魯鳴，沈文龍

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210031；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 淮安 223005）

前言

為適應(yīng)全球節(jié)能減排的趨勢(shì)，和農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的需要，農(nóng)業(yè)車輛電動(dòng)化已成為各大研究機(jī)構(gòu)新的研究方向。傳統(tǒng)的農(nóng)用車輛主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)和電氣設(shè)備等組成。傳統(tǒng)履帶式底盤(pán)由傳動(dòng)系、行走系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系等組成。履帶式電動(dòng)農(nóng)業(yè)車輛采用遙控操作，按照結(jié)構(gòu)共性將底盤(pán)的傳動(dòng)系、行走系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系合稱行走部分。履帶式車輛的行走系由履帶、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托帶輪等所謂“一帶四輪”組成[1]，其主要作用是承載底盤(pán)以上部分的重量，傳遞地面反饋的各種力并執(zhí)行驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)。因此一方面行走部分的機(jī)械強(qiáng)度必須滿足整機(jī)運(yùn)行需要，另一方面行走部分應(yīng)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能滿足各種工況需求。行走部分的設(shè)計(jì)工作包括行走部分驅(qū)動(dòng)形式的確定、行走系參數(shù)的確定、驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)的確定以及傳動(dòng)比確定。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

行走部分設(shè)計(jì)應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)通用技術(shù)條件和農(nóng)業(yè)履帶式拖拉機(jī)的相關(guān)規(guī)范[2-3]。按照設(shè)計(jì)要求先列出設(shè)計(jì)指標(biāo)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

空載質(zhì)量：≤300kg

滿載質(zhì)量：≤800kg

軌距：950mm

工作速度：≥3km/h

最高速度：≥10km/h

2 方案選擇

履帶式驅(qū)動(dòng)是輪式驅(qū)動(dòng)以外另一種被廣泛使用的驅(qū)動(dòng)方式。輪式驅(qū)動(dòng)和履帶式驅(qū)動(dòng)的最明顯差異在于轉(zhuǎn)向形式上。阿克曼轉(zhuǎn)向模式的輪式驅(qū)動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度，整車追隨轉(zhuǎn)向輪運(yùn)動(dòng)軌跡從而轉(zhuǎn)向。履帶式驅(qū)動(dòng)沒(méi)有轉(zhuǎn)向輪的配置，而是通過(guò)履帶間的運(yùn)動(dòng)速度差達(dá)到轉(zhuǎn)向的結(jié)果。因此如何實(shí)現(xiàn)履帶間的差速運(yùn)動(dòng)時(shí)重要的研究任務(wù)[4-5]。常見(jiàn)的履帶式車輛的驅(qū)動(dòng)方式有以下幾種：

圖1 驅(qū)動(dòng)方案簡(jiǎn)圖

圖a是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方式，主傳動(dòng)軸動(dòng)力經(jīng)減速到差速驅(qū)動(dòng)橋上（此處也可以使用抱軸式的平行驅(qū)動(dòng)），動(dòng)力減速后傳向左右兩邊的驅(qū)動(dòng)輪，在左右半軸上各設(shè)有制動(dòng)器和離合器。當(dāng)需要中斷一側(cè)動(dòng)力時(shí)，可以通過(guò)離合器斷開(kāi)半軸的動(dòng)力傳輸，并通過(guò)減速器及時(shí)降低轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)向時(shí)，切斷一側(cè)動(dòng)力即可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)差速，此時(shí)底盤(pán)向該側(cè)做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向半徑一般大于軌距的一半。圖b和圖c是一類驅(qū)動(dòng)方式，主傳動(dòng)軸動(dòng)力經(jīng)減速到驅(qū)動(dòng)橋上（圖b有一級(jí)減速，圖c是兩級(jí)減速），驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)是一套行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，左右兩側(cè)的行星輪將動(dòng)力傳輸?shù)桨胼S。左右兩側(cè)的轉(zhuǎn)速符合行星齒輪系傳動(dòng)的速度公式。轉(zhuǎn)向時(shí)，一邊采取制動(dòng)等方式使速度降低，則另一側(cè)速度增快。該驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是可以不中斷動(dòng)力而實(shí)現(xiàn)差速，但是這種方式是差速不差力，即雙側(cè)的差速僅僅是運(yùn)動(dòng)上的差速。圖d和圖e是一類驅(qū)動(dòng)方式，與圖b和圖c比較，這一類的差速驅(qū)動(dòng)是一種主動(dòng)的差速。和前一類驅(qū)動(dòng)方式類似，主傳動(dòng)軸動(dòng)力經(jīng)減速到驅(qū)動(dòng)橋上，驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)是一套行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，另有一個(gè)副傳動(dòng)軸帶動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架。當(dāng)副傳動(dòng)軸靜止時(shí)，該類驅(qū)動(dòng)方式和前一類一致。當(dāng)副傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左右兩側(cè)的半軸對(duì)應(yīng)加上或者減去相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)除了可以不中斷動(dòng)力而實(shí)現(xiàn)差速，而且實(shí)現(xiàn)了既差速也差力，通過(guò)副傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向調(diào)整還可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)反向的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。圖f是兩側(cè)獨(dú)立的輪邊減速的驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)減速器到驅(qū)動(dòng)輪，兩側(cè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可以以任意速度差速。該驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是，從驅(qū)動(dòng)的源頭上解耦動(dòng)力，機(jī)械部件進(jìn)一步減少，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，但對(duì)電機(jī)要求極高。圖g是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。這類驅(qū)動(dòng)較上一類更為簡(jiǎn)潔，省去了減速部件，由兩側(cè)的電機(jī)直接獨(dú)立驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪。該驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)空間利用率極高，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向?？紤]農(nóng)業(yè)作業(yè)空間狹小，實(shí)際作業(yè)中轉(zhuǎn)向空間有限，因此行走部分應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮原地轉(zhuǎn)向。在原地轉(zhuǎn)向的方案中，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)便性選擇兩側(cè)獨(dú)立的輪邊減速的驅(qū)動(dòng)方式。

3 各部分參數(shù)計(jì)算

3.1 履帶參數(shù)設(shè)計(jì)

履帶設(shè)計(jì)中考慮的主要參數(shù)是履帶數(shù)量、履帶節(jié)距、履帶接地長(zhǎng)度、履帶軌距、履帶寬度以及履帶接地比壓?？紤]到工作環(huán)境，設(shè)定本設(shè)計(jì)使用橡膠履帶。由于整機(jī)質(zhì)量較輕，選擇履帶總數(shù)為2根。按照經(jīng)驗(yàn)公式[6]：

式中：j為履帶節(jié)距，單位mm；m滿為滿載質(zhì)量，單位kg。近似得j=84mm。

履帶的接地長(zhǎng)度和軌距之間的比值L/B對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能影響較大，該比值一般在 1～1.7，當(dāng)該值小于 1時(shí)，行走裝置的直行性能較差。當(dāng)該值大于1.7時(shí)，行走裝置轉(zhuǎn)向費(fèi)力。給定的數(shù)值中B=0.95m，取L/B=1.2，L≈1.1m。

根據(jù)式（2），取b/L=0.2，得b=0.22m。圓整數(shù)值后可以選取力維機(jī)械生產(chǎn)LP250型橡膠履帶。由履帶接地長(zhǎng)和履帶寬度可以算出履帶總接地面積：

滿載接地比壓：

3.2 輪組參數(shù)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輪安裝在傳動(dòng)終端的從動(dòng)轂上，將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成卷動(dòng)履帶的作用力，實(shí)現(xiàn)履帶式底盤(pán)的行駛運(yùn)動(dòng)。輪組的設(shè)計(jì)中需要計(jì)算出各輪的直徑、支重輪數(shù)量等。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)z=15，驅(qū)動(dòng)輪直徑按照公式：

履帶式底盤(pán)的導(dǎo)向輪除了可以引導(dǎo)履帶正確、均勻地繞圈外，還是張緊裝置的組成部分。通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪的位置可以使得履帶有合適的張緊度，從而減少行駛中履帶因?yàn)榛蝿?dòng)引起的功率損耗。此外適當(dāng)?shù)膹埦o可以防止履帶在工作中的滑脫現(xiàn)象，采用滑動(dòng)式的張緊方式。導(dǎo)向輪直徑：

支重輪用來(lái)支撐整機(jī)的重量，并通過(guò)履帶將力傳到地面。支重輪在履帶的導(dǎo)軌面上滾動(dòng)，并夾持履帶防止其橫向方向的滑脫。支重輪直徑：

托帶輪用來(lái)托住驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪之間的履帶的上半?yún)^(qū)間，防止履帶因?yàn)樽灾氐仍蛳麓惯^(guò)大，減輕履帶運(yùn)動(dòng)時(shí)的跳動(dòng)，并防止履帶的側(cè)向滑落。設(shè)定托帶輪直徑Dt=140mm。

3.3 動(dòng)力選型

設(shè)計(jì)的底盤(pán)使用后置三點(diǎn)懸掛實(shí)現(xiàn)多功能作業(yè)，可掛載牽引各式農(nóng)機(jī)具完成旋耕除草、開(kāi)溝施肥等功能。本研究的模塊化設(shè)計(jì)可以在不需要掛載牽引農(nóng)具時(shí)，拆除后部的提升部分以減輕自重增加續(xù)航里程。同時(shí)無(wú)牽引作業(yè)的底盤(pán)的上部可以搭載重物，進(jìn)行運(yùn)輸工作或者實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能。由于掛載牽引農(nóng)機(jī)具的底盤(pán)受力受農(nóng)機(jī)具種類、土壤性質(zhì)、工作速度等影響大，計(jì)算復(fù)雜且不易得出明確結(jié)果[7]。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究中設(shè)置后備系數(shù) β=2，只計(jì)算無(wú)牽引作業(yè)時(shí)的底盤(pán)驅(qū)動(dòng)情況，相應(yīng)的牽引作業(yè)視為無(wú)牽引作業(yè)的β倍。

無(wú)牽引作業(yè)時(shí)的底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)主要有三種工況：平地直行、坡面直行以及平地轉(zhuǎn)向。

（1）驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算

無(wú)牽引作業(yè)時(shí)，履帶式底盤(pán)不受牽引阻力，總結(jié)底盤(pán)受阻力種類根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)列出其行駛方程如下：

式中：Fd為底盤(pán)驅(qū)動(dòng)力，ΣF為總阻力，F(xiàn)g為平直阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)c為坡道阻力，F(xiàn)j為坡道阻力，F(xiàn)t為轉(zhuǎn)向阻力。

農(nóng)業(yè)用履帶底盤(pán)是一種低速運(yùn)動(dòng)機(jī)器，因此空氣阻力和加速阻力可以忽略不計(jì)。則單側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩分別為：

平地直行只受平直阻力，坡面直行既受平直阻力又受坡道阻力，平地轉(zhuǎn)向只受轉(zhuǎn)向阻力。因此，不同情況下，單側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)力分別為：

式中：f1為履帶外摩擦因數(shù)，和路面條件有關(guān)[8]，此處取0.06；f2為履帶內(nèi)摩擦因數(shù)一般取0.05～0.07，此處取0.07；θ為坡度對(duì)應(yīng)的角度值，此處取15°；μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，此處取0.72；λ為接地軌距比，此處取1.2。

（2）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

地面能提供的單側(cè)最大附著力：

（3）驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算

平地直行、坡面直行和平地轉(zhuǎn)向的單側(cè)驅(qū)動(dòng)功率為：

（4）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

平地直行、坡面直行和平地轉(zhuǎn)向的單側(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為：

（5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率應(yīng)當(dāng)滿足：

計(jì)算后選取電機(jī)額定功率3kW，為減小減速器尺寸，選擇常見(jiàn)的低轉(zhuǎn)速 1500rpm。綜合電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速情況，選擇伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)[9]。考慮到行車安全和空間的利用情況，直接在選擇伺服電機(jī)時(shí)使用配有抱閘的款式以滿足制動(dòng)要求并避免安裝附加的制動(dòng)器造成的空間浪費(fèi)。

（6）減速器選擇

電機(jī)軸輸出的速度和力無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)履帶總成的運(yùn)動(dòng)，因此電機(jī)和驅(qū)動(dòng)之間需要布置有減速器以減速增矩，使得動(dòng)力匹配運(yùn)動(dòng)的需求。 選擇減速器的關(guān)鍵在于減速比的確定和減速器形制的選取。減速器減速比的選取要綜合考慮輸出轉(zhuǎn)矩與輸入轉(zhuǎn)矩的比值和現(xiàn)有減速器產(chǎn)品減速比的譜系。減速器減速比的估計(jì)值：

4 總結(jié)

履帶式底盤(pán)因其通過(guò)性好、對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)廣泛用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。采用兩側(cè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便布置和易于控制的特點(diǎn)，特別適用于純電動(dòng)農(nóng)業(yè)車輛。結(jié)合實(shí)際情況選取了行走部分設(shè)計(jì)方案，依據(jù)設(shè)計(jì)方案作出了具體的設(shè)計(jì)計(jì)算和驗(yàn)證，有助于小型履帶式快速開(kāi)發(fā)。