小型電動履帶底盤系統(tǒng)設(shè)計與試驗

孫欣欣

（常州漢森機(jī)械股份有限公司，江蘇常州 213034）

0 引言

茶園、果園作業(yè)環(huán)境空間狹窄、作業(yè)種類繁多，對機(jī)械動力要求希望綠色環(huán)保。因此，發(fā)展小型、環(huán)保、高效、電動動力底盤是提升機(jī)械化作業(yè)水平的關(guān)鍵。

近年來，電動技術(shù)快速發(fā)展，電動底盤以其靈活、環(huán)保等特點在茶園、果園得到大量應(yīng)用。針對此情況，筆者在現(xiàn)有的履帶式動力底盤基礎(chǔ)上，對電動動力系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計，對傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，設(shè)計了一種小型電動自走式履帶底盤，該底盤主要可以滿足動力環(huán)保、作業(yè)空間狹窄等拖拉機(jī)無法進(jìn)入的果園、茶園作業(yè)的動力和續(xù)航方面的需求。

1 動力底盤總體結(jié)構(gòu)與工作原理

果園種植環(huán)境有丘陵地形和平原地形，本文研究最大坡度不超過20%地形作業(yè)用機(jī)器，主要適應(yīng)除草、采摘、植保及搬運等作業(yè)，確定底盤最高行駛速度為6.5 km/h、最低行駛速度為1.5 km/h、最大載重質(zhì)量為300 kg、自重120 kg，續(xù)航里程為30 km，以滿足各種復(fù)雜工況需求。

1.1 底盤結(jié)構(gòu)

電動履帶式底盤主要由車架、驅(qū)動電機(jī)、電池、變速機(jī)、控制系統(tǒng)、左側(cè)履帶和右側(cè)履帶組成，如圖1所示。作業(yè)底盤的動力系統(tǒng)安裝于作業(yè)底盤行走裝置的前部位置，上方安裝用于茶園、果園作業(yè)的各種農(nóng)機(jī)具。

圖1 自走履帶式底盤結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

作業(yè)底盤通過有線控制履帶式行走裝置作業(yè)，采用差速器傳動方案，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動變速箱帶動履帶底盤驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電機(jī)由控制系統(tǒng)獨立控制，變速機(jī)通過離合器與驅(qū)動軸連接，通過控制離合器實現(xiàn)底盤的差速轉(zhuǎn)向、切邊轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向，原理如圖2所示。

圖2 自走履帶式底盤工作原理圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括驅(qū)動電機(jī)、電池、減速機(jī)、履帶行走裝置，根據(jù)設(shè)計要求對動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行匹配設(shè)計。

2.1 驅(qū)動電機(jī)匹配設(shè)計

2.1.1 最高車速工況。根據(jù)底盤行駛的作業(yè)速度要求，驅(qū)動電機(jī)的額定功率計算公式為：

式中，ηd為傳動系統(tǒng)機(jī)械效率（考慮到果園茶園道路較差f滾動阻力系數(shù)在0.10～0.15變化）；

Vmax為底盤最高行駛速度（6.5 km/h）。

2.1.2 爬坡工況。爬坡工況下驅(qū)動電機(jī)的峰值功率計算公式為：

式中，ηt為傳動系統(tǒng)的機(jī)械效率0.92；

Vmin為爬坡過程低速度（1.2 km/h）。

爬坡過程中，電機(jī)輸出扭矩Tpmax為：

式中，R為底盤驅(qū)動輪半徑0.065 m；

i為傳動比30；

Fpc為底盤在爬坡工況下的驅(qū)動力（N）。

2.1.3 轉(zhuǎn)向工況。切邊轉(zhuǎn)向時所克服的轉(zhuǎn)向阻力矩最大，此時驅(qū)動電機(jī)需要輸出的力矩的計算公式為：

式中，F(xiàn)qt為切邊轉(zhuǎn)向所需驅(qū)動力（N）；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：>

B為兩履帶距離0.6 m；

η為切邊轉(zhuǎn)向時阻力系數(shù)0.33；

Mμ為切邊轉(zhuǎn)向時阻力力矩，取

底盤行走與底盤質(zhì)量與負(fù)載大小有關(guān)，電機(jī)的輸出最小轉(zhuǎn)矩要滿足坡道啟動，其扭矩不少于當(dāng)其小于對應(yīng)狀態(tài)下的負(fù)載阻力矩時，電機(jī)轉(zhuǎn)速將會出現(xiàn)非額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的停滯而無法起動，或者燒壞。

根據(jù)理論計算的參數(shù)，綜合設(shè)計余量和實際應(yīng)用等因素，選定規(guī)格為48 V，1.2 kW直流無刷永磁電機(jī)，扭矩30。

2.2 減速機(jī)匹配設(shè)計

選定的直流無刷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為1500 r/min，最高行駛速度大于6.5 km/h，最低速度1.5 km/h，計算公式為：

式中，imin為最小傳動比

求得imin≤5.65

imin取5.6

imax≤30.6減速比imax取30。

根據(jù)上述計算的減速比以及底盤空間結(jié)構(gòu)，變速箱的傳動比最小為5.65，最大為30，中間可以選一到兩個檔，底盤在低擋時獲得較大的扭矩。

3.1 傳動方案分析

履帶底盤重心低，接地面積大，比輪式底盤適用于果園、茶園的使用。常見的履帶式車輛的驅(qū)動方式有以下幾種（圖3）。

圖3 傳動方案

圖3（a）是傳統(tǒng)簡單的驅(qū)動方式，電動機(jī)將動力傳到主傳動軸1，動力減速后經(jīng)減速器2傳到離合器，再傳向左右兩邊的驅(qū)動輪，在左右半軸上各設(shè)有制動器。當(dāng)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。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)轉(zhuǎn)向。該驅(qū)動方式的特點是結(jié)構(gòu)簡單，由一個電動機(jī)傳遞動力，控制簡單，直線行駛性能好，維護(hù)方便，在不同的使用條件下可以選擇不同的擋位。結(jié)合機(jī)械變擋可以獲得較大的驅(qū)動扭矩，電機(jī)在較高的效率下工作，功耗損失小。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3（b）是兩側(cè)獨立的輪邊減速驅(qū)動方式，電機(jī)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(jī)械部件進(jìn)一步減少，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，直線行駛性能差、控制復(fù)雜，但對電機(jī)要求極高。圖3（b）是輪轂電機(jī)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(jī)直接獨立帶動驅(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，但控制復(fù)雜，直線行駛性能差、使用低速大扭矩電機(jī)成本較高。

考慮到國內(nèi)的使用水平和維護(hù)水平，同時要滿足在茶園、果園農(nóng)業(yè)作業(yè)空間的使用和制造成本等多方面的綜合考慮，本設(shè)計考慮采用圖3（a）的設(shè)計方案，實物圖如圖1所示，變速采用電機(jī)調(diào)速與機(jī)械擋位調(diào)速相結(jié)合，讓電機(jī)在高扭矩輸出段工作；由于機(jī)器較小，采用單側(cè)履帶動力分離制動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向半徑小于1 m，可以滿足茶園和果園的道路的轉(zhuǎn)向要求。

3.2 總體布置方案分析

3.2.1 驅(qū)動橋布置。驅(qū)動橋后置履帶下側(cè)為緊邊，對于橡膠履帶而在果園、茶園坑洼的路面履帶拉緊懸空，對橡膠履帶的使用壽命有一定的影響；驅(qū)動橋前置履帶下側(cè)為松邊，有利于提高使用壽命，考慮到該底盤主要在坑洼地面行走，本機(jī)構(gòu)設(shè)計方案采用前置驅(qū)動布置。

3.2.2 履帶參數(shù)設(shè)計。由于整機(jī)質(zhì)量較輕，選擇履帶總數(shù)為2根。履帶節(jié)距選擇72 mm、寬度150 mm、履帶的接地長度L750 mm和軌距B600，L/B比值1.25，該比值一般在1～1.4范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向性能滿足直線行駛和轉(zhuǎn)向性能要求，接地壓力，有較好的泥濘道路使用性能。

3.2.3 輪組參數(shù)設(shè)計。驅(qū)動輪安裝在傳動半軸上，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?？紤]到底盤通過性能，輪組的設(shè)計要求有一個接近角，后導(dǎo)向輪設(shè)計與支重輪等高，同時具有導(dǎo)向輪和支重輪作用，支重中部設(shè)計搖架，便于通過土埂（圖4）。

圖4 輪組設(shè)計

設(shè)計驅(qū)動輪的齒數(shù)z=6，驅(qū)動輪直徑為130 mm，導(dǎo)向輪直徑為210 mm，支重輪直徑為210 mm。

3.2.4 變速箱半軸。變速箱半軸最終傳遞動力的扭矩，并承受成卷動履帶拉力產(chǎn)生的彎矩，對半軸進(jìn)行應(yīng)力分析，分析以一側(cè)轉(zhuǎn)向附著力最大時作為計算依據(jù)（圖5）。

圖5 變速箱半軸

半軸材料采用40Cr經(jīng)調(diào)質(zhì)局部高頻淬火處理，為了確保半軸的使用可靠性，對半軸進(jìn)行了校核，見圖6。

圖6 變速箱半軸校核

3.2.5 差速器的設(shè)計。小型機(jī)器差速器由于受力小設(shè)計上力求結(jié)構(gòu)簡單，便于維修，如圖7所示。

圖7 差速器設(shè)計

3.2.6 變速箱結(jié)構(gòu)。根據(jù)使用要求和零部件強(qiáng)度計算，變速箱結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括變速、離合、制動、左右半軸等結(jié)構(gòu)，動力經(jīng)外側(cè)皮帶輪輸入。

圖8 變速箱結(jié)構(gòu)

3.2.7 電動機(jī)控制。電動機(jī)的驅(qū)動電路是以圖示的構(gòu)造與電動機(jī)連接，大致可分為5個區(qū)間。電源電路、電流控制電路、邏輯電路、設(shè)定比較電路、電源電路，見圖9。

圖9 電動機(jī)控制

3.2.8 動力電池匹配設(shè)計。根據(jù)自走式履帶底盤的實際工況需求，選擇鉛酸蓄電池作為動力電池。選定的直流無刷電機(jī)工作電壓為48 V，將4塊12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成動力電池組。單體電池容量計算公式為：

式中，n 為鉛酸蓄電池數(shù)量；Pe為額定功率（kW）；S續(xù)設(shè)計續(xù)航里程為20 km，代入?yún)?shù)可得Crmin≥71.6A·h，考慮到工作中啟停次數(shù)較多，空轉(zhuǎn)時間較多，為了提高蓄電池使用壽命，選定電池容量為100 Ah額定工作電壓12 V的鉛酸電池。

4 根據(jù)設(shè)計方案的參數(shù)建立仿真模型

根據(jù)電動自走式履帶底盤初步結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定各部分的參數(shù)，動力電池關(guān)鍵參數(shù)、減速機(jī)和驅(qū)動電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定如表1所示，動力電池通過電機(jī)輸出扭矩，經(jīng)變速箱減速向履帶傳遞動力，驅(qū)動底盤。根據(jù)動力電池通過電機(jī)輸出扭矩，經(jīng)變速箱減速向履帶傳遞動力，驅(qū)動底盤。根據(jù)以上設(shè)定參數(shù)進(jìn)行動力仿真分析結(jié)果分析如下。

表1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

4.1 最大驅(qū)動力仿真結(jié)果分析

隨著行駛速度的增加，最大驅(qū)動力和剩余驅(qū)動力不斷降低，應(yīng)滿足最大行駛速度在6.5 km/h時驅(qū)動力要求，最大行駛速度在6.5 km/h時驅(qū)動力為617.4 N，電機(jī)提供的驅(qū)動力1338 N大于高速行走時的所需的驅(qū)動力，為最低行駛速度在1.2 km/h時驅(qū)動力為8298 N，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)彎及爬坡所需要的驅(qū)動力的作業(yè)要求。

4.2 爬坡度仿真結(jié)果分析

電動自走式履帶底盤最大爬坡行駛速度隨著坡度的增加不斷下降；作業(yè)底盤在通過35%（20°）的坡度路面時的行駛速度為2.2 km/h，滿足底盤爬坡動力系統(tǒng)的設(shè)計要求。

4.3 續(xù)航里程仿真結(jié)果分析

電動自走式履帶底盤動力電池組荷電狀態(tài)由92%降至20%，開路電壓由55.8 V降至48 V，共用約5.7 h，滿足工作8 h的時間要求；選定電池容量為150 Ah額定工作電壓12 V的鉛酸電池可以滿足8 h的工作時間。

實際工作時存在大量的空轉(zhuǎn)時間，如果扣除40%的空轉(zhuǎn)時間，底盤以6.5 km/h的速度行走續(xù)航里程約為22 km，符合20 km續(xù)航里程動力系統(tǒng)匹配的設(shè)計要求。

5 試驗分析

5.1 試驗方案

給底盤加載滿負(fù)荷300 kg，試驗路段選擇山坡和石子路，滿足f大于0.3的條件，路段分為平路和坡路，坡路通過30℃的測試路段，行駛速度試驗25 m為加速路段和250 m為測試路段。試驗過程中，底盤在25 m內(nèi)加速到規(guī)定速度，在250 m路段使用精度為0.01 s的秒表計時，試驗次數(shù)為10次。

爬坡試驗分為兩種工況：第1種為作業(yè)底盤在坡下達(dá)到最高行駛速度后通過坡度約為10%、長度為15 m的山土坡；第2種為底盤停在坡度約為35%、長度為35 m的土坡上，在制動狀態(tài)下從靜態(tài)運動至半坡，單邊制動連續(xù)橫向轉(zhuǎn)彎。分別對上述兩種工況進(jìn)行測試。

續(xù)航能力試驗中，滿載作業(yè)底盤在平坦的路面上以4 km/h的作業(yè)速度測試，每運行500 s停機(jī)1次，記錄和測量電池組的開路電壓，電池容量達(dá)到80%時結(jié)束運行。

5.2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果如表2所示：根據(jù)試驗數(shù)據(jù)證明，可以代替燃油動力傳動要求。

表2 試驗結(jié)果

6 結(jié)語

根據(jù)以上研究分析，常州漢森機(jī)械股份有限公司根據(jù)上述研究結(jié)果，對SZ130燃油動力底盤進(jìn)行了改進(jìn)，效果良好，滿足用戶的使用要求。目前，產(chǎn)品出口日本和歐洲用于小型果園的運輸，在國內(nèi)的果園、茶園小批量推廣使用。