無人履帶車輛行動系統(tǒng)失效分析與預(yù)防

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。在履帶行動系統(tǒng)中，驅(qū)動輪承載著將來自動力系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換為履帶牽引力的使命。因此，驅(qū)動輪和履帶的配合情況對行動系統(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，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動幾個齒后履帶與驅(qū)動輪出現(xiàn)爬齒現(xiàn)象，無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。行動系統(tǒng)的失效將會對整個底盤造成重大機(jī)械事故[2]。經(jīng)過計(jì)算驅(qū)動輪齒距并測量橡膠履帶節(jié)距，發(fā)現(xiàn)二者出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，故驅(qū)動輪和履帶節(jié)距必須控制在一定的范圍內(nèi)。同時對驅(qū)動輪齒頂圓進(jìn)行修改，保證行動系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 無人履帶行動系統(tǒng)簡介

在履帶車輛中，行動系統(tǒng)由驅(qū)動輪、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 履帶行動系統(tǒng)Fig.1 Tracked running system

在本系統(tǒng)中，驅(qū)動輪前置將來自電機(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)時不因稍受外力即松弛而影響履帶和驅(qū)動輪的正常嚙合。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

對無人履帶行動系統(tǒng)試制完成后進(jìn)行組裝，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動幾個齒后出現(xiàn)驅(qū)動輪和履帶爬齒現(xiàn)象。使用外力擠壓過去后，還會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，決定對驅(qū)動輪進(jìn)行維修，同時摸索驅(qū)動輪和履帶節(jié)距之間的關(guān)系。

3 原因分析

履帶行動系統(tǒng)中驅(qū)動輪和橡膠履帶的設(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)動輪設(shè)計(jì)成同步帶結(jié)構(gòu)，并與齒形帶嚙合，帶動履帶運(yùn)動，履帶使用同步齒形帶可以提高履帶精度和整個履帶的強(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)動輪設(shè)計(jì)成鏈輪結(jié)構(gòu)，嚙合鏈?zhǔn)铰膸?。這種履帶形式靈活性好，傳動精確、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)動輪與履帶嚙合形式Fig.3 Meshing form between driving wheel and caterpillar track

經(jīng)過對實(shí)物橡膠履帶的測量發(fā)現(xiàn)，履帶的齒距不一，為57.5～60.0 mm。對于驅(qū)動輪，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)動輪節(jié)距約為60.66 mm。

一般情況下，履帶和驅(qū)動輪的嚙合有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)動輪節(jié)距）。在等節(jié)距嚙合中，履帶嚙合副是多齒傳動，履帶牽引力由嚙合各齒分擔(dān)，每個齒所受的負(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)距嚙合只是一個理論概念，即使設(shè)計(jì)時是等節(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)動輪的節(jié)距都在一定范圍內(nèi)變動，因此履帶和驅(qū)動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，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，都需要在一個范圍內(nèi)。亞節(jié)距嚙合過大，會出現(xiàn)爬齒現(xiàn)象；超節(jié)距過大，會出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象[11]。在本項(xiàng)目中，履帶節(jié)距明顯小于驅(qū)動輪節(jié)距，屬于亞節(jié)距嚙合。由于履帶和驅(qū)動輪的節(jié)距相差過大，出現(xiàn)爬齒現(xiàn)象。

4 解決方法

面對裝配調(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?，只能對?qū)動輪進(jìn)行更改。通過降低驅(qū)動輪的齒頂圓和節(jié)圓直徑硬性減小驅(qū)動輪節(jié)距。經(jīng)過試驗(yàn)，將驅(qū)動輪節(jié)距硬性調(diào)整到59.4 mm，齒頂圓直徑為239.8 mm，同時對主動輪輪齒進(jìn)行修整，履帶和驅(qū)動輪嚙合順暢。通過修改驅(qū)動輪來取代更換橡膠履帶，降低了行動系統(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)動輪設(shè)計(jì)建議選擇亞節(jié)距嚙合，履帶節(jié)距比驅(qū)動輪節(jié)距小1%～5%[13]。而在此次橡膠履帶驅(qū)動輪的修改中，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，履帶張緊后會有節(jié)距增大，但十分有限。為保險起見，建議橡膠履帶的驅(qū)動輪設(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)動輪和履帶時，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)動輪節(jié)距小的范圍控制在3%以內(nèi)。