具有自適應(yīng)調(diào)平裝置的電動農(nóng)機底盤設(shè)計

摘 要：為提高農(nóng)機車輛通過性，設(shè)計了一款具有自適應(yīng)調(diào)平裝置的車輛底盤。對底盤的動力系統(tǒng)、自適應(yīng)調(diào)平結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。自適應(yīng)調(diào)平結(jié)構(gòu)由調(diào)平支架、輪組模塊、傳動組件組成，可在行駛中自動調(diào)整適應(yīng)路面，并控制前輪抬起，提高越障能力。采用SolidWorks軟件對該設(shè)計進(jìn)行3D建模仿真，并建立數(shù)學(xué)模型分析驗證了該底盤機構(gòu)的越障能力。

關(guān)鍵詞：通過性；自適應(yīng)調(diào)平裝置；車輛底盤；輪組模塊

0 引言

當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展日趨成熟，農(nóng)機產(chǎn)量與保有量均居世界第一^［1］，但技術(shù)水平尚處于智能化水平低、成本高的階段^［2］。近年來，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化、智能化、集約化發(fā)展的推動下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力顯著提高^［3］。作為農(nóng)機的支撐與驅(qū)動核心，底盤的技術(shù)革新直接關(guān)系到農(nóng)機的適應(yīng)能力與工作效率，是移動式農(nóng)機的關(guān)鍵技術(shù)^［4］，底盤技術(shù)的研究對于我國農(nóng)業(yè)機械從大體量到高新技術(shù)轉(zhuǎn)型起到重要作用。

農(nóng)機裝備車輛往往工作環(huán)境惡劣，對底盤通過性要求高。當(dāng)前我國農(nóng)機底盤按結(jié)構(gòu)形式主要分為輪式和履帶式兩大類，相對于履帶式底盤驅(qū)動，普通輪式底盤往往爬坡能力不足，越障及復(fù)雜地形適應(yīng)能力弱。然而，履帶式底盤通常體積較大，厚重的底盤設(shè)計大大增加了車輛底盤的重量，影響運輸效率的同時還易造成土壤壓實。

因此，研究提出前輪為輪組模塊的具有自適應(yīng)調(diào)平裝置的車輛底盤，對其進(jìn)行設(shè)計與建模仿真，并對其越障性能進(jìn)行分析。

1 自適應(yīng)農(nóng)機底盤設(shè)計要素分析

農(nóng)用機車多用于農(nóng)田、山坡、丘陵等場所，工作環(huán)境復(fù)雜，對底盤設(shè)計要求較為嚴(yán)苛。交通運輸部發(fā)布的《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的公路技術(shù)狀況指數(shù)MQI主要針對混凝土及瀝青路面，對高速公路及1-4級公路進(jìn)行評估，農(nóng)機底盤設(shè)計需考慮的道路狀況與普通車輛差別較大，難以參照。因此，針對農(nóng)機經(jīng)常面對的幾種特殊路況進(jìn)行分析歸納，具體分析其設(shè)計要素。

（1）陡峭地形。地形陡峭的山地在影響車輛動力驅(qū)動的同時，還易發(fā)生側(cè)滑及縱向傾覆，對于機車的操作穩(wěn)定性及駕駛安全有較高要求，同時要求底盤具有良好的接地性以增大附著力。該地形下，設(shè)計上下坡時自適應(yīng)調(diào)平裝置有2個具有一定跨度的車輪，從而有較大的附著力，提高行駛穩(wěn)定性。

（2）泥濘路面或洼地。 該路面多為地勢低洼的濕地，普通底盤在通過時極易發(fā)生沉陷或打滑，即使能夠正常通過也容易產(chǎn)生劇烈震動及顛簸。由于農(nóng)機往往裝載農(nóng)產(chǎn)品，需要保障農(nóng)產(chǎn)品的完整性，因此對在該路面行駛的農(nóng)機底盤懸架及調(diào)度框架有較高的要求。設(shè)計可以緩慢抬起特定高度的抬起機構(gòu)，將自適應(yīng)調(diào)平裝置前輪輪組前端小輪抬起，從而平穩(wěn)越過洼地和臺階區(qū)域。

（3）顛簸路面。通過顛簸路面時要求底盤具備較好的減震能力，設(shè)計的自適應(yīng)調(diào)平裝置，能夠根據(jù)顛簸路面不平度自適應(yīng)調(diào)節(jié)2個車輪的高度，使整車高度維持在穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而起到減震效果，保障運載農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)調(diào)平農(nóng)機車輛底盤主要由車架總成、動力系統(tǒng)、調(diào)平支架、傳動齒輪組、模塊化前輪輪組、抬起裝置、后輪、轉(zhuǎn)向架組成。如圖1所示。

自適應(yīng)調(diào)平裝置連接主傳動軸與模塊化輪組，根據(jù)路面起伏狀況自動調(diào)平底盤，避免車身大幅傾斜，提高車輛的操縱穩(wěn)定性，并在主動操控下提高離地間隙、越障能力。調(diào)平支架內(nèi)部有傳動齒輪組，使前輪隨著路況變化擺動，從而保持車輪接地，實現(xiàn)動力傳輸，順利將動力傳輸給輪組模塊中的小車輪。傳動齒輪組前端有換擋裝置，可在越障時換擋切換傳動路徑，將前部小輪抬起適當(dāng)高度，通過障礙。前后輪輪胎均設(shè)計為勁粗紋凹槽輪胎，以提高抓地力并具有較好的排水性。

2.2 工作原理

為滿足農(nóng)機底盤作業(yè)需求，設(shè)計底盤由電動機后輪驅(qū)動，并在前輪配置2個小型工作電機，用以抬起前輪。工作時，由后輪驅(qū)動，前輪輪組通過位于調(diào)平支架內(nèi)的齒輪傳動實現(xiàn)動力傳輸。當(dāng)路面不平時，自適應(yīng)調(diào)平裝置通過擺動調(diào)節(jié)兩輪高度，主動適應(yīng)路面狀況，維持底盤平穩(wěn)。遇到障礙時，調(diào)平裝置內(nèi)的傳動齒輪利用前端的換擋機構(gòu)換擋，接通動力，利用輪組低速轉(zhuǎn)動將前部小車輪抬高，與后驅(qū)動力配合越過障礙。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)底盤設(shè)計技術(shù)要求，自調(diào)平底盤各主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 動力系統(tǒng)設(shè)計

參考自調(diào)平農(nóng)機底盤各主要技術(shù)參數(shù)，計算電動機最大功率及轉(zhuǎn)矩。輪式底盤在不同道路條件的滾動阻力系數(shù)f及附著系數(shù)φ如表2所示。

電動機輸出功率P_N計算公式為

P_N為電動機的輸出功率；η_T為傳動系統(tǒng)效率；η_m為電機效率，取值0.9；G為車輛重力；f為滾動摩擦系數(shù)；C_D為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；α為坡度角；u_a為車速。

（1）最高車速工況下計算電機輸出功率時，不考慮爬坡及加速，滾動摩擦系數(shù)f取0.04。

考慮車速影響的滾動阻力系數(shù)經(jīng)驗公式f=f₀（1+u²_a/19 400），計算最高車速工況下電機輸出功率。

（2）按規(guī)定車速下的最大爬坡度工況計算電機輸出功率。在耕后地行駛，f取0.18，分別計算車速為30 km/h、爬坡度為15％工況及車速為20 km/h、爬坡度為28％工況下，電動機輸出功率。

（3）爬行擋最大爬坡度工況下計算電機輸出功率。在外部環(huán)境影響下，附著力允許的最大爬坡角度為α_max=arctan（ψ-f），則考慮動力滿足條件的情況，該底盤在柏油路面最大爬坡度為76%，生荒地最大爬坡度為65%，設(shè)定爬行擋車速u_a3為10 km/h，速度較低，不考慮空氣阻力，分別計算最大輸出功率。

考慮工作過程及路況變化，一般預(yù)留10%～20%功率儲備，根據(jù)以上計算結(jié)果，取P_N為66 kW，則可得出P_max=73～80 kW，所以得出電動機的峰值為80 kW。

根據(jù)電機的最大功率，選擇電機型號為TYP280M的永磁同步電機，額定功率為90 kW；額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，效率為95.8%。計算輸出額定轉(zhuǎn)矩T_N=286.5 N·m。

3.2 自適應(yīng)調(diào)平結(jié)構(gòu)設(shè)計

自適應(yīng)調(diào)平機構(gòu)由調(diào)平支架、傳動系統(tǒng)組件、抬起裝置構(gòu)成，如圖2所示。調(diào)平支架呈拱形，內(nèi)設(shè)置傳動齒輪組，齒輪組主齒輪與主傳動軸連接，主傳動軸的輸入端連接萬向節(jié)，可使調(diào)平機構(gòu)自由擺動。調(diào)平支架中心有內(nèi)齒圈，可在換擋后與主齒輪外側(cè)分齒輪嚙合，帶動整個調(diào)平機構(gòu)低速抬升。

3.2.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計

前輪傳動主要通過調(diào)平支架內(nèi)部的齒輪輪組實現(xiàn)，如圖3所示。齒輪組中，主齒輪連接主傳動軸，主齒輪和輸出齒輪之間通過從動輪傳動，兩輸出齒輪分別帶動輪組模塊兩小車輪實現(xiàn)運動。

3.2.2 抬起裝置設(shè)計

抬起裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，該裝置主要功能是將調(diào)平機構(gòu)以地面為支撐點向前抬起，該功能通過換擋撥片將主軸動力切換到調(diào)平支架中部的內(nèi)齒圈，利用輔助電機低速傳動實現(xiàn)。

主齒輪為1個嵌套齒輪，其外側(cè)有1個通過嵌套環(huán)與主齒輪同軸的分齒輪，正常行駛時，主齒輪內(nèi)側(cè)分齒輪與從動輪嚙合實現(xiàn)傳動。當(dāng)需要調(diào)平機構(gòu)抬起時，利用換擋撥片移動主齒輪，使外側(cè)分齒輪與調(diào)平支架上的內(nèi)齒圈嚙合，低速抬起調(diào)平機構(gòu)前端，實現(xiàn)跨越障礙功能，提高底盤性能。

3.3 轉(zhuǎn)向架設(shè)計

由于前輪設(shè)計為多軸模塊化輪組，在轉(zhuǎn)向時易產(chǎn)生輪組磨損、懸架失調(diào)等現(xiàn)象，進(jìn)而影響其使用壽命。采用連接搖桿式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，十字轉(zhuǎn)向桿左右擺動帶動兩側(cè)連桿及輪邊連接架，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，如圖5所示。

4 越障性能分析驗證

農(nóng)機車輛底盤在行駛時往往需要克服壕溝、臺階等障礙，此時為低速行駛，可以采用靜力學(xué)分析底盤參數(shù)與越障能力間的關(guān)系，如圖6所示。自適應(yīng)調(diào)平裝置越障時會抬起，此時前輪接地點后移，可參照（4×2）底盤計算。

當(dāng)前輪（從動輪）與障礙接觸時，列出平衡方程為

F₁為路面對前輪的反作用力；F₂為后軸負(fù)荷；D₁為前輪直徑；G為車輛重力；L為軸距；ɑ為質(zhì)心到前軸的距離；α₁為前輪受障作用力與地面夾角。

消去G、F₁、F₂，得無因次方程式

根據(jù)圖6幾何關(guān)系可得

由于硬路面f較小，假設(shè)為0，則

h_w/D₁為前輪克服障礙高度，L/D越小、a/L越大，h_w/D₁就越大，前輪越障能力越強。該底盤輪組前輪抬起時，底盤軸距L顯著減小，能夠有效提高越障高度，且輪組前輪抬高后底盤前行，輪組前輪接地時可增大接觸面積，提高地面切向力，進(jìn)而提高通過性。

依據(jù)設(shè)計參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，對農(nóng)機車輛底盤越障性能進(jìn)行模擬分析驗證，設(shè)定軸距為2.8 m，考慮不同負(fù)載條件下質(zhì)心位置變化，前輪越障高度與a的關(guān)系如圖7所示。當(dāng)前輪抬起一定高度，此時L減小，其越障高度明顯大于抬起前。若載荷不變，前輪越障高度隨著前輪直徑變化的關(guān)系如圖8所示，證明前輪直徑減小進(jìn)一步提高了越障高度。

當(dāng)后輪接觸障礙時，同理列出平衡方程解得

h_w/D₂為后驅(qū)動輪可克服的障礙高度，表示后輪越障能力。由式（6）可知，后驅(qū)動輪越障能力只與φ有關(guān)，而與底盤參數(shù)無關(guān)。

結(jié)合建立的數(shù)學(xué)模型對后驅(qū)動輪越障礙能力分析，可得關(guān)系曲線如圖9所示。

5 結(jié)語

（1）設(shè)計具有自調(diào)平機構(gòu)的電動農(nóng)機底盤，對其結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述。

（2）利用SolidWorks軟件對自適應(yīng)調(diào)平底盤進(jìn)行三維建模，對底盤驅(qū)動電機進(jìn)行了參數(shù)選擇，保證設(shè)計的可行性。

（3）建立數(shù)學(xué)模型對前、后車輪的越障能力進(jìn)行分析驗證，結(jié)果表明可抬式前輪輪組能夠有效提高越障高度，提高越障能力。

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