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        無人履帶車輛行動(dòng)系統(tǒng)失效分析與預(yù)防

        2019-11-15 09:46:52張海翔趙洪雷
        失效分析與預(yù)防 2019年5期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        袁 芬 , 張海翔 , 趙洪雷

        (1. 中國北方車輛研究所,北京 1 0 0 0 7 2;2. 中國兵器工業(yè)集團(tuán)人才研究中心,北京 1 0 0 0 7 2)

        0 引言

        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,伴隨著無人車的興起,由于無人車在極端情況下具有替代人員進(jìn)行偵查巡邏等功能,越來越多的無人車輛采用履帶式結(jié)構(gòu)形式。在履帶行動(dòng)系統(tǒng)中,驅(qū)動(dòng)輪承載著將來自動(dòng)力系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換為履帶牽引力的使命。因此,驅(qū)動(dòng)輪和履帶的配合情況對(duì)行動(dòng)系統(tǒng)的功能優(yōu)劣有決定性的作用。

        在無人履帶車輛研制裝配調(diào)試時(shí),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)幾個(gè)齒后履帶與驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)爬齒現(xiàn)象,無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。行動(dòng)系統(tǒng)的失效將會(huì)對(duì)整個(gè)底盤造成重大機(jī)械事故[2]。經(jīng)過計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪齒距并測(cè)量橡膠履帶節(jié)距,發(fā)現(xiàn)二者出現(xiàn)嚴(yán)重偏差,故驅(qū)動(dòng)輪和履帶節(jié)距必須控制在一定的范圍內(nèi)。同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪齒頂圓進(jìn)行修改,保證行動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

        1 無人履帶行動(dòng)系統(tǒng)簡介

        在履帶車輛中,行動(dòng)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[3]。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖 1 履帶行動(dòng)系統(tǒng)Fig.1 Tracked running system

        在本系統(tǒng)中,驅(qū)動(dòng)輪前置將來自電機(jī)的扭矩傳遞給橡膠履帶。橡膠履帶是一種橡膠與金屬或纖維材料復(fù)合而成的環(huán)形橡膠帶[4],其繼承了輪式底盤和金屬履帶底盤的優(yōu)點(diǎn),具有接地比壓小、通過性好、越野能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、無需維護(hù)等特點(diǎn),并有一定的減振作用,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械中[5-6]。導(dǎo)向輪布置在車體后部,用于引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn),可以防止跑偏和越軌。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)重輪采用多支點(diǎn)結(jié)構(gòu),形成一套負(fù)重輪輪組,保證履帶接地壓力分布均勻。

        2 故障情況

        對(duì)無人履帶行動(dòng)系統(tǒng)試制完成后進(jìn)行組裝,發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)幾個(gè)齒后出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪和履帶爬齒現(xiàn)象。使用外力擠壓過去后,還會(huì)在接下來的嚙合中出現(xiàn),直至無法運(yùn)轉(zhuǎn)。具體如圖2 所示。

        圖 2 驅(qū)動(dòng)輪爬齒Fig.2 Teeth crawling of driving wheel

        檢查發(fā)現(xiàn)履帶節(jié)距不一,應(yīng)為橡膠履帶硫化工藝掌握不好導(dǎo)致。為保證裝配周期和減少生產(chǎn)成本,決定對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行維修,同時(shí)摸索驅(qū)動(dòng)輪和履帶節(jié)距之間的關(guān)系。

        3 原因分析

        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2 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),履帶使用同步齒形帶可以提高履帶精度和整個(gè)履帶的強(qiáng)度。第二種方案是由金屬制成的鏈?zhǔn)铰膸?,鏈?zhǔn)铰膸е饕扇舾陕膸О逋ㄟ^銷軸連接而成,履帶驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)成鏈輪結(jié)構(gòu),嚙合鏈?zhǔn)铰膸А_@種履帶形式靈活性好,傳動(dòng)精確、摩擦性高,適用于特殊環(huán)境[7]?,F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該歸屬于同步齒形帶的結(jié)構(gòu)形式,但在細(xì)節(jié)上進(jìn)行了更改。具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

        圖 3 驅(qū)動(dòng)輪與履帶嚙合形式Fig.3 Meshing form between driving wheel and caterpillar track

        經(jīng)過對(duì)實(shí)物橡膠履帶的測(cè)量發(fā)現(xiàn),履帶的齒距不一,為57.5~60.0 mm。對(duì)于驅(qū)動(dòng)輪,根據(jù)同步帶輪的嚙合原理(圖4)[8],可知:

        齒頂圓直徑:d0=d-2δ,其中,δ 為節(jié)頂距。

        圖 4 同步帶嚙合原理Fig.4 Meshing principle of synchronous belt

        由此可以推算出節(jié)距Pb=π(d0+2δ)/z,帶入數(shù)據(jù)后計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距約為60.66 mm。

        一般情況下,履帶和驅(qū)動(dòng)輪的嚙合有3 種情況,即:亞節(jié)距嚙合(履帶節(jié)距小于驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距)、等節(jié)距嚙合、超節(jié)距嚙合(履帶節(jié)距大于驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距)。在等節(jié)距嚙合中,履帶嚙合副是多齒傳動(dòng),履帶牽引力由嚙合各齒分擔(dān),每個(gè)齒所受的負(fù)荷較小,嚙合平穩(wěn),使用壽命也較長,但在實(shí)際中,等節(jié)距嚙合只是一個(gè)理論概念,即使設(shè)計(jì)時(shí)是等節(jié)距嚙合,但是因圖紙標(biāo)注誤差、制造誤差、使用磨損等,履帶和驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)距都在一定范圍內(nèi)變動(dòng),因此履帶和驅(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[9-10]。但在設(shè)計(jì)時(shí),依然選擇等節(jié)距嚙合,給設(shè)計(jì)和加工留出誤差。

        不管是亞節(jié)距嚙合還是超節(jié)距嚙合,都需要在一個(gè)范圍內(nèi)。亞節(jié)距嚙合過大,會(huì)出現(xiàn)爬齒現(xiàn)象;超節(jié)距過大,會(huì)出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象[11]。在本項(xiàng)目中,履帶節(jié)距明顯小于驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距,屬于亞節(jié)距嚙合。由于履帶和驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)距相差過大,出現(xiàn)爬齒現(xiàn)象。

        4 解決方法

        面對(duì)裝配調(diào)試的緊迫性和履帶已經(jīng)加工完成的現(xiàn)狀,如何在最短時(shí)間內(nèi)保證調(diào)試是最需要解決的問題。出現(xiàn)這一問題的根本原因是履帶部分節(jié)距太小導(dǎo)致出現(xiàn)爬齒。因?yàn)槁膸怯赡>呒庸こ尚停荒軐?duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行更改。通過降低驅(qū)動(dòng)輪的齒頂圓和節(jié)圓直徑硬性減小驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距。經(jīng)過試驗(yàn),將驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距硬性調(diào)整到59.4 mm,齒頂圓直徑為239.8 mm,同時(shí)對(duì)主動(dòng)輪輪齒進(jìn)行修整,履帶和驅(qū)動(dòng)輪嚙合順暢。通過修改驅(qū)動(dòng)輪來取代更換橡膠履帶,降低了行動(dòng)系統(tǒng)在研制過程中的質(zhì)量成本[12]。

        在鏈輪連接中,整體式履帶的驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)建議選擇亞節(jié)距嚙合,履帶節(jié)距比驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距小1%~5%[13]。而在此次橡膠履帶驅(qū)動(dòng)輪的修改中,因?yàn)槁膸Ч?jié)距不一,部分節(jié)距處于亞節(jié)距嚙合,部分節(jié)距處于超節(jié)距嚙合,但是亞節(jié)距嚙合最大只到3.2%。這是因?yàn)殒溳嗊B接屬于剛性連接,在履帶張緊后,出現(xiàn)各部件間的裝配誤差,致使實(shí)際的履帶節(jié)距進(jìn)一步增大;而橡膠履帶屬于柔性連接,履帶張緊后會(huì)有節(jié)距增大,但十分有限。為保險(xiǎn)起見,建議橡膠履帶的驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)和裝配中允許亞節(jié)距嚙合,但是履帶節(jié)距比驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距小的范圍應(yīng)控制在3%以內(nèi)。

        5 結(jié)論

        1)履帶、驅(qū)動(dòng)輪齒距的嚙合質(zhì)量是導(dǎo)致系統(tǒng)失效的主要原因之一。

        2)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪和履帶時(shí),為了保證設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性,建議選擇等節(jié)距嚙合。驅(qū)動(dòng)輪和履帶在生產(chǎn)完成后的嚙合可以處于亞節(jié)距狀態(tài),但要控制在一定的范圍內(nèi),建議履帶節(jié)距比驅(qū)動(dòng)輪節(jié)距小的范圍控制在3%以內(nèi)。

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