農用車新型三角橡膠履帶輪的設計

東愛璽 楊威 萬茹馨 劉鵬 孫金龍

摘?要：由于我國的農田地形呈多樣化特征，包括了山地、平原、池澤、高原、沙漠等多種復雜的地貌，針對傳統農機化生產一直存在動力不足、軸承系統負荷大、環境適應性差等問題，提出并設計了一種重量輕、振動小、不會破壞鋪設路面的新型的三角履帶輪農用車輛。

關鍵詞：橡膠履帶輪;履帶車輛;高速重載;設計應用

中圖分類號：S229.1文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.010

0?引言

隨著我國對農業生產領域的研究深入，農機設計生產成績顯著，農業自動化與機械化的大量普及，農用車在農業生活生產等方面發揮著積極作用。我國的農耕地形十分復雜，也對農機的駕駛性能提出了更高要求。在20世紀90年代以前，市場上履帶輪式拖拉機還是很常見的，且過去的履帶拖拉機，其履帶都是鋼制的。與其相比，用橡膠作履帶的拖拉機不但重量輕、振動小，不會破壞鋪設路面，而且損耗低，壽命長，即使較于輪胎，也具有更好的通過性。現于世界各地都具有廣泛的應用。本設計為適應我國農業的大力發展，國內對采摘設備的研究不斷深入。由于履帶式車輛底盤具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強、轉彎半徑小等特點，因此成為采摘機械底盤設計的首選。在此前提下，通過對履帶車輛共性問題進行研究，結合機械設計理論、車輛行駛理論以及有限元理論，設計出一款較為優秀的三角履帶車。

1?基本設計

經過初步的設計決定采用由步進電機帶動四輪驅動橡膠履帶輪（圖1），這樣后續實踐組裝可以在不改裝或者少量改裝輪式車輛的情況下，與車輛輪胎互換，降低車輛的接地壓力，從而提升車輛的越野能力，提升車輛性能，實現升級換代。

步進電機采用YE2系列三項異步電動機立臥式B35，這款電機具有高效節能且運行平穩、低噪音、小振動、低溫升等優點，適合在小型農機使用，其參數為：

機座中心高（Base center heigh）：63～355 mm;

功率范圍（Power Range）：0.12～315 kW;

額定電壓（Rated voltage）：380 V;

額定頻率（Rated frequency）：50 Hz（或60 Hz）;

防護等級（Protection class）：IP54（或IP55）;

絕緣等級（Insulation class）：F級;

工作制（Work system）：S1。

為防止轉速過快，需要加入一個適配的NMRV50減速器，一來可以控制它的轉速，使其更加穩定，二來可以更好的控制其輸出扭矩。

驅動輪、框架、橡膠履帶以及數量不等的導向輪和負重輪等共同組成了履帶輪。如圖2所示的三角型履帶輪，在三角輪的頂點上的是驅動輪，要保證橡膠履帶輪與驅動輪的契合程度，以盡量的增長履帶輪的使用時間，可減少車輛負載并使驅動輪采取更輕的機構，通過橡膠履帶的驅動角與輪上的驅動齒或銷相契合，來驅動履帶。導向輪通常放置在三角形底部的一端或者兩端，三角形的底部往往加配負重輪。組件與負重輪所組成的負重輪系框架，是被用來維系履帶輪的結構，橡膠履帶輪輪系是由框架、驅動輪、導向負重輪構成。

根據履帶輪結構及其與車輛的裝配，一般情況下選擇整體式結構。

整體式具有更好的抓地力，在崎嶇路面行駛的時候，負重輪系和框架能夠隨著地表起伏共同環繞驅動軸擺動，但是驅動輪和框架之間，起鏈接作用的軸承耗損嚴重。

而橡膠履帶分為無芯金和有芯金兩種，有芯金雖然使橡膠履帶輪具有較高的橫向剛度，有利于履帶彎曲，進而減少負重輪的數量或者寬度。但是無芯金履帶更輕便，而且不會發生由于高速運動使橡膠嚴重發熱，進而誘發履帶輪脫膠和出現故障等問題。實驗證明：無芯金履帶輪具有機動性高、噪聲低、重量輕以及不易脫落等優點。無芯金履帶輪（圖3）有兩種驅動方式，第一種是摩擦驅動，第二種是強制驅動。

無芯金橡膠履帶采用強制驅動的方式，在高速重載的條件下，還要選擇好合適的提升比率，在其內表面上加裝驅動角，通過驅動輪的驅動銷和驅動角的相契合來傳遞動力。強制驅動無芯金橡膠履帶能更加簡潔地實施模塊化。

驅動輪的裝配形式分為兩種：輪孔式、輪齒式。這里采用外形結構與齒輪類似的輪齒式橡膠履帶，履帶上設有一行或兩行孔洞，動力的傳遞則是通過驅動輪齒插入孔洞中的方式來完成。

2?輪系

2.1?負重輪

負重輪的作用是支撐所有機體的重量，并束縛履帶使其不做橫向運動，還能減振增穩。不僅要合理選擇負重輪的數量、結構和材料，還要設計好相應系統。這關系到整個運動裝置的工作效率。無芯金橡膠履帶為避免凸耳與負重輪之間摩擦所造成的凸耳磨損，要選擇摩擦系數低的材質來作負重輪。這時，履帶內表面會與負重輪圓周面產生滾動摩擦，負重輪的材質要求滾動阻力小并耐磨，以減少對履帶造成的損壞。

影響履帶車輛接地比壓的重要因素是負重輪的尺寸、數量、位置。提高履帶車輛的通過性，就要降低行走裝置的接地比壓，均勻化接地壓力，另外，還可以使用加多負重輪數量，加寬負重輪的廣度，合理布置支重輪的縱向列數和橫向組數來達成目的。本設計采用爬山虎無芯金履帶，其規格為：輪寬： 6 in;輪直徑：70 mm;安裝孔距：147 mm;底板規格：125 mm×125 mm或160 mm×160 mm;安裝高度：216 mm;載重：1700 kg。

2.2?導向輪系

導向輪的作用是為履帶引導方向，提供離去角或接近角給履帶輪。導向輪的最低位置要比負重輪的最低位置高，這樣就能保護履帶接觸路面時不會產生磨損，而小物體有通過的縫隙。越好的導向輪所形成度數越大的角度，這樣對跨越障礙更加便利。

增加功耗：（1）即使是經過輕量化設計的履帶輪，它的重量也會遠超普通車胎;（2）履帶與輪系之間產生的摩擦所消耗的功率效大;（3）隨著履帶彎曲剛度的增大，輪系旋轉時所消耗的功率也就越大;（4）履帶輪的開放結構會使泥屑堆積在履帶內表面和輪子之間，這種堆積會增加履帶輪的功耗。

3?控制運行與其他

3.1?控制運行

在整個新型三角履帶輪農用車中，用32路電機控制器使用servocontrolller軟件處理作為數據指令中樞，輸入預先設計好的程序來帶動電機運行，電機經過減速器的處理之后推動四輪驅動無芯金橡膠制成的履帶輪轉動，從而實現運動，程序設計圖如圖4所示。

3.2?問題及優化方向

在后續過程中，還存在一些問題需要注意。

（1）為適用于高速運行且承受較重載荷的條件，要使模塊化更方便，強制驅動的無芯金橡膠履帶，要選擇合適的驅動輪來提升比率，以便改善驅動輪刨削履帶驅動角的情況，為了履帶上的剪應力能夠滿足在橫向對稱分布的設計要求，要布置好履帶偏置簾線層。（2）為滿足承受較重載荷要求，避免履帶輪發生爬齒、跳齒和脫帶的現象，增加驅動角的使用時長，不僅要改進橡膠生產配方以及加工工藝，驅動角的規格優化也是十分重要的。（3）應設計好花紋的間隔、紋路，并根據驅動角的位置來布置花紋，提供給履帶輪更好的牽引力，從而減小花紋和負重輪之間交互作用時產生的振動和履帶接觸地面時產生局部集中的拉伸應力，從而使履帶的使用時間更長。（4）要實現越野行駛的設計要求，負重輪的尺寸、數量和排列順序就要采取適當的位置，以保證履帶輪接觸地面時所受到的壓力能夠均勻分布，減少因框架發生形變而造成的載荷位置變化，確保履帶的溫度在行駛過程中會均勻的上升。