車輪の実験的同定

Aug 27, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16015 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

特定の地形ケース (アスファルト、コンクリート) と車輪の相互作用は既知であり、直進運動や非スリップおよびスリップコーナリング条件の場合には十分に説明されているため、スキッドステアリング車輪付き車両のケースを分析する必要があります。 さまざまな迎え角に対する横滑りを調査する必要があります。 このプロジェクトで示されている研究の主な関心分野は、さまざまな地形条件におけるスキッドステアリング車輪付き車両のエネルギー需要の計算です。 車輪ごとに個別の電気モーターを備えた完全電気自動車の特定のケースでは、完全に制御された旋回を実行するために、前後方向の力と横方向の力を正確に評価する必要があります。 著者によって設計および開発された実験用スタンドを使用すると、さまざまな地形条件やさまざまな運転方向に対する車輪と表面の相互作用をテストできます。 テストデータは、乾燥した砂と湿った砂および花崗岩の舗装に対して取得されました。 牽引力と横力を取得し、推進されていない車輪の車輪と土壌の相互作用モデルのパラメーターを特定するために使用しました。 縦力と横力を含む時系列の結果は、スキッドステアリングダイナミクスの計算に不可欠なスティックとスリップ現象の観点から、迎え角、荷重、および表面状態の間の関係を示します。 測定結果は、迎え角と垂直荷重の関数として縦力と横力の係数を計算するために使用されます。 テストは自然環境で行われるため、変化しやすい条件の影響を受けます。 その影響を排除するために複数の実行が使用されます。 説明されている実験は、テストで検証された FEM モデルを使用した結果の一般化を含むプロジェクトの一部です。 説明されている研究は、新しい地面とタイヤの相互作用モデルを開発することを目的としたものではなく、パッシブ モード (推進されていない車輪) を含むさまざまな条件に対する数値的に効率的な牽引力の計算方法に焦点を当てています。

全地形万能車両、特に無人自動機械は、寸法と重量を最小限に抑えるために最適化されています。 その結果、小型、中型、大型の無人車両の設計には、それほど複雑ではないトランスミッションおよびステアリング システムが使用されます。 最も一般的な解決策は、電気または油圧トラクション モーターを使用した弾性サスペンションとスキッド ステアリングです。 電気推進システムを備えたオフロード車の場合、重要なパラメータはエネルギー貯蔵量です。 高い過負荷能力を備えた電気推進システムの場合、中程度の連続トルクと出力、さらには発電所、エネルギー貯蔵システム、推進モーターを正しく調整できる最大性能パラメータを評価することが重要です。 さまざまな地形での電力消費を適切に分析し、ミッションを正確に定義することで、バッテリー システムを最適化し、ミッションの要求に応じて構成されたモジュール設計のバッテリーを使用できるようになります。 エネルギー需要を評価するには、エネルギー使用量を予測するための普遍的かつ迅速な数値手法を作成することが不可欠です。

この論文で説明されている研究は、さまざまな種類の車両や地形条件に対応する最新の推進システムの設計、最適化、分析のための普遍的な方法論の開発に焦点を当てたプロジェクトの一部です。 オンロード車両の挙動と性能は詳しく説明されているため、さまざまな種類の車両のオフロード性能に関するアクセス可能な知識が不足しています。 牽引力を評価する方法は、一方では複雑で多くの場合不適切な理論モデルに基づいており、他方では特定のタイプの車両の実験的テストに基づいています。 この論文で提案する方法論は、実験的、理論的、数値的手法を組み合わせたもので、許容可能な精度で高速な牽引力計算を実行できるようになります。 研究の最も重要な側面は、推進されていない車輪の横力と縦力の予測でした。 装軌車両に対して行われた以前の研究で観察されたように、装輪車両についても内部軌道からエネルギーを回収する可能性があり、今後の研究で調査される予定です。 電気モーターによって生成されるトルクの点で最も単純かつ最も要求が厳しいのは、ゼロ回転です。 完全に制御されたさまざまな旋回の場合、さまざまな迎え角に対する非推進車輪の抵抗力を調査し、可能なエネルギー回生レベルを計算することが重要です。

道路状況における車輪付き車両のダイナミクスは広く説明されており、車輪と道路の挙動を記述するためにさまざまなモデルが提案されています。 最も重要な現象は、さまざまな摩擦モデルを使用して考慮されたスティックスリップ機構です1。 モデルは、定常状態での垂直荷重、縦方向および横方向 (横方向) の力など、さまざまな場合のタイヤの変形を評価するためにも使用されます。 解析および数値モデリング手法では、転がり抵抗の増加に寄与しているにもかかわらず、ほとんどの場合、横荷重によるホイールの変形は無視されています2。 経験的モデル、FEM 手法、およびスプリング ダンパー ホイール モデルを使用して、より正確な結果を得ることができます3。 より複雑なアプローチとして、タイヤと地面の相互作用は主に実験的な土壌パラメータのテストに基づいていました。 土壌せん断強度、引張強度、および伸長強度の測定には、コーン試験が使用されました4,5。 地上試験技術は Bekker6 によって初めて導入されました。 ベッカー法は、プレート沈下試験とせん断試験という 2 つの試験に基づいています。 正規化された寸法のプレートを使用して沈下とせん断リングを測定し、またはプレートを使用してせん断を測定しました。 その結果、圧力と地盤変形の関係が沈下量で示されるように計算されます。

ここで、\(\sigma\) は常圧、kc、kϕ、n は土壌特性パラメータ、z は土壌沈下量、B はタイヤ幅、ϕ はせん断土壌抵抗の自由角、τ はせん断応力です。 、kcohesion は土壌の凝集力、j はせん断変位です。

Bekker7 モデルに基づいた、タイヤの土壌接触領域とその下の応力計算の最初の複雑な方法でした。 ベッカー方程式を使用すると、通常の圧力を沈下量の関数として計算でき (式 1)、修正クーロン方程式 (式 2) を使用して、せん断変位、凝集力、土壌せん断変形などのパラメータを考慮してせん断応力を計算します8。

ベッカー モデルやその他の初期のアプローチでは、ホイールに対するタイヤの変形の影響、つまりホイール剛性の仮定による表面力学が無視されています。 最近開発されたモデルでは、タイヤの変形を考慮することができます (Schmid9)。 現代の研究は有限要素解析に焦点を当てています。

油圧および電気推進システムにより各車輪を個別に駆動できるため、正確なトルク配分が可能になります。 1 つの車輪テストベッドを使用した車輪接地テストには、いくつかのアプローチがあります 10、11。 分析された研究には、実験室条件で迎え角制御を備えた推進車輪テストベッド 12 が含まれます。 車輪がロックされている場合と推進されていない場合についても説明され、テストされています12、13。 研究の目的は、車両制御ユニットに実装できる電気全地形移動の最も効率的な方法を見つけることです。 Flippo と Miller14 によって説明されているように、特にフルサイズの車輪に基づいてこの論文で説明されている研究の場合には、単一車輪スタンドのテストが必要です。 車両を推進するためのエネルギー需要の最小化を考慮して、制御システムと精度を最適化するために、抵抗負荷の計算方法の改善が UGV 設計に不可欠です15。

論文で説明されているこの方法は、さまざまな車両構成の牽引力の正確なモデルを提供することに焦点を当てたプロジェクトの一部です。 道路状況と車両構成を含む 2 つのデータベースがあります。 道路状況には、地形の種類、要求される経路、速度、車両の性能が含まれます。 車両の構成には、質量、ステアリング機構、車輪の数、およびそのデザインが含まれます。 予備分析に基づいて、モデルが選択されます。 路上パフォーマンスの単純なケースでは、理論モデルが選択されます。 地上オフロード条件については、実験試験とFEM解析に基づいたモデルが適用されます。 さまざまな条件および異なる車輪構成に対して、牽引力が計算されます。 モデル データはフィールド テストの結果によって検証されます (図 1)。

接地タイヤ相互作用モデル。

実地試験と数値解析結果に基づいて、車両の転がり抵抗、特にスキッドステア車両の旋回モーメントを計算します。 著者らは無人車両の簡素化された設計に焦点を当てているため、スキッドステアリングが考慮されています。 これにより、個別に推進される車輪、ゼロターン能力、高い過負荷率など、電気推進システムの能力を活用することができます。

テスト中の各車輪を表現するために、実験用スタンドが設計され、さまざまな幾何学的条件や道路条件のシミュレーションに使用されました。 車輪の移動は外部推進システムによって行われました。 提示されたテストの場合、車輪を駆動する電気モーターはありませんでした。 この構造には、レールとフレームという 2 つの基本要素が含まれています。 レールは車輪の駆動方向を適切に保つ役割を果たし、フレームは力変換器を介して車輪から地面に荷重を伝達します。 トランスデューサはロッドに接続されており、フレーム調整システムで定義された縦方向と横方向の 2 つの荷重測定方向を分離できます。 ホイールを垂直軸に回転させて、異なる推進方向を実現することが可能です (図 2)。

実験台。

実験用スタンドを使用すると、さまざまな特定の地面条件に合わせてさまざまなホイール性能パラメータの設定を実現できます。 迎え角(ホイールの垂直対称面と運動方向との間の角度)は0°から90°まで変更可能です。 変更できるその他のパラメータは、車輪荷重、タイヤ空気圧です。 スタンドは可動構造であり、自然条件での力を測定するために現場で使用できます。 スタンドのユニークな設計により、移動カート座標系で縦方向および横方向の力を測定できます。 テストには、オフロードねじ付きホイール サイズ 20 × 10.00–8 インチが使用されました。 図4には、スキッドステアリング操作中の車輪の形状と測定された力が示されています。

直接測定に基づいて、ホイールの形状に関連する力を計算することができます。 フロング力とフラット力は、ホイール座標系上でフロング力とフラット力の結果として生じる F 力の投影です。 Flong ホイールとフラット ホイールの力は、X 軸がフレームに取り付けられた座標系で横方向の力を定義すると仮定して、Park 変換を使用して導き出すことができます。

図 3 に関連して、ホイールの幾何学的軸に関連する縦方向および横方向の力の合計は次のように表すことができます。

ホイールの幾何学的モデル、上面図。 x–y - 座標軸は移動方向に関連します、xwheel-ywheel: ホイールの形状に関連する座標軸、Flong - 移動方向に関連する縦方向の力の測定値、Flat - 移動方向に関連する横方向の力の測定値、F - 合力移動方向の座標軸に関連する力、フロングホイール - 幾何学的なホイール軸に関連する力の縦方向成分、フラットホイール - 幾何学的なホイール軸に関連する力の横方向成分、αw - スリップ角（移動方向とホイール座標系の間） 16.

図 4 に示されているケースでは、選択された座標系の力に対して平坦なホイールは負の値を持ちます。 最大ホイール回転角度 αw = 90° の場合、xwheel 軸は y 軸に平行であり、結果として ywheel 軸は x 軸に平行になります。

花崗岩表面の αw = 0° のホイールの形状に関連する縦方向および横方向の力。

合成縦力 Flong ホイールは、牽引トルクの生成に関与します。 フロングホイールは牽引力であると考えられます。 スキッドステア車両の場合、旋回モーメントによる滑りによる抵抗力を各車輪が発生させて旋回を可能にします。

テストは 4 つの迎え角 αw = 0°、30°、60°、90°に対して実行されました。 タイヤ内の圧力は０．１５ＭＰａ、車輪垂直荷重は８０ｋｇであった。 ホイールは雪と花崗岩の表面を 0.5 m/s の速度で走行しました。 定常状態の結果を以下のグラフに示します。

イチジクについて。 図 4 と 5 には、要求が最も低いケースが示されています。 迎え角は 0 に等しいため、横方向の力は最小になります。 表面の欠陥によって引き起こされる縦方向の力の変動が観察される可能性があります。 さらなる実験を図３〜図６に示す。 図６、７、８、９および１０は、迎え角の増加による横力の増加を示している。 90°の場合、縦方向の力が大きく寄与し、横方向の力は 0 に等しくなります。図 8 と 10 は実験の生データを示しています。 観察されたように、さらに調査する必要がある周期的なスティックスリップ現象が存在します。

αw = 0°のホイールの形状に関連する縦方向および横方向の力。 左側の波形: 緩んだ雪。 右の波形：圧雪。

ホイールの形状 αw = 30° に関連する縦方向および横方向の力。 左上の波形: 乾燥した花崗岩。 右上の波形: 濡れた花崗岩。 左下の波形: 緩んだ雪。 右下の波形：圧雪。

αw = 60°のホイールの形状に関連する縦方向および横方向の力。 左上の波形: 乾燥した花崗岩。 右上の波形: 濡れた花崗岩。 左下の波形: 緩んだ雪。 右下の波形：圧雪。

αw = 60°のホイールの形状に関連する縦方向および横方向の力。 左側の波形は乾燥花崗岩の生データです。 右側の波形は湿った花崗岩の生データです。

αw = 90°の場合のホイールの形状に関連する縦方向および横方向の力。 左上の波形: 乾燥した花崗岩。 右上の波形: 濡れた花崗岩。 左下の波形: 緩んだ雪。 右下の波形：圧雪。

αw = 90 の車輪の形状に関連する縦方向の力と横方向の力。左側の波形は緩んだ雪の生データです。 右は圧雪の生波形波形。

以前の研究とこの記事で提案されたアプローチは、スキッドステア車両の経験的な牽引力計算モデルにつながります。 このモデルにより、さまざまな路面およびさまざまな地形条件におけるスキッドステアリング車輪付き車両のヨー モーメントを計算できます。 最初のステップは、各車輪の牽引力を計算できる抵抗力の計算でした。

モデルの入力パラメータは 16 です。

スリップ角、

垂直抗力（車輪垂直荷重）、

ホイール圧力、

地模様。

モデルの出力パラメータ。

縦方向の力 - 車両のトラクション抵抗への寄与、

横力 - 車両のトラクション抵抗への寄与、

縦方向の車輪力 - 各車輪にトラクション抵抗を生成し、

横方向車輪力 - ホイールに曲げモーメントを生成し、サスペンション システムに負荷を与えます。

モデルは、車両の各車輪に作用する荷重について実験的に導出された荷重パターンに基づいています。 図 11、12、13、および 14 は、実行されたテスト条件でのスリップ角の関数における平均テスト結果を示しています。

滑り (攻撃) 角度に応じた縦方向と横方向の力の値 - 乾燥した花崗岩。

スリップ (攻撃) 角度に応じて計算された縦方向および横方向の力の値 (湿った花崗岩)。

滑り（攻撃）角度に応じた縦方向の力と横方向の力の値 - 緩んだ雪。

滑り（攻撃）角度に応じて計算された縦方向および横方向の力の値（圧雪）。

結果として得られるトラクション抵抗は、式 1 に示すように導き出すことができます。 （7）

ここで、ft はトラクション抵抗係数、pt はタイヤ空気圧係数、gm は輪荷重です。

結果を一般化するために、縦方向と横方向の抵抗係数という 2 つの係数が導入されます (式 8、9)。

ここで、Gは車両重量(mg)です。

記事で紹介されている方法は、無推進車輪モードの場合の無人車両の牽引力の近似計算に焦点を当てたプロジェクトの一部です。

テストは自然条件で実施され、雪の不連続性、舗装の幾何学的欠陥、気象条件の影響を受けました。 テストは、完全に制御された実験室環境と、4 ～ 6 輪車両を使用した現場の 2 つの方法で行うことをお勧めします。 今後の作業は、実験施設と試験車両の設計に焦点を当てます。

実験結果で検証されたFEMモデルは、モデルを一般化するために使用されます。 提示された結果は、著者によって開発された一般的な車輪と地面の相互作用モデルに貢献します。

この方法論は、新しい地面とタイヤの相互作用モデルを開発することを目的としたものではなく、数値的に効率的な牽引力の計算方法に焦点を当てています。

Andrzejewski, R. & Awrejcewicz, J. 車輪付き車両の非線形ダイナミクス 205 (Springer、2006)。

数学 Google Scholar

ウォン、JY 地上車両理論 (Wiley、2001)。

Google スカラー

Sharma, AK & Pandey, KP 剛性および変形可能な表面上の空気入りタイヤの面積測定に関するレビュー。 J. テラメク。 33(5)、253–264 (1997)。

記事 Google Scholar

Collins, JG は土壌の流通可能性を予測しています。 技術メモ 3-331 (米国工兵隊水路実験所、1971 年)。

Google スカラー

Herrick、EJ、Jones、TL 土壌浸透抵抗を測定するための動的円錐貫入計。 （2002年）。

ベッカー著、MG Off-the-Road Locomotion (ミシガン大学出版局、1960 年)。

Google スカラー

ベッカー著、MG 陸上移動理論 (ミシガン大学出版局、1956 年)。

Google スカラー

Janamoto, Z.、 Hanamoto, B. 線路敷設車両のドローバーの引っ張りと滑りの関係の分析。 技術報告書、米国陸軍兵器戦車自動車司令部 (1961 年)。

Schmid、IC ikk での 10 年間の研究結果による車両と地形の相互作用。 J. テラメク。 32(1)、3–26 (1995)。

記事 Google Scholar

Daca, A.、Nassiraei, AAF、Tremblay, D. & Skonieczny, K. 単輪テストベッドにおける輪荷重適用方法の比較。 J. テラメク。 99、35–55。 https://doi.org/10.1016/j.jterra.2021.11.001 (2022)。

記事 Google Scholar

椿 宏 & 石上 G. ホイール内センサーと粒子画像流速計を用いたホイールと土壌の相互作用力学に関する実験的研究。 パート I: 軽量車輪付き車両の垂直応力の解析とモデル化。 J. テラメク。 93、23–39。 https://doi.org/10.1016/j.jterra.2020.11.003 (2021)。

記事 Google Scholar

藤原大将、辻川直人、大島哲也、飯塚和弘、大きな沈下を利用したプッシュプル移動探査機のロックホイールの抵抗力の解析。 J. テラメク。 94、1-12。 https://doi.org/10.1016/j.jterra.2020.11.004 (2021)。

記事 Google Scholar

メイソン、GLら。 砂の上で動作する動力付きおよび動力なしの車輪付き車両の沈下アルゴリズムが改善されました。 J. テラメク。 67、25–36。 https://doi.org/10.1016/j.jterra.2016.07.001 (2016)。

記事 Google Scholar

Flippo, DF & Miller, DP シングルホイールテストによるスキッドステアリングの旋回効率予測。 J. テラメク。 52、23–29。 https://doi.org/10.1016/j.jterra.2014.02.001 (2014)。

記事 Google Scholar

Taghavifar, H.、Rakheja, S. & Reina, G. 変形可能な地形上の車輪付きロボットのための新しい最適な経路計画と追従アルゴリズム。 J. テラメク。 96、147–157。 https://doi.org/10.1016/j.jterra.2020.12.001 (2021)。

記事 Google Scholar

Czapla, T.、Fice, M. & Niestrój, R. 車輪表面モデル パラメーターの推定: 全地形対応無人車両の牽引力に対する砂の湿度の影響。 ラテン語の午前。 J. ソリッド構造。 16(1)、1–11 (2019)。

記事 Google Scholar

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この研究は国立研究開発センターから資金提供を受けました。 プロジェクト番号 DOBR-BIO/083/13431/2013。

シレジア工科大学応用力学学科、機械工学部、Akademicka 2A、44-100、グリヴィツェ、ポーランド

トマシュ・チャプラ

シレジア工科大学電気工学およびコンピュータサイエンス学部、電気工学部、Akademicka 2A、44-100、グリヴィツェ、ポーランド

マルシン・フィス & ロマン・ニエストロイ

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TC は実験台を設計し、テスト方法論を策定し、RN はデータ収集ソフトウェアとシステムのセットアップを担当し、MF はデータ収集と結果の議論を担当しました。 著者は最終原稿を読んで承認しました。 著者の貢献は平等です。

通信相手はTomasz Czaplaです。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Czapla, T.、Fice, M. & Niestrój, R. 車輪表面モデル パラメータの実験的同定: さまざまな地形条件。 Sci Rep 12、16015 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19829-7

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受信日: 2021 年 12 月 3 日

受理日: 2022 年 9 月 5 日

公開日: 2022 年 9 月 26 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19829-7

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科学レポート (2023)

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