小型電動履帶底盤系統設計與試驗

孫欣欣

（常州漢森機械股份有限公司，江蘇常州 213034）

0 引言

茶園、果園作業環境空間狹窄、作業種類繁多，對機械動力要求希望綠色環保。因此，發展小型、環保、高效、電動動力底盤是提升機械化作業水平的關鍵。

近年來，電動技術快速發展，電動底盤以其靈活、環保等特點在茶園、果園得到大量應用。針對此情況，筆者在現有的履帶式動力底盤基礎上，對電動動力系統進行匹配設計，對傳動系統及結構進行理論分析，設計了一種小型電動自走式履帶底盤，該底盤主要可以滿足動力環保、作業空間狹窄等拖拉機無法進入的果園、茶園作業的動力和續航方面的需求。

1 動力底盤總體結構與工作原理

果園種植環境有丘陵地形和平原地形，本文研究最大坡度不超過20%地形作業用機器，主要適應除草、采摘、植保及搬運等作業，確定底盤最高行駛速度為6.5 km/h、最低行駛速度為1.5 km/h、最大載重質量為300 kg、自重120 kg，續航里程為30 km，以滿足各種復雜工況需求。

1.1 底盤結構

電動履帶式底盤主要由車架、驅動電機、電池、變速機、控制系統、左側履帶和右側履帶組成，如圖1所示。作業底盤的動力系統安裝于作業底盤行走裝置的前部位置，上方安裝用于茶園、果園作業的各種農機具。

圖1 自走履帶式底盤結構

1.2 工作原理

作業底盤通過有線控制履帶式行走裝置作業，采用差速器傳動方案，驅動電機驅動變速箱帶動履帶底盤驅動輪轉動。驅動電機由控制系統獨立控制，變速機通過離合器與驅動軸連接，通過控制離合器實現底盤的差速轉向、切邊轉向和原地轉向，原理如圖2所示。

圖2 自走履帶式底盤工作原理圖

2 關鍵部件設計

動力系統的關鍵部件包括驅動電機、電池、減速機、履帶行走裝置，根據設計要求對動力系統關鍵部件進行匹配設計。

2.1 驅動電機匹配設計

2.1.1 最高車速工況。根據底盤行駛的作業速度要求，驅動電機的額定功率計算公式為：

式中，ηd為傳動系統機械效率（考慮到果園茶園道路較差f滾動阻力系數在0.10～0.15變化）；

Vmax為底盤最高行駛速度（6.5 km/h）。

2.1.2 爬坡工況。爬坡工況下驅動電機的峰值功率計算公式為：

式中，ηt為傳動系統的機械效率0.92；

Vmin為爬坡過程低速度（1.2 km/h）。

爬坡過程中，電機輸出扭矩Tpmax為：

式中，R為底盤驅動輪半徑0.065 m；

i為傳動比30；

Fpc為底盤在爬坡工況下的驅動力（N）。

2.1.3 轉向工況。切邊轉向時所克服的轉向阻力矩最大，此時驅動電機需要輸出的力矩的計算公式為：

式中，Fqt為切邊轉向所需驅動力（N）；平地直行只受平直阻力，坡面直行既受平直阻力又受坡道阻力，平地轉向只受轉向阻力。因此，不同情況下，單側履帶的驅動力分別為：>

B為兩履帶距離0.6 m；

η為切邊轉向時阻力系數0.33；

Mμ為切邊轉向時阻力力矩，取

底盤行走與底盤質量與負載大小有關，電機的輸出最小轉矩要滿足坡道啟動，其扭矩不少于當其小于對應狀態下的負載阻力矩時，電機轉速將會出現非額定轉速狀態下的停滯而無法起動，或者燒壞。

根據理論計算的參數，綜合設計余量和實際應用等因素，選定規格為48 V，1.2 kW直流無刷永磁電機，扭矩30。

2.2 減速機匹配設計

選定的直流無刷電機輸出轉速為1500 r/min，最高行駛速度大于6.5 km/h，最低速度1.5 km/h，計算公式為：

式中，imin為最小傳動比

求得imin≤5.65

imin取5.6

imax≤30.6減速比imax取30。

根據上述計算的減速比以及底盤空間結構，變速箱的傳動比最小為5.65，最大為30，中間可以選一到兩個檔，底盤在低擋時獲得較大的扭矩。

3.1 傳動方案分析

履帶底盤重心低，接地面積大，比輪式底盤適用于果園、茶園的使用。常見的履帶式車輛的驅動方式有以下幾種（圖3）。

圖3 傳動方案

圖3（a）是傳統簡單的驅動方式，電動機將動力傳到主傳動軸1，動力減速后經減速器2傳到離合器，再傳向左右兩邊的驅動輪，在左右半軸上各設有制動器。當需要中斷一側動力時，可以通過離合器斷開半軸的動力傳輸。轉向時，切斷一側動力即可實現兩側差速，此時底盤向該側轉向。該驅動方式的特點是結構簡單，由一個電動機傳遞動力，控制簡單，直線行駛性能好，維護方便，在不同的使用條件下可以選擇不同的擋位。結合機械變擋可以獲得較大的驅動扭矩，電機在較高的效率下工作，功耗損失小。但是無法實現原地轉向，其轉向半徑一般大于軌距的一半。圖3（b）是兩側獨立的輪邊減速驅動方式，電機動力經減速器到驅動輪，兩側獨立驅動，可以以任意速度差速。該驅動方式的特點是，從驅動的源頭上解耦動力，機械部件進一步減少，可以實現原地轉向，直線行駛性能差、控制復雜，但對電機要求極高。圖3（b）是輪轂電機驅動方式，這類驅動較上一類更為簡潔，省去了減速部件，由兩側的電機直接獨立帶動驅動輪。該驅動方式的特點在于驅動系統空間利用率極高、可以實現原地轉向，但控制復雜，直線行駛性能差、使用低速大扭矩電機成本較高。

考慮到國內的使用水平和維護水平，同時要滿足在茶園、果園農業作業空間的使用和制造成本等多方面的綜合考慮，本設計考慮采用圖3（a）的設計方案，實物圖如圖1所示，變速采用電機調速與機械擋位調速相結合，讓電機在高扭矩輸出段工作；由于機器較小，采用單側履帶動力分離制動實現轉向，轉向半徑小于1 m，可以滿足茶園和果園的道路的轉向要求。

3.2 總體布置方案分析

3.2.1 驅動橋布置。驅動橋后置履帶下側為緊邊，對于橡膠履帶而在果園、茶園坑洼的路面履帶拉緊懸空，對橡膠履帶的使用壽命有一定的影響；驅動橋前置履帶下側為松邊，有利于提高使用壽命，考慮到該底盤主要在坑洼地面行走，本機構設計方案采用前置驅動布置。

3.2.2 履帶參數設計。由于整機質量較輕，選擇履帶總數為2根。履帶節距選擇72 mm、寬度150 mm、履帶的接地長度L750 mm和軌距B600，L/B比值1.25，該比值一般在1～1.4范圍內，轉向性能滿足直線行駛和轉向性能要求，接地壓力，有較好的泥濘道路使用性能。

3.2.3 輪組參數設計。驅動輪安裝在傳動半軸上，將驅動轉矩轉換成卷動履帶的作用力，實現履帶式底盤的行駛運動。考慮到底盤通過性能，輪組的設計要求有一個接近角，后導向輪設計與支重輪等高，同時具有導向輪和支重輪作用，支重中部設計搖架，便于通過土埂（圖4）。

圖4 輪組設計

設計驅動輪的齒數z=6，驅動輪直徑為130 mm，導向輪直徑為210 mm，支重輪直徑為210 mm。

3.2.4 變速箱半軸。變速箱半軸最終傳遞動力的扭矩，并承受成卷動履帶拉力產生的彎矩，對半軸進行應力分析，分析以一側轉向附著力最大時作為計算依據（圖5）。

圖5 變速箱半軸

半軸材料采用40Cr經調質局部高頻淬火處理，為了確保半軸的使用可靠性，對半軸進行了校核，見圖6。

圖6 變速箱半軸校核

3.2.5 差速器的設計。小型機器差速器由于受力小設計上力求結構簡單，便于維修，如圖7所示。

圖7 差速器設計

3.2.6 變速箱結構。根據使用要求和零部件強度計算，變速箱結構如圖8所示，包括變速、離合、制動、左右半軸等結構，動力經外側皮帶輪輸入。

圖8 變速箱結構

3.2.7 電動機控制。電動機的驅動電路是以圖示的構造與電動機連接，大致可分為5個區間。電源電路、電流控制電路、邏輯電路、設定比較電路、電源電路，見圖9。

圖9 電動機控制

3.2.8 動力電池匹配設計。根據自走式履帶底盤的實際工況需求，選擇鉛酸蓄電池作為動力電池。選定的直流無刷電機工作電壓為48 V，將4塊12 V鉛酸蓄電池串聯組成動力電池組。單體電池容量計算公式為：

式中，n 為鉛酸蓄電池數量；Pe為額定功率（kW）；S續設計續航里程為20 km，代入參數可得Crmin≥71.6A·h，考慮到工作中啟停次數較多，空轉時間較多，為了提高蓄電池使用壽命，選定電池容量為100 Ah額定工作電壓12 V的鉛酸電池。

4 根據設計方案的參數建立仿真模型

根據電動自走式履帶底盤初步結構設計，確定各部分的參數，動力電池關鍵參數、減速機和驅動電機關鍵參數設定如表1所示，動力電池通過電機輸出扭矩，經變速箱減速向履帶傳遞動力，驅動底盤。根據動力電池通過電機輸出扭矩，經變速箱減速向履帶傳遞動力，驅動底盤。根據以上設定參數進行動力仿真分析結果分析如下。

表1 關鍵參數設定

4.1 最大驅動力仿真結果分析

隨著行駛速度的增加，最大驅動力和剩余驅動力不斷降低，應滿足最大行駛速度在6.5 km/h時驅動力要求，最大行駛速度在6.5 km/h時驅動力為617.4 N，電機提供的驅動力1338 N大于高速行走時的所需的驅動力，為最低行駛速度在1.2 km/h時驅動力為8298 N，遠大于轉彎及爬坡所需要的驅動力的作業要求。

4.2 爬坡度仿真結果分析

電動自走式履帶底盤最大爬坡行駛速度隨著坡度的增加不斷下降；作業底盤在通過35%（20°）的坡度路面時的行駛速度為2.2 km/h，滿足底盤爬坡動力系統的設計要求。

4.3 續航里程仿真結果分析

電動自走式履帶底盤動力電池組荷電狀態由92%降至20%，開路電壓由55.8 V降至48 V，共用約5.7 h，滿足工作8 h的時間要求；選定電池容量為150 Ah額定工作電壓12 V的鉛酸電池可以滿足8 h的工作時間。

實際工作時存在大量的空轉時間，如果扣除40%的空轉時間，底盤以6.5 km/h的速度行走續航里程約為22 km，符合20 km續航里程動力系統匹配的設計要求。

5 試驗分析

5.1 試驗方案

給底盤加載滿負荷300 kg，試驗路段選擇山坡和石子路，滿足f大于0.3的條件，路段分為平路和坡路，坡路通過30℃的測試路段，行駛速度試驗25 m為加速路段和250 m為測試路段。試驗過程中，底盤在25 m內加速到規定速度，在250 m路段使用精度為0.01 s的秒表計時，試驗次數為10次。

爬坡試驗分為兩種工況：第1種為作業底盤在坡下達到最高行駛速度后通過坡度約為10%、長度為15 m的山土坡；第2種為底盤停在坡度約為35%、長度為35 m的土坡上，在制動狀態下從靜態運動至半坡，單邊制動連續橫向轉彎。分別對上述兩種工況進行測試。

續航能力試驗中，滿載作業底盤在平坦的路面上以4 km/h的作業速度測試，每運行500 s停機1次，記錄和測量電池組的開路電壓，電池容量達到80%時結束運行。

5.2 試驗結果分析

試驗結果如表2所示：根據試驗數據證明，可以代替燃油動力傳動要求。

表2 試驗結果

6 結語

根據以上研究分析，常州漢森機械股份有限公司根據上述研究結果，對SZ130燃油動力底盤進行了改進，效果良好，滿足用戶的使用要求。目前，產品出口日本和歐洲用于小型果園的運輸，在國內的果園、茶園小批量推廣使用。