一種鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

喬曙光，董存賢

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

履帶式移動(dòng)底盤(pán)具有眾多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，而被排爆機(jī)器人廣泛采用。工程機(jī)械用的鉸接式履帶，由于采用金屬制造，強(qiáng)度高、耐磨性好，能夠在復(fù)雜路況中使用，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、質(zhì)量大等，不適合排爆機(jī)器人使用。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，排爆機(jī)器人用履帶移動(dòng)式底盤(pán)多為整體橡膠履帶。但整體式橡膠履帶存在著以下缺點(diǎn)：多履帶張緊力調(diào)整一致性差，底盤(pán)行走時(shí)易產(chǎn)生不同步；橡膠履帶使用一段時(shí)間后因彈性改變?cè)斐蓮埦o變松，需要進(jìn)一步張緊；履帶損壞后需整條履帶更換。

本文結(jié)合小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，提出一種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、強(qiáng)度大、質(zhì)量小、剛度高、張緊力調(diào)整一致性好等特點(diǎn)。論述了其結(jié)構(gòu)型式、傳動(dòng)原理、齒形幾何設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算方法，推導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)輪擠壓強(qiáng)度計(jì)算公式，最后以實(shí)例方式論述了鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法,為其推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 鉸接式履帶行走裝置組成及驅(qū)動(dòng)原理

1.1 鉸接式履帶行走裝置組成

如圖1所示，鉸接式履帶行走裝置由鉸接式履帶鏈條、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪系、擺臂、張緊裝置及上下托鏈塊組成。

圖1 鉸接履帶式行走傳動(dòng)裝置組成圖

鉸接式履帶鏈條由履帶塊通過(guò)履帶銷(xiāo)首尾連接成封閉的鏈條，如圖2所示。銷(xiāo)與前履帶塊尾部的連接為間隙配合，與后履帶塊前部的兩個(gè)孔的連接為過(guò)盈配合。當(dāng)前后兩履帶塊相對(duì)撓曲時(shí)，前履帶塊可繞履帶銷(xiāo)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)時(shí)，履帶塊尾部的銷(xiāo)孔外圓柱面與驅(qū)動(dòng)輪雙排齒的齒槽嚙合。為了減輕履帶塊的質(zhì)量，采用高強(qiáng)度鑄鋁合金壓鑄成型，正面的反履齒在履帶傳動(dòng)過(guò)程中，與插入驅(qū)動(dòng)輪兩排齒中間的環(huán)形槽及上、下托鏈塊的槽中，以防止履帶塊側(cè)向脫出；背部附著有硫化橡膠，這樣使得鉸接式履帶鏈條傳動(dòng)既有金屬履帶的高剛度、大牽引力的優(yōu)點(diǎn)，又具有橡膠履帶質(zhì)量輕、與地面接觸減振、緩沖沖擊、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了制造成本。擺臂與驅(qū)動(dòng)輪同軸（圖1中沒(méi)有顯示兩者連接關(guān)系），兩者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。擺臂前端的滑槽與從動(dòng)輪支架形成移動(dòng)副，由其中間的螺桿調(diào)整兩者之間的距離（如圖3），從而完成了對(duì)鉸接式履帶鏈條的張緊。

圖2 履帶的連接

圖3 張緊裝置

與履帶式工程機(jī)械相比，排爆機(jī)器人屬于中小型履帶驅(qū)動(dòng)，其履帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)力較小。驅(qū)動(dòng)輪采用短齒形與履帶塊嚙合，既具有較大的傳動(dòng)能力，又可使得履帶塊具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)外形。

從動(dòng)輪系由兩個(gè)支重輪和從動(dòng)輪支架組成，除了承受機(jī)器人重力外，作為張緊裝置的組成部分對(duì)鉸接式履帶鏈條張緊，并對(duì)履帶進(jìn)行導(dǎo)向。從動(dòng)輪對(duì)履帶具有一定夾持作用，在轉(zhuǎn)向時(shí)，帶動(dòng)履帶在地面上滑動(dòng)。

上、下托鏈塊安裝在從動(dòng)輪支架上，除托鏈作用外，還對(duì)履帶有夾持作用。

1.2 驅(qū)動(dòng)原理

如圖4所示，在張緊裝置的張緊作用下，驅(qū)動(dòng)輪上制有特殊齒形的齒，依靠驅(qū)動(dòng)輪輪齒與履帶板的凸起銷(xiāo)孔外圓柱表面嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

圖4 驅(qū)動(dòng)輪齒與履帶鏈節(jié)嚙合

2 鉸接式履帶行走驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

鉸接式履帶行走驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算通常是根據(jù)機(jī)器人的行走速度v、履帶行走的驅(qū)動(dòng)阻力、工作條件等，初步確定驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑dK。然后確定鏈節(jié)距p及驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)z等參數(shù)。

2.1 履帶節(jié)距及強(qiáng)度計(jì)算

1）履帶的節(jié)距。

履帶節(jié)距p，通常隨機(jī)重G的增加而線型增大，由于用于移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)的履帶還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，可參照已有相似機(jī)型底盤(pán)確定，也可參照標(biāo)準(zhǔn)鏈的節(jié)距確定。

2）履帶強(qiáng)度計(jì)算。

a.履帶的計(jì)算工況。

考慮到整機(jī)在爬坡行走時(shí)單條履帶所能傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力，假定電動(dòng)機(jī)的力矩足夠，則此時(shí)一單條履帶所能傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力，取決于地面的附著條件，即

式中：PKφ為一條履帶所傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力，N；φ為附著系數(shù)，取0.7[3]；G為整車(chē)重力，N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.08[3]；α為坡度；n為工作時(shí)的履帶條數(shù)，根據(jù)排爆機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)型式，n取2或4。

b.履帶強(qiáng)度計(jì)算。

假定履帶拉力均布在銷(xiāo)子上，并將銷(xiāo)子的每段認(rèn)為是一個(gè)具有兩個(gè)支點(diǎn)的簡(jiǎn)支梁，而分段計(jì)算，如圖5所示，履帶銷(xiāo)單位長(zhǎng)度上的平均壓力q=對(duì)不銹鋼材料，其許用剪切應(yīng)力[τ]=210 MPa[4]。

圖5 履帶受力分析簡(jiǎn)圖

2.2 驅(qū)動(dòng)輪的齒形設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度計(jì)算

2.2.1 驅(qū)動(dòng)輪的主要參數(shù)確定

驅(qū)動(dòng)輪的的主要參數(shù)有節(jié)距p、齒數(shù)z和節(jié)圓直徑dK?？砂瓷鲜龅姆椒ù_定節(jié)距p。對(duì)于履帶式驅(qū)動(dòng)，排爆機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪與履帶的嚙合是隔一個(gè)齒嚙合的，如圖4所示。這樣可以加大鏈軌的節(jié)距，便于安裝履帶板，同時(shí)自動(dòng)清除泥土的效果會(huì)好一些。這是因?yàn)槿绻捎孟噜弮升X嚙合，在結(jié)構(gòu)尺寸及制造上會(huì)造成履帶塊設(shè)計(jì)制造困難。為了保證驅(qū)動(dòng)輪上各齒輪流與節(jié)銷(xiāo)嚙合，增加使用壽命，驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)通常取為奇數(shù)。在確定了節(jié)距和齒數(shù)的情況下，驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)圓直徑的計(jì)算公式為

2.2.2 驅(qū)動(dòng)輪齒形設(shè)計(jì)

對(duì)驅(qū)動(dòng)輪齒形應(yīng)滿足[5]:1）使履帶銷(xiāo)孔外圓柱順利地進(jìn)入和退出嚙合，減少接觸面的沖擊力；2）齒面接觸應(yīng)力應(yīng)小，以減少磨損；3）當(dāng)履帶節(jié)距因磨損而增大時(shí)，履帶銷(xiāo)孔外圓柱與驅(qū)動(dòng)輪齒仍能保持工作，不致脫鏈。為滿足以上3個(gè)條件，排爆機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪采用套筒滾子鏈齒形，如圖6所示。齒形參數(shù)的極限值計(jì)算如表1所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)輪齒形

a.齒谷半徑ρf。齒谷半徑ρf按照表1進(jìn)行計(jì)算取值。

表1 履帶板銷(xiāo)套及驅(qū)動(dòng)輪齒形[6]

b.根圓直徑df的計(jì)算公式為

式中，DR為銷(xiāo)套直徑。

c.頂圓直徑de。

與套筒滾子鏈不同的是，排爆機(jī)器人鉸接式履帶的驅(qū)動(dòng)輪與履帶板嚙合部位是履帶板連接銷(xiāo)孔的外半圓柱面與驅(qū)動(dòng)輪齒槽面嚙合，齒頂位于履帶板上方，為避免傳動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)干涉，齒頂應(yīng)低于履帶板，即齒頂與履帶板間留有0.5～1.0 mm間隙，如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)輪齒頂與履帶板間隙

為了盡可能減輕排爆機(jī)器人的設(shè)計(jì)質(zhì)量，通常驅(qū)動(dòng)輪采用7075 T651的鋁合金制造，為提高驅(qū)動(dòng)輪的使用壽命，驅(qū)動(dòng)輪齒通常設(shè)計(jì)為2排，如圖8所示。具體參數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)及參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

圖8 雙排齒寬參數(shù)

2.2.3 驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度校核

根據(jù)文獻(xiàn)[5],驅(qū)動(dòng)輪的計(jì)算載荷取單履帶所能傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力，并假定轉(zhuǎn)矩只有一個(gè)齒傳遞。由于驅(qū)動(dòng)輪槽采用圓弧底面，且齒高采用短齒高，故彎由強(qiáng)度可不進(jìn)行計(jì)算，只進(jìn)行擠壓強(qiáng)度計(jì)算。

擠壓應(yīng)力計(jì)算公式為[6]

式中：F為接觸正壓力；b為接觸線長(zhǎng)度；μ1、μ2為兩物體材料的泊松比，兩物體材料相同，都為7075 T651，取0.33；E1、E2為兩物體材料的拉壓彈性模量，兩物體材料相同，都為7075 T651，取75 000 MPa；ρ1、ρ2為兩物體接觸處的曲率半徑。參照?qǐng)D6可知，ρ2=ρf，ρ1=dR。

為方便計(jì)算且不失安全性，在表1中，按最大齒槽計(jì)算。由于

在式（10）的計(jì)算中，F(xiàn)為整車(chē)均分到一條履帶上的正壓力或單履帶中的最大驅(qū)動(dòng)力，取兩力中的最大值。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某型號(hào)排爆機(jī)器人采用四履帶移動(dòng)式底盤(pán)，每條履帶用伺服電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。初步估算，排爆機(jī)器人總質(zhì)量（含負(fù)載質(zhì)量）約為150 kg，設(shè)計(jì)行走速度為1.5 m/s，可爬45°坡。初步設(shè)計(jì)時(shí)，假定四履帶均分載荷。

3.1 履帶及驅(qū)動(dòng)輪參數(shù)確定

參照同規(guī)格機(jī)器人，確定履帶寬為60 mm，節(jié)距p=30 mm，根據(jù)排爆機(jī)器人總體布局、設(shè)計(jì)行走速度及參照同規(guī)格機(jī)器人初步選定驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑d約為230 mm。由式（6）可計(jì)算得驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)z=48.03，取奇數(shù)z=49。此時(shí)可計(jì)算得驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑d=234.6 mm。銷(xiāo)套直徑即與驅(qū)動(dòng)輪齒槽嚙合的直徑確定為dR=8 mm。

由式（7）、式（8）計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)輪根圓直徑df=226.6 mm，驅(qū)動(dòng)輪頂圓直徑de=235 mm，齒槽幾何參數(shù)可按表1進(jìn)行計(jì)算選取。

3.2 履帶及驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度計(jì)算

參照?qǐng)D5所示，設(shè)計(jì)確定銷(xiāo)直徑d=3 mm，半徑r=1.5 mm；銷(xiāo)套半徑R=dR/2=4 mm；b1=10.8 mm，b2=21 mm。

由式（1）可計(jì)算單履帶的最大驅(qū)動(dòng)力PKφ=234 N。根據(jù)以上公式計(jì)算履帶及驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 履帶及驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)排爆機(jī)器人用履帶行走傳動(dòng)裝置的研究，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鉸接式履帶，采用輕質(zhì)金屬材料提高了履帶的強(qiáng)度及剛度，簡(jiǎn)化了履帶的結(jié)構(gòu)，降低了制造成本，對(duì)排爆機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用具有積極的作用。

通過(guò)對(duì)鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)原理、驅(qū)動(dòng)輪齒形設(shè)計(jì)方法、強(qiáng)度計(jì)算方法及其設(shè)計(jì)方法實(shí)例的論述，為其推廣應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。