UTV800-2 型全地形車動力輸出裝置的設(shè)計(jì)

摘要：農(nóng)用植保無人機(jī)在野外作業(yè)時存在載荷量小、電池使用時間短、路況不好的地段到達(dá)困難等問題。利用全地形車通過性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對UTV800-2型全地形車進(jìn)行改造，以解決無人機(jī)電池充電、運(yùn)輸?shù)葐栴}。車中間增加一套動力輸出裝置，其動力輸出端連接小型發(fā)電機(jī)，以使其為無人機(jī)電池充電；車后部增加一個運(yùn)載無人機(jī)平臺；車頂加裝一個為無人機(jī)提供藥液補(bǔ)給的箱體。設(shè)計(jì)計(jì)算動力輸出裝置輸出軸的轉(zhuǎn)速、扭矩、強(qiáng)度和三角帶的傳遞功率等主要技術(shù)參數(shù)。結(jié)果表明，對UTV800-2型全地形車進(jìn)行的改造滿足設(shè)計(jì)要求，可為農(nóng)用植保無人機(jī)的應(yīng)用提供參考和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：全地形車； 無人機(jī)； 動力輸出裝置； 電池

中圖分類號：S221 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0058-03

全地形車（ATV）理論上是指可以在任何地形上行駛的車輛，其最大特點(diǎn)是具有較低的比壓，通過性強(qiáng)，可以在普通車輛難以機(jī)動的地形行走自如，輕松穿越沼澤、雪地、山林、池塘、溪流等惡劣地形[1-2]。

目前我國無人機(jī)（UAV）行業(yè)處于高速增長態(tài)勢，特別是農(nóng)用植保無人機(jī)的應(yīng)用發(fā)展在未來幾年內(nèi)會處于一個井噴狀態(tài)。但是，因小型無人機(jī)的特性所限，其在野外作業(yè)時存在每架次載荷量小、電池使用時間短、電池充電不便、交通條件惡劣的山區(qū)到達(dá)困難等問題，這嚴(yán)重制約了植保無人機(jī)的推廣應(yīng)用。為此，利用全地形車具有通過性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對UTV800-2型全地形車進(jìn)行改造，以解決農(nóng)用植保無人機(jī)電池充電、運(yùn)輸?shù)葐栴}。在不影響UTV800-2型全地形車的整體性能的前提下，在車的中間部位增加一套動力輸出裝置，其動力輸出端口連接小型發(fā)電機(jī)發(fā)電，為無人機(jī)電池充電。后車廂改裝成可運(yùn)載無人機(jī)的專用平臺。在車頂加裝一個藥液箱，為農(nóng)用植保無人機(jī)提供藥液補(bǔ)給，有助于增加農(nóng)用植保無人機(jī)的作業(yè)時間。

對UTV800-2型全地形車的改造，首要任務(wù)是研制動力輸出裝置，對動力裝置輸出軸的轉(zhuǎn)速、扭矩、強(qiáng)度、三角帶的傳遞功率等主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 動力輸出裝置參數(shù)、結(jié)構(gòu)及工作原理設(shè)計(jì)

1.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

動力輸出裝置參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

動力輸出裝置主要由前傳動軸、輸入半軸A、主動齒輪、滑動花鍵套、輸入半軸B、后傳動軸、輸出軸、輸出帶輪、被動齒輪、限位套、變速箱體、變速箱蓋及左右兩套離合裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在全地形車的中間部位將動力輸出軸切斷，整條動力輸出軸分成前傳動軸和后傳動軸兩部分，在前傳動軸和后傳動軸中間增加一套動力輸出裝置。

輸入半軸A和前傳動軸由萬向節(jié)連接，前傳動軸在全地形車的動力輸入端。輸入半軸B和后傳動軸由萬向節(jié)連接。輸入半軸A和輸入半軸B安裝在同一條軸線上，兩個相對軸頭采用花鍵結(jié)構(gòu)，且兩個軸頭之間留有1 mm的間隙。

滑動花鍵套安裝在輸入半軸A和輸入半軸B兩個花鍵軸頭上，右離合裝置控制滑動花鍵套的軸向移動。當(dāng)滑動花鍵套完全安裝在輸入半軸A上時，由于兩個軸頭之間有間隙，輸入半軸A和輸入半軸B會切斷連接，故輸入半軸B不能轉(zhuǎn)動，此時全地形車后橋動力切斷，處于停車狀態(tài)。

順時針方向撥動右離合裝置的離合桿，可帶動離合撥叉和撥叉軸焊合轉(zhuǎn)動，從而帶動滑動花鍵套向輸入半軸B軸向移動，當(dāng)離合撥叉轉(zhuǎn)動到定位鋼球的位置時，滑動花鍵套將輸入半軸A和輸入半軸B連接在一起。此時，全地形車后橋動力接通，車處于行走狀態(tài)，即全地形車一邊行走，一邊給無人機(jī)電池充電。定位彈簧、鋼球用于離合裝置的定位。

主動齒輪為固定齒輪，主動齒輪帶動被動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動輸出軸及帶輪轉(zhuǎn)動。輸出帶輪帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，此時發(fā)電機(jī)可為無人機(jī)電池充電。

左離合裝置用于移動被動齒輪。被動齒輪為滑動齒輪，可沿著輸出軸滑動，實(shí)現(xiàn)主動齒輪和被動齒輪的離合。當(dāng)被動齒輪與主動齒輪結(jié)合時，輸出軸帶動輸出帶輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

順時針方向撥動左離合裝置離合桿，可帶動離合撥叉和撥叉軸焊合轉(zhuǎn)動，從而帶動被動齒輪向分離方向移動，當(dāng)離合撥叉轉(zhuǎn)動到定位鋼球的位置時，主動齒輪和被動齒輪完全分離。被動齒輪與主動齒輪分離時，輸出軸不轉(zhuǎn)動，全地形車的運(yùn)行恢復(fù)到未改造之前的狀態(tài)。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)果

2.1 輸出軸轉(zhuǎn)速

輸出軸轉(zhuǎn)速n2計(jì)算公式為：

n2 = n1 ×（ Z1／Z2）（1）

式中：n2 為輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min；n1 為主動齒輪轉(zhuǎn)速，1 000 r/min；Z1 為主動齒輪齒數(shù)，64；Z2 為被動齒輪齒數(shù)，42。

由式（1）計(jì)算得：n2=1 523 r/min。

2.2 輸出軸扭矩

輸出扭矩T 計(jì)算公式為：

T = 9 550Pη／n2（2）

式中：T 為輸出扭矩，N·m；P 為輸出功率，10 kW；n2為輸出軸轉(zhuǎn)速，1 523 r/min；η 為總傳動效率，0.95。

由式（2）計(jì)算得：T=59.6 N·m。

2.3 輸出軸強(qiáng)度校核

軸的材料選用45鋼，安裝輸出帶輪處的軸徑最小，是薄弱環(huán)節(jié)，這里需根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算公式[3]為：

式中：d 為危險截面處的軸徑，28.0 mm；P 為輸出功率，10 kW；ω 為軸的角速度，159.5 rad/s；A 為與材料有關(guān)的系數(shù)，A = 5.5 × 10-3。

由式（3）計(jì)算得：A3根號下 P／ω =0.0 215 m=21.5 mm。

可見，危險截面處的軸徑28.0 mm 大于計(jì)算值21.5 mm，符合強(qiáng)度要求。

2.4 三角帶強(qiáng)度校核

選用B型三角帶輪，帶輪槽數(shù)為4，帶輪直徑為140 mm。

三角帶的線速度υ 計(jì)算公式為：

υ = πd2n2 ／60 000 （4）

式中：n2為輸出轉(zhuǎn)速，1 523 r/min；d2為帶輪直徑，140 mm。

由式（4）計(jì)算得：υ=11.96 m/s。

B型三角帶，帶輪直徑為140 mm，三角帶運(yùn)行速度為11.96 m/s，單根三角帶所能傳遞的功率為3 kW[3]，即四根三角帶能傳遞功率12 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

動力輸出裝置輸出軸的轉(zhuǎn)速、扭矩、強(qiáng)度和三角帶的傳遞功率等主要參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，動力輸出裝置運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，可高效地為無人機(jī)電池充電。車后部增加了運(yùn)載無人機(jī)的專用平臺，同時加裝藥液箱為植保無人機(jī)提供藥液補(bǔ)給，增加了農(nóng)用植保無人機(jī)的連續(xù)作業(yè)時間。由于全地形車具備越野性能好等特點(diǎn)，農(nóng)用植保無人機(jī)與其配套使用可拓寬農(nóng)用植保無人機(jī)的應(yīng)用范圍，市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 王江濤，王永芳，黃玉峰，等.全地形車傳動型式探討[J].物探裝備，2020，30（2）：89-91.

[2] 郭凌崧，戴磊，楊長云，等.全地形車的軍用適應(yīng)性與發(fā)展前景[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2023，52（6）：78-83.

[3] 楊黎明，黃凱.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊[M].北京：國防大學(xué)出版社，1984.