溫室自動作業車設計

河北農業大學機電工程學院 胡楠 王學昌 馬志凱 鄭子岳 李曉曉 劉楊

我國是一個農業大國，因而現今我國迫切需要實現農業現代化。機械化是實現農業現代化的一個重要標志[1]，加速我國農業機械化發展的重要途徑之一就是運用機械化的先進技術來提高資源利用效率、節省人力[2]。本文設計了一種自動作業車，可進行精準噴藥等作業，大大提高了資源的利用效率，節省了人力[3-5]。

1 整體參數設計

1.1 底盤設計

該作業車需在相對狹小的空間里靈活作業，故在保證所有零部件能夠安裝上去的前提下應盡可能地縮小尺寸，最終尺寸定為1180mm×753mm×430mm。為使小車轉向更加穩定，采用前輪距較寬于后輪距的設計，雖然會導致在轉彎時的精度略微降低，但對小車的工作情況影響不大，所以最終定前輪距為622mm，后輪距為582mm。

1.2 質量與載荷分布設計

通過整體設計與選材并綜合小車續航等因素，最終確定小車整備質量為60kg，搭載四塊供電電源后總質量為75kg。為使小車的動力性與通過性較好，使驅動輪處載荷相對較大；為使小車操縱穩定性較好，轉向輪處的載荷不應過小；為使小車四個輪胎磨損均勻，四個車輪的載荷不應相差過大。綜合以上因素考慮，將小車45%的載荷分配給前軸承受，剩余55%的載荷分配給后軸承受。

2 小車的性能參數設計

由于作業環境土地比較松軟且道路泥濘，故小車行駛速度不宜過快，但作業速度應該比人工要快4～5 倍，所以最終將小車最高速度Vmax 設定為15km/h。另外要求轉彎半徑盡可能減小，提高小車的通過性與靈活性，為了讓小車靈活通過轉彎路口，設計小車轉向輪的最大轉角為30°，由前期設計計算可知小車的軸距為868mm，根據最小轉彎半徑Rmin=軸距/轉向輪最大轉角的正弦值可以確定小車的最小轉彎半徑約為1.74m。由于要求制動性能盡量較好，制動距離要減少，避免因為制動距離太長導致車輛對作物產生碰撞，小車采用盤式制動器，制動時每個剎車鉗的力F1=67.5N，每個驅動輪上各有一個剎車片，計算得最小剎車距離≤5m。關于小車的主要性能參數如表1 所示。

表1 小車主要性能參數

3 驅動系統設計

為了保證車體尺寸，達到節能環保的目的，小車采用電機驅動的方式。由于小車的行駛速度較低、質量較輕，所需功率較小，故選用直流電機即可滿足要求。所需電機的功率計算公式如下：

解得Pe=0.715kW，根據計算所得，小車在以最高車速行駛時，所需的直流電機功率為715W，經過選擇比較最終選定尤奈特永磁直流無刷電機，電機主要性能參數如下表2 所示。

表2 電機主要性能參數

由于作業車采用直流無刷電機控制行進，要保證電池連續工作的時間，故其能源系統采用四塊鋰離子電池串聯進行車輛的供電。

4 傳動系統

4.1 驅動橋設計

作業車采用了后輪驅動、前輪轉向的方式，將轉向輪與驅動輪分開控制，并且大大簡化了傳動系統。考慮到該作業車在田間工作，其中的路面情況比較單一，不存在復雜路面，另外由于用戶使用手機APP 進行車輛行駛控制無須人員駕駛，為了簡化設計過程，降低生產成本，最終采用整體式驅動橋，如圖1 所示。

圖1 驅動橋

4.2 主減速器的計算

主減速器采用齒輪嚙合時要保證主從動齒輪的相對位置，否則產生的沖擊噪聲會較大。為此選取主減速器時在保證傳動比符合的條件下，要保證主動、從動齒輪有足夠的支承剛度。該車選用的電機輸出軸輸出的最高轉速可達2900r/min，小車的最高車速設定在15km/h，通過計算得出車輪的轉速最高為392r/min，故主傳動比i=2900/392=7.4。

4.3 半軸的設計

由于路面不平或者輪胎磨損不均勻等問題，兩車輪的行駛距離也不盡相同，故必須設置半軸來保證小車的兩側車輪不能總是以相同角速度行駛。半軸連接在驅動輪與差速器之間，其中內端設計成花鍵形式與差速器上的半軸齒輪相連接，外端設計為螺紋結構直接穿過驅動輪中的軸承并長出車輪部分15mm，并用螺母擰緊固定。

5 懸架系統設計

5.1 懸架系統

此小車懸架系統主要由減振器及彈簧并聯組成，其中減振器與彈性元件的安裝示意圖如圖2 所示。選取減振器時的要求：當懸架系統壓縮時，阻尼力比較小；懸架系統舒張時，阻尼力比較大；當車架與車橋的相對運動較大時，阻尼力要保持在一定的范圍之內。懸架系統中的彈性元件直徑為10mm，螺距為20mm，材料選用硅錳鋼。

圖2 減振器與彈性元件安裝示意圖

5.2 前橫梁懸架系統

為了使小車整體尺寸更小，前橋部分設計為單橫臂式懸架，前橫臂懸架系統如圖3 所示，懸架部分通過連接吊耳與車架連接，這樣有助于降低小車的寬度，使小車的前輪距減少，操控性更強、靈活性更高。此種設計方式結構簡單、穩定高效，符合該車作業的整體設計理念與設計要求。

圖3 前橫臂懸架系統

5.3 后懸架系統

小車后端的懸架系統一端與后叉相連，一端通過吊耳車架相連，后端懸架系統如圖4 所示，車輪受到的來自路面的沖擊力通過后叉傳遞到懸架系統，減輕對車架的振動沖擊。在此中間沒有多余的連接部件，在很好地實現功能的基礎上大大簡化小車底盤的零部件組成，有利于小車的輕量化與節能化。

圖4 后懸架系統

5.4 后叉設計與分析

由于后叉為整車受力的一個關鍵零部件，為此要保證其強度與剛度，避免整車關鍵零部件失效，最終采用可鍛造鑄鐵材料。為了節省材料、減輕小車總質量，最終將后叉設計為厚度為3mm 的中空殼體結構，并使用Solidworks 內置軟件對后叉進行受力分析與有限元的分析，應力分布圖如圖5 所示，通過受力分析得出安全系數為6.91，符合安全性能要求。

圖5 后叉應力分布圖

6 結論

本文通過建模、分析等方式設計了一輛自動作業車，包括底盤及質量載荷分布設計、傳動機構設計與選擇、關鍵部件的設計與分析。并且通過實驗驗證了其在作業時各方面的性能較高，同時滿足了節能、環保和低成本等要求。