電動農業車輛履帶式底盤設計

魯鳴，沈文龍

（1.南京農業大學，江蘇 南京 210031；2.淮安信息職業技術學院汽車工程學院，江蘇 淮安 223005）

前言

為適應全球節能減排的趨勢，和農業機械發展的需要，農業車輛電動化已成為各大研究機構新的研究方向。傳統的農用車輛主要由發動機、底盤和電氣設備等組成。傳統履帶式底盤由傳動系、行走系、轉向系、制動系等組成。履帶式電動農業車輛采用遙控操作，按照結構共性將底盤的傳動系、行走系、轉向系、制動系合稱行走部分。履帶式車輛的行走系由履帶、驅動輪、導向輪、支重輪、托帶輪等所謂“一帶四輪”組成[1]，其主要作用是承載底盤以上部分的重量，傳遞地面反饋的各種力并執行驅動和轉向等運動。因此一方面行走部分的機械強度必須滿足整機運行需要，另一方面行走部分應具有良好的動力學性能滿足各種工況需求。行走部分的設計工作包括行走部分驅動形式的確定、行走系參數的確定、驅動電機性能參數的確定以及傳動比確定。

1 設計目標

行走部分設計應滿足國家標準關于農業拖拉機通用技術條件和農業履帶式拖拉機的相關規范[2-3]。按照設計要求先列出設計指標。其主要設計參數如下：

空載質量：≤300kg

滿載質量：≤800kg

軌距：950mm

工作速度：≥3km/h

最高速度：≥10km/h

2 方案選擇

履帶式驅動是輪式驅動以外另一種被廣泛使用的驅動方式。輪式驅動和履帶式驅動的最明顯差異在于轉向形式上。阿克曼轉向模式的輪式驅動通過轉向輪偏轉角度，整車追隨轉向輪運動軌跡從而轉向。履帶式驅動沒有轉向輪的配置，而是通過履帶間的運動速度差達到轉向的結果。因此如何實現履帶間的差速運動時重要的研究任務[4-5]。常見的履帶式車輛的驅動方式有以下幾種：

圖1 驅動方案簡圖

圖a是最簡單的驅動方式，主傳動軸動力經減速到差速驅動橋上（此處也可以使用抱軸式的平行驅動），動力減速后傳向左右兩邊的驅動輪，在左右半軸上各設有制動器和離合器。當需要中斷一側動力時，可以通過離合器斷開半軸的動力傳輸，并通過減速器及時降低轉速。轉向時，切斷一側動力即可實現兩側差速，此時底盤向該側做轉向運動。該驅動方式的特點是結構簡單，但是無法實現原地轉向，其轉向半徑一般大于軌距的一半。圖b和圖c是一類驅動方式，主傳動軸動力經減速到驅動橋上（圖b有一級減速，圖c是兩級減速），驅動橋內是一套行星齒輪傳動機構，左右兩側的行星輪將動力傳輸到半軸。左右兩側的轉速符合行星齒輪系傳動的速度公式。轉向時，一邊采取制動等方式使速度降低，則另一側速度增快。該驅動方式的特點是可以不中斷動力而實現差速，但是這種方式是差速不差力，即雙側的差速僅僅是運動上的差速。圖d和圖e是一類驅動方式，與圖b和圖c比較，這一類的差速驅動是一種主動的差速。和前一類驅動方式類似，主傳動軸動力經減速到驅動橋上，驅動橋內是一套行星齒輪傳動機構，另有一個副傳動軸帶動行星齒輪機構的行星架。當副傳動軸靜止時，該類驅動方式和前一類一致。當副傳動軸轉動時，左右兩側的半軸對應加上或者減去相應的轉速。該驅動方式的特點除了可以不中斷動力而實現差速，而且實現了既差速也差力，通過副傳動軸的轉速、轉向調整還可以實現兩側反向的轉動，實現原地轉向。圖f是兩側獨立的輪邊減速的驅動方式，電機動力經減速器到驅動輪，兩側獨立驅動，可以以任意速度差速。該驅動方式的特點是，從驅動的源頭上解耦動力，機械部件進一步減少，可以實現原地轉向，但對電機要求極高。圖g是輪轂電機驅動方式。這類驅動較上一類更為簡潔，省去了減速部件，由兩側的電機直接獨立驅動驅動輪。該驅動方式的特點在于驅動系統空間利用率極高，可以實現原地轉向。考慮農業作業空間狹小，實際作業中轉向空間有限，因此行走部分應當優先考慮原地轉向。在原地轉向的方案中，考慮到結構的簡便性選擇兩側獨立的輪邊減速的驅動方式。

3 各部分參數計算

3.1 履帶參數設計

履帶設計中考慮的主要參數是履帶數量、履帶節距、履帶接地長度、履帶軌距、履帶寬度以及履帶接地比壓。考慮到工作環境，設定本設計使用橡膠履帶。由于整機質量較輕，選擇履帶總數為2根。按照經驗公式[6]：

式中：j為履帶節距，單位mm；m滿為滿載質量，單位kg。近似得j=84mm。

履帶的接地長度和軌距之間的比值L/B對履帶行走機構的轉向性能影響較大，該比值一般在 1～1.7，當該值小于 1時，行走裝置的直行性能較差。當該值大于1.7時，行走裝置轉向費力。給定的數值中B=0.95m，取L/B=1.2，L≈1.1m。

根據式（2），取b/L=0.2，得b=0.22m。圓整數值后可以選取力維機械生產LP250型橡膠履帶。由履帶接地長和履帶寬度可以算出履帶總接地面積：

滿載接地比壓：

3.2 輪組參數設計

驅動輪安裝在傳動終端的從動轂上，將驅動轉矩轉換成卷動履帶的作用力，實現履帶式底盤的行駛運動。輪組的設計中需要計算出各輪的直徑、支重輪數量等。設計驅動輪齒數z=15，驅動輪直徑按照公式：

履帶式底盤的導向輪除了可以引導履帶正確、均勻地繞圈外，還是張緊裝置的組成部分。通過調節導向輪的位置可以使得履帶有合適的張緊度，從而減少行駛中履帶因為晃動引起的功率損耗。此外適當的張緊可以防止履帶在工作中的滑脫現象，采用滑動式的張緊方式。導向輪直徑：

支重輪用來支撐整機的重量，并通過履帶將力傳到地面。支重輪在履帶的導軌面上滾動，并夾持履帶防止其橫向方向的滑脫。支重輪直徑：

托帶輪用來托住驅動輪和導向輪之間的履帶的上半區間，防止履帶因為自重等原因下垂過大，減輕履帶運動時的跳動，并防止履帶的側向滑落。設定托帶輪直徑Dt=140mm。

3.3 動力選型

設計的底盤使用后置三點懸掛實現多功能作業，可掛載牽引各式農機具完成旋耕除草、開溝施肥等功能。本研究的模塊化設計可以在不需要掛載牽引農具時，拆除后部的提升部分以減輕自重增加續航里程。同時無牽引作業的底盤的上部可以搭載重物，進行運輸工作或者實現平臺功能。由于掛載牽引農機具的底盤受力受農機具種類、土壤性質、工作速度等影響大，計算復雜且不易得出明確結果[7]。為簡化計算，本研究中設置后備系數 β=2，只計算無牽引作業時的底盤驅動情況，相應的牽引作業視為無牽引作業的β倍。

無牽引作業時的底盤的運動主要有三種工況：平地直行、坡面直行以及平地轉向。

（1）驅動力及驅動力矩的計算

無牽引作業時，履帶式底盤不受牽引阻力，總結底盤受阻力種類根據計算經驗列出其行駛方程如下：

式中：Fd為底盤驅動力，ΣF為總阻力，Fg為平直阻力，Fw為空氣阻力，Fc為坡道阻力，Fj為坡道阻力，Ft為轉向阻力。

農業用履帶底盤是一種低速運動機器，因此空氣阻力和加速阻力可以忽略不計。則單側履帶的驅動力和驅動力矩分別為：

平地直行只受平直阻力，坡面直行既受平直阻力又受坡道阻力，平地轉向只受轉向阻力。因此，不同情況下，單側履帶的驅動力分別為：

式中：f1為履帶外摩擦因數，和路面條件有關[8]，此處取0.06；f2為履帶內摩擦因數一般取0.05～0.07，此處取0.07；θ為坡度對應的角度值，此處取15°；μ為轉向阻力系數，此處取0.72；λ為接地軌距比，此處取1.2。

（2）驅動轉速的計算

地面能提供的單側最大附著力：

（3）驅動功率的計算

平地直行、坡面直行和平地轉向的單側驅動功率為：

（4）驅動轉速的計算

平地直行、坡面直行和平地轉向的單側驅動轉速為：

（5）驅動電機選擇

驅動電機的功率應當滿足：

計算后選取電機額定功率3kW，為減小減速器尺寸，選擇常見的低轉速 1500rpm。綜合電機的額定功率和額定轉速情況，選擇伺服電機作為驅動電機[9]。考慮到行車安全和空間的利用情況，直接在選擇伺服電機時使用配有抱閘的款式以滿足制動要求并避免安裝附加的制動器造成的空間浪費。

（6）減速器選擇

電機軸輸出的速度和力無法直接驅動履帶總成的運動，因此電機和驅動之間需要布置有減速器以減速增矩，使得動力匹配運動的需求。 選擇減速器的關鍵在于減速比的確定和減速器形制的選取。減速器減速比的選取要綜合考慮輸出轉矩與輸入轉矩的比值和現有減速器產品減速比的譜系。減速器減速比的估計值：

4 總結

履帶式底盤因其通過性好、對工作環境適應性強廣泛用于農業機械。采用兩側獨立電機驅動方案，具有結構簡單、方便布置和易于控制的特點，特別適用于純電動農業車輛。結合實際情況選取了行走部分設計方案，依據設計方案作出了具體的設計計算和驗證，有助于小型履帶式快速開發。