小型履帶車動力傳動系統設計

陳安成，穆希輝，杜峰破，郭浩亮

（1.軍械工程學院，河北石家莊050003;2.總裝備部軍械技術研究所，河北石家莊 050003）

0 引言

履帶車主要解決在山地、溝壑、叢林、沙漠、灘涂、雪域等各種惡劣地形環境下實施短距離物資的搬運。具有動力足、環境適應能力強、小型化、高越野性、使用靈便等特點。該車的傳動系統是將機械傳動與液壓傳動相結合，而形成的一種新型動力傳動系統。為提高履帶車野外行駛機動性和作業高效性，故展開履帶車傳動系統的匹配設計，使履帶車獲得高效的野外作業效率和較低的燃油消耗。

1 傳動系統設計構思與方案

由于要實現履帶車在各種復雜環境中自如的前進、后退、轉向、跨越障礙物、高速行駛、低速叉裝貨物。因此，其傳動系統方案的總體設計的好壞直接決定履帶車設計的成敗。根據調研、需求分析，本文所研究履帶搬運車的作業能力與基本性能指標如表1所示。

表1 履帶車系能指標

滿載最大爬坡能力/% 45連續行駛里程/km ≥30最大涉水深度/mm ≥300行走方式 履帶式駕駛方式 步行式/站駕式最大作業能力/kg 1 000

考慮以上要求，傳動系統采用動力裝置后置、發動機橫置，此傳動系統布置方案有利于傳動系統的布置與空間合理利用，可有效降低底盤高度，減小車身長度，有利于其作業穩定性和行駛的機動性。

圖1 傳動系統簡圖

傳動系統結構簡圖如圖1所示。該傳動系統的工作原理是:當發動機啟動后，動力通過皮帶輪、輸入軸組合輸入液壓無級雙向調速機構，液壓無級雙向調速機構由主變量泵、補油泵、控制閥、發動機等組成，動力帶動主變量泵軸轉動，主變量泵輸出高壓油驅動發動機，發動機軸上的花鍵與機械變速箱的輸入齒輪接合將動力傳入機械變速箱，機械變速箱的變速齒輪與高、低檔位齒輪嚙合分別實現高、低檔位，再將動力傳給驅動輪。最后通過驅動輪上的輪齒和履帶齒之間的嚙合完成對車輛的驅動。

2 傳動系統設計

2.1 發動機選擇

內燃車輛的行駛功率計算，尚無統一完善的計算方法。結合具體情況，本文考慮轉向行駛、低速檔的最大爬坡度及高速檔的最大行駛速度，來計算車輛行駛時內燃機的最大功率。

1）高速檔最大行駛速度時功率的計算公式如下:

式中:m—履帶總質量/kg;

vmax—最高車速 /（km/h）;

f1—滾動阻力系數，取f1=0.07;

f2—內摩擦阻力系數，取f2=0.06;

ηT—傳動系效率。

2）低速檔最大爬坡度時功率計算公式如下:

式中:vmin—最低行駛速/（km/h）;

δ—坡道角度。

3）轉向行駛功率計算公式如下:

式中:ξ=1.633.24;

f1—滾動阻力系數;取 f1=0.07;

f2—內摩擦阻力系數，取 f2=0.06;

v—車輛行駛速度。

經計算以上三種工況，查詢柴油機參數，選定一款14 kW的風冷式柴油機。

2.2 傳動比的確定

式中:ne—發動機額定轉速/（r/min）;

rd—驅動輪動力半徑 /m;

vmax—最高行駛速/（km/h）。

選用的齒輪減速箱，其高速傳動比為13.806 2，此時的車速

減速器傳動比為i:

經計算，車速vmax1滿足設計要求。

所選變速箱各檔傳動比如表2所示。

表2 變速箱傳動比

2.3 HST 的確定

液壓馬達驅動力矩、排量、轉速和變量泵的最大輸出功率是選擇HST的依據。

1）液壓馬達參數的計算

液壓馬達的驅動力矩Mz必須滿足車輛轉向時轉向阻力矩和最小轉向半徑的要求，Mz可按下式計算:

式中:Mz—履帶車需要克服的最大轉向阻力矩;

B—履帶寬度;

rk—驅動輪半徑;

ηj—機械變速箱傳動效率;

ηl—履帶驅動端效率;

iq—驅動馬達到機械變速箱的傳動比;

ij—機械變速箱的傳動比;

由Mz可根據下式求得液壓馬達所需每轉排量qm。

式中，ηm—液壓馬達的機械效率;

Pm—系統壓力;

液壓馬達最高轉速nm一般按下式計算:

式中:Q—系統最大流量;

ηvm—液壓馬達容積效率。

2）變量泵的參數計算

變量泵的最大輸出功率Pt一般按下式計算:

根據液壓馬達驅動力矩、排量、轉速和變量泵的最大輸出功率，綜合考慮該履帶式車輛的參數、成本、空間布局等因素的影響。最后選用的HST的技術參數如表3所示。

表3 技術參數表

3 牽引特性分析

根據上述傳動系統參數的設計，履帶搬運車的牽引特性按下列各式計算。

在水平路面的行駛阻力:

爬坡行駛時的行駛阻力:

行駛速度:

發動機轉矩和轉速之間的關系

通過以上公式，建立仿真模型（圖2）。由此可得履帶車的驅動力－行駛阻力平衡圖（圖3）、加速度圖（圖4）和爬坡度圖（圖5）。

由圖3可知，該車的最高車速為8.3 km/h;由圖4可知該車的低擋加速度為8.9 m/s2由圖5可知，該車的最大爬坡度為65%，此時的車速為3 km/h。以上指標均滿足設計要求。

4 結論

履帶車動力參數設計包括確定發動機、變速箱和HST型號的確定，這是決定履帶車動力性能好壞的關鍵因素。本文根據發動機的特性和履帶車的性能指標要求，對履帶車的動力性進行了分析，得到了履帶車的牽引特性曲線、加速度曲線和爬坡度曲線，得出設計結果滿足履帶車的性能指標。該分析結果對開展進一步研究工作具有重要意義。

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