農(nóng)用車新型三角橡膠履帶輪的設(shè)計

東愛璽 楊威 萬茹馨 劉鵬 孫金龍

摘?要：由于我國的農(nóng)田地形呈多樣化特征，包括了山地、平原、池澤、高原、沙漠等多種復(fù)雜的地貌，針對傳統(tǒng)農(nóng)機化生產(chǎn)一直存在動力不足、軸承系統(tǒng)負(fù)荷大、環(huán)境適應(yīng)性差等問題，提出并設(shè)計了一種重量輕、振動小、不會破壞鋪設(shè)路面的新型的三角履帶輪農(nóng)用車輛。

關(guān)鍵詞：橡膠履帶輪;履帶車輛;高速重載;設(shè)計應(yīng)用

中圖分類號：S229.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.010

0?引言

隨著我國對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究深入，農(nóng)機設(shè)計生產(chǎn)成績顯著，農(nóng)業(yè)自動化與機械化的大量普及，農(nóng)用車在農(nóng)業(yè)生活生產(chǎn)等方面發(fā)揮著積極作用。我國的農(nóng)耕地形十分復(fù)雜，也對農(nóng)機的駕駛性能提出了更高要求。在20世紀(jì)90年代以前，市場上履帶輪式拖拉機還是很常見的，且過去的履帶拖拉機，其履帶都是鋼制的。與其相比，用橡膠作履帶的拖拉機不但重量輕、振動小，不會破壞鋪設(shè)路面，而且損耗低，壽命長，即使較于輪胎，也具有更好的通過性?，F(xiàn)于世界各地都具有廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計為適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，國內(nèi)對采摘設(shè)備的研究不斷深入。由于履帶式車輛底盤具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點，因此成為采摘機械底盤設(shè)計的首選。在此前提下，通過對履帶車輛共性問題進(jìn)行研究，結(jié)合機械設(shè)計理論、車輛行駛理論以及有限元理論，設(shè)計出一款較為優(yōu)秀的三角履帶車。

1?基本設(shè)計

經(jīng)過初步的設(shè)計決定采用由步進(jìn)電機帶動四輪驅(qū)動橡膠履帶輪（圖1），這樣后續(xù)實踐組裝可以在不改裝或者少量改裝輪式車輛的情況下，與車輛輪胎互換，降低車輛的接地壓力，從而提升車輛的越野能力，提升車輛性能，實現(xiàn)升級換代。

步進(jìn)電機采用YE2系列三項異步電動機立臥式B35，這款電機具有高效節(jié)能且運行平穩(wěn)、低噪音、小振動、低溫升等優(yōu)點，適合在小型農(nóng)機使用，其參數(shù)為：

機座中心高（Base center heigh）：63～355 mm;

功率范圍（Power Range）：0.12～315 kW;

額定電壓（Rated voltage）：380 V;

額定頻率（Rated frequency）：50 Hz（或60 Hz）;

防護(hù)等級（Protection class）：IP54（或IP55）;

絕緣等級（Insulation class）：F級;

工作制（Work system）：S1。

為防止轉(zhuǎn)速過快，需要加入一個適配的NMRV50減速器，一來可以控制它的轉(zhuǎn)速，使其更加穩(wěn)定，二來可以更好的控制其輸出扭矩。

驅(qū)動輪、框架、橡膠履帶以及數(shù)量不等的導(dǎo)向輪和負(fù)重輪等共同組成了履帶輪。如圖2所示的三角型履帶輪，在三角輪的頂點上的是驅(qū)動輪，要保證橡膠履帶輪與驅(qū)動輪的契合程度，以盡量的增長履帶輪的使用時間，可減少車輛負(fù)載并使驅(qū)動輪采取更輕的機構(gòu)，通過橡膠履帶的驅(qū)動角與輪上的驅(qū)動齒或銷相契合，來驅(qū)動履帶。導(dǎo)向輪通常放置在三角形底部的一端或者兩端，三角形的底部往往加配負(fù)重輪。組件與負(fù)重輪所組成的負(fù)重輪系框架，是被用來維系履帶輪的結(jié)構(gòu)，橡膠履帶輪輪系是由框架、驅(qū)動輪、導(dǎo)向負(fù)重輪構(gòu)成。

根據(jù)履帶輪結(jié)構(gòu)及其與車輛的裝配，一般情況下選擇整體式結(jié)構(gòu)。

整體式具有更好的抓地力，在崎嶇路面行駛的時候，負(fù)重輪系和框架能夠隨著地表起伏共同環(huán)繞驅(qū)動軸擺動，但是驅(qū)動輪和框架之間，起鏈接作用的軸承耗損嚴(yán)重。

而橡膠履帶分為無芯金和有芯金兩種，有芯金雖然使橡膠履帶輪具有較高的橫向剛度，有利于履帶彎曲，進(jìn)而減少負(fù)重輪的數(shù)量或者寬度。但是無芯金履帶更輕便，而且不會發(fā)生由于高速運動使橡膠嚴(yán)重發(fā)熱，進(jìn)而誘發(fā)履帶輪脫膠和出現(xiàn)故障等問題。實驗證明：無芯金履帶輪具有機動性高、噪聲低、重量輕以及不易脫落等優(yōu)點。無芯金履帶輪（圖3）有兩種驅(qū)動方式，第一種是摩擦驅(qū)動，第二種是強制驅(qū)動。

無芯金橡膠履帶采用強制驅(qū)動的方式，在高速重載的條件下，還要選擇好合適的提升比率，在其內(nèi)表面上加裝驅(qū)動角，通過驅(qū)動輪的驅(qū)動銷和驅(qū)動角的相契合來傳遞動力。強制驅(qū)動無芯金橡膠履帶能更加簡潔地實施模塊化。

驅(qū)動輪的裝配形式分為兩種：輪孔式、輪齒式。這里采用外形結(jié)構(gòu)與齒輪類似的輪齒式橡膠履帶，履帶上設(shè)有一行或兩行孔洞，動力的傳遞則是通過驅(qū)動輪齒插入孔洞中的方式來完成。

2?輪系

2.1?負(fù)重輪

負(fù)重輪的作用是支撐所有機體的重量，并束縛履帶使其不做橫向運動，還能減振增穩(wěn)。不僅要合理選擇負(fù)重輪的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和材料，還要設(shè)計好相應(yīng)系統(tǒng)。這關(guān)系到整個運動裝置的工作效率。無芯金橡膠履帶為避免凸耳與負(fù)重輪之間摩擦所造成的凸耳磨損，要選擇摩擦系數(shù)低的材質(zhì)來作負(fù)重輪。這時，履帶內(nèi)表面會與負(fù)重輪圓周面產(chǎn)生滾動摩擦，負(fù)重輪的材質(zhì)要求滾動阻力小并耐磨，以減少對履帶造成的損壞。

影響履帶車輛接地比壓的重要因素是負(fù)重輪的尺寸、數(shù)量、位置。提高履帶車輛的通過性，就要降低行走裝置的接地比壓，均勻化接地壓力，另外，還可以使用加多負(fù)重輪數(shù)量，加寬負(fù)重輪的廣度，合理布置支重輪的縱向列數(shù)和橫向組數(shù)來達(dá)成目的。本設(shè)計采用爬山虎無芯金履帶，其規(guī)格為：輪寬： 6 in;輪直徑：70 mm;安裝孔距：147 mm;底板規(guī)格：125 mm×125 mm或160 mm×160 mm;安裝高度：216 mm;載重：1700 kg。

2.2?導(dǎo)向輪系

導(dǎo)向輪的作用是為履帶引導(dǎo)方向，提供離去角或接近角給履帶輪。導(dǎo)向輪的最低位置要比負(fù)重輪的最低位置高，這樣就能保護(hù)履帶接觸路面時不會產(chǎn)生磨損，而小物體有通過的縫隙。越好的導(dǎo)向輪所形成度數(shù)越大的角度，這樣對跨越障礙更加便利。

增加功耗：（1）即使是經(jīng)過輕量化設(shè)計的履帶輪，它的重量也會遠(yuǎn)超普通車胎;（2）履帶與輪系之間產(chǎn)生的摩擦所消耗的功率效大;（3）隨著履帶彎曲剛度的增大，輪系旋轉(zhuǎn)時所消耗的功率也就越大;（4）履帶輪的開放結(jié)構(gòu)會使泥屑堆積在履帶內(nèi)表面和輪子之間，這種堆積會增加履帶輪的功耗。

3?控制運行與其他

3.1?控制運行

在整個新型三角履帶輪農(nóng)用車中，用32路電機控制器使用servocontrolller軟件處理作為數(shù)據(jù)指令中樞，輸入預(yù)先設(shè)計好的程序來帶動電機運行，電機經(jīng)過減速器的處理之后推動四輪驅(qū)動無芯金橡膠制成的履帶輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)運動，程序設(shè)計圖如圖4所示。

3.2?問題及優(yōu)化方向

在后續(xù)過程中，還存在一些問題需要注意。

（1）為適用于高速運行且承受較重載荷的條件，要使模塊化更方便，強制驅(qū)動的無芯金橡膠履帶，要選擇合適的驅(qū)動輪來提升比率，以便改善驅(qū)動輪刨削履帶驅(qū)動角的情況，為了履帶上的剪應(yīng)力能夠滿足在橫向?qū)ΨQ分布的設(shè)計要求，要布置好履帶偏置簾線層。（2）為滿足承受較重載荷要求，避免履帶輪發(fā)生爬齒、跳齒和脫帶的現(xiàn)象，增加驅(qū)動角的使用時長，不僅要改進(jìn)橡膠生產(chǎn)配方以及加工工藝，驅(qū)動角的規(guī)格優(yōu)化也是十分重要的。（3）應(yīng)設(shè)計好花紋的間隔、紋路，并根據(jù)驅(qū)動角的位置來布置花紋，提供給履帶輪更好的牽引力，從而減小花紋和負(fù)重輪之間交互作用時產(chǎn)生的振動和履帶接觸地面時產(chǎn)生局部集中的拉伸應(yīng)力，從而使履帶的使用時間更長。（4）要實現(xiàn)越野行駛的設(shè)計要求，負(fù)重輪的尺寸、數(shù)量和排列順序就要采取適當(dāng)?shù)奈恢?，以保證履帶輪接觸地面時所受到的壓力能夠均勻分布，減少因框架發(fā)生形變而造成的載荷位置變化，確保履帶的溫度在行駛過程中會均勻的上升。