UTV800-2 型全地形車動力輸出裝置的設計

摘要：農用植保無人機在野外作業時存在載荷量小、電池使用時間短、路況不好的地段到達困難等問題。利用全地形車通過性強等優點，對UTV800-2型全地形車進行改造，以解決無人機電池充電、運輸等問題。車中間增加一套動力輸出裝置，其動力輸出端連接小型發電機，以使其為無人機電池充電；車后部增加一個運載無人機平臺；車頂加裝一個為無人機提供藥液補給的箱體。設計計算動力輸出裝置輸出軸的轉速、扭矩、強度和三角帶的傳遞功率等主要技術參數。結果表明，對UTV800-2型全地形車進行的改造滿足設計要求，可為農用植保無人機的應用提供參考和技術支撐。

關鍵詞：全地形車； 無人機； 動力輸出裝置； 電池

中圖分類號：S221 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0058-03

全地形車（ATV）理論上是指可以在任何地形上行駛的車輛，其最大特點是具有較低的比壓，通過性強，可以在普通車輛難以機動的地形行走自如，輕松穿越沼澤、雪地、山林、池塘、溪流等惡劣地形[1-2]。

目前我國無人機（UAV）行業處于高速增長態勢，特別是農用植保無人機的應用發展在未來幾年內會處于一個井噴狀態。但是，因小型無人機的特性所限，其在野外作業時存在每架次載荷量小、電池使用時間短、電池充電不便、交通條件惡劣的山區到達困難等問題，這嚴重制約了植保無人機的推廣應用。為此，利用全地形車具有通過性強等優點，對UTV800-2型全地形車進行改造，以解決農用植保無人機電池充電、運輸等問題。在不影響UTV800-2型全地形車的整體性能的前提下，在車的中間部位增加一套動力輸出裝置，其動力輸出端口連接小型發電機發電，為無人機電池充電。后車廂改裝成可運載無人機的專用平臺。在車頂加裝一個藥液箱，為農用植保無人機提供藥液補給，有助于增加農用植保無人機的作業時間。

對UTV800-2型全地形車的改造，首要任務是研制動力輸出裝置，對動力裝置輸出軸的轉速、扭矩、強度、三角帶的傳遞功率等主要技術參數進行設計計算。

1 動力輸出裝置參數、結構及工作原理設計

1.1 參數設計

動力輸出裝置參數設計見表1。

1.2 結構及工作原理

動力輸出裝置主要由前傳動軸、輸入半軸A、主動齒輪、滑動花鍵套、輸入半軸B、后傳動軸、輸出軸、輸出帶輪、被動齒輪、限位套、變速箱體、變速箱蓋及左右兩套離合裝置等組成，其結構如圖1所示。

在全地形車的中間部位將動力輸出軸切斷，整條動力輸出軸分成前傳動軸和后傳動軸兩部分，在前傳動軸和后傳動軸中間增加一套動力輸出裝置。

輸入半軸A和前傳動軸由萬向節連接，前傳動軸在全地形車的動力輸入端。輸入半軸B和后傳動軸由萬向節連接。輸入半軸A和輸入半軸B安裝在同一條軸線上，兩個相對軸頭采用花鍵結構，且兩個軸頭之間留有1 mm的間隙。

滑動花鍵套安裝在輸入半軸A和輸入半軸B兩個花鍵軸頭上，右離合裝置控制滑動花鍵套的軸向移動。當滑動花鍵套完全安裝在輸入半軸A上時，由于兩個軸頭之間有間隙，輸入半軸A和輸入半軸B會切斷連接，故輸入半軸B不能轉動，此時全地形車后橋動力切斷，處于停車狀態。

順時針方向撥動右離合裝置的離合桿，可帶動離合撥叉和撥叉軸焊合轉動，從而帶動滑動花鍵套向輸入半軸B軸向移動，當離合撥叉轉動到定位鋼球的位置時，滑動花鍵套將輸入半軸A和輸入半軸B連接在一起。此時，全地形車后橋動力接通，車處于行走狀態，即全地形車一邊行走，一邊給無人機電池充電。定位彈簧、鋼球用于離合裝置的定位。

主動齒輪為固定齒輪，主動齒輪帶動被動齒輪轉動，從而帶動輸出軸及帶輪轉動。輸出帶輪帶動發電機轉動，實現發電功能，此時發電機可為無人機電池充電。

左離合裝置用于移動被動齒輪。被動齒輪為滑動齒輪，可沿著輸出軸滑動，實現主動齒輪和被動齒輪的離合。當被動齒輪與主動齒輪結合時，輸出軸帶動輸出帶輪轉動，進而帶動發電機發電。

順時針方向撥動左離合裝置離合桿，可帶動離合撥叉和撥叉軸焊合轉動，從而帶動被動齒輪向分離方向移動，當離合撥叉轉動到定位鋼球的位置時，主動齒輪和被動齒輪完全分離。被動齒輪與主動齒輪分離時，輸出軸不轉動，全地形車的運行恢復到未改造之前的狀態。

2 設計計算與結果

2.1 輸出軸轉速

輸出軸轉速n2計算公式為：

n2 = n1 ×（ Z1／Z2）（1）

式中：n2 為輸出軸轉速，r/min；n1 為主動齒輪轉速，1 000 r/min；Z1 為主動齒輪齒數，64；Z2 為被動齒輪齒數，42。

由式（1）計算得：n2=1 523 r/min。

2.2 輸出軸扭矩

輸出扭矩T 計算公式為：

T = 9 550Pη／n2（2）

式中：T 為輸出扭矩，N·m；P 為輸出功率，10 kW；n2為輸出軸轉速，1 523 r/min；η 為總傳動效率，0.95。

由式（2）計算得：T=59.6 N·m。

2.3 輸出軸強度校核

軸的材料選用45鋼，安裝輸出帶輪處的軸徑最小，是薄弱環節，這里需根據扭轉強度進行校核。

扭轉強度的計算公式[3]為：

式中：d 為危險截面處的軸徑，28.0 mm；P 為輸出功率，10 kW；ω 為軸的角速度，159.5 rad/s；A 為與材料有關的系數，A = 5.5 × 10-3。

由式（3）計算得：A3根號下 P／ω =0.0 215 m=21.5 mm。

可見，危險截面處的軸徑28.0 mm 大于計算值21.5 mm，符合強度要求。

2.4 三角帶強度校核

選用B型三角帶輪，帶輪槽數為4，帶輪直徑為140 mm。

三角帶的線速度υ 計算公式為：

υ = πd2n2 ／60 000 （4）

式中：n2為輸出轉速，1 523 r/min；d2為帶輪直徑，140 mm。

由式（4）計算得：υ=11.96 m/s。

B型三角帶，帶輪直徑為140 mm，三角帶運行速度為11.96 m/s，單根三角帶所能傳遞的功率為3 kW[3]，即四根三角帶能傳遞功率12 kW，滿足設計要求。

3 結論

動力輸出裝置輸出軸的轉速、扭矩、強度和三角帶的傳遞功率等主要參數滿足設計要求，動力輸出裝置運轉可靠，可高效地為無人機電池充電。車后部增加了運載無人機的專用平臺，同時加裝藥液箱為植保無人機提供藥液補給，增加了農用植保無人機的連續作業時間。由于全地形車具備越野性能好等特點，農用植保無人機與其配套使用可拓寬農用植保無人機的應用范圍，市場前景廣闊。

參考文獻

[1] 王江濤，王永芳，黃玉峰，等.全地形車傳動型式探討[J].物探裝備，2020，30（2）：89-91.

[2] 郭凌崧，戴磊，楊長云，等.全地形車的軍用適應性與發展前景[J].小型內燃機與車輛技術，2023，52（6）：78-83.

[3] 楊黎明，黃凱.機械零件設計手冊[M].北京：國防大學出版社，1984.