電動農(nóng)業(yè)車輛履帶式底盤設(shè)計

魯鳴，沈文龍

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

前言

為適應(yīng)全球節(jié)能減排的趨勢，和農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的需要，農(nóng)業(yè)車輛電動化已成為各大研究機構(gòu)新的研究方向。傳統(tǒng)的農(nóng)用車輛主要由發(fā)動機、底盤和電氣設(shè)備等組成。傳統(tǒng)履帶式底盤由傳動系、行走系、轉(zhuǎn)向系、制動系等組成。履帶式電動農(nóng)業(yè)車輛采用遙控操作，按照結(jié)構(gòu)共性將底盤的傳動系、行走系、轉(zhuǎn)向系、制動系合稱行走部分。履帶式車輛的行走系由履帶、驅(qū)動輪、導向輪、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以上部分的重量，傳遞地面反饋的各種力并執(zhí)行驅(qū)動和轉(zhuǎn)向等運動。因此一方面行走部分的機械強度必須滿足整機運行需要，另一方面行走部分應(yīng)具有良好的動力學性能滿足各種工況需求。行走部分的設(shè)計工作包括行走部分驅(qū)動形式的確定、行走系參數(shù)的確定、驅(qū)動電機性能參數(shù)的確定以及傳動比確定。

1 設(shè)計目標

行走部分設(shè)計應(yīng)滿足國家標準關(guān)于農(nóng)業(yè)拖拉機通用技術(shù)條件和農(nóng)業(yè)履帶式拖拉機的相關(guān)規(guī)范[2-3]。按照設(shè)計要求先列出設(shè)計指標。其主要設(shè)計參數(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)動是輪式驅(qū)動以外另一種被廣泛使用的驅(qū)動方式。輪式驅(qū)動和履帶式驅(qū)動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)動通過轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度，整車追隨轉(zhuǎn)向輪運動軌跡從而轉(zhuǎn)向。履帶式驅(qū)動沒有轉(zhuǎn)向輪的配置，而是通過履帶間的運動速度差達到轉(zhuǎn)向的結(jié)果。因此如何實現(xiàn)履帶間的差速運動時重要的研究任務(wù)[4-5]。常見的履帶式車輛的驅(qū)動方式有以下幾種：

圖1 驅(qū)動方案簡圖

圖a是最簡單的驅(qū)動方式，主傳動軸動力經(jīng)減速到差速驅(qū)動橋上（此處也可以使用抱軸式的平行驅(qū)動），動力減速后傳向左右兩邊的驅(qū)動輪，在左右半軸上各設(shè)有制動器和離合器。當需要中斷一側(cè)動力時，可以通過離合器斷開半軸的動力傳輸，并通過減速器及時降低轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)向時，切斷一側(cè)動力即可實現(xiàn)兩側(cè)差速，此時底盤向該側(cè)做轉(zhuǎn)向運動。該驅(qū)動方式的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但是無法實現(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)動方式，主傳動軸動力經(jīng)減速到驅(qū)動橋上（圖b有一級減速，圖c是兩級減速），驅(qū)動橋內(nèi)是一套行星齒輪傳動機構(gòu)，左右兩側(cè)的行星輪將動力傳輸?shù)桨胼S。左右兩側(cè)的轉(zhuǎn)速符合行星齒輪系傳動的速度公式。轉(zhuǎn)向時，一邊采取制動等方式使速度降低，則另一側(cè)速度增快。該驅(qū)動方式的特點是可以不中斷動力而實現(xiàn)差速，但是這種方式是差速不差力，即雙側(cè)的差速僅僅是運動上的差速。圖d和圖e是一類驅(qū)動方式，與圖b和圖c比較，這一類的差速驅(qū)動是一種主動的差速。和前一類驅(qū)動方式類似，主傳動軸動力經(jīng)減速到驅(qū)動橋上，驅(qū)動橋內(nèi)是一套行星齒輪傳動機構(gòu)，另有一個副傳動軸帶動行星齒輪機構(gòu)的行星架。當副傳動軸靜止時，該類驅(qū)動方式和前一類一致。當副傳動軸轉(zhuǎn)動時，左右兩側(cè)的半軸對應(yīng)加上或者減去相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動方式的特點除了可以不中斷動力而實現(xiàn)差速，而且實現(xiàn)了既差速也差力，通過副傳動軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向調(diào)整還可以實現(xiàn)兩側(cè)反向的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。圖f是兩側(cè)獨立的輪邊減速的驅(qū)動方式，電機動力經(jīng)減速器到驅(qū)動輪，兩側(cè)獨立驅(qū)動，可以以任意速度差速。該驅(qū)動方式的特點是，從驅(qū)動的源頭上解耦動力，機械部件進一步減少，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，但對電機要求極高。圖g是輪轂電機驅(qū)動方式。這類驅(qū)動較上一類更為簡潔，省去了減速部件，由兩側(cè)的電機直接獨立驅(qū)動驅(qū)動輪。該驅(qū)動方式的特點在于驅(qū)動系統(tǒng)空間利用率極高，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。考慮農(nóng)業(yè)作業(yè)空間狹小，實際作業(yè)中轉(zhuǎn)向空間有限，因此行走部分應(yīng)當優(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)的簡便性選擇兩側(cè)獨立的輪邊減速的驅(qū)動方式。

3 各部分參數(shù)計算

3.1 履帶參數(shù)設(shè)計

履帶設(shè)計中考慮的主要參數(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)計使用橡膠履帶。由于整機質(zhì)量較輕，選擇履帶總數(shù)為2根。按照經(jīng)驗公式[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。

履帶的接地長度和軌距之間的比值L/B對履帶行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能影響較大，該比值一般在 1～1.7，當該值小于 1時，行走裝置的直行性能較差。當該值大于1.7時，行走裝置轉(zhuǎn)向費力。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械生產(chǎn)LP250型橡膠履帶。由履帶接地長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

驅(qū)動輪安裝在傳動終端的從動轂上，將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成卷動履帶的作用力，實現(xiàn)履帶式底盤的行駛運動。輪組的設(shè)計中需要計算出各輪的直徑、支重輪數(shù)量等。設(shè)計驅(qū)動輪齒數(shù)z=15，驅(qū)動輪直徑按照公式：

履帶式底盤的導向輪除了可以引導履帶正確、均勻地繞圈外，還是張緊裝置的組成部分。通過調(diào)節(jié)導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為晃動引起的功率損耗。此外適當?shù)膹埦o可以防止履帶在工作中的滑脫現(xiàn)象，采用滑動式的張緊方式。導向輪直徑：

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

托帶輪用來托住驅(qū)動輪和導向輪之間的履帶的上半?yún)^(qū)間，防止履帶因為自重等原因下垂過大，減輕履帶運動時的跳動，并防止履帶的側(cè)向滑落。設(shè)定托帶輪直徑Dt=140mm。

3.3 動力選型

設(shè)計的底盤使用后置三點懸掛實現(xiàn)多功能作業(yè)，可掛載牽引各式農(nóng)機具完成旋耕除草、開溝施肥等功能。本研究的模塊化設(shè)計可以在不需要掛載牽引農(nóng)具時，拆除后部的提升部分以減輕自重增加續(xù)航里程。同時無牽引作業(yè)的底盤的上部可以搭載重物，進行運輸工作或者實現(xiàn)平臺功能。由于掛載牽引農(nóng)機具的底盤受力受農(nóng)機具種類、土壤性質(zhì)、工作速度等影響大，計算復雜且不易得出明確結(jié)果[7]。為簡化計算，本研究中設(shè)置后備系數(shù) β=2，只計算無牽引作業(yè)時的底盤驅(qū)動情況，相應(yīng)的牽引作業(yè)視為無牽引作業(yè)的β倍。

無牽引作業(yè)時的底盤的運動主要有三種工況：平地直行、坡面直行以及平地轉(zhuǎn)向。

（1）驅(qū)動力及驅(qū)動力矩的計算

無牽引作業(yè)時，履帶式底盤不受牽引阻力，總結(jié)底盤受阻力種類根據(jù)計算經(jīng)驗列出其行駛方程如下：

式中：Fd為底盤驅(qū)動力，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)用履帶底盤是一種低速運動機器，因此空氣阻力和加速阻力可以忽略不計。則單側(cè)履帶的驅(qū)動力和驅(qū)動力矩分別為：

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)動轉(zhuǎn)速的計算

地面能提供的單側(cè)最大附著力：

（3）驅(qū)動功率的計算

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

（4）驅(qū)動轉(zhuǎn)速的計算

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

（5）驅(qū)動電機選擇

驅(qū)動電機的功率應(yīng)當滿足：

計算后選取電機額定功率3kW，為減小減速器尺寸，選擇常見的低轉(zhuǎn)速 1500rpm。綜合電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速情況，選擇伺服電機作為驅(qū)動電機[9]?？紤]到行車安全和空間的利用情況，直接在選擇伺服電機時使用配有抱閘的款式以滿足制動要求并避免安裝附加的制動器造成的空間浪費。

（6）減速器選擇

電機軸輸出的速度和力無法直接驅(qū)動履帶總成的運動，因此電機和驅(qū)動之間需要布置有減速器以減速增矩，使得動力匹配運動的需求。 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值：

4 總結(jié)

履帶式底盤因其通過性好、對工作環(huán)境適應(yīng)性強廣泛用于農(nóng)業(yè)機械。采用兩側(cè)獨立電機驅(qū)動方案，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便布置和易于控制的特點，特別適用于純電動農(nóng)業(yè)車輛。結(jié)合實際情況選取了行走部分設(shè)計方案，依據(jù)設(shè)計方案作出了具體的設(shè)計計算和驗證，有助于小型履帶式快速開發(fā)。