袁芬 趙洪雷 盧國(guó)軒 李彪 吳宏濤

摘要：在借鑒同步齒形帶傳動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，提出了某履帶無(wú)人平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。對(duì)橡膠履帶節(jié)距和寬度、驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)、導(dǎo)向輪以及負(fù)重輪的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析，為同類行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路和方法。

關(guān)鍵詞：同步齒形帶;行走機(jī)構(gòu);橡膠履帶;驅(qū)動(dòng)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等野外作業(yè)車輛中[1]。近幾年伴隨著無(wú)人車的興起，越來(lái)越多的無(wú)人車輛采用履帶式結(jié)構(gòu)形式，而履帶行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響著車輛的性能。本文針對(duì)某履帶式無(wú)人平臺(tái)，在借鑒同步齒形帶的基礎(chǔ)上提出了行動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和解決方法。

履帶式行走機(jī)構(gòu)

履帶行走系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、履帶、負(fù)重輪、車架組成。履帶與其所繞過(guò)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪前置，將來(lái)自電機(jī)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(jìn)時(shí)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(jì)

履帶行動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)輪和橡膠履帶的設(shè)計(jì)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(dòng)輪設(shè)計(jì)成同步帶結(jié)構(gòu)，并與齒形帶嚙合，帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng);第二種方案是參考金屬制成的鏈?zhǔn)铰膸?，履帶?qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)成鏈輪結(jié)構(gòu)，嚙合鏈?zhǔn)铰膸АＴ诖蠖鄶?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(pán)屬于小型車輛，選用了工程機(jī)械上常用的橡膠履帶。在履帶的選型和設(shè)計(jì)中，橡膠履帶的節(jié)距是最重要的一個(gè)參數(shù)，可參考金屬履帶選取，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中： –履帶節(jié)距，單位為mm;G–整機(jī)重量，單位為kg。

根據(jù)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)工作路面有關(guān)，決定了行動(dòng)系統(tǒng)的通過(guò)性，并通過(guò)此值確定履帶總結(jié)地面積A。

式中，L–行走機(jī)構(gòu)的接地長(zhǎng)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(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式：

根據(jù)上面的計(jì)算，按照所選廠家提供的橡膠履帶標(biāo)準(zhǔn)選取。在本項(xiàng)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(dòng)輪

驅(qū)動(dòng)輪的作用是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給履帶，因此驅(qū)動(dòng)輪與履帶嚙合順暢是整個(gè)行走系統(tǒng)最關(guān)鍵的因素。一般履帶驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)不宜少于7個(gè)，且驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪的節(jié)圓直徑：

齒頂圓直徑：

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

選擇z=1，z=13，經(jīng)計(jì)算，齒頂圓直徑。

一般情況下履帶和驅(qū)動(dòng)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(shí)際中，等節(jié)距嚙合只是一個(gè)理論概念，履帶和驅(qū)動(dòng)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(jì)時(shí)，選擇等節(jié)距嚙合，給設(shè)計(jì)和加工留出誤差余量。在裝配時(shí)允許亞節(jié)距嚙合的出現(xiàn)，因?yàn)檫@種亞節(jié)距會(huì)伴隨著履帶和驅(qū)動(dòng)輪齒的磨損、履帶張緊等慢慢過(guò)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(guò)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(dòng)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(dòng)輪一致。

張緊裝置采用機(jī)械式調(diào)整機(jī)構(gòu)，保證履帶前進(jìn)時(shí)不因稍受外力即松弛而影響履帶和驅(qū)動(dòng)輪的正常嚙合。

負(fù)重輪

負(fù)重輪的個(gè)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(xiàng)目中采用多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)負(fù)重輪輪組，該輪組與車架緊密連接，支撐來(lái)自整臺(tái)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(gè)數(shù)通常為3～5個(gè)，在本行走系統(tǒng)中每邊負(fù)重輪為5個(gè)，形成一個(gè)負(fù)重輪組。

實(shí)物驗(yàn)證情況

在完成某履帶式無(wú)人平臺(tái)行走結(jié)構(gòu)底盤(pán)的設(shè)計(jì)和制造后，為驗(yàn)證底盤(pán)的性能，對(duì)該底盤(pán)行動(dòng)系統(tǒng)分別進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)、公路地面行駛、攀爬樓梯等試驗(yàn)，行動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)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(duì)履帶和驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)的理念，并通過(guò)對(duì)履帶選型、驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)等核心部件的參數(shù)確定進(jìn)行了分析研究，對(duì)負(fù)重輪、導(dǎo)向輪及張緊裝置的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述，為更多同類型履帶行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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