与地面之间的摩擦因数和轮
胎气压
［
６
］
。
目前
，
计算原地转向力矩主要是采用
Ｒ．Ｓ．
Ｓｈａｒ
ｐ
和
Ｒ．Ｇｒａｎ
ｇ
ｅｒ
提出的经验公式
［
７
］
：
Ｍ
ｒ
＝
ｆ
３
Ｇ
３
１
槡
ｐ
．
（
１
）
其中
：
Ｍ
ｒ
为原地转向阻力矩
，
Ｎ
·
ｍ
；
ｆ
为车轮与地面
的摩擦因数
；
Ｇ
１
为转向轴负载
，
Ｎ
；
ｐ
为小车轮胎气压
，
Ｐａ
。
根 据 经 验 设 计 方 法
，
选 择
ｆ
＝ ０．３５
，
ｐ
＝
２５０ｋＰａ
，
Ｇ
１
＝
（
８０ｋ
ｇ
×９．８Ｎ
／
ｋ
ｇ
）
＝７８４Ｎ
。
将 数 值
代入式
（
１
）
计算得
Ｍ
ｒ
＝５．１２Ｎ
·
ｍ
。
１－
转向电机
；
２－
转向电机轴
；
３－
主动齿轮
；
４－
传动齿轮
；
５－
被动齿轮
；
６－
车轮立柱
；
７－
减震器
；
８－
制动器
；
９－
轮毂电机
图
１
四轮转向机器人底盘结构示意图
２
转向系统设计
如图
２
所示
，
被动旋转齿轮和车轮立柱通过键联
接
，
再用一个主动旋转齿轮带动被动齿轮
，
即可使整个
立柱旋转
，
从而使车轮在原地发生旋转
。
１－
车轮立柱
；
２－
转向被动齿轮
；
３－
传动齿轮
；
４－
主动齿轮轴
图
２
转向系统整体布局
小车原地转向时
，
驱动力矩要大于阻力矩
，
阻力矩
Ｍ
ｒ
＝５．１２Ｎ
·
ｍ
，
则电机扭矩必须大于
５．１２Ｎ
·
ｍ
。
根
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