呂　凱, 穆希輝 , 杜峰坡, 郭浩亮1, , 趙曉東1,

(1. 軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術(shù)研究所， 河北 石家莊 050003；

重載三角橡膠履帶輪設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題綜述

呂凱1, 3, 穆希輝2, 杜峰坡2, 郭浩亮1, 2, 趙曉東1, 2

(1. 軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術(shù)研究所， 河北 石家莊 050003；

3. 軍事交通學(xué)院國(guó)家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心， 天津 300161)

摘要：為避免履帶輪高速重載行駛時(shí)易發(fā)生跳齒、爬齒、脫帶等故障，并減少因過(guò)度或部分磨損、不均衡張緊、不均勻溫升和振動(dòng)等因素而導(dǎo)致的故障和降低使用壽命，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件，對(duì)履帶輪和橡膠履帶、負(fù)重輪系、導(dǎo)向輪系、擺動(dòng)限位裝置等組件進(jìn)行了分類(lèi)和分析，總結(jié)了各組件的設(shè)計(jì)原則以及相應(yīng)的改進(jìn)方法，以提高履帶輪的模塊化程度、直線(xiàn)行駛性能，增強(qiáng)履帶驅(qū)動(dòng)角強(qiáng)度，降低花紋引起的振動(dòng)，均勻分布接地壓力，最小化張緊力及減少其變化，并使履帶輪可靠地與地面接觸。最后討論了使用履帶輪可能造成的轉(zhuǎn)向力不足、高能耗和碎屑堆積等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：橡膠履帶輪； 重載； 高速； 履帶車(chē)輛

與鋼制履帶相比，橡膠履帶重量輕、振動(dòng)小，不會(huì)破壞鋪設(shè)路面，且相對(duì)于輪胎具有更好的通過(guò)性，現(xiàn)已廣泛用于北美[1]、歐洲[2-7]、澳大利亞[8]、非洲[9]、東南亞[10]和日本[11-13]等地的農(nóng)用車(chē)輛和工程機(jī)械上。隨著橡膠履帶技術(shù)日益成熟，橡膠履帶的高機(jī)動(dòng)性、高牽引效率、低振動(dòng)和長(zhǎng)壽命等優(yōu)良特性使其在軍事領(lǐng)域也獲得了成功應(yīng)用[14-15]，如英國(guó)BAE公司和加拿大Soucy公司聯(lián)合研制的橡膠履帶系統(tǒng)已使用在了M113裝甲運(yùn)兵車(chē)、CV90步兵戰(zhàn)車(chē)和BvS10裝甲全地形車(chē)上。

橡膠履帶輪是一種新型的橡膠履帶應(yīng)用技術(shù)，能夠在不改裝或者少量改裝輪式車(chē)輛的條件下，與車(chē)輛輪胎互換，降低車(chē)輛的接地壓力，提高牽引性能，從而快速提升輪式車(chē)輛的越野能力[16-24]。其代表公司有加拿大的Soucy、美國(guó)的Goodyear和Mattracks、日本的Bridgestone及意大利的Tidue等，其中：Soucy公司在Conexpo2008上展出了其在JCB 506C伸縮臂叉車(chē)上配備的ST-900重載橡膠履帶輪，該車(chē)自重9 543 kg，載重2 722 kg；Mattracks公司生產(chǎn)的橡膠履帶輪的單輪最大承重已達(dá)3 063 kg，速度可達(dá)64 km/h。目前，國(guó)外橡膠履帶輪均為商業(yè)化生產(chǎn)，相關(guān)技術(shù)采用專(zhuān)利保護(hù)，鮮見(jiàn)公開(kāi)于其他研究性文獻(xiàn)。

近年來(lái)，橡膠履帶輪技術(shù)在國(guó)內(nèi)日益受到重視，越來(lái)越多的企業(yè)和研發(fā)單位對(duì)此進(jìn)行了研究和應(yīng)用[25-31]。筆者通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)廠家開(kāi)發(fā)了應(yīng)用在輕型輪式車(chē)輛上的相關(guān)產(chǎn)品，對(duì)于行駛速度超過(guò)15 km/h、自重8 t以上的重載四驅(qū)越野車(chē)輛，其配套的橡膠履帶輪的技術(shù)難度很大?？傮w上該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，與國(guó)外相比尚有較大差距，對(duì)履帶輪其他組件的設(shè)計(jì)仍處于模仿和探索階段。為提高相關(guān)技術(shù)的自主研發(fā)能力，國(guó)內(nèi)研究單位也開(kāi)始研發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)[32-33]。

筆者針對(duì)橡膠履帶輪在使用中，特別是在高速重載條件下存在的故障問(wèn)題，總結(jié)了實(shí)現(xiàn)履帶輪工程應(yīng)用需解決的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步論證了相應(yīng)組件的設(shè)計(jì)原則和可采取的技術(shù)方案，并對(duì)使用中存在的其他問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1橡膠履帶輪的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

橡膠履帶輪可分為驅(qū)動(dòng)型和從動(dòng)型2種，其中：驅(qū)動(dòng)型具有驅(qū)動(dòng)輪，用于更換車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)輪胎；從動(dòng)型可無(wú)驅(qū)動(dòng)輪，用于更換車(chē)輛的從動(dòng)輪胎。圖1為Soucy公司的從動(dòng)型和驅(qū)動(dòng)型履帶輪。本文內(nèi)容僅針對(duì)驅(qū)動(dòng)型的橡膠履帶輪(以下簡(jiǎn)稱(chēng)履帶輪)。

圖1　Soucy公司的從動(dòng)型和驅(qū)動(dòng)型履帶輪

履帶輪主要由橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)輪、框架、多個(gè)負(fù)重輪和導(dǎo)向輪等組成，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)關(guān)系為：1)履帶輪一般為三角形構(gòu)型，驅(qū)動(dòng)輪處于三角形的頂點(diǎn)上，這可減少碎屑和泥濘對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和橡膠履帶嚙合的影響，延長(zhǎng)履帶使用壽命，又因其不承受車(chē)輛載荷，可采用更輕的結(jié)構(gòu)[34]，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)其上的驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)(或驅(qū)動(dòng)齒)與橡膠履帶的驅(qū)動(dòng)角相嚙合，驅(qū)動(dòng)履帶；2)導(dǎo)向輪處于三角形底部的一端或者兩端；3)負(fù)重輪處于三角形的底部，旋轉(zhuǎn)安裝在相關(guān)組件上，這些組件與負(fù)重輪構(gòu)成負(fù)重輪系；4)框架維持履帶輪的結(jié)構(gòu)，用于安裝導(dǎo)向輪、負(fù)重輪系等組件；5)除橡膠履帶外的其他組件組成履帶輪輪系。

圖2　履帶輪結(jié)構(gòu)

根據(jù)履帶輪結(jié)構(gòu)及其與車(chē)輛的裝配，可將履帶輪分為整體式和分離式2類(lèi)。

1) 整體式。該類(lèi)履帶輪在更換輪胎前，先裝配為一個(gè)整體，然后將驅(qū)動(dòng)輪裝配至車(chē)輛末端的驅(qū)動(dòng)軸上，驅(qū)動(dòng)輪隨驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，圖1、3均屬于此類(lèi)。整體式履帶輪更換簡(jiǎn)單，模塊化程度高，在不平整地面行駛時(shí)，負(fù)重輪系和框架能夠隨著地表起伏共同環(huán)繞驅(qū)動(dòng)軸擺動(dòng)。但驅(qū)動(dòng)輪和框架之間通過(guò)重載軸承連接，該軸承不僅需要承載車(chē)輛載荷，還要承受轉(zhuǎn)向時(shí)的軸向力，工況惡劣[35]。

圖3　Mattracks公司的整體式履帶輪及其安裝車(chē)輛

2) 分離式。該類(lèi)履帶輪的驅(qū)動(dòng)輪和框架是分離安裝的，其安裝方式如下：驅(qū)動(dòng)輪與車(chē)輛末端驅(qū)動(dòng)軸裝配，并隨驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；框架固定在驅(qū)動(dòng)軸的支撐殼體上。該類(lèi)履帶輪安裝時(shí)需保證負(fù)重輪和導(dǎo)向輪的軸線(xiàn)方向平行于驅(qū)動(dòng)輪的軸線(xiàn)方向，以確保輪系與履帶的對(duì)中，避免履帶兩側(cè)因不均衡張緊而引起履帶橫向側(cè)移[36]。該類(lèi)履帶輪安裝后，驅(qū)動(dòng)輪和框架之間沒(méi)有直接的裝配關(guān)系[21, 35-37]，負(fù)重輪系則鉸接在框架上，能夠相對(duì)于框架擺動(dòng)(如圖4所示)，但負(fù)重輪系的擺動(dòng)軸一般處于驅(qū)動(dòng)軸下方，故該擺動(dòng)會(huì)改變履帶環(huán)輪系的周長(zhǎng)，進(jìn)而限制了負(fù)重輪系的擺動(dòng)范圍，不利于在崎嶇路面行駛。

圖4　Soucy公司的分離式履帶輪安裝

更換履帶輪后，履帶輪應(yīng)在其所更換輪胎的可用包絡(luò)空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在同樣的地形起伏條件下，負(fù)重輪系的鉸接位置越低，負(fù)重輪系擺動(dòng)時(shí)履帶輪就越穩(wěn)定，且不易與車(chē)輛上的鄰近組件互相干涉。雖然整體式結(jié)構(gòu)履帶輪的模塊化程度高，便于安裝，但對(duì)于特定的輪式車(chē)輛，在履帶輪運(yùn)動(dòng)空間受限時(shí)，分離式結(jié)構(gòu)可能更為適合。

2橡膠履帶設(shè)計(jì)

2.1橡膠履帶選擇

2.1.1橡膠履帶類(lèi)型

根據(jù)橡膠履帶是否包含芯金，可將其分為無(wú)芯金和有芯金2種。有芯金橡膠履帶(Metal-embedd-ed Rubber Tracks)構(gòu)成如圖5所示，其中：芯金一般沿履帶縱向間隔排列，沿履帶橫向延伸，這樣一方面為橡膠履帶提供較高的橫向剛度，另一方面利于履帶繞輪彎曲[38-41]。該結(jié)構(gòu)能使履帶輪的橫向接地壓力分布均勻，進(jìn)而減少在履帶橫向上布置的負(fù)重輪數(shù)量或者寬度。與無(wú)芯金橡膠履帶(Metal-coreless Rubber Tracks)相比，該類(lèi)履帶剛性高，接地壓力的橫向分布更為均勻[42]。但芯金增加了橡膠履帶的重量，并使履帶縱向剛度間隔變化，在車(chē)輛高速行駛時(shí)會(huì)誘發(fā)過(guò)度的振動(dòng)。此外，芯金一般嵌入在接近履帶內(nèi)表面的位置，處于履帶中性層和內(nèi)表面之間的橡膠材料會(huì)承受很高的壓力，在高速條件下，這些壓力會(huì)使橡膠材料嚴(yán)重發(fā)熱，進(jìn)而誘發(fā)履帶脫膠和完全故障[43]。目前，有芯金橡膠履帶多用于輕型車(chē)輛、農(nóng)用車(chē)輛和低速工程車(chē)輛，行駛速度在3～15 km/h。由于其結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)動(dòng)性的限制，Mattracks和Soucy等國(guó)外公司均不采用有芯金橡膠履帶。

圖5　有芯金橡膠履帶構(gòu)成

20世紀(jì)90年代，為了改善有芯金橡膠履帶的性能，無(wú)芯金橡膠履帶最先由日本Bridgestone公司應(yīng)用在高速的半履帶卡車(chē)上。試驗(yàn)證明：與有芯金橡膠履帶相比，該型履帶具有機(jī)動(dòng)性高、噪聲低、重量輕以及不易脫帶等優(yōu)點(diǎn)[44]。為了改善其橫向和扭轉(zhuǎn)剛性，現(xiàn)有的無(wú)芯金橡膠履帶在主簾線(xiàn)層的外周側(cè)或者內(nèi)周側(cè)布置有多個(gè)偏置簾線(xiàn)層[45-48]，其構(gòu)成如圖6所示。這些簾線(xiàn)層需保證履帶在環(huán)輪系旋轉(zhuǎn)時(shí)，橫向剪切應(yīng)力的分布左右對(duì)稱(chēng)；否則，履帶會(huì)在行駛時(shí)產(chǎn)生橫向側(cè)移，并誘發(fā)部分磨損或者脫帶[46]。與有芯金橡膠履帶相比，無(wú)芯金橡膠履帶的行駛速度可達(dá)到50 km/h，且行駛更為平穩(wěn)，能承受重載。目前，履帶輪多采用無(wú)芯金橡膠履帶。

圖6　無(wú)芯金橡膠履帶

2.1.2橡膠履帶驅(qū)動(dòng)方式

有芯金橡膠履帶均為強(qiáng)制驅(qū)動(dòng),無(wú)芯金橡膠履帶則分為摩擦驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)2種。摩擦驅(qū)動(dòng)的橡膠履帶內(nèi)表面上不具有驅(qū)動(dòng)角，僅有導(dǎo)向角來(lái)引導(dǎo)履帶防止脫帶。它依靠驅(qū)動(dòng)輪與履帶之間的摩擦來(lái)傳遞動(dòng)力，需要相對(duì)高的張緊力來(lái)保持足夠的摩擦，以防止在重載工況下泥濘路面工作時(shí)驅(qū)動(dòng)輪和履帶之間發(fā)生滑移。同時(shí)，履帶在驅(qū)動(dòng)輪上的包角一般超過(guò)180°，且驅(qū)動(dòng)輪的直徑較大[49-50]，如圖7所示。驅(qū)動(dòng)輪和履帶之間的滑移雖然能夠在沖擊載荷下保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)和末端驅(qū)動(dòng)，但會(huì)使履帶發(fā)熱，進(jìn)而促使履帶拉伸，最終導(dǎo)致故障發(fā)生。

圖7　Camoplast-solideal公司的摩擦驅(qū)動(dòng)橡膠履帶和履帶系統(tǒng)

強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的無(wú)芯金橡膠履帶內(nèi)表面上有驅(qū)動(dòng)角，依靠驅(qū)動(dòng)角和驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)嚙合傳遞動(dòng)力。無(wú)芯金橡膠履帶強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的核心技術(shù)使驅(qū)動(dòng)輪具有合適的提升比率。提升比率是指驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)節(jié)距相對(duì)超出履帶驅(qū)動(dòng)角節(jié)距的百分比。在驅(qū)動(dòng)輪和履帶嚙合時(shí)，驅(qū)動(dòng)角會(huì)在驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)的作用下產(chǎn)生變形，這是驅(qū)動(dòng)輪需用提升比率的根本原因。與摩擦驅(qū)動(dòng)相比，強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)能提供更牢靠的扭矩傳遞而不打滑；此外，合適的提升比率可保證驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)和驅(qū)動(dòng)角之間不存在刨削現(xiàn)象，從而比摩擦驅(qū)動(dòng)具有更少的功率損失和油耗[51]。

從結(jié)構(gòu)上看，強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)有芯金或無(wú)芯金橡膠履帶均能夠更為緊湊和簡(jiǎn)單地實(shí)施模塊化。在高速重載條件下，履帶輪應(yīng)當(dāng)選用強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的無(wú)芯金橡膠履帶，并要選擇好合適的提升比率。除非指明，下文中履帶均指強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的無(wú)芯金橡膠履帶。

2.2驅(qū)動(dòng)角的設(shè)計(jì)

強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)無(wú)芯金橡膠履帶的驅(qū)動(dòng)角依靠側(cè)面與驅(qū)動(dòng)輪嚙合傳遞驅(qū)動(dòng)力，該側(cè)面稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)墻，同時(shí)依靠端面與導(dǎo)向輪或負(fù)重輪側(cè)面貼合，為履帶提供導(dǎo)向的功能[52-53]。因此，高速重載履帶輪的履帶驅(qū)動(dòng)角應(yīng)能傳遞足夠的驅(qū)動(dòng)力，并能避免脫帶，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗磨損能力；否則，驅(qū)動(dòng)角就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)形式的破壞，如圖8所示。選擇合適的材料和改進(jìn)配方可提高驅(qū)動(dòng)角的承載能力和導(dǎo)向能力，但這并不是唯一的方法。

圖8　驅(qū)動(dòng)角的破壞

2.2.1驅(qū)動(dòng)角的形狀和排列

當(dāng)牽引力較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)角的過(guò)大變形會(huì)使驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生滑移，甚至使驅(qū)動(dòng)輪滑過(guò)驅(qū)動(dòng)角并伴隨振動(dòng)，這種非嚙合運(yùn)動(dòng)就是跳齒現(xiàn)象。如果跳齒反復(fù)出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)角就會(huì)損壞，可通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)角的形狀來(lái)發(fā)揮其強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。如：Matsuo等[54]改進(jìn)了驅(qū)動(dòng)角的截面形狀，嚙合時(shí)驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)被緊鄰的驅(qū)動(dòng)角駐止，以阻止非嚙合運(yùn)動(dòng)，從而避免跳齒并減少驅(qū)動(dòng)角的磨損，如圖9所示；除了改進(jìn)橫截面形狀，還可改善驅(qū)動(dòng)角側(cè)面(驅(qū)動(dòng)墻和制動(dòng)墻)的形狀，如Feldmann[53]將傳統(tǒng)的等截面驅(qū)動(dòng)角的驅(qū)動(dòng)墻和制動(dòng)墻錐面化(圖10)，提高了驅(qū)動(dòng)角承載能力，并減少其摩擦和發(fā)熱。

圖9　驅(qū)動(dòng)角的截面形狀改進(jìn)及其與驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)的作用

圖10　等截面錐面化的驅(qū)動(dòng)角

此外，驅(qū)動(dòng)角的長(zhǎng)度、寬度、節(jié)距三者之間也需要合理搭配[52]；否則，驅(qū)動(dòng)角承載能力差，或者與驅(qū)動(dòng)輪嚙合的數(shù)目過(guò)少，均不足以從驅(qū)動(dòng)輪傳遞足夠的驅(qū)動(dòng)力至履帶；或者驅(qū)動(dòng)角太薄，難以起到引導(dǎo)作用。最后，為避免干涉，驅(qū)動(dòng)角的高度將會(huì)受到輪系的結(jié)構(gòu)特別是負(fù)重輪軸位置的限制。

2.2.2驅(qū)動(dòng)角的材料和結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)角和驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)之間的摩擦因數(shù)應(yīng)利于嚙合，這是因?yàn)椋耗Σ烈驍?shù)過(guò)小，嚙合時(shí)容易滑移；而摩擦因數(shù)過(guò)大，嚙合時(shí)驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)會(huì)粘附在驅(qū)動(dòng)角上，不能進(jìn)入驅(qū)動(dòng)角的根部，容易損壞驅(qū)動(dòng)角。履帶輪行駛時(shí)，導(dǎo)向輪和負(fù)重輪兩側(cè)接觸驅(qū)動(dòng)角的兩端面，以引導(dǎo)履帶。若驅(qū)動(dòng)角兩側(cè)與負(fù)重輪的摩擦因數(shù)過(guò)大，則負(fù)重輪容易爬上驅(qū)動(dòng)角的端面，并最終導(dǎo)致脫帶：這就是爬齒現(xiàn)象，如圖11所示。因此，驅(qū)動(dòng)角的兩端應(yīng)使用低摩擦的材料或者元件。如：文獻(xiàn)[55-58]作者在驅(qū)動(dòng)角中插入了桿狀元件，這些元件具有低摩擦表面，暴露在驅(qū)動(dòng)角的兩端，以承受負(fù)重輪的接觸和沖擊；Lavoie[59]采用低摩擦材料制造驅(qū)動(dòng)角兩端，如圖12所示；Feldmann等[60]使用低摩擦的加強(qiáng)層充分覆蓋驅(qū)動(dòng)角所有表面，不僅可有效防止爬齒，且使驅(qū)動(dòng)角更為強(qiáng)壯和耐磨損，如圖13所示；加強(qiáng)層可以嵌入驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)的內(nèi)部，充分發(fā)揮提高驅(qū)動(dòng)角剛度的效果[61]，如圖14所示；同時(shí)，可在驅(qū)動(dòng)角多個(gè)位置和方向嵌入加強(qiáng)層，充分提高驅(qū)動(dòng)角的承載能力，并發(fā)揮其導(dǎo)向作用[62]，如圖15所示。

圖11　爬齒現(xiàn)象

圖12　使用低摩擦材料的驅(qū)動(dòng)角兩端

圖13　使用低摩擦材料的加強(qiáng)層覆蓋驅(qū)動(dòng)角

圖14　單個(gè)加強(qiáng)層貫穿多個(gè)驅(qū)動(dòng)角

圖15　使用多個(gè)加強(qiáng)層的驅(qū)動(dòng)角

2.3花紋的設(shè)計(jì)

花紋用于提高履帶在粗糙、破碎或者柔軟地面的附著能力?；y及其間隔會(huì)使履帶的剛度產(chǎn)生相應(yīng)變化。在行駛中，當(dāng)負(fù)重輪通過(guò)花紋時(shí)，履帶剛度相對(duì)較大;當(dāng)通過(guò)花紋之間的間隙時(shí)，剛度略有減少，這種交替的剛度變化產(chǎn)生花紋-輪振動(dòng)，并進(jìn)一步傳遞給車(chē)輛。雖然不平整的地形會(huì)引起與地形相關(guān)的振動(dòng)，但花紋-輪振動(dòng)會(huì)始終伴隨車(chē)輛行駛。該振動(dòng)對(duì)履帶輪各組件壽命均有害，從而提高履帶車(chē)輛的維修頻率，同時(shí)降低行駛平順性。

如果花紋的間隔足夠小，負(fù)重輪就不會(huì)承受剛度變化，這不利于提高履帶的地面牽引力。因此，花紋的設(shè)計(jì)需要降低振動(dòng)，并滿(mǎn)足履帶牽引的要求。Akiyama[63]分析了負(fù)重輪寬度B、花紋寬度H、間距P和相對(duì)于履帶橫斷面的傾角α對(duì)該振動(dòng)的關(guān)系，如圖16所示，其中：負(fù)重輪接觸長(zhǎng)度L為負(fù)重輪與相鄰的胎面花紋之間的接觸長(zhǎng)度L1和L2之和。研究發(fā)現(xiàn)：隨著負(fù)重輪相對(duì)花紋起始點(diǎn)O的位置X的變化，L也發(fā)生變化，且花紋-輪振動(dòng)與L的變化密切相關(guān)，當(dāng)P=Btanα?xí)r，振動(dòng)最?。淮送?，可通過(guò)對(duì)花紋、負(fù)重輪以及履帶內(nèi)表面形狀的改進(jìn)來(lái)進(jìn)一步減小花紋-輪振動(dòng)[64]。

圖16　花紋-輪振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)

履帶的彎曲變形發(fā)生在彎曲剛度最小的地方，如驅(qū)動(dòng)角之間或者花紋之間。若履帶內(nèi)、外側(cè)某些位置的彎曲變形一致，則這些位置的局部彎曲變形就會(huì)十分明顯，對(duì)應(yīng)接地部分的橡膠拉伸應(yīng)力也會(huì)明顯高于其他部分。隨著履帶的使用，累積變形將會(huì)誘發(fā)這些位置的接地部分產(chǎn)生裂紋。為使履帶的彎曲應(yīng)力控制在可接受范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)還需規(guī)劃花紋與驅(qū)動(dòng)角的位置關(guān)系[47, 65]。

3履帶輪的輪系設(shè)計(jì)

3.1負(fù)重輪系

整車(chē)自重和負(fù)載通過(guò)框架最終施加在負(fù)重輪系上，負(fù)重輪碾壓在履帶接地部分的內(nèi)表面上，為履帶提供支撐和載荷分配。

3.1.1負(fù)重輪的尺寸和數(shù)量

平均最大壓力值(Mean Maximum Pressure, MMP)為判斷履帶車(chē)輛通過(guò)性的參數(shù)。定義MMP值為履帶系統(tǒng)所有負(fù)重輪下最大壓力的平均值[66]。允許的MMP值是由配套車(chē)輛所使用的地形條件決定的：對(duì)于在軟地上行駛的履帶車(chē)輛，當(dāng)MMP值低于166.6 kPa時(shí)，有很好的機(jī)動(dòng)性，當(dāng)超過(guò)294 kPa時(shí)，則受到很大限制；對(duì)于在泥炭沼澤地區(qū)行駛的履帶車(chē)輛，則要求MMP值不超過(guò)49 kPa，而當(dāng)MMP值低于29.4 kPa，則可多次安全通過(guò)；對(duì)于在浮動(dòng)草墊沼澤地區(qū)行駛的履帶車(chē)輛，則要求MMP值小于9.8 kPa[67]。MMP值與履帶接地面積和負(fù)重輪數(shù)量等參數(shù)為反相關(guān)[66]。

為降低MMP值，履帶輪均選用較小的平均接地壓力，如：Mattracks公司的公開(kāi)資料顯示其履帶輪的平均接地壓力在9.6～27.6 kPa之間；Soucy公司的履帶輪平均接地壓力為40 kPa以下。由平均接地壓力確定履帶的接地面積后，考慮到橡膠履帶的剛度低，為進(jìn)一步降低MMP值，在履帶的橫向上可能需要3行或者更多的負(fù)重輪[68-71]，且負(fù)重輪的寬度越大越好。但負(fù)重輪的行間距應(yīng)能容納履帶驅(qū)動(dòng)角，這限制了負(fù)重輪寬度的增加。另外，負(fù)重輪的半徑應(yīng)大于履帶的最小彎曲半徑，并使負(fù)重輪側(cè)面能夠有效接觸至少2個(gè)驅(qū)動(dòng)角的端面部分，以避免在履帶輪轉(zhuǎn)向時(shí)負(fù)重輪對(duì)臨近驅(qū)動(dòng)角側(cè)面的侵入，使負(fù)重輪能夠有效地引導(dǎo)履帶。此外，履帶的接地長(zhǎng)度限制了負(fù)重輪在履帶縱向上的列數(shù)。

3.1.2負(fù)重輪排列

負(fù)重輪排列是指當(dāng)履帶輪在水平面靜止時(shí)，如何布置各個(gè)負(fù)重輪的位置。負(fù)重輪排列應(yīng)使履帶的接地壓力分布均勻，特別是在軟地形上，以提高履帶輪的通過(guò)性。需要強(qiáng)調(diào)的是：負(fù)重輪排列應(yīng)使接地壓力沿履帶橫向的分布均勻一致，以保證行駛時(shí)履帶溫升均勻。因此，負(fù)重輪排列應(yīng)為履帶提供合理的載荷分配。

事實(shí)上，在重載條件下，履帶輪框架會(huì)明顯變形，而該變形會(huì)被傳遞至負(fù)重輪系。筆者曾對(duì)某履帶輪樣機(jī)做過(guò)溫升試驗(yàn)，如圖17所示。該履帶輪在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮框架變形對(duì)負(fù)重輪系橫向載荷分配的影響，在重載條件下框架內(nèi)側(cè)發(fā)生變形，使外側(cè)負(fù)重輪對(duì)履帶的壓力高于內(nèi)側(cè)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：履帶輪在硬質(zhì)干燥地面行駛2 km后，履帶外側(cè)的溫度已高達(dá)80 ℃，而內(nèi)側(cè)只有38 ℃。由于負(fù)重輪排列很難隨著車(chē)輛自重和負(fù)載的變化而調(diào)整，因而負(fù)重輪系應(yīng)能夠?qū)⒖蚣茏冃螌?duì)載荷分配的影響最小化，以簡(jiǎn)化負(fù)重輪的排列。

圖17　履帶輪溫升試驗(yàn)

3.1.3對(duì)地形變化的順應(yīng)能力

履帶輪行駛時(shí)，負(fù)重輪系應(yīng)對(duì)地形變化有一定的順應(yīng)能力，以保持履帶與地面的接觸、提供牢靠牽引、緩沖障礙造成的沖擊、保護(hù)履帶輪組件和提高舒適性。由于車(chē)輛最高速度受限于駕駛員和車(chē)輛所能承受的振動(dòng)，順應(yīng)能力對(duì)于機(jī)動(dòng)性尤為重要，為此，負(fù)重輪系通常將負(fù)重輪成對(duì)裝配在結(jié)構(gòu)緊湊的擺臂懸架上[19,37,71-72](如圖18所示)，或者裝配在結(jié)構(gòu)極其緊湊的彈性懸架[73]上(如圖19所示)。

圖18　采用擺臂懸架的履帶輪

圖19　CaseIH公司的履帶輪及其采用彈性懸架的負(fù)重輪系

3.2導(dǎo)向輪系

導(dǎo)向輪用于引導(dǎo)履帶，并為履帶輪提供接近角或離去角。導(dǎo)向輪的最低位置應(yīng)高于負(fù)重輪的最低位置，以使履帶接觸路面時(shí)不被擦傷，并對(duì)小物體有允許的間隙[74]。高配置的導(dǎo)向輪能夠形成高的接近角或離去角，有利于履帶輪越障。

為維持履帶與驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪之間的嚙合，導(dǎo)向輪系應(yīng)使履帶保持一定程度的張緊力，且張緊力應(yīng)在數(shù)值上最小化，并在履帶輪行駛時(shí)保持必要的恒定，以使履帶輪各組件的磨損最小化[34]。為此，需采用張緊裝置以改變導(dǎo)向輪的位置，維持履帶張緊力或履帶環(huán)輪系周長(zhǎng)不變；此外，張緊裝置還可方便履帶輪組件特別是履帶的裝卸。

張緊裝置可分為靜態(tài)張緊裝置和動(dòng)態(tài)張緊裝置。靜態(tài)張緊裝置在履帶環(huán)輪系周長(zhǎng)變化可接受的條件下使用。履帶輪使用一段時(shí)間后，由于履帶反復(fù)拉伸變形，周長(zhǎng)會(huì)有所增加，此時(shí)需要通過(guò)靜態(tài)張緊裝置調(diào)整導(dǎo)向輪位置來(lái)重構(gòu)環(huán)輪系周長(zhǎng)，如圖20所示。動(dòng)態(tài)張緊裝置能在履帶輪行駛中隨著履帶張緊力變化而改變導(dǎo)向輪的位置，以減少?gòu)埦o力變化以及由此引起的履帶發(fā)熱。它可采用彈簧[75-76]、氣囊等簡(jiǎn)單的彈性元件，亦可采用更為復(fù)雜的張緊機(jī)構(gòu)，如意大利Tidue采用氮?dú)庑钅芷鳛橐簤夯芈诽峁﹦?dòng)力來(lái)維持履帶的張緊力[72]，如圖21所示。

圖20　Mattracks公司的履帶輪靜態(tài)張緊裝置

圖21　Tidue公司的履帶輪動(dòng)態(tài)張緊裝置

3.3擺動(dòng)限位裝置

履帶輪在越野環(huán)境中行駛時(shí)，地形的起伏會(huì)引起履帶輪相對(duì)車(chē)輛前后擺動(dòng)。為避免履帶輪因過(guò)度擺動(dòng)而翻轉(zhuǎn)(如圖22所示)，維持履帶輪接地部分不脫離地面，需要加裝擺動(dòng)限位裝置。

圖22　履帶輪翻轉(zhuǎn)

整體式履帶輪的擺動(dòng)限位裝置使用彈性元件(如空氣彈簧、彈簧[18,77]、橡膠墊片[78]等)將框架和車(chē)架耦合在一起，為負(fù)重輪系提供一定的擺動(dòng)范圍(如圖23所示)，并在擺動(dòng)時(shí)提供緩沖。

圖23　Mattracks公司的履帶輪擺動(dòng)限位裝置

分離式履帶輪由于其框架固連在車(chē)架上，則可將框架與上述彈性元件連接，以限制負(fù)重輪系的擺動(dòng)[35,37]，或者直接對(duì)負(fù)重輪系剛性限制即可[36]，如圖4所示。

4其他問(wèn)題

履帶輪更換輪胎后，車(chē)輛的越野行駛能力得到提高。同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的限制，在更換車(chē)輛輪胎后，會(huì)產(chǎn)生如下3方面的問(wèn)題：

1) 轉(zhuǎn)向阻力增大。履帶輪的接地面積遠(yuǎn)大于原車(chē)輪胎，所需轉(zhuǎn)向扭矩相應(yīng)增大。車(chē)輛配套履帶輪后若無(wú)法原地轉(zhuǎn)向，則最小轉(zhuǎn)向半徑會(huì)有所增加。履帶輪行駛轉(zhuǎn)向時(shí)必須考慮滑移和滑轉(zhuǎn)，同時(shí)花紋對(duì)轉(zhuǎn)向也有一定的影響，轉(zhuǎn)向機(jī)理十分復(fù)雜，在設(shè)計(jì)前期也難以得到準(zhǔn)確的評(píng)估。目前，工程上的解決方案是加裝與車(chē)輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)相匹配的轉(zhuǎn)向助力組件(如圖24所示)，用于抬高某些負(fù)重輪，使該部分的履帶脫離地面，從而使接地壓力集中在較小的接地面積上，減小轉(zhuǎn)向阻力矩。

圖24　Mattracks公司的轉(zhuǎn)向助力裝置

2) 功耗增加。一是履帶輪的重量遠(yuǎn)超原車(chē)輪胎，盡管可對(duì)履帶輪的各個(gè)組件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，但考慮成本等因素，履帶輪的重量仍可達(dá)到所更換輪胎的2倍以上；二是輪系和履帶之間的摩擦進(jìn)一步消耗了車(chē)輛功率；三是履帶彎曲剛度越大，環(huán)輪系旋轉(zhuǎn)時(shí)消耗的功率越大。后二者會(huì)使履帶溫度上升，特別是行駛在散熱性差的地面時(shí)。若履帶的溫度過(guò)高，常需停車(chē)?yán)鋮s，如Mattracks生產(chǎn)公司的履帶輪在環(huán)境溫度超過(guò)26 ℃、滿(mǎn)載行駛速度為30 km/h時(shí)，只能在鋪設(shè)路面持續(xù)行進(jìn)8 km。

3) 泥屑堆積。由于履帶輪的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，泥土和碎屑很容易堆積在履帶內(nèi)表面和輪子之間，如圖25所示。這種泥屑的堆積或者攝取會(huì)降低履帶和驅(qū)動(dòng)輪之間的有效交互，并進(jìn)一步增加履帶輪的功耗。因此，履帶系統(tǒng)一般均使用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪[23]，以使履帶和驅(qū)動(dòng)輪之間的泥屑在行駛中脫落，如圖26所示。履帶和負(fù)重輪之間的泥屑可通過(guò)減少履帶和負(fù)重輪的接觸面積來(lái)減少[24]。但泥屑的堆積是無(wú)法避免的，使用高壓水槍可能是去除泥屑最為有效的方法。

圖25　在泥濘中行進(jìn)的美國(guó)ATI公司的履帶輪

圖26　Soucy公司的具有開(kāi)放式驅(qū)動(dòng)輪的輪系

5結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)橡膠履帶輪在高速重載條件下使用，筆者對(duì)履帶輪的設(shè)計(jì)原則、關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和探討。

1) 為適用于高速重載條件并便于模塊化，應(yīng)使用強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的無(wú)芯金橡膠履帶，且選定合適的驅(qū)動(dòng)輪提升比率，以避免驅(qū)動(dòng)輪刨削履帶驅(qū)動(dòng)角，布置好履帶偏置簾線(xiàn)層以使履帶剪應(yīng)力橫向上對(duì)稱(chēng)分布。

2) 為滿(mǎn)足重載的要求，避免跳齒、爬齒和脫帶，提高驅(qū)動(dòng)角的壽命，除了改進(jìn)橡膠配方和工藝外，驅(qū)動(dòng)角的形狀、結(jié)構(gòu)和排列也是十分重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3) 應(yīng)設(shè)計(jì)好花紋的形狀、尺寸和間隔，并布置好花紋相對(duì)于驅(qū)動(dòng)角的位置，以利于提供履帶輪牽引，使花紋和負(fù)重輪交互作用引起的振動(dòng)最小化，并避免履帶接地表面產(chǎn)生過(guò)大且局部集中的拉伸應(yīng)力，延長(zhǎng)履帶的使用壽命。

4) 為滿(mǎn)足越野高速行駛的要求，應(yīng)選取合適的負(fù)重輪尺寸和數(shù)量，合理排列負(fù)重輪，使履帶輪接地壓力分布均勻，并減少因框架變形而引起負(fù)重輪載荷分配的變化，使行駛中履帶溫升均勻。此外，履帶輪系應(yīng)具有較好的順應(yīng)地形變化的能力，并使履帶張緊力最小化，減少?gòu)埦o力變化。

5) 橡膠履帶輪更換輪胎后存在的轉(zhuǎn)向阻力增大、功耗增加和泥屑堆積等問(wèn)題，還有待進(jìn)一步研究和解決。

雖然筆者對(duì)履帶輪各組件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較全面的探討，但由于目前國(guó)內(nèi)尚缺乏履帶輪的相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，特別是缺乏工程化的應(yīng)用案例，因此部分探討僅指明了設(shè)計(jì)和研究的方向。為了實(shí)現(xiàn)橡膠履帶輪的工程應(yīng)用，尚需要通過(guò)大量的試驗(yàn)研究和實(shí)車(chē)測(cè)試，以更為準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Review of Key Design Problems of Heavy-duty Conversion Rubber Track System

Lü Kai1, 3, MU Xi-hui2, DU Feng-po2, GUO Hao-liang1, 2, ZHAO Xiao-dong1, 2

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;2. Ordnance Technology Research Institution, Shijiazhuang 050003, China;3. National Emergency Transportation Equipment Engineering Research Center, Academy of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

Abstract：To avoid failure phenomena such as jumping, climbing, detracking that easily occurs while the track system moves under high speed and heavy-duty conditions, and reduce factors such as excessive or partially wear, imbalanced tension, nonuniform temperature rising and vibrations that may lead to failure or a short lifespan, the track system and its components such as roller-wheel assembly, idler-wheel assembly, anti-torque system and so on are analyzed and classified according to their structures and applicable conditions. The design principles and improved methods of these components are summarized to improve the modularization degree and the straight driving property of the track, enhance the strength of the drive lugs of the track, reduce the tread-wheel vibration evoked by the tread pattern, uniformize the distribution of the ground pressure, minimize the track tension and its change, and maintain reliable contact between the track system and the ground. In addition, the disadvantages of the track system such as high power consumption, difficult turning and accumulation of mud and debris are discussed.

Key words:conversion rubber track system; heavy-duty; high speed; tracked vehicle

文章編號(hào)：1672-1497(2016)01-0029-10

收稿日期：2015-11-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (61471385)； 軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：呂凱(1986-)，男，博士研究生。

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6+94

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.007