一種三角履帶式平板車設計

吳榮燎　樂詠琪　王文濤　俞志文

摘 要：當前常用的手扶平板車沒有護欄和減震裝置，在遇到不平路面時，平板車上的物品常常會被顛簸下來。針對這種情況，設計了一種履帶式平板車，并對其受力、功率、性能等進行分析。研究表明，履帶式平板車相對于普通平板車減震性、通過性更好，實用性更高。

關鍵詞：平板車;履帶式;通過性;減震

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）35-0073-03

The Invention Relates to the Design of a Triangular Crawler Flatbed Vehicle

WU Rongliao LE Yongqi WANG Wentao YU Zhiwen

（School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation， Nanhang Jincheng College，Nanjing Jiangsu 210000）

Abstract： At present， due to the lack of guardrail and shock absorption device， the objects on the flat car are often bumped down when encountering uneven road surface. In view of this situation， a kind of crawler flat car was designed， and its force， power and performance were analyzed. The research shows that the crawler flat car has better shock absorption， trafficability and practicability than the ordinary flat car.

Keywords： flat car;caterpillar;through sexual;shock absorption

1 設計背景

當前，學校里，部分學生會拖著一輛平板車拉書、飲料或者其他商品;工廠里，一些貨品被堆放在平板車上從一個車間拉到另一個車間。如圖1所示，平板車被大量運用到人們的生活中，但由于沒有護欄，會出現物品因顛簸和震動而散落在地上的情況，人員在搬運過程中必須要撿起物品和重新堆放，浪費了大量時間和精力，且事倍功半。此外，在地形稍微復雜一點的路面上，這種普通的平板車就很難順暢通過，復雜的地形勢必將導致平板車震動加大，并使拉車吃力。針對上述種種問題，本文設計了一種三角履帶式平板拖車。

2 履帶式平板車的結構設計

履帶式平板車主要由框架和承載板部分、電機和驅動部分、三角履帶和輪子部分組成。

2.1 框架和承載板設計

由于此方案設計為電動平板車，扶手部分只需要在電池沒電或者電機電路故障等緊急情況下才會由人去操控，所以，扶手部分不需要太復雜，本方案采用最簡潔的“T”字形扶手、壁厚1.5mm的方管。與圓管相比，方管有較大的慣性矩和截面模數，有較大的抗彎、抗扭能力，從結構來說更加優秀，能減輕自身重力和節省鋼材。扶手部分還在平板車急加速時充當輔助擋板，防止物品散落。承載板選用實心板材，以保證能承受較大的貨品重量。

圖1 普通平板車

2.2 電機和驅動設計

本設計初選500W電機，通過鏈盤鏈輪連接電機和后軸，后軸貫通三角履帶撐輪架，軸端焊有一塊5mm的鋼板與履帶驅動輪螺栓連接，實現從電機到驅動輪的傳動功能。撐輪架是在履帶的驅動輪、導輪之間起到限位和固定作用。圖2是電機與軸和驅動輪之間的聯系圖。

圖2 電機與軸和驅動輪之間的聯系圖

注：1.軸;2.鏈輪;3.電機;4.撐輪架;5.連接金屬片;6.驅動輪;7.導輪。

2.3 三角履帶和輪子設計

三角履帶輪式行走系統由1個驅動輪和2個導輪組成，3個輪子被固定在撐輪架上。其中，驅動輪帶動整個結構運動。現有手推式平板車的輪胎直徑多127～203.2mm，為保證車輛安全行駛，選擇驅動輪直徑為200mm。導向輪負責引導履帶運動，防止發生脫軌，其直徑選擇125mm。考慮到車輛行駛過程中履帶會發生不同程度的松緊變化，因此，設計了驅動輪與導輪圓心距離為175mm，2個導輪圓心距離為290mm的等腰三角形撐輪架[1]。結合整車尺寸，并考慮減小對土壤破壞的要求，選擇寬度為57.5mm的橡膠履帶。三角履帶輪結構如圖3所示。

圖3 三角履帶輪結構

3 三角履帶輪參數設計和渲染

3.1 驅動輪受力分析

驅動輪主要受重力和撐輪架形成三角結構的支持力，同時受履帶的阻力以及后軸對驅動輪的驅動力矩。主動輪與主動輪上的履帶一起受到履帶張緊力的作用而轉動，將受力按水平方向和豎直方向分解，根據牛頓歐拉公式可以得到主動輪的受力分析結果，如式（1）所示。為了減少主動輪的振動，一般主動輪的旋轉中心、質心與圓心重合[2]。受力分析如圖4所示。

[m1x=Tfsinθf+Fz1sinθz1-Tbsinθb-Fz2sinθz2m1y=Fz1cosθz1+Fz2cosθz2-Tfcosθf-Tbcosθb-m1gJ1θ1=Mq+（Tf-Tb）（r1+b）]? ? （1）

式中，[Fz1]、[Fz2]為撐輪架產生的支持力;[θz1]、[θz2]為撐輪架作用力與中心線的夾角;[Tf]、[Tb]為前進方向和后面履帶產生的張緊力;[θf]、[θb]為張緊力與中心線的夾角;[m1]為主動輪和其上履帶的質量;[b]為履帶的厚度;[r1]為主動輪的半徑;[Mq]為驅動力矩;[J1]為主動輪及輪上履帶的轉動慣量。

圖4 驅動輪受力分析

3.2 電機功率確定

在設計時，考慮到路面不平整和復雜的地形，將折算成爬坡能力計算電機功率，因此在不考慮空氣阻力的情況下，平板車以額定速度10km/h計算。

[Ft=Gsinα+μmFn=mg（sinα+cosα）]? ? ? ? ? （2）

[P=1η（GVμmcosα3 600×3.6+GVsinα）]? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[P]為發動機功率;[G]為平板車和額定貨物總重力;m為平板車和額定貨物總質量，取100kg;g為重力加速度;[V]為行駛速度;[μ]為運行阻力系數，取0.18;[η]為傳動效率，取0.9;[α]為坡度，取10°。

由式（2）和式（3）算的功率為540W，修正初定電機500W的參數，確定電機額定功率為600W。

3.3 三角履帶平板車的渲染

通過上述主要零件的設計、確定、各種參數的計算和校核，最終用CATIA畫出三角履帶平板拖車的整體，并用渲染軟件KeyShot進行渲染，最終得到渲染圖，如圖5所示。

圖5 三角履帶平板車渲染圖

4 三角履帶輪平板車與普通平板車的對比

輪式移動平板車的行走機構以車輪為主體。輪式移動平板車的機械結構最為簡單，驅動及控制的設計比較方便，承載量大，移動速度快，運動效率高，比較靈活，自重較輕。輪式移動平板車的缺點是運動穩定性受路面情況影響很大，很難通過復雜路面[3]。三角履帶式平板車的突出優勢為：①有較大支撐面積，接地比壓小，能在松軟甚至泥濘的場地作業，下陷度小，越野機動性能很好;②轉向半徑非常小，可原地轉向;③履帶支撐面上有履齒，附著性能好，能有效避免打滑，且能夠提供較大的牽引力;④承載能力大[4]。

4.1 減震性對比

由于履帶與地面接觸面積大，附著度高，因此履帶式平板車有著先天的通過優勢。普通平板車的輪子與地面為線接觸，有的甚至是點接觸，這在遇到路障時由于慣性作用勢必會造成顛簸。而三角履帶輪因履帶會先接觸障礙物，履帶的柔性會吸收一部分的沖擊力，形成一次緩沖;在導輪通過路障后，履帶完全附著在路障上，使得路障就變成原先行駛路面的一部分，再一次減小了沖擊效果，達到完美的減震作用。

4.2 重心對比

普通平板車質量分布較為均勻，所以重心點較高，在滿載情況下重心上移，變得更加不穩。三角履帶式平板車由于電機、履帶、輪子、剛性軸等重物均在載貨板的下端，重心必然更加貼近地面，在滿載狀態下重心上移高過載貨板，但總體還是接近載貨板，重心比普通平板車低，意味著穩定性比普通平板車好。重心的不同對坡道行駛影響較大。在相同的載荷橫向行駛時，由于重力沿坡道向下的分力，極限坡度會隨質心高度增大而降低[5]。同時，由于普通平板車的輪子是萬向輪，因此，在坡道上橫向行駛會更加困難。

5 結語

本文設計了一種三角履帶式平板車，對其結構、驅動輪受力、電機功率選配等多方面進行分析，并用CATIA軟件進行三維建模，完成渲染，最后，與普通平板車對比。研究表明，所設計的平板車能克服傳統平板車震動大、易掉貨、通過性差、費時費力的缺點。

參考文獻：

[1]張廣暉，許明賢，孟慶凱，等.三角履帶輪式森林消防車設計與分析[J].消防科學與技術，2019（7）：983-987.

[2]王天昊.三角履帶輪減震系統動力學建模與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[3]張珍珍.輪式移動機器人研究綜述[J].電子技術與軟件工程，2016（23）：120

[4]Ferreira E， Shu-jentsai， Paredis C J， et al. Control of the Gyrover：a single -wheel gyroscopically stabilized robot [J]. Advanced Robotics，2000（6）：459-475.

[5]蘇錦榮.基于履帶式底盤的改進型森林消防車通過性研究[J].輕工科技，2019（9）：53-54.