农用车新型三角橡胶履带轮的设计

东爱玺 杨威 万茹馨 刘鹏 孙金龙

摘 要：由于我国的农田地形呈多样化特征，包括了山地、平原、池泽、高原、沙漠等多种复杂的地貌，针对传统农机化生产一直存在动力不足、轴承系统负荷大、环境适应性差等问题，提出并设计了一种重量轻、振动小、不会破坏铺设路面的新型的三角履带轮农用车辆。

关键词：橡胶履带轮;履带车辆;高速重载;设计应用

中图分类号：S229.1文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.010

0 引言

随着我国对农业生产领域的研究深入，农机设计生产成绩显著，农业自动化与机械化的大量普及，农用车在农业生活生产等方面发挥着积极作用。我国的农耕地形十分复杂，也对农机的驾驶性能提出了更高要求。在20世纪90年代以前，市场上履带轮式拖拉机还是很常见的，且过去的履带拖拉机，其履带都是钢制的。与其相比，用橡胶作履带的拖拉机不但重量轻、振动小，不会破坏铺设路面，而且损耗低，寿命长，即使较于轮胎，也具有更好的通过性。现于世界各地都具有广泛的应用。本设计为适应我国农业的大力发展，国内对采摘设备的研究不断深入。由于履带式车辆底盘具有接地面积大、接地比压小、附着性能好、爬坡能力强、转弯半径小等特点，因此成为采摘机械底盘设计的首选。在此前提下，通过对履带车辆共性问题进行研究，结合机械设计理论、车辆行驶理论以及有限元理论，设计出一款较为优秀的三角履带车。

1 基本设计

经过初步的设计决定采用由步进电机带动四轮驱动橡胶履带轮（图1），这样后续实践组装可以在不改装或者少量改装轮式车辆的情况下，与车辆轮胎互换，降低车辆的接地压力，从而提升车辆的越野能力，提升车辆性能，实现升级换代。

步进电机采用YE2系列三项异步电动机立卧式B35，这款电机具有高效节能且运行平稳、低噪音、小振动、低温升等优点，适合在小型农机使用，其参数为：

机座中心高（Base center heigh）：63～355 mm;

功率范围（Power Range）：0.12～315 kW;

额定电压（Rated voltage）：380 V;

额定频率（Rated frequency）：50 Hz（或60 Hz）;

防护等级（Protection class）：IP54（或IP55）;

绝缘等级（Insulation class）：F级;

工作制（Work system）：S1。

为防止转速过快，需要加入一个适配的NMRV50减速器，一来可以控制它的转速，使其更加稳定，二来可以更好的控制其输出扭矩。

驱动轮、框架、橡胶履带以及数量不等的导向轮和负重轮等共同组成了履带轮。如图2所示的三角型履带轮，在三角轮的顶点上的是驱动轮，要保证橡胶履带轮与驱动轮的契合程度，以尽量的增长履带轮的使用时间，可减少车辆负载并使驱动轮采取更轻的机构，通过橡胶履带的驱动角与轮上的驱动齿或销相契合，来驱动履带。导向轮通常放置在三角形底部的一端或者两端，三角形的底部往往加配负重轮。组件与负重轮所组成的负重轮系框架，是被用来维系履带轮的结构，橡胶履带轮轮系是由框架、驱动轮、导向负重轮构成。

根据履带轮结构及其与车辆的装配，一般情况下选择整体式结构。

整体式具有更好的抓地力，在崎岖路面行驶的时候，负重轮系和框架能够随着地表起伏共同环绕驱动轴摆动，但是驱动轮和框架之间，起链接作用的轴承耗损严重。

而橡胶履带分为无芯金和有芯金两种，有芯金虽然使橡胶履带轮具有较高的横向刚度，有利于履带弯曲，进而减少负重轮的数量或者宽度。但是无芯金履带更轻便，而且不会发生由于高速运动使橡胶严重发热，进而诱发履带轮脱胶和出现故障等问题。实验证明：无芯金履带轮具有机动性高、噪声低、重量轻以及不易脱落等优点。无芯金履带轮（图3）有两种驱动方式，第一种是摩擦驱动，第二种是强制驱动。

无芯金橡胶履带采用强制驱动的方式，在高速重载的条件下，还要选择好合适的提升比率，在其内表面上加装驱动角，通过驱动轮的驱动销和驱动角的相契合来传递动力。强制驱动无芯金橡胶履带能更加简洁地实施模块化。

驱动轮的装配形式分为两种：轮孔式、轮齿式。这里采用外形结构与齿轮类似的轮齿式橡胶履带，履带上设有一行或两行孔洞，动力的传递则是通过驱动轮齿插入孔洞中的方式来完成。

2 轮系

2.1 负重轮

负重轮的作用是支撑所有机体的重量，并束缚履带使其不做横向运动，还能减振增稳。不仅要合理选择负重轮的数量、结构和材料，还要设计好相应系统。这关系到整个运动装置的工作效率。无芯金橡胶履带为避免凸耳与负重轮之间摩擦所造成的凸耳磨损，要选择摩擦系数低的材质来作负重轮。这时，履带内表面会与负重轮圆周面产生滚动摩擦，负重轮的材质要求滚动阻力小并耐磨，以减少对履带造成的损坏。

影响履带车辆接地比压的重要因素是负重轮的尺寸、数量、位置。提高履带车辆的通过性，就要降低行走装置的接地比压，均匀化接地压力，另外，还可以使用加多负重轮数量，加宽负重轮的广度，合理布置支重轮的纵向列数和横向组数来达成目的。本设计采用爬山虎无芯金履带，其规格为：轮宽： 6 in;轮直径：70 mm;安装孔距：147 mm;底板规格：125 mm×125 mm或160 mm×160 mm;安装高度：216 mm;载重：1700 kg。

2.2 导向轮系

导向轮的作用是为履带引导方向，提供离去角或接近角给履带轮。导向轮的最低位置要比负重轮的最低位置高，这样就能保护履带接触路面时不会产生磨损，而小物体有通过的缝隙。越好的导向轮所形成度数越大的角度，这样对跨越障碍更加便利。

增加功耗：（1）即使是经过轻量化设计的履带轮，它的重量也会远超普通车胎;（2）履带与轮系之间产生的摩擦所消耗的功率效大;（3）随着履带弯曲刚度的增大，轮系旋转时所消耗的功率也就越大;（4）履带轮的开放结构会使泥屑堆积在履带内表面和轮子之间，这种堆积会增加履带轮的功耗。

3 控制运行与其他

3.1 控制运行

在整个新型三角履带轮农用车中，用32路电机控制器使用servocontrolller软件处理作为数据指令中枢，输入预先设计好的程序来带动电机运行，電机经过减速器的处理之后推动四轮驱动无芯金橡胶制成的履带轮转动，从而实现运动，程序设计图如图4所示。

3.2 问题及优化方向

在后续过程中，还存在一些问题需要注意。

（1）为适用于高速运行且承受较重载荷的条件，要使模块化更方便，强制驱动的无芯金橡胶履带，要选择合适的驱动轮来提升比率，以便改善驱动轮刨削履带驱动角的情况，为了履带上的剪应力能够满足在横向对称分布的设计要求，要布置好履带偏置帘线层。（2）为满足承受较重载荷要求，避免履带轮发生爬齿、跳齿和脱带的现象，增加驱动角的使用时长，不仅要改进橡胶生产配方以及加工工艺，驱动角的规格优化也是十分重要的。（3）应设计好花纹的间隔、纹路，并根据驱动角的位置来布置花纹，提供给履带轮更好的牵引力，从而减小花纹和负重轮之间交互作用时产生的振动和履带接触地面时产生局部集中的拉伸应力，从而使履带的使用时间更长。（4）要实现越野行驶的设计要求，负重轮的尺寸、数量和排列顺序就要采取适当的位置，以保证履带轮接触地面时所受到的压力能够均匀分布，减少因框架发生形变而造成的载荷位置变化，确保履带的温度在行驶过程中会均匀的上升。