一種鉸接式履帶行走傳動裝置的設(shè)計

喬曙光，董存賢

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

履帶式移動底盤具有眾多優(yōu)點[1-2]，而被排爆機器人廣泛采用。工程機械用的鉸接式履帶，由于采用金屬制造，強度高、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，不適合排爆機器人使用。根據(jù)文獻[2]，排爆機器人用履帶移動式底盤多為整體橡膠履帶。但整體式橡膠履帶存在著以下缺點：多履帶張緊力調(diào)整一致性差，底盤行走時易產(chǎn)生不同步；橡膠履帶使用一段時間后因彈性改變造成張緊變松，需要進一步張緊；履帶損壞后需整條履帶更換。

本文結(jié)合小型履帶式移動機器人的特點，提出一種結(jié)構(gòu)形式簡單的鉸接式履帶行走傳動裝置。其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、強度大、質(zhì)量小、剛度高、張緊力調(diào)整一致性好等特點。論述了其結(jié)構(gòu)型式、傳動原理、齒形幾何設(shè)計及強度計算方法，推導(dǎo)了驅(qū)動輪擠壓強度計算公式，最后以實例方式論述了鉸接式履帶行走傳動裝置的設(shè)計方法,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)動輪、從動輪系、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裝置組成圖

鉸接式履帶鏈條由履帶塊通過履帶銷首尾連接成封閉的鏈條，如圖2所示。銷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孔的連接為過盈配合。當前后兩履帶塊相對撓曲時，前履帶塊可繞履帶銷自由轉(zhuǎn)動。傳動時，履帶塊尾部的銷孔外圓柱面與驅(qū)動輪雙排齒的齒槽嚙合。為了減輕履帶塊的質(zhì)量，采用高強度鑄鋁合金壓鑄成型，正面的反履齒在履帶傳動過程中，與插入驅(qū)動輪兩排齒中間的環(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既有金屬履帶的高剛度、大牽引力的優(yōu)點，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，結(jié)構(gòu)簡單，降低了制造成本。擺臂與驅(qū)動輪同軸（圖1中沒有顯示兩者連接關(guān)系），兩者可相對轉(zhuǎn)動。擺臂前端的滑槽與從動輪支架形成移動副，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

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

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

上、下托鏈塊安裝在從動輪支架上，除托鏈作用外，還對履帶有夾持作用。

1.2 驅(qū)動原理

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

圖4 驅(qū)動輪齒與履帶鏈節(jié)嚙合

2 鉸接式履帶行走驅(qū)動的設(shè)計計算

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

2.1 履帶節(jié)距及強度計算

1）履帶的節(jié)距。

履帶節(jié)距p，通常隨機重G的增加而線型增大，由于用于移動機器人底盤的履帶還沒有標準化，可參照已有相似機型底盤確定，也可參照標準鏈的節(jié)距確定。

2）履帶強度計算。

a.履帶的計算工況。

考慮到整機在爬坡行走時單條履帶所能傳遞的最大驅(qū)動力，假定電動機的力矩足夠，則此時一單條履帶所能傳遞的最大驅(qū)動力，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)動力，N；φ為附著系數(shù)，取0.7[3]；G為整車重力，N；f為滾動阻力系數(shù)，取0.08[3]；α為坡度；n為工作時的履帶條數(shù)，根據(jù)排爆機器人行走驅(qū)動型式，n取2或4。

b.履帶強度計算。

假定履帶拉力均布在銷子上，并將銷子的每段認為是一個具有兩個支點的簡支梁，而分段計算，如圖5所示，履帶銷單位長度上的平均壓力q=對不銹鋼材料，其許用剪切應(yīng)力[τ]=210 MPa[4]。

圖5 履帶受力分析簡圖

2.2 驅(qū)動輪的齒形設(shè)計及其強度計算

2.2.1 驅(qū)動輪的主要參數(shù)確定

驅(qū)動輪的的主要參數(shù)有節(jié)距p、齒數(shù)z和節(jié)圓直徑dK。可按上述的方法確定節(jié)距p。對于履帶式驅(qū)動，排爆機器人驅(qū)動輪與履帶的嚙合是隔一個齒嚙合的，如圖4所示。這樣可以加大鏈軌的節(jié)距，便于安裝履帶板，同時自動清除泥土的效果會好一些。這是因為如果采用相鄰兩齒嚙合，在結(jié)構(gòu)尺寸及制造上會造成履帶塊設(shè)計制造困難。為了保證驅(qū)動輪上各齒輪流與節(jié)銷嚙合，增加使用壽命，驅(qū)動輪的齒數(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)動輪的節(jié)圓直徑的計算公式為

2.2.2 驅(qū)動輪齒形設(shè)計

對驅(qū)動輪齒形應(yīng)滿足[5]:1）使履帶銷孔外圓柱順利地進入和退出嚙合，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）當履帶節(jié)距因磨損而增大時，履帶銷孔外圓柱與驅(qū)動輪齒仍能保持工作，不致脫鏈。為滿足以上3個條件，排爆機器人的驅(qū)動輪采用套筒滾子鏈齒形，如圖6所示。齒形參數(shù)的極限值計算如表1所示。

圖6 驅(qū)動輪齒形

a.齒谷半徑ρf。齒谷半徑ρf按照表1進行計算取值。

表1 履帶板銷套及驅(qū)動輪齒形[6]

b.根圓直徑df的計算公式為

式中，DR為銷套直徑。

c.頂圓直徑de。

與套筒滾子鏈不同的是，排爆機器人鉸接式履帶的驅(qū)動輪與履帶板嚙合部位是履帶板連接銷孔的外半圓柱面與驅(qū)動輪齒槽面嚙合，齒頂位于履帶板上方，為避免傳動時運動干涉，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)動輪齒頂與履帶板間隙

為了盡可能減輕排爆機器人的設(shè)計質(zhì)量，通常驅(qū)動輪采用7075 T651的鋁合金制造，為提高驅(qū)動輪的使用壽命，驅(qū)動輪齒通常設(shè)計為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)標準設(shè)計。

圖8 雙排齒寬參數(shù)

2.2.3 驅(qū)動輪強度校核

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

擠壓應(yīng)力計算公式為[6]

式中：F為接觸正壓力；b為接觸線長度；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。參照圖6可知，ρ2=ρf，ρ1=dR。

為方便計算且不失安全性，在表1中，按最大齒槽計算。由于

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

3 設(shè)計實例

某型號排爆機器人采用四履帶移動式底盤，每條履帶用伺服電動機獨立驅(qū)動。初步估算，排爆機器人總質(zhì)量（含負載質(zhì)量）約為150 kg，設(shè)計行走速度為1.5 m/s，可爬45°坡。初步設(shè)計時，假定四履帶均分載荷。

3.1 履帶及驅(qū)動輪參數(shù)確定

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

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

3.2 履帶及驅(qū)動輪強度計算

參照圖5所示，設(shè)計確定銷直徑d=3 mm，半徑r=1.5 mm；銷套半徑R=dR/2=4 mm；b1=10.8 mm，b2=21 mm。

由式（1）可計算單履帶的最大驅(qū)動力PKφ=234 N。根據(jù)以上公式計算履帶及驅(qū)動輪強度計算結(jié)果如表2所示。

表2 履帶及驅(qū)動輪強度計算實例結(jié)果

4 結(jié)語

通過對排爆機器人用履帶行走傳動裝置的研究，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的鉸接式履帶，采用輕質(zhì)金屬材料提高了履帶的強度及剛度，簡化了履帶的結(jié)構(gòu)，降低了制造成本，對排爆機器人的輕量化設(shè)計及推廣應(yīng)用具有積極的作用。

通過對鉸接式履帶行走傳動裝置的傳動原理、驅(qū)動輪齒形設(shè)計方法、強度計算方法及其設(shè)計方法實例的論述，為其推廣應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。