小型电动履带底盘系统设计与试验

2023-06-04孙欣欣

农业开发与装备 2023年4期

孙欣欣

（常州汉森机械股份有限公司，江苏常州 213034）

0 引言

茶园、果园作业环境空间狭窄、作业种类繁多，对机械动力要求希望绿色环保。因此，发展小型、环保、高效、电动动力底盘是提升机械化作业水平的关键。

近年来，电动技术快速发展，电动底盘以其灵活、环保等特点在茶园、果园得到大量应用。针对此情况，笔者在现有的履带式动力底盘基础上，对电动动力系统进行匹配设计，对传动系统及结构进行理论分析，设计了一种小型电动自走式履带底盘，该底盘主要可以满足动力环保、作业空间狭窄等拖拉机无法进入的果园、茶园作业的动力和续航方面的需求。

1 动力底盘总体结构与工作原理

果园种植环境有丘陵地形和平原地形，本文研究最大坡度不超过20%地形作业用机器，主要适应除草、采摘、植保及搬运等作业，确定底盘最高行驶速度为6.5 km/h、最低行驶速度为1.5 km/h、最大载重质量为300 kg、自重120 kg，续航里程为30 km，以满足各种复杂工况需求。

1.1 底盘结构

电动履带式底盘主要由车架、驱动电机、电池、变速机、控制系统、左侧履带和右侧履带组成，如图1所示。作业底盘的动力系统安装于作业底盘行走装置的前部位置，上方安装用于茶园、果园作业的各种农机具。

图1 自走履带式底盘结构

1.2 工作原理

作业底盘通过有线控制履带式行走装置作业，采用差速器传动方案，驱动电机驱动变速箱带动履带底盘驱动轮转动。驱动电机由控制系统独立控制，变速机通过离合器与驱动轴连接，通过控制离合器实现底盘的差速转向、切边转向和原地转向，原理如图2所示。

图2 自走履带式底盘工作原理图

2 关键部件设计

动力系统的关键部件包括驱动电机、电池、减速机、履带行走装置，根据设计要求对动力系统关键部件进行匹配设计。

2.1 驱动电机匹配设计

2.1.1 最高车速工况。根据底盘行驶的作业速度要求，驱动电机的额定功率计算公式为：

式中，ηd为传动系统机械效率（考虑到果园茶园道路较差f滚动阻力系数在0.10～0.15变化）；

Vmax为底盘最高行驶速度（6.5 km/h）。

2.1.2 爬坡工况。爬坡工况下驱动电机的峰值功率计算公式为：

式中，ηt为传动系统的机械效率0.92；

Vmin为爬坡过程低速度（1.2 km/h）。

爬坡过程中，电机输出扭矩Tpmax为：

式中，R为底盘驱动轮半径0.065 m；

i为传动比30；

Fpc为底盘在爬坡工况下的驱动力（N）。

2.1.3 转向工况。切边转向时所克服的转向阻力矩最大，此时驱动电机需要输出的力矩的计算公式为：

式中，Fqt为切边转向所需驱动力（N）；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，平地转向只受转向阻力。因此，不同情况下，单侧履带的驱动力分别为：>

B为两履带距离0.6 m；

η为切边转向时阻力系数0.33；

Mμ为切边转向时阻力力矩，取

底盘行走与底盘质量与负载大小有关，电机的输出最小转矩要满足坡道启动，其扭矩不少于当其小于对应状态下的负载阻力矩时，电机转速将会出现非额定转速状态下的停滞而无法起动，或者烧坏。

根据理论计算的参数，综合设计余量和实际应用等因素，选定规格为48 V，1.2 kW直流无刷永磁电机，扭矩30。

2.2 减速机匹配设计

选定的直流无刷电机输出转速为1500 r/min，最高行驶速度大于6.5 km/h，最低速度1.5 km/h，计算公式为：

式中，imin为最小传动比

求得imin≤5.65

imin取5.6

imax≤30.6减速比imax取30。

根据上述计算的减速比以及底盘空间结构，变速箱的传动比最小为5.65，最大为30，中间可以选一到两个档，底盘在低挡时获得较大的扭矩。

3.1 传动方案分析

履带底盘重心低，接地面积大，比轮式底盘适用于果园、茶园的使用。常见的履带式车辆的驱动方式有以下几种（图3）。

图3 传动方案

图3（a）是传统简单的驱动方式，电动机将动力传到主传动轴1，动力减速后经减速器2传到离合器，再传向左右两边的驱动轮，在左右半轴上各设有制动器。当需要中断一侧动力时，可以通过离合器断开半轴的动力传输。转向时，切断一侧动力即可实现两侧差速，此时底盘向该侧转向。该驱动方式的特点是结构简单，由一个电动机传递动力，控制简单，直线行驶性能好，维护方便，在不同的使用条件下可以选择不同的挡位。结合机械变挡可以获得较大的驱动扭矩，电机在较高的效率下工作，功耗损失小。但是无法实现原地转向，其转向半径一般大于轨距的一半。图3（b）是两侧独立的轮边减速驱动方式，电机动力经减速器到驱动轮，两侧独立驱动，可以以任意速度差速。该驱动方式的特点是，从驱动的源头上解耦动力，机械部件进一步减少，可以实现原地转向，直线行驶性能差、控制复杂，但对电机要求极高。图3（b）是轮毂电机驱动方式，这类驱动较上一类更为简洁，省去了减速部件，由两侧的电机直接独立带动驱动轮。该驱动方式的特点在于驱动系统空间利用率极高、可以实现原地转向，但控制复杂，直线行驶性能差、使用低速大扭矩电机成本较高。

考虑到国内的使用水平和维护水平，同时要满足在茶园、果园农业作业空间的使用和制造成本等多方面的综合考虑，本设计考虑采用图3（a）的设计方案，实物图如图1所示，变速采用电机调速与机械挡位调速相结合，让电机在高扭矩输出段工作；由于机器较小，采用单侧履带动力分离制动实现转向，转向半径小于1 m，可以满足茶园和果园的道路的转向要求。

3.2 总体布置方案分析

3.2.1 驱动桥布置。驱动桥后置履带下侧为紧边，对于橡胶履带而在果园、茶园坑洼的路面履带拉紧悬空，对橡胶履带的使用寿命有一定的影响；驱动桥前置履带下侧为松边，有利于提高使用寿命，考虑到该底盘主要在坑洼地面行走，本机构设计方案采用前置驱动布置。

3.2.2 履带参数设计。由于整机质量较轻，选择履带总数为2根。履带节距选择72 mm、宽度150 mm、履带的接地长度L750 mm和轨距B600，L/B比值1.25，该比值一般在1～1.4范围内，转向性能满足直线行驶和转向性能要求，接地压力，有较好的泥泞道路使用性能。

3.2.3 轮组参数设计。驱动轮安装在传动半轴上，将驱动转矩转换成卷动履带的作用力，实现履带式底盘的行驶运动。考虑到底盘通过性能，轮组的设计要求有一个接近角，后导向轮设计与支重轮等高，同时具有导向轮和支重轮作用，支重中部设计摇架，便于通过土埂（图4）。

图4 轮组设计

设计驱动轮的齿数z=6，驱动轮直径为130 mm，导向轮直径为210 mm，支重轮直径为210 mm。

3.2.4 变速箱半轴。变速箱半轴最终传递动力的扭矩，并承受成卷动履带拉力产生的弯矩，对半轴进行应力分析，分析以一侧转向附着力最大时作为计算依据（图5）。

图5 变速箱半轴

半轴材料采用40Cr经调质局部高频淬火处理，为了确保半轴的使用可靠性，对半轴进行了校核，见图6。

图6 变速箱半轴校核

3.2.5 差速器的设计。小型机器差速器由于受力小设计上力求结构简单，便于维修，如图7所示。

图7 差速器设计

3.2.6 变速箱结构。根据使用要求和零部件强度计算，变速箱结构如图8所示，包括变速、离合、制动、左右半轴等结构，动力经外侧皮带轮输入。

图8 变速箱结构

3.2.7 电动机控制。电动机的驱动电路是以图示的构造与电动机连接，大致可分为5个区间。电源电路、电流控制电路、逻辑电路、设定比较电路、电源电路，见图9。

图9 电动机控制

3.2.8 动力电池匹配设计。根据自走式履带底盘的实际工况需求，选择铅酸蓄电池作为动力电池。选定的直流无刷电机工作电压为48 V，将4块12 V铅酸蓄电池串联组成动力电池组。单体电池容量计算公式为：

式中，n 为铅酸蓄电池数量；Pe为额定功率（kW）；S续设计续航里程为20 km，代入参数可得Crmin≥71.6A·h，考虑到工作中启停次数较多，空转时间较多，为了提高蓄电池使用寿命，选定电池容量为100 Ah额定工作电压12 V的铅酸电池。

4 根据设计方案的参数建立仿真模型

根据电动自走式履带底盘初步结构设计，确定各部分的参数，动力电池关键参数、减速机和驱动电机关键参数设定如表1所示，动力电池通过电机输出扭矩，经变速箱减速向履带传递动力，驱动底盘。根据动力电池通过电机输出扭矩，经变速箱减速向履带传递动力，驱动底盘。根据以上设定参数进行动力仿真分析结果分析如下。

表1 关键参数设定

4.1 最大驱动力仿真结果分析

随着行驶速度的增加，最大驱动力和剩余驱动力不断降低，应满足最大行驶速度在6.5 km/h时驱动力要求，最大行驶速度在6.5 km/h时驱动力为617.4 N，电机提供的驱动力1338 N大于高速行走时的所需的驱动力，为最低行驶速度在1.2 km/h时驱动力为8298 N，远大于转弯及爬坡所需要的驱动力的作业要求。