橡膠履帶底盤的研究進展

張 拓，岳高峰，劉 妤

(1.重慶理工大學 機械工程學院， 重慶 400054； 2.重慶市農業機械鑒定站， 重慶 632160)

我國是一個農業大國，耕地主要分布在山地、高原和丘陵地區[1]。這些地區地形復雜，作業環境惡劣。普通輪式底盤接地比壓較大，抓地能力差，工作時打滑現象嚴重，因此不能穩定地工作；而金屬履帶底盤受材料的限制，導致底盤整體質量偏大，因此對地面破壞較為嚴重[2]。可見，目前迫切需要一種適用于丘陵山區農業機械的動力底盤。

橡膠履帶底盤集成了輪式底盤和金屬履帶底盤的優點，使其配套機械接地比壓小、牽引性好、轉向靈活；機動性好，可靠性強；越野能力強，作業效率高；操縱舒適性良好，噪聲低，緩沖性好，不失為丘陵山區農業機械動力底盤的一種優選方案。本文總結了橡膠履帶底盤的典型結構和轉向方式，概述了該類底盤的國內外研究進展以及虛擬樣機技術在履帶底盤研究中的應用，并探討了橡膠履帶底盤研發中存在的問題及未來的發展方向。

1 橡膠履帶底盤的特點

1.1 橡膠履帶底盤的分類

如圖1所示，橡膠履帶底盤行走系由履帶行走裝置、懸架和車架等3部分組成[3-4]。其中，履帶行走裝置主要由驅動輪、張緊輪、履帶、臺車架、支重輪、拖帶輪和張緊裝置等組成；懸架裝置由懸架和臺車架組成，其作用是連接行走裝置和車架部分，保證車輛工作時的可靠性；車架部分主要用于固定車輛的各部件和配套工作部件，保證車輛工作時的穩定性。

1.驅動輪； 2.履帶； 3.支重輪； 4.臺車架；5.張緊裝置；6.張緊輪；7.車架；8.懸架；9.拖帶輪

按照臺車架的結構和驅動輪的布置方式不同，橡膠履帶底盤可以分為整體臺車架式履帶底盤、平衡臺車架式履帶底盤、獨立臺車架式履帶底盤和三角履帶底盤等4種結構[5-7]。下面分別進行介紹。

1) 整體臺車架式履帶底盤。這種履帶底盤的典型結構如圖2所示，行走裝置的各部件通過連接件直接固定在臺車架上。底盤工作時，各部件位置相對固定，支重輪的排布比較均勻，所以對地面的壓力相對均勻，適用于行駛速度較低的車輛[8]。這種履帶底盤結構簡單，空間充裕，農具的布置和安裝比較方便，因此在農用機械中應用比較廣泛。

圖2 整體臺車架式履帶底盤

2) 平衡臺車架式履帶底盤。這種履帶底盤的典型結構如圖3所示，每側有2～3個平衡臺車，支重輪之間通過平衡杠桿和彈性元件連接，并與驅動輪、拖帶輪、導向輪固定在車架上[9-10]。底盤工作時，平衡臺車上的支重輪能結合實際路況進行自動調整，從而減小行駛過程中的振動，改善平順性。這種履帶底盤比較適用于行駛速度較高的車輛。

圖3 平衡臺車架式履帶底盤

3) 獨立臺車架式履帶底盤。這種履帶底盤的典型結構如圖4所示，每一個支重輪通過彈性構件與車架相連[11]。底盤工作時，每一個支重輪都可以根據路況調整位置，從而減小行駛過程中的振動，改善平順性。但是，這種履帶底盤結構復雜且制造成本高，因此民用領域應用較少，常用于高速軍用履帶車輛。

圖4 獨立臺車架式履帶底盤

4) 三角履帶底盤。這種履帶底盤的典型結構如圖5所示，驅動輪、張緊輪和導向輪分別位于三角形履帶的各頂點處[12]。由于驅動裝置位于三角形的頂部，因而提高了底盤的離地高度，確保了履帶底盤的離地間隙，使履帶車輛能滿足多數農作物收獲的離地間隙需求。這種履帶底盤具有良好的通過性能和優良的越障性能，在農用履帶車輛中應用比較廣泛。

圖5 農夫NF-702輕型履帶拖拉機

1.2 履帶式動力底盤轉向機構的分類

與輪式車輛的轉向不同的是，履帶式底盤的轉向是通過改變行走裝置兩側的驅動力來實現的，這也導致履帶式車輛很難按照駕駛員意愿在任意速度下實現任意半徑的轉彎。隨著農用履帶車輛功率的增大和車速的提高，其轉向性能的要求也越來越高[13]。

按照驅動方式的不同，履帶式底盤的轉向機構大致可以分為純機械驅動轉向機構、純液壓驅動轉向機構和液壓機械聯合驅動轉向機構等3類。下面分別進行介紹。

1) 純機械驅動轉向機構。這種轉向機構包括離合器和制動器、單差速器、雙差速器、單級行星機構等幾種類別[14]，主要用于重型履帶車輛。其主要特點是結構比較緊湊、制造比較方便、耐磨，對保養的要求不高。但是，隨著功率和車速的提高，這種轉向機構在應用上會受到一定的限制，而且直線度不太好，轉向時操作比較麻煩，無法完成原地轉向。

2) 純液壓驅動轉向機構。這種轉向機構主要分為靜液壓驅動系統(HST)和雙變量泵與雙定量馬達驅動系統，常用于工程機械的驅動裝置。相對于機械驅動而言，液壓驅動能實現無級變速，且元件體積較小，在底盤上配置比較靈活，但是，其成本高、效率低。雙變量泵與雙定量馬達驅動系統以2套獨立的HST裝置分別驅動左右兩側驅動輪，并依靠兩側驅動輪轉速差實現差速轉向。這種系統操作性、通過性和機動性良好，且具有功率密度高、布局方便、過載保護能力強等優點[15]，但是，其生產成本較高，在長時間、大負載的工況下，系統發熱比較嚴重，瞬時油耗較高。

3) 液壓機械聯合驅動轉向機構。這種轉向機構將發動機的輸出功率在多擋變速箱的輸入軸上分流，一路流向液壓泵-液壓馬達組成的轉向調速系統，通過液壓控制轉向實現任意轉向半徑的連續轉向，以提高底盤操作的靈活性；另一路流向多擋變速箱，減少轉向過程中造成的制動功率損失。這種方式綜合了機械傳動的高效率和液壓傳動布置靈活、可實現無級變速等特性，常用于農用履帶拖拉機[16]。

1.3 橡膠履帶底盤的優勢

橡膠履帶底盤集成了輪式底盤和金屬履帶底盤的優點，主要體現在：

1) 接地比壓小，通過性好，能確保機械在濕地環境下正常工作，擴展了機械的作業地域。同時，對土壤的壓實程度較小，減小了對植物根系的損害程度[15]。

2) 對地面的損壞程度明顯低于金屬履帶底盤。橡膠履帶底盤在路上行駛時不會造成地面損壞，因此在轉場過程中不需要專門的運輸工具，簡化了履帶底盤的運輸方式[17]。

3) 橡膠履帶可以吸收部分振動，因此履帶底盤工作時產生的振動和噪聲相對較小，可以延長機械的使用壽命，減緩駕駛人員的疲勞程度[18]。

4) 行駛速度較金屬履帶底盤更高。一般芯鐵式橡膠履帶車輛時速可達15～20 km/h，而摩擦式橡膠履帶車輛時速可達40～50 km/h[19]。

5) 省略了履帶板、履帶銷等構件，這不僅可以降低履帶自重，簡化履帶更換流程，而且可以減少因履帶內部摩擦而造成的功率損失。

6) 相比輪式底盤和金屬履帶底盤，橡膠履帶底盤與地面的接觸面積更大，有利于獲取更大的牽引力。

2 橡膠履帶底盤的研究進展

隨著車輛地面力學和多體動力學相關基礎理論的發展，研究人員對履帶底盤的運動規律、動力特性的認知也逐步深刻。同時，伴隨計算機技術的高速發展，依托三維軟件建模、多體動力學和有限元分析等技術發展而來的虛擬樣機技術取得了較大進展，研究人員嘗試突破傳統的針對履帶底盤的“試驗—試制—試驗—改進”設計模式，將虛擬樣機技術應用于履帶底盤的研究。

2.1 國外研究進展

國外一些研究機構早已將虛擬樣機技術應用于履帶底盤的研發。

美國陸軍坦克-機動車輛研發與工程中心(TARDEC)的Joseph等[20]考慮車輛與土壤之間的耦合作用對履帶底盤進行了動力學建模和分析，利用庫侖的橫向地球壓力理論和特爾扎吉的被動土壤失效模型計算了履帶底盤運行過程中軟土受到的力，并評估了該建模和模擬分析方法在軟土地面上的先進性和局限性。

俄羅斯工程科學研究所的Taratorkin等[21]采用虛擬樣機與物理樣機試驗相結合的方式研究了車輛履帶運動軌跡變化和功率參數變化，并設計了一套改善車輛運動特性的遠程自動控制系統優化方案，較好地提升了履帶車輛的高速特性。

韓國海洋工程研究院的Kim等[22-23]提出了一種針對復雜多體履帶車輛系統動態分析的子系統綜合分析方法。該方法以一款大型的海底硫化物采集裝置為對象，將履帶車輛系統分解為多個子系統和虛擬無質量參照物進行獨立分析，通過對虛擬無質量參照物的位置、速度和加速度等的分析求解得到基體方程，再基于基體方程對各子系統的運動方程進行求解，提高了計算的效率和精度。

印度理工學院的Paul等[24]研究了履帶車輛在軟地面上的移動性和行駛穩定性，建立了一種軟土-履帶相互作用力模型，并提出了一種預測履帶區域剪切位移的方法。該方法結合履帶車輛的位置和方位信息預測履帶區域的剪切位移分布，通過與現有方法的比較，驗證了方法的可行性。Saayan Banerjee等[25]針對所設計的履帶式步兵戰車，建立了數學模型，仿真分析了該模型在不同虛擬環境下的性能，并結合分析結果優化了戰車設計方案。

印度戰斗車輛研究與發展機構的Jothi等[26]對軍用履帶車輛的動力學特性進行了剛柔耦合分析，通過柔性化處理履帶車輛的重要零部件，導入動力學分析軟件進行剛柔耦合分析，并將分析結果與實際試驗結果進行比較，驗證了仿真模型的可靠性和穩定性。

波蘭西里西亞理工大學的Tomasz Czapla等[27]利用虛擬仿真技術對高速履帶在崎嶇地形工作時的懸架系統進行了分析，建立了高速履帶懸架系統的模型，利用動力學軟件和Matlab / SIMULINK聯合仿真模擬了不同張緊力對履帶車輛行駛性能的影響，確定了張緊力在控制系統中的設置參數。

澳大利亞新南威爾士大學的Xu等[28]針對履帶車輛在復雜地形下運動軌跡不穩定的問題，基于虛擬滑移誤差矢量模型提出了一種自適應的最小值-最大值模型預測控制方法，提高了履帶車輛軌跡預測的精度和魯棒性。

2.2 國內研究進展

國內對于履帶底盤性能的研究起步較晚，主要采用傳統的“物理樣機”研發方式。目前已有部分高校和研究機構嘗試將虛擬樣機技術應用于履帶底盤的研究。

裝甲兵工程學院的郭曉林等[29-30]基于模型試驗設計了一種履帶車輛動力學性能研究方案。該方案設計了一款利用伺服電機驅動的履帶模型車，基于數據采集結果對模型車的性能進行了分析，并進一步研究了履帶車輛的行駛性能和行駛阻力，這對于履帶車輛的動力學研究有一定的指導意義。王紅巖等[31]對履帶車輛的建模和仿真方法進行了詳細的闡述，并介紹了一種利用動力學模型替代物理樣機在極限工況、破壞性、危險性工況以及特殊要求試驗工況下試驗的方法，確保了試驗車輛及人員的安全，提高了試驗效率。芮強等[32]提出了一種基于蒙特卡羅隨機模擬分析與確定性虛擬樣機模型相結合的建模方法，并結合履帶車輛接地壓力的計算實例，詳細介紹了該建模方法，為在不確定性環境下履帶車輛的牽引特性和機動性的評估奠定了基礎。吳奕等[33]研究了高速履帶車輛行駛的平順性，通過將路面不平度和車輛行駛速度相結合對模型進行了仿真分析，同時，在仿真環境下通過采集車體典型部件的振動響應分析了其振動特性，為履帶車輛平順性研究提供了參考。

洛陽理工學院的田全忠等[34]針對傳統的履帶車輛采用轉向離合器實現轉向存在的問題，提出了機械液壓雙功率流速差轉向系統的設計構思，推導了履帶底盤輸出轉速、扭矩的解析表達式，并利用試驗驗證了設計理論的正確性和可行性。

長春機械研究所的劉國民等[35]對影響履帶底盤轉向的諸多因素如履帶接地長度、軌距、履帶寬度以及2條履帶行進速度等進行了綜合考慮，建立了履帶底盤轉向數學模型，對眾多試驗數據進行了數值分析，并得出了指導性結論。

四川農業大學的呂小榮等[36]針對我國西南丘陵山區地形及套作種植的特點，設計了一種小型多功能底盤液壓系統。該系統可以實現機器的無級變速和原地轉向，有效解決了套作地頭空間轉向問題。爬坡試驗結果表明，樣機能平穩通過小于25°的斜坡，可以滿足西南丘陵山區行走作業的基本要求。

中國農業大學趙建柱等[37]設計了一種具有農用仿形功能的農用動力底盤。該底盤在每個減振裝置上裝有螺旋彈簧液壓減振器，其擺臂能隨地面不平度變化及底盤承重情況下通過在車架一側縱向平面擺動實現其具有變剛度的特性。試驗結果表明，該底盤滿載時最大爬坡度約60%，最高作業速度可達3 km/h，在非道路工況下行駛具有良好的地面仿形、平順性和通過性。

中國北方車輛研究院的李明勇等[38]利用Simscape軟件建立了履帶車輛發動機和傳動系統的數學模型，借助RecurDyn軟件建立了履帶車輛行走機構動力學模型和路面模型，并通過聯合仿真平臺建立了發動機—傳動系統—行走機構的聯合仿真模型，實現了履帶車輛換擋、轉向等操作的模擬仿真，提高了動力學分析的準確度，為履帶車輛的動力學仿真分析提供了新的思路。

吉林大學的李陽[39]利用RecurDyn/Track HM模塊建立了鉸接履帶車輛的動力學模型，并對該型履帶車輛在硬質路面、黏土路面和干沙路面上行駛的爬坡過程進行了仿真。同時，對鉸接履帶車輛的爬坡能力進行了分析，并通過修改模型的履刺高度參數分析了履刺高度與爬坡性能之間的關系。

江蘇大學的李耀明等[40]設計了一種可以實現差逆轉向、切邊轉向和單邊制動轉向的機構，在對機構轉向特性理論分析的基礎上，應用RecurDyn軟件對其進行了不同工況下的動力學仿真。同時，將該機構安裝在履帶式聯合收割機上進行了實車轉向性能試驗，結果表明，該機構能顯著提高收割機的行走轉向性能。

中南大學的陳亞等[41]應用RecurDyn軟件對履帶車的過溝工況進行了動力學仿真，通過分析履帶車過溝不同階段的運動狀態，提出應用速率比衡量履帶車的過溝性能，并基于此研究了履帶車的重心位置等因素對其過溝性能的影響。結果表明：采用速率比能較好地衡量履帶車結構對其過溝性能的影響，重心位置相對于幾何中心靠前、靠下均有利于其過溝性能的提升。

河北工業大學的張明路等[42]針對復雜地面環境提出了一種具有被動適應能力的輪—履復合移動機器人，通過分析機器人各構件之間的運動關系，建立了輪—履復合模塊的數學模型，分析了機器人的爬坡、翻越臺階等性能，并通過仿真實驗驗證了結構設計和參數選擇的合理性。

3 問題與展望

綜觀分析，目前針對橡膠履帶底盤的開發與研制主要集中在工程機械和軍用機械，涉及農用履帶機械的甚少。

在研發模式方面，主要以傳統模式占主導，這種方式通常需要經過初步設計、樣機試制、工業性試驗、改進定型和批量生產等環節[43]，周期長，數據處理工作繁重。而且，隨著履帶式底盤應用范圍的不斷擴大，產品結構越來越復雜，研制物理樣機的耗資越來越巨大，傳統的產品開發方式難以適應快速變化的市場需求[44]。因此，橡膠履帶底盤的研發需改變傳統的以樣機為主導的模式，充分利用計算機技術和虛擬樣機技術，借助工程應用軟件建立精確有效、可信度高的仿真模型，在虛擬環境下對履帶底盤進行性能評估和系統優化，以減少物理樣機的制造與試驗，縮短產品開發周期，降低產品開發成本。

在使用功能方面，橡膠履帶底盤的研發需要在以下幾個方面進行改進：① 加大動力底盤關鍵部件及配套自動控制系統的研發力度，提高橡膠履帶底盤的自動化和信息化水平，提升作業性能；② 進一步優化橡膠履帶底盤的結構、驅動方式等，以提高其牽引力和作業效率，降低接地比壓，減少對地面的壓實程度；③ 提高橡膠履帶底盤在丘陵山區的適用性，進一步拓寬動力底盤的使用范圍；④ 基于模塊化設計理念設計橡膠履帶底盤主要功能部件，提高履帶底盤的擴展性和移植性。

4 結束語

1) 橡膠履帶底盤集成了輪式底盤和金屬履帶底盤的優點，既能拓寬普通履帶底盤的應用范圍，也能有效克服金屬履帶行走系統自身質量過大、對地面破壞嚴重等固有缺點。隨著國民經濟的發展，對橡膠履帶底盤的要求也在不斷提高，橡膠履帶底盤正在向模塊化、輕型化、通用化、智能化等方向發展。

2) 丘陵山區受坡度大、地塊小、形狀不規則、機耕道狹窄等條件的制約，其農機作業存在操作難度大、動力耗費大、作業質量差及容易傾翻等諸多問題，這限制了丘陵山區農業機械化的發展。而且，現階段的丘陵山區農業機械大多以實用性為主，專機專用，涉及農用履帶機械尤其是橡膠履帶底盤的研究甚少。因此，開展丘陵山區農業機械橡膠履帶底盤的研究對于發展丘陵山地農業機械化具有重要意義。

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