一種鉸接式履帶行走傳動裝置的設計

喬曙光，董存賢

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

履帶式移動底盤具有眾多優點[1-2]，而被排爆機器人廣泛采用。工程機械用的鉸接式履帶，由于采用金屬制造，強度高、耐磨性好，能夠在復雜路況中使用，但其結構復雜、制造成本高、質量大等，不適合排爆機器人使用。根據文獻[2]，排爆機器人用履帶移動式底盤多為整體橡膠履帶。但整體式橡膠履帶存在著以下缺點：多履帶張緊力調整一致性差，底盤行走時易產生不同步；橡膠履帶使用一段時間后因彈性改變造成張緊變松，需要進一步張緊；履帶損壞后需整條履帶更換。

本文結合小型履帶式移動機器人的特點，提出一種結構形式簡單的鉸接式履帶行走傳動裝置。其具有結構簡單、制造成本低、強度大、質量小、剛度高、張緊力調整一致性好等特點。論述了其結構型式、傳動原理、齒形幾何設計及強度計算方法，推導了驅動輪擠壓強度計算公式，最后以實例方式論述了鉸接式履帶行走傳動裝置的設計方法,為其推廣應用提供了理論依據。

1 鉸接式履帶行走裝置組成及驅動原理

1.1 鉸接式履帶行走裝置組成

如圖1所示，鉸接式履帶行走裝置由鉸接式履帶鏈條、驅動輪、從動輪系、擺臂、張緊裝置及上下托鏈塊組成。

圖1 鉸接履帶式行走傳動裝置組成圖

鉸接式履帶鏈條由履帶塊通過履帶銷首尾連接成封閉的鏈條，如圖2所示。銷與前履帶塊尾部的連接為間隙配合，與后履帶塊前部的兩個孔的連接為過盈配合。當前后兩履帶塊相對撓曲時，前履帶塊可繞履帶銷自由轉動。傳動時，履帶塊尾部的銷孔外圓柱面與驅動輪雙排齒的齒槽嚙合。為了減輕履帶塊的質量，采用高強度鑄鋁合金壓鑄成型，正面的反履齒在履帶傳動過程中，與插入驅動輪兩排齒中間的環形槽及上、下托鏈塊的槽中，以防止履帶塊側向脫出；背部附著有硫化橡膠，這樣使得鉸接式履帶鏈條傳動既有金屬履帶的高剛度、大牽引力的優點，又具有橡膠履帶質量輕、與地面接觸減振、緩沖沖擊、噪聲小的優點，結構簡單，降低了制造成本。擺臂與驅動輪同軸（圖1中沒有顯示兩者連接關系），兩者可相對轉動。擺臂前端的滑槽與從動輪支架形成移動副，由其中間的螺桿調整兩者之間的距離（如圖3），從而完成了對鉸接式履帶鏈條的張緊。

圖2 履帶的連接

圖3 張緊裝置

與履帶式工程機械相比，排爆機器人屬于中小型履帶驅動，其履帶傳動驅動力較小。驅動輪采用短齒形與履帶塊嚙合，既具有較大的傳動能力，又可使得履帶塊具有簡單的結構外形。

從動輪系由兩個支重輪和從動輪支架組成，除了承受機器人重力外，作為張緊裝置的組成部分對鉸接式履帶鏈條張緊，并對履帶進行導向。從動輪對履帶具有一定夾持作用，在轉向時，帶動履帶在地面上滑動。

上、下托鏈塊安裝在從動輪支架上，除托鏈作用外，還對履帶有夾持作用。

1.2 驅動原理

如圖4所示，在張緊裝置的張緊作用下，驅動輪上制有特殊齒形的齒，依靠驅動輪輪齒與履帶板的凸起銷孔外圓柱表面嚙合來傳遞運動和動力。

圖4 驅動輪齒與履帶鏈節嚙合

2 鉸接式履帶行走驅動的設計計算

鉸接式履帶行走驅動的設計計算通常是根據機器人的行走速度v、履帶行走的驅動阻力、工作條件等，初步確定驅動輪分度圓直徑dK。然后確定鏈節距p及驅動輪齒數z等參數。

2.1 履帶節距及強度計算

1）履帶的節距。

履帶節距p，通常隨機重G的增加而線型增大，由于用于移動機器人底盤的履帶還沒有標準化，可參照已有相似機型底盤確定，也可參照標準鏈的節距確定。

2）履帶強度計算。

a.履帶的計算工況。

考慮到整機在爬坡行走時單條履帶所能傳遞的最大驅動力，假定電動機的力矩足夠，則此時一單條履帶所能傳遞的最大驅動力，取決于地面的附著條件，即

式中：PKφ為一條履帶所傳遞的最大驅動力，N；φ為附著系數，取0.7[3]；G為整車重力，N；f為滾動阻力系數，取0.08[3]；α為坡度；n為工作時的履帶條數，根據排爆機器人行走驅動型式，n取2或4。

b.履帶強度計算。

假定履帶拉力均布在銷子上，并將銷子的每段認為是一個具有兩個支點的簡支梁，而分段計算，如圖5所示，履帶銷單位長度上的平均壓力q=對不銹鋼材料，其許用剪切應力[τ]=210 MPa[4]。

圖5 履帶受力分析簡圖

2.2 驅動輪的齒形設計及其強度計算

2.2.1 驅動輪的主要參數確定

驅動輪的的主要參數有節距p、齒數z和節圓直徑dK。可按上述的方法確定節距p。對于履帶式驅動，排爆機器人驅動輪與履帶的嚙合是隔一個齒嚙合的，如圖4所示。這樣可以加大鏈軌的節距，便于安裝履帶板，同時自動清除泥土的效果會好一些。這是因為如果采用相鄰兩齒嚙合，在結構尺寸及制造上會造成履帶塊設計制造困難。為了保證驅動輪上各齒輪流與節銷嚙合，增加使用壽命，驅動輪的齒數通常取為奇數。在確定了節距和齒數的情況下，驅動輪的節圓直徑的計算公式為

2.2.2 驅動輪齒形設計

對驅動輪齒形應滿足[5]:1）使履帶銷孔外圓柱順利地進入和退出嚙合，減少接觸面的沖擊力；2）齒面接觸應力應小，以減少磨損；3）當履帶節距因磨損而增大時，履帶銷孔外圓柱與驅動輪齒仍能保持工作，不致脫鏈。為滿足以上3個條件，排爆機器人的驅動輪采用套筒滾子鏈齒形，如圖6所示。齒形參數的極限值計算如表1所示。

圖6 驅動輪齒形

a.齒谷半徑ρf。齒谷半徑ρf按照表1進行計算取值。

表1 履帶板銷套及驅動輪齒形[6]

b.根圓直徑df的計算公式為

式中，DR為銷套直徑。

c.頂圓直徑de。

與套筒滾子鏈不同的是，排爆機器人鉸接式履帶的驅動輪與履帶板嚙合部位是履帶板連接銷孔的外半圓柱面與驅動輪齒槽面嚙合，齒頂位于履帶板上方，為避免傳動時運動干涉，齒頂應低于履帶板，即齒頂與履帶板間留有0.5～1.0 mm間隙，如圖7所示。

圖7 驅動輪齒頂與履帶板間隙

為了盡可能減輕排爆機器人的設計質量，通常驅動輪采用7075 T651的鋁合金制造，為提高驅動輪的使用壽命，驅動輪齒通常設計為2排，如圖8所示。具體參數可根據結構及參照相關標準設計。

圖8 雙排齒寬參數

2.2.3 驅動輪強度校核

根據文獻[5],驅動輪的計算載荷取單履帶所能傳遞的最大驅動力，并假定轉矩只有一個齒傳遞。由于驅動輪槽采用圓弧底面，且齒高采用短齒高，故彎由強度可不進行計算，只進行擠壓強度計算。

擠壓應力計算公式為[6]

式中：F為接觸正壓力；b為接觸線長度；μ1、μ2為兩物體材料的泊松比，兩物體材料相同，都為7075 T651，取0.33；E1、E2為兩物體材料的拉壓彈性模量，兩物體材料相同，都為7075 T651，取75 000 MPa；ρ1、ρ2為兩物體接觸處的曲率半徑。參照圖6可知，ρ2=ρf，ρ1=dR。

為方便計算且不失安全性，在表1中，按最大齒槽計算。由于

在式（10）的計算中，F為整車均分到一條履帶上的正壓力或單履帶中的最大驅動力，取兩力中的最大值。

3 設計實例

某型號排爆機器人采用四履帶移動式底盤，每條履帶用伺服電動機獨立驅動。初步估算，排爆機器人總質量（含負載質量）約為150 kg，設計行走速度為1.5 m/s，可爬45°坡。初步設計時，假定四履帶均分載荷。

3.1 履帶及驅動輪參數確定

參照同規格機器人，確定履帶寬為60 mm，節距p=30 mm，根據排爆機器人總體布局、設計行走速度及參照同規格機器人初步選定驅動輪節圓直徑d約為230 mm。由式（6）可計算得驅動輪齒數z=48.03，取奇數z=49。此時可計算得驅動輪節圓直徑d=234.6 mm。銷套直徑即與驅動輪齒槽嚙合的直徑確定為dR=8 mm。

由式（7）、式（8）計算可得驅動輪根圓直徑df=226.6 mm，驅動輪頂圓直徑de=235 mm，齒槽幾何參數可按表1進行計算選取。

3.2 履帶及驅動輪強度計算

參照圖5所示，設計確定銷直徑d=3 mm，半徑r=1.5 mm；銷套半徑R=dR/2=4 mm；b1=10.8 mm，b2=21 mm。

由式（1）可計算單履帶的最大驅動力PKφ=234 N。根據以上公式計算履帶及驅動輪強度計算結果如表2所示。

表2 履帶及驅動輪強度計算實例結果

4 結語

通過對排爆機器人用履帶行走傳動裝置的研究，設計了一種結構簡單的鉸接式履帶，采用輕質金屬材料提高了履帶的強度及剛度，簡化了履帶的結構，降低了制造成本，對排爆機器人的輕量化設計及推廣應用具有積極的作用。

通過對鉸接式履帶行走傳動裝置的傳動原理、驅動輪齒形設計方法、強度計算方法及其設計方法實例的論述，為其推廣應用打下理論基礎。