河北農業(yè)大學機電工程學院 胡楠 王學昌 馬志凱 鄭子岳 李曉曉 劉楊

我國是一個農業(yè)大國，因而現今我國迫切需要實現農業(yè)現代化。機械化是實現農業(yè)現代化的一個重要標志[1]，加速我國農業(yè)機械化發(fā)展的重要途徑之一就是運用機械化的先進技術來提高資源利用效率、節(jié)省人力[2]。本文設計了一種自動作業(yè)車，可進行精準噴藥等作業(yè)，大大提高了資源的利用效率，節(jié)省了人力[3-5]。

1 整體參數設計

1.1 底盤設計

該作業(yè)車需在相對狹小的空間里靈活作業(yè)，故在保證所有零部件能夠安裝上去的前提下應盡可能地縮小尺寸，最終尺寸定為1180mm×753mm×430mm。為使小車轉向更加穩(wěn)定，采用前輪距較寬于后輪距的設計，雖然會導致在轉彎時的精度略微降低，但對小車的工作情況影響不大，所以最終定前輪距為622mm，后輪距為582mm。

1.2 質量與載荷分布設計

通過整體設計與選材并綜合小車續(xù)航等因素，最終確定小車整備質量為60kg，搭載四塊供電電源后總質量為75kg。為使小車的動力性與通過性較好，使驅動輪處載荷相對較大；為使小車操縱穩(wěn)定性較好，轉向輪處的載荷不應過?。粸槭剐≤囁膫€輪胎磨損均勻，四個車輪的載荷不應相差過大。綜合以上因素考慮，將小車45%的載荷分配給前軸承受，剩余55%的載荷分配給后軸承受。

2 小車的性能參數設計

由于作業(yè)環(huán)境土地比較松軟且道路泥濘，故小車行駛速度不宜過快，但作業(yè)速度應該比人工要快4～5 倍，所以最終將小車最高速度Vmax 設定為15km/h。另外要求轉彎半徑盡可能減小，提高小車的通過性與靈活性，為了讓小車靈活通過轉彎路口，設計小車轉向輪的最大轉角為30°，由前期設計計算可知小車的軸距為868mm，根據最小轉彎半徑Rmin=軸距/轉向輪最大轉角的正弦值可以確定小車的最小轉彎半徑約為1.74m。由于要求制動性能盡量較好，制動距離要減少，避免因為制動距離太長導致車輛對作物產生碰撞，小車采用盤式制動器，制動時每個剎車鉗的力F1=67.5N，每個驅動輪上各有一個剎車片，計算得最小剎車距離≤5m。關于小車的主要性能參數如表1 所示。

表1 小車主要性能參數

3 驅動系統設計

為了保證車體尺寸，達到節(jié)能環(huán)保的目的，小車采用電機驅動的方式。由于小車的行駛速度較低、質量較輕，所需功率較小，故選用直流電機即可滿足要求。所需電機的功率計算公式如下：

解得Pe=0.715kW，根據計算所得，小車在以最高車速行駛時，所需的直流電機功率為715W，經過選擇比較最終選定尤奈特永磁直流無刷電機，電機主要性能參數如下表2 所示。

表2 電機主要性能參數

由于作業(yè)車采用直流無刷電機控制行進，要保證電池連續(xù)工作的時間，故其能源系統采用四塊鋰離子電池串聯進行車輛的供電。

4 傳動系統

4.1 驅動橋設計

作業(yè)車采用了后輪驅動、前輪轉向的方式，將轉向輪與驅動輪分開控制，并且大大簡化了傳動系統?？紤]到該作業(yè)車在田間工作，其中的路面情況比較單一，不存在復雜路面，另外由于用戶使用手機APP 進行車輛行駛控制無須人員駕駛，為了簡化設計過程，降低生產成本，最終采用整體式驅動橋，如圖1 所示。

圖1 驅動橋

4.2 主減速器的計算

主減速器采用齒輪嚙合時要保證主從動齒輪的相對位置，否則產生的沖擊噪聲會較大。為此選取主減速器時在保證傳動比符合的條件下，要保證主動、從動齒輪有足夠的支承剛度。該車選用的電機輸出軸輸出的最高轉速可達2900r/min，小車的最高車速設定在15km/h，通過計算得出車輪的轉速最高為392r/min，故主傳動比i=2900/392=7.4。

4.3 半軸的設計

由于路面不平或者輪胎磨損不均勻等問題，兩車輪的行駛距離也不盡相同，故必須設置半軸來保證小車的兩側車輪不能總是以相同角速度行駛。半軸連接在驅動輪與差速器之間，其中內端設計成花鍵形式與差速器上的半軸齒輪相連接，外端設計為螺紋結構直接穿過驅動輪中的軸承并長出車輪部分15mm，并用螺母擰緊固定。

5 懸架系統設計

5.1 懸架系統

此小車懸架系統主要由減振器及彈簧并聯組成，其中減振器與彈性元件的安裝示意圖如圖2 所示。選取減振器時的要求：當懸架系統壓縮時，阻尼力比較?。粦壹芟到y舒張時，阻尼力比較大；當車架與車橋的相對運動較大時，阻尼力要保持在一定的范圍之內。懸架系統中的彈性元件直徑為10mm，螺距為20mm，材料選用硅錳鋼。

圖2 減振器與彈性元件安裝示意圖

5.2 前橫梁懸架系統

為了使小車整體尺寸更小，前橋部分設計為單橫臂式懸架，前橫臂懸架系統如圖3 所示，懸架部分通過連接吊耳與車架連接，這樣有助于降低小車的寬度，使小車的前輪距減少，操控性更強、靈活性更高。此種設計方式結構簡單、穩(wěn)定高效，符合該車作業(yè)的整體設計理念與設計要求。

圖3 前橫臂懸架系統

5.3 后懸架系統

小車后端的懸架系統一端與后叉相連，一端通過吊耳車架相連，后端懸架系統如圖4 所示，車輪受到的來自路面的沖擊力通過后叉?zhèn)鬟f到懸架系統，減輕對車架的振動沖擊。在此中間沒有多余的連接部件，在很好地實現功能的基礎上大大簡化小車底盤的零部件組成，有利于小車的輕量化與節(jié)能化。

圖4 后懸架系統

5.4 后叉設計與分析

由于后叉為整車受力的一個關鍵零部件，為此要保證其強度與剛度，避免整車關鍵零部件失效，最終采用可鍛造鑄鐵材料。為了節(jié)省材料、減輕小車總質量，最終將后叉設計為厚度為3mm 的中空殼體結構，并使用Solidworks 內置軟件對后叉進行受力分析與有限元的分析，應力分布圖如圖5 所示，通過受力分析得出安全系數為6.91，符合安全性能要求。

圖5 后叉應力分布圖

6 結論

本文通過建模、分析等方式設計了一輛自動作業(yè)車，包括底盤及質量載荷分布設計、傳動機構設計與選擇、關鍵部件的設計與分析。并且通過實驗驗證了其在作業(yè)時各方面的性能較高，同時滿足了節(jié)能、環(huán)保和低成本等要求。