某履帶無人平臺行走機構設計

袁芬 趙洪雷 盧國軒 李彪 吳宏濤

摘要：在借鑒同步齒形帶傳動原理的基礎上，提出了某履帶無人平臺行走機構的設計思路。對橡膠履帶節(jié)距和寬度、驅動輪設計、導向輪以及負重輪的設計參數進行了分析，為同類行走機構的設計提供了新的設計思路和方法。

關鍵詞：同步齒形帶;行走機構;橡膠履帶;驅動輪

履帶式車輛具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強等優(yōu)點，廣泛用于工程機械和農業(yè)機械等野外作業(yè)車輛中[1]。近幾年伴隨著無人車的興起，越來越多的無人車輛采用履帶式結構形式，而履帶行走機構的優(yōu)劣直接影響著車輛的性能。本文針對某履帶式無人平臺，在借鑒同步齒形帶的基礎上提出了行動系統(tǒng)的設計要點和解決方法。

履帶式行走機構

履帶行走系統(tǒng)由驅動輪、張緊輪、履帶、負重輪、車架組成。履帶與其所繞過的驅動輪、導向輪和負重輪組成“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[2]。

驅動輪前置，將來自電機的扭矩傳遞給橡膠履帶。導向輪后置，用于引導履帶正確繞轉。張緊裝置保證履帶前進時不因稍受外力即松弛。負重輪輪組，保證履帶接地壓力分布均勻。

行走系統(tǒng)的設計

履帶行動系統(tǒng)中驅動輪和橡膠履帶的設計通常有兩種方案。第一種方案是由聚氨酯和橡膠等材質制成的同步齒形帶，這種方案將履帶驅動輪設計成同步帶結構，并與齒形帶嚙合，帶動履帶運動;第二種方案是參考金屬制成的鏈式履帶，履帶驅動輪設計成鏈輪結構，嚙合鏈式履帶。在大多數的履帶車輛中選擇第二種方案，在本系統(tǒng)中考慮到該行走系統(tǒng)主要在城市樓宇中作業(yè)，為降低生產成本和周期借鑒了第一種方案。

履帶

由于該行走底盤屬于小型車輛，選用了工程機械上常用的橡膠履帶。在履帶的選型和設計中，橡膠履帶的節(jié)距是最重要的一個參數，可參考金屬履帶選取，根據經驗公式估算：

式中： –履帶節(jié)距，單位為mm;G–整機重量，單位為kg。

根據計算值參照各橡膠履帶制造商的選型表，最終確定履帶節(jié)距。

在履帶選擇中還需要考慮接地比壓P，該值與行動系統(tǒng)工作路面有關，決定了行動系統(tǒng)的通過性，并通過此值確定履帶總結地面積A。

式中，L–行走機構的接地長度，單位為m;

G–車體重量，單位為kN;

b–履帶寬度，單位為m;

P–接地比壓，單位為kPa。

履帶寬度和履帶接地長度的經驗公式：

根據上面的計算，按照所選廠家提供的橡膠履帶標準選取。在本項目中選用的橡膠履帶參數為：寬度130mm ×節(jié)距60mm ×節(jié)數33。

驅動輪

驅動輪的作用是將驅動電機的動力傳遞給履帶，因此驅動輪與履帶嚙合順暢是整個行走系統(tǒng)最關鍵的因素。一般履帶驅動輪齒數不宜少于7個，且驅動輪齒數和履帶的節(jié)數互為質數，保證均勻嚙合，增加使用壽命。

橡膠履帶驅動輪的節(jié)圓直徑：

齒頂圓直徑：

式中：–履帶節(jié)距;Z–驅動輪齒數;δ–節(jié)頂距。

選擇z=1，z=13，經計算，齒頂圓直徑。

一般情況下履帶和驅動輪的嚙合有三種情況，即：亞節(jié)距嚙合、等節(jié)距嚙合、超節(jié)距嚙合。實際中，等節(jié)距嚙合只是一個理論概念，履帶和驅動輪的嚙合要么是亞節(jié)距嚙合，要么是超節(jié)距嚙合[3]。但在設計時，選擇等節(jié)距嚙合，給設計和加工留出誤差余量。在裝配時允許亞節(jié)距嚙合的出現，因為這種亞節(jié)距會伴隨著履帶和驅動輪齒的磨損、履帶張緊等慢慢過渡到等節(jié)距嚙合、超節(jié)距嚙合，但是橡膠履帶節(jié)距不能過小，否則容易出現爬齒現象。在研制中一般推薦橡膠履帶節(jié)距比驅動輪節(jié)距小3%以內。

導向輪和張緊裝置

導向輪布置在車體后部，用于引導履帶正確繞轉，防止跑偏和越軌。不需要傳遞速比，為保證行走系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其直徑與驅動輪一致。

張緊裝置采用機械式調整機構，保證履帶前進時不因稍受外力即松弛而影響履帶和驅動輪的正常嚙合。

負重輪

負重輪的個數和布置應有利于使履帶接地壓力分布均勻。因此，在本項目中采用多支點結構，形成一個負重輪輪組，該輪組與車架緊密連接，支撐來自整臺車的質量。一般負重輪的直徑和橡膠履帶的關系為，每邊負重輪的個數通常為3～5個，在本行走系統(tǒng)中每邊負重輪為5個，形成一個負重輪組。

實物驗證情況

在完成某履帶式無人平臺行走結構底盤的設計和制造后，為驗證底盤的性能，對該底盤行動系統(tǒng)分別進行了臺架試驗、公路地面行駛、攀爬樓梯等試驗，行動系統(tǒng)運轉順暢，滿足性能指標要求。

結論

本文提出了使用同步帶原理對履帶和驅動輪設計的理念，并通過對履帶選型、驅動輪設計等核心部件的參數確定進行了分析研究，對負重輪、導向輪及張緊裝置的設計方法進行了闡述，為更多同類型履帶行走機構的設計提供了參考依據。

參考文獻

齊英杰，孫志剛，馬巖，方彥.小型履帶拖拉機行走系統(tǒng)設計分析與實驗研究[J].農機化研究，2018（1）：228～233.

孫振杰，劉俊峰，李彩風，李建平.微型農用履帶式行走裝置的設計方法[J].農機化研究，2011（10）：55～58.

姜金球.履帶鏈輪亞節(jié)距嚙合技術的研究[J].礦山機械，1995（1）：22～25.