農(nóng)用車(chē)新型三角橡膠履帶輪的設(shè)計(jì)

東愛(ài)璽 楊威 萬(wàn)茹馨 劉鵬 孫金龍

摘?要：由于我國(guó)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(duì)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)一直存在動(dòng)力不足、軸承系統(tǒng)負(fù)荷大、環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了一種重量輕、振動(dòng)小、不會(huì)破壞鋪設(shè)路面的新型的三角履帶輪農(nóng)用車(chē)輛。

關(guān)鍵詞：橡膠履帶輪;履帶車(chē)輛;高速重載;設(shè)計(jì)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：S229.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.010

0?引言

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

1?基本設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)初步的設(shè)計(jì)決定采用由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)橡膠履帶輪（圖1），這樣后續(xù)實(shí)踐組裝可以在不改裝或者少量改裝輪式車(chē)輛的情況下，與車(chē)輛輪胎互換，降低車(chē)輛的接地壓力，從而提升車(chē)輛的越野能力，提升車(chē)輛性能，實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代。

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

機(jī)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(jí)（Protection class）：IP54（或IP55）;

絕緣等級(jí)（Insulation class）：F級(jí);

工作制（Work system）：S1。

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

驅(qū)動(dòng)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(diǎn)上的是驅(qū)動(dòng)輪，要保證橡膠履帶輪與驅(qū)動(dòng)輪的契合程度，以盡量的增長(zhǎng)履帶輪的使用時(shí)間，可減少車(chē)輛負(fù)載并使驅(qū)動(dòng)輪采取更輕的機(jī)構(gòu)，通過(guò)橡膠履帶的驅(qū)動(dòng)角與輪上的驅(qū)動(dòng)齒或銷(xiāo)相契合，來(lái)驅(qū)動(dòng)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(lái)維系履帶輪的結(jié)構(gòu)，橡膠履帶輪輪系是由框架、驅(qū)動(dòng)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(chē)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(shí)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(dòng)軸擺動(dòng)，但是驅(qū)動(dòng)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(wú)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(wú)芯金履帶更輕便，而且不會(huì)發(fā)生由于高速運(yùn)動(dòng)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(wèn)題。實(shí)驗(yàn)證明：無(wú)芯金履帶輪具有機(jī)動(dòng)性高、噪聲低、重量輕以及不易脫落等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)芯金履帶輪（圖3）有兩種驅(qū)動(dòng)方式，第一種是摩擦驅(qū)動(dòng)，第二種是強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)。

無(wú)芯金橡膠履帶采用強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)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(dòng)角，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)和驅(qū)動(dòng)角的相契合來(lái)傳遞動(dòng)力。強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)無(wú)芯金橡膠履帶能更加簡(jiǎn)潔地實(shí)施模塊化。

驅(qū)動(dòng)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(lèi)似的輪齒式橡膠履帶，履帶上設(shè)有一行或兩行孔洞，動(dòng)力的傳遞則是通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪齒插入孔洞中的方式來(lái)完成。

2?輪系

2.1?負(fù)重輪

負(fù)重輪的作用是支撐所有機(jī)體的重量，并束縛履帶使其不做橫向運(yùn)動(dòng)，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(jì)好相應(yīng)系統(tǒng)。這關(guān)系到整個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置的工作效率。無(wú)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(lái)作負(fù)重輪。這時(shí)，履帶內(nèi)表面會(huì)與負(fù)重輪圓周面產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，負(fù)重輪的材質(zhì)要求滾動(dòng)阻力小并耐磨，以減少對(duì)履帶造成的損壞。

影響履帶車(chē)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(chē)輛的通過(guò)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(lái)達(dá)成目的。本設(shè)計(jì)采用爬山虎無(wú)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(shí)不會(huì)產(chǎn)生磨損，而小物體有通過(guò)的縫隙。越好的導(dǎo)向輪所形成度數(shù)越大的角度，這樣對(duì)跨越障礙更加便利。

增加功耗：（1）即使是經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)的履帶輪，它的重量也會(huì)遠(yuǎn)超普通車(chē)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(shí)所消耗的功率也就越大;（4）履帶輪的開(kāi)放結(jié)構(gòu)會(huì)使泥屑堆積在履帶內(nèi)表面和輪子之間，這種堆積會(huì)增加履帶輪的功耗。

3?控制運(yùn)行與其他

3.1?控制運(yùn)行

在整個(gè)新型三角履帶輪農(nóng)用車(chē)中，用32路電機(jī)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(jì)好的程序來(lái)帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器的處理之后推動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)無(wú)芯金橡膠制成的履帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，程序設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

3.2?問(wèn)題及優(yōu)化方向

在后續(xù)過(guò)程中，還存在一些問(wèn)題需要注意。

（1）為適用于高速運(yùn)行且承受較重載荷的條件，要使模塊化更方便，強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的無(wú)芯金橡膠履帶，要選擇合適的驅(qū)動(dòng)輪來(lái)提升比率，以便改善驅(qū)動(dòng)輪刨削履帶驅(qū)動(dòng)角的情況，為了履帶上的剪應(yīng)力能夠滿足在橫向?qū)ΨQ(chēng)分布的設(shè)計(jì)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(dòng)角的使用時(shí)長(zhǎng)，不僅要改進(jìn)橡膠生產(chǎn)配方以及加工工藝，驅(qū)動(dòng)角的規(guī)格優(yōu)化也是十分重要的。（3）應(yīng)設(shè)計(jì)好花紋的間隔、紋路，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)角的位置來(lái)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(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和履帶接觸地面時(shí)產(chǎn)生局部集中的拉伸應(yīng)力，從而使履帶的使用時(shí)間更長(zhǎng)。（4）要實(shí)現(xiàn)越野行駛的設(shè)計(jì)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)奈恢茫员ＷC履帶輪接觸地面時(shí)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(guò)程中會(huì)均勻的上升。