某履带无人平台行走机构设计

袁芬 赵洪雷 卢国轩 李彪 吴宏涛

摘要：在借鉴同步齿形带传动原理的基础上，提出了某履带无人平台行走机构的设计思路。对橡胶履带节距和宽度、驱动轮设计、导向轮以及负重轮的设计参数进行了分析，为同类行走机构的设计提供了新的设计思路和方法。

关键词：同步齿形带;行走机构;橡胶履带;驱动轮

履带式车辆具有接地面积大、接地比压小、附着性能好、爬坡能力强等优点，广泛用于工程机械和农业机械等野外作业车辆中[1]。近几年伴随着无人车的兴起，越来越多的无人车辆采用履带式结构形式，而履带行走机构的优劣直接影响着车辆的性能。本文针对某履带式无人平台，在借鉴同步齿形带的基础上提出了行动系统的设计要点和解决方法。

履带式行走机构

履带行走系统由驱动轮、张紧轮、履带、负重轮、车架组成。履带与其所绕过的驱动轮、导向轮和负重轮组成“三轮一带”，由于尺寸较小，省去了传统“四轮一带”中的托带轮[2]。

驱动轮前置，将来自电机的扭矩传递给橡胶履带。导向轮后置，用于引导履带正确绕转。张紧装置保证履带前进时不因稍受外力即松弛。负重轮轮组，保证履带接地压力分布均匀。

行走系统的设计

履带行动系统中驱动轮和橡胶履带的设计通常有两种方案。第一种方案是由聚氨酯和橡胶等材质制成的同步齿形带，这种方案将履带驱动轮设计成同步带结构，并与齿形带啮合，带动履带运动;第二种方案是参考金属制成的链式履带，履带驱动轮设计成链轮结构，啮合链式履带。在大多数的履带车辆中选择第二种方案，在本系统中考虑到该行走系统主要在城市楼宇中作业，为降低生产成本和周期借鉴了第一种方案。

履带

由于该行走底盘属于小型车辆，选用了工程机械上常用的橡胶履带。在履带的选型和设计中，橡胶履带的节距是最重要的一个参数，可参考金属履带选取，根据经验公式估算：

式中： –履带节距，单位为mm;G–整机重量，单位为kg。

根据计算值参照各橡胶履带制造商的选型表，最终确定履带节距。

在履带选择中还需要考虑接地比压P，该值与行动系统工作路面有关，决定了行动系统的通过性，并通过此值确定履带总结地面积A。

式中，L–行走机构的接地长度，单位为m;

G–车体重量，单位为kN;

b–履带宽度，单位为m;

P–接地比压，单位为kPa。

履带宽度和履带接地长度的经验公式：

根据上面的计算，按照所选厂家提供的橡胶履带标准选取。在本项目中选用的橡胶履带参数为：宽度130mm ×节距60mm ×节数33。

驱动轮

驱动轮的作用是将驱动电机的动力传递给履带，因此驱动轮与履带啮合顺畅是整个行走系统最关键的因素。一般履带驱动轮齿数不宜少于7个，且驱动轮齿数和履带的节数互为质数，保证均匀啮合，增加使用寿命。

橡胶履带驱动轮的节圆直径：

齿顶圆直径：

式中：–履带节距;Z–驱动轮齿数;δ–节顶距。

选择z=1，z=13，经计算，齿顶圆直径。

一般情况下履带和驱动轮的啮合有三种情况，即：亚节距啮合、等节距啮合、超节距啮合。实际中，等节距啮合只是一个理论概念，履带和驱动轮的啮合要么是亚节距啮合，要么是超节距啮合[3]。但在设计时，选择等节距啮合，给设计和加工留出误差余量。在装配时允许亚节距啮合的出现，因为这种亚节距会伴随着履带和驱动轮齿的磨损、履带张紧等慢慢过渡到等节距啮合、超节距啮合，但是橡胶履带节距不能过小，否则容易出现爬齿现象。在研制中一般推荐橡胶履带节距比驱动轮节距小3%以内。

导向轮和张紧装置

导向轮布置在车体后部，用于引导履带正确绕转，防止跑偏和越轨。不需要传递速比，为保证行走系统的稳定性，其直径与驱动轮一致。

张紧装置采用机械式调整机构，保证履带前进时不因稍受外力即松弛而影响履带和驱动轮的正常啮合。

负重轮

负重轮的个数和布置应有利于使履带接地压力分布均匀。因此，在本项目中采用多支点结构，形成一个负重轮轮组，该轮组与车架紧密连接，支撑来自整台车的质量。一般负重轮的直径和橡胶履带的关系为，每边负重轮的个数通常为3～5个，在本行走系统中每边负重轮为5个，形成一个负重轮组。

实物验证情况

在完成某履带式無人平台行走结构底盘的设计和制造后，为验证底盘的性能，对该底盘行动系统分别进行了台架试验、公路地面行驶、攀爬楼梯等试验，行动系统运转顺畅，满足性能指标要求。

结论

本文提出了使用同步带原理对履带和驱动轮设计的理念，并通过对履带选型、驱动轮设计等核心部件的参数确定进行了分析研究，对负重轮、导向轮及张紧装置的设计方法进行了阐述，为更多同类型履带行走机构的设计提供了参考依据。

参考文献

齐英杰，孙志刚，马岩，方彦.小型履带拖拉机行走系统设计分析与实验研究[J].农机化研究，2018（1）：228～233.

孙振杰，刘俊峰，李彩风，李建平.微型农用履带式行走装置的设计方法[J].农机化研究，2011（10）：55～58.

姜金球.履带链轮亚节距啮合技术的研究[J].矿山机械，1995（1）：22～25.