袁芬 趙洪雷 盧國軒 李彪 吳宏濤

摘要：在借鑒同步齒形帶傳動原理的基礎(chǔ)上，提出了某履帶無人平臺行走機構(gòu)的設(shè)計思路。對橡膠履帶節(jié)距和寬度、驅(qū)動輪設(shè)計、導(dǎo)向輪以及負(fù)重輪的設(shè)計參數(shù)進行了分析，為同類行走機構(gòu)的設(shè)計提供了新的設(shè)計思路和方法。

關(guān)鍵詞：同步齒形帶;行走機構(gòu);橡膠履帶;驅(qū)動輪

履帶式車輛具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強等優(yōu)點，廣泛用于工程機械和農(nóng)業(yè)機械等野外作業(yè)車輛中[1]。近幾年伴隨著無人車的興起，越來越多的無人車輛采用履帶式結(jié)構(gòu)形式，而履帶行走機構(gòu)的優(yōu)劣直接影響著車輛的性能。本文針對某履帶式無人平臺，在借鑒同步齒形帶的基礎(chǔ)上提出了行動系統(tǒng)的設(shè)計要點和解決方法。

履帶式行走機構(gòu)

履帶行走系統(tǒng)由驅(qū)動輪、張緊輪、履帶、負(fù)重輪、車架組成。履帶與其所繞過的驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪和負(fù)重輪組成“三輪一帶”，由于尺寸較小，省去了傳統(tǒng)“四輪一帶”中的托帶輪[2]。

驅(qū)動輪前置，將來自電機的扭矩傳遞給橡膠履帶。導(dǎo)向輪后置，用于引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn)。張緊裝置保證履帶前進時不因稍受外力即松弛。負(fù)重輪輪組，保證履帶接地壓力分布均勻。

行走系統(tǒng)的設(shè)計

履帶行動系統(tǒng)中驅(qū)動輪和橡膠履帶的設(shè)計通常有兩種方案。第一種方案是由聚氨酯和橡膠等材質(zhì)制成的同步齒形帶，這種方案將履帶驅(qū)動輪設(shè)計成同步帶結(jié)構(gòu)，并與齒形帶嚙合，帶動履帶運動;第二種方案是參考金屬制成的鏈?zhǔn)铰膸В膸?qū)動輪設(shè)計成鏈輪結(jié)構(gòu)，嚙合鏈?zhǔn)铰膸?。在大多?shù)的履帶車輛中選擇第二種方案，在本系統(tǒng)中考慮到該行走系統(tǒng)主要在城市樓宇中作業(yè)，為降低生產(chǎn)成本和周期借鑒了第一種方案。

履帶

由于該行走底盤屬于小型車輛，選用了工程機械上常用的橡膠履帶。在履帶的選型和設(shè)計中，橡膠履帶的節(jié)距是最重要的一個參數(shù)，可參考金屬履帶選取，根據(jù)經(jīng)驗公式估算：

式中： –履帶節(jié)距，單位為mm;G–整機重量，單位為kg。

根據(jù)計算值參照各橡膠履帶制造商的選型表，最終確定履帶節(jié)距。

在履帶選擇中還需要考慮接地比壓P，該值與行動系統(tǒng)工作路面有關(guān)，決定了行動系統(tǒng)的通過性，并通過此值確定履帶總結(jié)地面積A。

式中，L–行走機構(gòu)的接地長度，單位為m;

G–車體重量，單位為kN;

b–履帶寬度，單位為m;

P–接地比壓，單位為kPa。

履帶寬度和履帶接地長度的經(jīng)驗公式：

根據(jù)上面的計算，按照所選廠家提供的橡膠履帶標(biāo)準(zhǔn)選取。在本項目中選用的橡膠履帶參數(shù)為：寬度130mm ×節(jié)距60mm ×節(jié)數(shù)33。

驅(qū)動輪

驅(qū)動輪的作用是將驅(qū)動電機的動力傳遞給履帶，因此驅(qū)動輪與履帶嚙合順暢是整個行走系統(tǒng)最關(guān)鍵的因素。一般履帶驅(qū)動輪齒數(shù)不宜少于7個，且驅(qū)動輪齒數(shù)和履帶的節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)，保證均勻嚙合，增加使用壽命。

橡膠履帶驅(qū)動輪的節(jié)圓直徑：

齒頂圓直徑：

式中：–履帶節(jié)距;Z–驅(qū)動輪齒數(shù);δ–節(jié)頂距。

選擇z=1，z=13，經(jīng)計算，齒頂圓直徑。

一般情況下履帶和驅(qū)動輪的嚙合有三種情況，即：亞節(jié)距嚙合、等節(jié)距嚙合、超節(jié)距嚙合。實際中，等節(jié)距嚙合只是一個理論概念，履帶和驅(qū)動輪的嚙合要么是亞節(jié)距嚙合，要么是超節(jié)距嚙合[3]。但在設(shè)計時，選擇等節(jié)距嚙合，給設(shè)計和加工留出誤差余量。在裝配時允許亞節(jié)距嚙合的出現(xiàn)，因為這種亞節(jié)距會伴隨著履帶和驅(qū)動輪齒的磨損、履帶張緊等慢慢過渡到等節(jié)距嚙合、超節(jié)距嚙合，但是橡膠履帶節(jié)距不能過小，否則容易出現(xiàn)爬齒現(xiàn)象。在研制中一般推薦橡膠履帶節(jié)距比驅(qū)動輪節(jié)距小3%以內(nèi)。

導(dǎo)向輪和張緊裝置

導(dǎo)向輪布置在車體后部，用于引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn)，防止跑偏和越軌。不需要傳遞速比，為保證行走系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其直徑與驅(qū)動輪一致。

張緊裝置采用機械式調(diào)整機構(gòu)，保證履帶前進時不因稍受外力即松弛而影響履帶和驅(qū)動輪的正常嚙合。

負(fù)重輪

負(fù)重輪的個數(shù)和布置應(yīng)有利于使履帶接地壓力分布均勻。因此，在本項目中采用多支點結(jié)構(gòu)，形成一個負(fù)重輪輪組，該輪組與車架緊密連接，支撐來自整臺車的質(zhì)量。一般負(fù)重輪的直徑和橡膠履帶的關(guān)系為，每邊負(fù)重輪的個數(shù)通常為3～5個，在本行走系統(tǒng)中每邊負(fù)重輪為5個，形成一個負(fù)重輪組。

實物驗證情況

在完成某履帶式無人平臺行走結(jié)構(gòu)底盤的設(shè)計和制造后，為驗證底盤的性能，對該底盤行動系統(tǒng)分別進行了臺架試驗、公路地面行駛、攀爬樓梯等試驗，行動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)順暢，滿足性能指標(biāo)要求。

結(jié)論

本文提出了使用同步帶原理對履帶和驅(qū)動輪設(shè)計的理念，并通過對履帶選型、驅(qū)動輪設(shè)計等核心部件的參數(shù)確定進行了分析研究，對負(fù)重輪、導(dǎo)向輪及張緊裝置的設(shè)計方法進行了闡述，為更多同類型履帶行走機構(gòu)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

參考文獻

齊英杰，孫志剛，馬巖，方彥.小型履帶拖拉機行走系統(tǒng)設(shè)計分析與實驗研究[J].農(nóng)機化研究，2018（1）：228～233.

孫振杰，劉俊峰，李彩風(fēng)，李建平.微型農(nóng)用履帶式行走裝置的設(shè)計方法[J].農(nóng)機化研究，2011（10）：55～58.

姜金球.履帶鏈輪亞節(jié)距嚙合技術(shù)的研究[J].礦山機械，1995（1）：22～25.