履帶式行走底盤設(shè)計【履帶式農(nóng)用拖拉機底盤的設(shè)計】,履帶式農(nóng)用拖拉機底盤的設(shè)計,履帶式行走底盤設(shè)計【履帶式農(nóng)用拖拉機底盤的設(shè)計】,履帶式,行走,底盤,設(shè)計,農(nóng)用,拖拉機 履帶式行走底盤設(shè)計 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： （湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙，410128） 摘 要：履帶式底盤的結(jié)構(gòu)特點和性能決定了它在農(nóng)田機耕作業(yè)中具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)農(nóng)田作業(yè)對拖拉機的要求，進行履帶式農(nóng)用拖拉機底盤的設(shè)計。項目研究對提高農(nóng)機設(shè)計水平和農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)水平具有重要意義。 該研究應(yīng)用農(nóng)業(yè)機械學(xué)、汽車拖拉機學(xué)、機械設(shè)計、機械原理等理論，對履帶式行走底盤的驅(qū)動行走系統(tǒng)進行了理論分析與研究，完成了履帶底盤主要工作參數(shù)的確定和力學(xué)的計算。利用Auto CAD、Pro/E等工程軟件完成了底盤的整體設(shè)計，達到了技術(shù)任務(wù)書的要求。從而得到了整體機架與其相關(guān)配合的結(jié)構(gòu)框架，對以后的進一步分析提供了一定的資料。 關(guān)鍵詞：履帶；底盤；行走裝置；設(shè)計 Crawler Type Walking Chassis Design Students: Sun Qianqian Instructor: Li Junzheng (College of Engineering , Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: The crawler chassis structure features and performance determines it having obvious advantages in farmland machine-cultivated homework. According to the requirements of farmland homework on tractor designs caterpillar agricultural tractor chassis . Research projects to improve the level of agricultural machinery design level and the agricultural mechanization technology is of great significance. The research application agricultural mechanics,automobile tractor, mechanical design, mechanical principles such as theories ,the crawler walking chassis drive walking system has carried on the theoretical analysis and research, which completed the crawler chassis determination of main working parameters and mechanical calculation. Use of Auto CAD, Pro E engineering such as software to complete the overall design of the chassis, has reached the requirement of technical specification. Thus, get the whole frame related with the structure of the framework, which provides some information later for the further analysis . Key words: Track; Chassis; Walking device; Design 1 前言 1.1 該研究的目的及意義 履帶式拖拉機的結(jié)構(gòu)特點和性能決定了它在農(nóng)田機耕作業(yè)中具有明顯優(yōu)勢。 首先，履帶式拖拉機的接地比壓相對較低,從51.8KW到118.4 KW的各型拖拉機的接地比壓為30～50KPa,而同級別的輪式拖拉機接地比壓要大的多。以96.2 KW拖拉機為例: 東方紅1302 履帶機接地比壓(裝推土鏟)為47.7KPa;東方紅1304 輪式機的接地比壓約為104 KPa, 相當(dāng)于履帶拖拉機的二倍多。無論是整地耙地作業(yè)還是播種作業(yè)履帶式拖拉機比輪式拖拉機都占有絕對優(yōu)勢。 其次，履帶式底盤的拖拉機不會對翻耕過的土壤造成多次反復(fù)的碾壓，而輪式底盤在整地和耙地作業(yè)時輪胎在翻耕過的土壤上反復(fù)碾壓，造成對土壤的多次壓實，不利于播種后種子的生長發(fā)育。因此，研究履帶底盤的性能具有極其重要的意義。 最后，幾乎所有近山區(qū)種植糧油作物的農(nóng)戶毫無例外的選擇履帶式拖拉機。由于山區(qū)的大部分耕地坡度較大,而輪式拖拉機在坡地作業(yè)時穩(wěn)定性差、不安全、作業(yè)質(zhì)量也差。農(nóng)戶普遍選擇履帶式拖拉機進行犁地、耕地、耙地作業(yè)。與輪式拖拉機相比，履帶式拖拉機完成的作業(yè)量可達到總作業(yè)量的60％～70％。 因此，綜合考慮,本設(shè)計圍繞履帶式行走底盤的相關(guān)資料對其進行相應(yīng)的設(shè)計及創(chuàng)新。主要以參考農(nóng)業(yè)機械為主，并且相應(yīng)的履帶為橡膠履帶,結(jié)合現(xiàn)有的底盤進行設(shè)計。此款履帶拖拉機適用于我國旱地，特別是平原地區(qū)，在坡度不大的山區(qū)也可使用。 1.2 履帶式行走底盤設(shè)計的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 國外的研究與發(fā)展 底盤的作用是支承、安裝發(fā)動機及其各部件總成，形成車輛的整體造型，并傳遞動力，使整車產(chǎn)生運動，保證正常行駛。 在國外，履帶式行走底盤研發(fā)較早。早在1986年W.C.Evans和D.S.Gove在硬地面和已耕地上,完成了1種橡膠履帶與1種四輪驅(qū)動拖拉機牽引性能實驗的研究。在相同的底盤結(jié)構(gòu)情況下，橡膠履帶牽引效率與動態(tài)牽引比要高,在已耕地和硬地面上其最大牽引效率是85%～90%,四輪驅(qū)動拖拉機是70%～85%。此后又有許多橡膠履帶拖拉機與四輪驅(qū)動拖拉機性能試驗的研究，如橡膠履帶拖拉機與四輪驅(qū)動拖拉機在4 種地面(未耕、已耙過、已犁過燕麥茬地和玉米茬地)的牽引性能(動力牽引比、牽引系數(shù)與打滑率）的關(guān)系等。 在市場發(fā)展方面，國外生產(chǎn)的履帶拖拉機在技術(shù)水平、生產(chǎn)能力等性能方面具備較強的競爭能力。履帶拖拉機國際上的競爭對手是卡特匹勒公司的橡膠履帶拖拉機系列產(chǎn)品。一拖公司的產(chǎn)品無論是技術(shù)水平、還是生產(chǎn)能力都不具備競爭能力，只有價格有吸引力，但從性能價格比分析，一拖產(chǎn)品還是處于劣勢。因此，公司的新一代大功率橡膠履帶拖拉機將盡快投放市場，借以鞏固傳統(tǒng)市場，發(fā)揮競爭優(yōu)勢。 1.2.2 國內(nèi)的研究與發(fā)展 我國生產(chǎn)履帶底盤的歷史較短，與起重機的發(fā)展基本相同，與世界先進國家相比，國內(nèi)履帶底盤的技術(shù)含量低、系列化程度低，在制造和設(shè)計上還存在一定的差距。近年來，國內(nèi)履帶起重機的快速發(fā)展，給履帶底盤的發(fā)展帶來了機遇，系列得以不斷的提高。 20多年來,國內(nèi)部分院校、研究院所和企業(yè)對橡膠履帶車輛做了一定的研究，如:中國農(nóng)業(yè)機械化研究院及南京農(nóng)業(yè)機械化研究所對水稻收割機橡膠履帶的研究,青島建筑工程學(xué)院對橡膠履帶接地齒接地壓力的試驗研究,中國一拖集團有限公司對橡膠履帶拖拉機的研究和杭州永固橡膠廠對橡膠履帶的研究等。下面主要介紹在橡膠履帶拖拉機方面的研究。1994 年中國一拖集團有限公司在牽引力等級為3 t 級的履帶拖拉機上,對采用金屬履帶和橡膠履帶進行了比較試驗,試驗在硬黃土地面上進行。與此同時，相關(guān)的底盤也有了一定的發(fā)展。此后,一拖公司還對采用橡膠履帶的拖拉機、推土機進行了使用試驗。主要是橡膠履帶的耐磨性試驗,橡膠履帶的脫軌試驗,橡膠履帶的壽命試驗,不同結(jié)構(gòu)橡膠履帶的可靠性試驗,橡膠履帶的伸長試驗以及通常性的作業(yè)查定。 國內(nèi)市場上的履帶拖拉機及變形產(chǎn)品，目前仍然是一拖的產(chǎn)品為主導(dǎo)。這類產(chǎn)品的銷售由于受國家宏觀經(jīng)濟政策的影響，處于波動狀態(tài)。無論是作為工程機械變型、農(nóng)田作業(yè)牽引或驅(qū)動動力，還是作為農(nóng)業(yè)機械行走底盤，其功能并非輪式拖拉機可以完全替代的。但受國家政策和大功率輪式拖拉機發(fā)展的影響，長遠(yuǎn)看會在市場競爭中處于被動局面。總之，與履帶相對應(yīng)的底盤作為相關(guān)機械的行走機構(gòu)，其發(fā)展方向始終圍繞著安全可靠性、操作舒適性、環(huán)保節(jié)能等方面發(fā)展，在這方面國內(nèi)外一直在不斷的努力改進中。 2 設(shè)計任務(wù)書 2.1 總體設(shè)計依據(jù) 履帶式底盤是機器的重要部件，它對整個裝置起著支撐作用。所以根據(jù)現(xiàn)有工業(yè)的履帶機械（挖掘機）再結(jié)合農(nóng)用的履帶（拖拉機）對整個裝置進行較完整的配合與加工等一系列的設(shè)計。 2.1.1 設(shè)計要求 在現(xiàn)有的機械資料的基礎(chǔ)上，充分考慮到實際的要求，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的緊湊及其配合的合理。同時，要對應(yīng)該計算的部分進行必要的計算，但是實際的情況有所不同，應(yīng)該根據(jù)實際作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合計算的數(shù)據(jù)進行綜合考慮，爭取找到比較好的方案和結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計采用現(xiàn)在相關(guān)工業(yè)機械上的一些底盤設(shè)計與實物作為參考，綜合考慮底盤結(jié)構(gòu)，使其可以在不同的地域都可較好的支撐機體使其可以正常的工作。本設(shè)計對驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，使整個底盤結(jié)構(gòu)較好的適應(yīng)多山的環(huán)境。 2.1.2 設(shè)計內(nèi)容 （1）產(chǎn)品的用途估計； （2）主要技術(shù)參數(shù)、性能參數(shù)的確定； （3）履帶底盤結(jié)構(gòu)分析及其確定； （4）行走裝置的設(shè)計； （5）履帶車輛相關(guān)性能的計算和確定； （6）重要零部件的設(shè)計及校核。 2.2 產(chǎn)品的用途 本次設(shè)計的履帶底盤是對相應(yīng)小功率農(nóng)用機械使用的。目前這個設(shè)計主要是考慮在半干旱及干旱條件下使用，比如用在煙草、油菜等作物的種植和收獲機械平臺上。一些地區(qū)，如山區(qū)，丘陵等難以行走的復(fù)雜地面有著較好的普及潛力。同時，它可以提高相關(guān)作業(yè)的效率，有效的提高農(nóng)民的經(jīng)濟收入。 2.3 產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)與主要技術(shù)參數(shù) 這里參照小型農(nóng)用拖拉機履帶底盤設(shè)計的指標(biāo)及參數(shù)，見表1。 2.4 設(shè)計的關(guān)鍵問題及其解決方法 設(shè)計的關(guān)鍵問題是在保證正常工作條件下，其結(jié)構(gòu)盡可能的簡單方便。同時，要注意結(jié)構(gòu)的合理性與正確性。 本次設(shè)計采用六角螺母的定位方法，使其在結(jié)構(gòu)上基本一致，同時結(jié)構(gòu)也緊湊的連接，初步達到設(shè)計的目的。還有，對于履帶轉(zhuǎn)向的控制，主要是通過設(shè)置主動輪的運動，采用單邊離合的方式，以某一邊為中心進行轉(zhuǎn)向。 表1 履帶式行走底盤設(shè)計主要技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)參數(shù) Table 1 Crawler type walking chassis design main technical indicators and parameters 序 號 項 目 單 位 參 數(shù) 1 整機重量 kg 600 2 行走速度 m/s 0.5~1.5 3 驅(qū)動輪半徑 mm 約108 4 發(fā)動機的功率 kw 8左右 5 履帶高度 mm 360 6 底盤軸距 mm 860 7 底盤軌距 mm 450 8 履帶板寬 mm 200 9 底盤高度 mm 400 3 設(shè)計方案的比較分析與選擇 3.1 行走底盤方 案 3.1.1 履帶式底盤與輪式底盤的比較 底盤可以分為履帶式與輪式，輪式底盤運用較廣，但是它的牽引附著性能差，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地的使用受到一定的限制。雖然大功率輪式拖拉機具有輪距調(diào)整方便、軸距長、質(zhì)量分配均勻、充氣輪胎有減振性,行駛中地面仿形性好, 振動小、運輸速度快,綜合利用率高等優(yōu)點，但是不適于低濕地作業(yè)。而且,引進國外的具有世界先進技術(shù)水平的大功率輪式拖拉機,價格和維修費用都較高。大功率輪式拖拉機機重一般在5500~8500kg, 接地面積比履帶拖拉機小,因此接地壓力較大，土壤易板結(jié)，不利于土壤的蓄水保墑和作物的生長，即使經(jīng)過深度翻耙,依然會保持碎小的板結(jié)硬塊, 土壤的顯微結(jié)構(gòu)遭到了破壞。履帶式底盤牽引附著性能好，單位機寬牽引力大、接地比壓低、越遠(yuǎn)性能強、穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊，容易操縱，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地使用時性能顯著。兩者比較采用履帶式底盤更加適應(yīng)多山的地貌特征。 履帶底盤又分為金屬履帶底盤和橡膠履帶底盤。金屬履帶拖拉機牽引力大，適合重負(fù)荷作業(yè)(如耕、耙等)，接地比壓小,對農(nóng)田壓實、破壞程度輕,特別適合在低、濕地作業(yè), 而且除田間作業(yè)外, 還在農(nóng)田基本建設(shè)和小型水利工程中用作推土機, 綜合利用程度較高。但其主要缺點是在潮濕和砂性土壤上行走裝置,如支重輪、導(dǎo)向輪、托帶輪及履帶板(俗稱三輪一板)磨損較快, 維修費用高,作業(yè)速度較慢,隨著公路網(wǎng)發(fā)展,金屬履帶拖拉機轉(zhuǎn)移越發(fā)困難,使用不便。 橡膠履帶拖拉機采用方向盤操縱的差速轉(zhuǎn)向機構(gòu),可控性強,機動靈活,轉(zhuǎn)彎更省力,履帶接地面積大,并有減振效果,乘坐舒適,由于接地比壓低,對地面破壞程度輕,尤其適于低濕地作業(yè),并可大大提高作業(yè)速度,改善道路轉(zhuǎn)移適應(yīng)性。橡膠履帶壽命長，維修保養(yǎng)費用和轉(zhuǎn)移運輸費用低。在開荒、改造中低產(chǎn)田、沙壤土質(zhì)地區(qū),顯示出極強的優(yōu)越性。其缺點是初置成本高。 3.1.2 方案的確定及總體設(shè)計 依據(jù)輪式與履帶機械的特點，及其以上所敘述的比較分析，綜合考慮后得出本設(shè)計采用橡膠履帶進行底盤設(shè)計，并且采用傳統(tǒng)模式的設(shè)計方法。 根據(jù)農(nóng)業(yè)機械學(xué)、汽車拖拉機學(xué)、機械設(shè)計、機械原理等理論，對履帶式行走底盤的驅(qū)動行走系統(tǒng)進行了理論分析與研究，完成了履帶底盤主要工作參數(shù)的確定和力學(xué)的計算。（相關(guān)計算見后面第4部分） 3.2 履帶行走裝置的設(shè)計 3.2.1 履帶行走裝置的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理 履帶行走裝置有“四輪一帶”（驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪、拖帶輪及履帶），張緊裝置和緩沖彈簧，行走機構(gòu)組成。如圖1所示。 1-履帶；2-驅(qū)動輪；3-托帶輪；4-張緊裝置；5-緩沖彈簧；6-導(dǎo)向輪；7-支重輪；8-行走機構(gòu)； 1 - Track; 2 - Driving wheel; 3 -Towing wheel ; 4 -Tensioning device ; 5 - Buffer spring; 6 - Guide wheel; 7 - Roller; 8 -Walking mechanism; 圖1 履帶底盤結(jié)構(gòu)圖 Figure 1 Crawler chassis structure 履帶行走機構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程機械、拖拉機等野外作業(yè)車輛。行走條件惡劣，要求該行走機構(gòu)具有足夠的強度和剛度，并具有良好的行進和轉(zhuǎn)向能力。 履帶與地面接觸，驅(qū)動輪不與地面接觸。當(dāng)馬達帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動輪在減速器驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的作用下, 通過驅(qū)動輪上的輪齒和履帶鏈之間的嚙合, 連續(xù)不斷地把履帶從后方卷起。接地那部分履帶給地面一個向后的作用力, 而地面相應(yīng)地給履帶一個向前的反作用力, 這個反作用是推動機器向前行駛的驅(qū)動力。當(dāng)驅(qū)動力足以克服行走阻力時, 支重輪就在履帶上表面向前滾動, 從而使機器向前行駛。整機履帶行走機構(gòu)的前后履帶均可單獨轉(zhuǎn)向，從而使其轉(zhuǎn)彎半徑更小。 3.2.2 履帶 履帶工作條件惡劣，必須具備足夠的強度和剛度，耐磨性能要求良好，質(zhì)量較輕以減少金屬的消耗量，并減輕履帶運轉(zhuǎn)時的動載荷，履帶和地面要有良好的附著性能，保證能發(fā)出足夠的牽引力，還要考慮減少行駛及轉(zhuǎn)向的阻力。根據(jù)設(shè)計方案，本機初定整機質(zhì)量為600kg，選擇橡膠履帶總條數(shù)為2條。 履帶支承長度L，軌距B和履帶板掛寬度b應(yīng)合理匹配，使接地比壓，附著性能和轉(zhuǎn)彎性能符合要求。令表示為接地長度，單位m，表示履帶的高度，單位m，G表示機器整機重量，單位為kg。則有經(jīng)驗公式知： 取 取 履帶節(jié)距和驅(qū)動輪齒數(shù)z應(yīng)該滿足強度、剛度要求。在此情況下，盡量選擇小的數(shù)值，以降低履帶高度。 根據(jù)節(jié)距與整機重量的關(guān)系： 其中的單位為mm,G的單位為kg。則 則 根據(jù)計算的與實際的資料,選擇履帶寬為200mm,總長2300mm。 3.2.3 驅(qū)動輪 在履帶作業(yè)機械上，多數(shù)都是把驅(qū)動輪布置在后方，這樣布置的優(yōu)點是可以縮短履帶驅(qū)動區(qū)段的長度，減少因驅(qū)動力造成履帶銷處的磨擦損失，延長了履帶的使用壽命，且不易造成履帶下部拱起，避免了轉(zhuǎn)向時履帶脫落的危險，有利于提高行走系統(tǒng)效率。驅(qū)動輪中心高度應(yīng)有利于降低重心（或車身）高度和增加履帶接地長度，改善附著性能，因此驅(qū)動輪高度應(yīng)盡量小。本設(shè)計選擇驅(qū)動輪后置，齒數(shù)為，如下圖所示 圖2 驅(qū)動輪圖 Figure 2 Driving wheel figure 則驅(qū)動輪直徑 式中：--履帶節(jié)距。 由公式 ； 得模數(shù) 分度圓直徑 ； 齒根圓直徑 ； 齒頂高 ； 齒根高 ； 齒高 。 3.2.4 導(dǎo)向輪、支重輪和托帶輪 導(dǎo)向輪的前后位置根據(jù)驅(qū)動輪位置而定，通常布置在前面。導(dǎo)向輪用于引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn)，可以防止跑偏和越軌，導(dǎo)向輪中心離地面高度應(yīng)有利于降低重心。本設(shè)計選擇導(dǎo)向輪前置，其直徑比驅(qū)動輪直徑略小，即 支重輪的個數(shù)和布置應(yīng)有利于使履帶接地壓力分布均勻。農(nóng)業(yè)用行走機構(gòu)工作多在山區(qū)或丘陵地區(qū)，路面多為土路，履帶裝置需要較小的平均接地比壓，支重輪的壓力要分配均勻。因此，對于小型農(nóng)用履帶拖拉機應(yīng)采用直徑較小的多個支重輪。本設(shè)計選用8個支重輪，其直徑。支重輪的排列應(yīng)考慮機器的平穩(wěn)性，兩支重輪之間的距離s一般為1.5，取s=150mm,其目的是保證行走裝置在任何時候都有支重輪作用在履帶的鐵齒上，從而減少或消除機器行走過程中的起伏落差，提高機器行走的平穩(wěn)性，減少行駛阻力。 托帶輪的作用是拖住履帶，防止履帶下垂過大，以減少履帶在運動中的振跳現(xiàn)象，并防止履帶側(cè)向滑落。托帶輪與支重輪相似，但其所承受的載荷較小，工作條件較支重輪要好，所以尺寸較小。本設(shè)計選用2個直徑為100mm的托帶輪。 3.2.5 張緊裝置 張緊裝置的緩沖彈簧必須有一定的預(yù)壓量，使履帶中產(chǎn)生預(yù)張緊力。其作用是前進時不因稍受外力即松弛而影響履帶銷和驅(qū)動輪齒的嚙合，倒退時能產(chǎn)生足夠的牽引力，確保履帶銷和驅(qū)動輪齒的正常嚙合。 張緊彈簧由于裝置的反沖作用，在右方頂著導(dǎo)向輪使其在工作過程中，始終保持一定的張緊狀態(tài)，從而使履帶張緊導(dǎo)向輪導(dǎo)向。張緊裝置示意圖如下： 圖3 張緊裝置示意圖 Figure 3 Tensioning system schematic diagram (1)彈簧的選擇。因張緊裝置的作用，是通過彈簧對導(dǎo)向輪的推動從而達到張緊的作用。因此，選用壓縮、拉伸彈簧即可。對于選材采用通用的材料（）即可。 運用公式求得隔振彈簧的剛度： （1） 式中：--隔振系統(tǒng)頻率比； --振動質(zhì)體總重量；取； --振動頻率。 由 則代入公式 則通過計算知彈簧的剛度為。按工作的載荷進行計算時，許用應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)取低，取，彈簧的工作載荷約為。 （2）彈簧的計算。運用公式求得螺旋彈簧曲度系數(shù): （2） 式中：C--旋繞比（當(dāng)材料直徑時，C一般?。? 試取旋繞比C=6，則 根據(jù)公式求得材料的直徑: （3） 式中: ——曲度系數(shù)；（取） ——旋繞比；（取） ——彈簧的工作載荷；（?。? ——許用切應(yīng)力。（?。? 計算得彈簧絲直徑： 根據(jù)公式： （4） 式中：——切變模量；(取) ——彈簧中徑。(取) 計算得彈簧有效圈數(shù) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取 選擇冷卷壓縮彈簧YII，兩端圈并緊并磨平，取 則總?cè)?shù) 根據(jù)公式: （5） 式中：--彈簧材料直徑。 計算得節(jié)距 ， 選擇 間距 根據(jù)公式： 計算得自由高度 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取 壓縮彈簧高徑比 壓縮彈簧工作高度 壓縮彈簧壓并高度 螺旋角 彈簧材料的展開長度 經(jīng)計算可知：b<5.3,滿足穩(wěn)定性的要求。 4 履帶底盤相關(guān)性能的計算 4.1 牽引性能計算 履帶機械整機參數(shù)初步確定以后，一般應(yīng)進行下列計算，以估計該履帶機械的基本性能是否滿足預(yù)期要求，整機參數(shù)選擇是否合理。這里主要是關(guān)于牽引性能的計算。 計算時所用的工況一般為：空載狀態(tài)，在水平區(qū)段的茬地上（對旱地是適耕的茬地，對水田是中等泥腳深度的茬地），帶牽引負(fù)荷（牽引線與地面平行）全油門等速行駛。以下為表示的示意圖。（圖4） 圖4 履帶受力示意圖 Figure 4 Track force diagram (1) 履帶式機械的驅(qū)動力 履帶機械= （6） 式中: --發(fā)動機轉(zhuǎn)矩 ； --各檔總傳動比； --各檔總傳動效率； --驅(qū)動輪動力半徑 ； --履帶驅(qū)動段半徑效率，計算時一般取。 =； =； =。 式中：--最大使用重量； --履帶接地長度； --履帶板寬度； --般為； --額定牽引力； --牽引力。 根據(jù)(2)中的活動阻力，經(jīng)計算即可得 經(jīng)計算后得結(jié)果=。 (2) 履帶式機械的活動阻力 =f （7） 式中: --使用重量； f --履帶式一般取0.1。 經(jīng)計算后得結(jié)果= (3) 行駛速度 理論速度 =0.377 實際速度 =(1-) （8） 式中：--發(fā)動機轉(zhuǎn)速； --驅(qū)動輪動力半徑； --驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率（履帶式一般取0.07）。 經(jīng)計算后得結(jié)果=（2.5~5） (4) 履帶式機械的牽引效率 = （9） 式中: --各檔的總傳動效率； --滾動效率； --滑轉(zhuǎn)效率； --履帶驅(qū)動帶效率（一般取0.95）。 經(jīng)計算后得結(jié)果 (5) 履帶機械的附著力（要求：附著力應(yīng)大于或等于履帶行走機構(gòu)的牽引力且大于等于各阻力之和。） = （10） 式中: --一般取0.75； --取600千克。 經(jīng)計算后得結(jié)果=2.25。 (符合要求) 4.2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩的分析與計算 4.2.1 履帶轉(zhuǎn)向時驅(qū)動力說明 履帶行走裝置在轉(zhuǎn)向時, 需要切斷一邊履帶的動力并對該履帶進行制動, 使其靜止不動, 靠另一邊履帶的推動來進行轉(zhuǎn)向, 或者將兩條履帶同時一前一后運動, 實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向, 這里就用到了單向離合器。但兩種轉(zhuǎn)向方式所需最大驅(qū)動力一樣。因此以機器單條履帶制動左轉(zhuǎn)為例, 見圖5。 圖5 履帶轉(zhuǎn)左向示意圖 Figure 5 Tracks turn left to the sketch 左邊的履帶處于制動狀態(tài), 在右邊履帶的推動下, 整臺機器繞左邊履帶的中心C1 點旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生轉(zhuǎn)向阻力矩Mr, 右邊履帶的行走阻力Fr/ 2 。一般情況, 履帶接地長度L 和履帶軌距B 的比值L/ B≤1.6。同時, L/ B 值也直接影響轉(zhuǎn)向阻力的大小,在不影響機器行走的穩(wěn)定性及接地比壓的要求下, 應(yīng)盡量取小值, 也就是盡量縮短履帶的長度,可以降低行走機構(gòu)所需驅(qū)動力。 4.2.2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩的計算 轉(zhuǎn)向阻力矩是履帶繞其本身轉(zhuǎn)動中心O1（或O2）作相對轉(zhuǎn)動時，地面對履帶產(chǎn)生的阻力矩，如圖6所示，O1、O2 分別為兩條履帶的瞬時轉(zhuǎn)向中心。為便于計算轉(zhuǎn)向阻力矩的數(shù)值，作如下假設(shè)： 圖6 履帶轉(zhuǎn)向受力圖 Figure 6 Tracks to turn to (1)機體質(zhì)量平均分配在兩條履帶上，且單位履帶長度上的負(fù)荷為： （11） 式中: --車身總質(zhì)量； --履帶接地長度。 經(jīng)過計算：. 形成轉(zhuǎn)向阻力矩的反力都是橫向力且是均勻分布的。履帶拖拉機牽引負(fù)荷在轉(zhuǎn)向時存在橫向分力，在橫向分力的影響下，車輛的轉(zhuǎn)向軸線將由原來通過履帶接地幾何中心移至，移動距離為。 根據(jù)上述假設(shè)，轉(zhuǎn)向時地面對履帶支承段的反作用力的分布為矩形分布。在履帶支承面上任何一點到轉(zhuǎn)動中心的距離為，則微小單元長度為，分配在其上的車體重力為，總轉(zhuǎn)向阻力矩可按下式： （12） 式中: 轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。 （經(jīng)查表計算： 式中: --車輛作急轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)； --履帶軌距。） 將式（11）代入上式積分得并簡化得： （13） 即： （2)當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑如圖7所示，兩側(cè)履帶都向前運動，此時兩側(cè)履帶受地面摩擦阻力朝同一方向（即行駛的反方向），外側(cè)、內(nèi)側(cè)履帶受力分別為： （14) 圖7 此時轉(zhuǎn)向示意圖 Figure 7 At this point to sketch （3)當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑，如圖8所示，此時兩側(cè)履帶受地面摩擦阻力朝反方向，外側(cè)、內(nèi)側(cè)履帶受力分別為： （15） 式中: 分別為內(nèi)側(cè)前進阻力和驅(qū)動力； 分別為外側(cè)前進阻力和驅(qū)動力。 考慮機體的重心在中心位置，所以履帶的前進阻力 為： （16） 式中: — 履帶滾動阻力系數(shù) （ 即） 轉(zhuǎn)向時的最大驅(qū)動力矩為： 式中：r--驅(qū)動輪節(jié)圓半徑。 圖8 此時轉(zhuǎn)向示意圖 Figure 8 At this point to sketch 大半徑區(qū)轉(zhuǎn)向行駛時主動輪上的力： （17） 小半徑區(qū)轉(zhuǎn)向行駛時主動輪上的力： （18） 式中：--轉(zhuǎn)向比，。 轉(zhuǎn)向時的最大驅(qū)動力矩為： 經(jīng)過以上介紹及公式計算得： 分別計算轉(zhuǎn)向半徑的情況，得到。 與根據(jù)文獻“履帶車輛行駛力學(xué)”，得主動輪上的最大的驅(qū)動力及力矩為： 所得結(jié)果相同。 5 履帶底盤重要零部件的計算及校核 5.1 軸的設(shè)計與校核 5.1.1 軸的尺寸設(shè)計 軸的設(shè)計要求：（1）便于加工，軸上零件要易于拆裝；（2）軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作關(guān)系；（3）個零件要牢固可靠地相對固定；（4）改善受力狀況，減小應(yīng)力集中。設(shè)計中驅(qū)動輪傳動軸大致結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖9 驅(qū)動輪傳動軸 Figure 9 Driving wheel drive shaft 軸總長為240mm，從左至右依次為A~F段。 A段：根據(jù)強度計算出直徑d1=43mm，其長度為78mm，安裝驅(qū)動輪，傳遞電動機動力，根據(jù)驅(qū)動輪選的鍵的型號為12*66。左面有個螺紋孔，直徑為20mm。 B段：安裝軸承蓋和密封圈，直徑d2=63mm，長度為22mm。 C段：安裝套筒和深溝球軸承，直徑d4=47mm，長度為84mm，其中軸承與軸采用過盈配合，選用基孔制。 D段：安裝套筒，直徑d5=44mm，長度為15mm。 E段：安裝軸承蓋和密封圈，直徑d6=40mm，長度為17mm。 F段：安裝皮帶輪，直徑d7=33mm，長度24mm,傳遞動力，所選鍵的型號為7*16。右面有個螺紋孔，直徑為12mm。 5.1.2 軸的校核 對驅(qū)動輪傳動軸進行校核，受力如下圖所示。 圖10 傳動軸受力狀況 Figure 10 Stress state of the shaft AB段： 彎矩圖如下: 圖11 AB段彎矩圖 Figure 11 AB section bending moment diagram 由彎矩圖可知AB段最大彎矩在B點，又AB段直徑已知d=43mm，故該處抗彎系數(shù) （19） 最大彎應(yīng)力為： （20） 所以該段符合設(shè)計要求。 BC段：可知該段只受一個扭矩，根據(jù)公式： （21） 該段扭矩圖如下 圖12 BC段扭矩圖 Figure 12 BC torque figure 由扭矩圖可知，該軸段受的扭矩均勻，所以扭矩大小為M，又該段直徑已知d=33mm。 故該段抗扭截面系數(shù)： （22） 故該軸段最大切應(yīng)力為： （23） 所以該軸符合設(shè)計要求。 5.2 驅(qū)動輪的校核 5.2.1 齒面接觸疲勞強度校核 由公式 （24） 計算出驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，傳動比 根據(jù)齒輪接觸強度計算公式 （25） 式中：——法向力； ——曲率半徑； ——傳動比； ——綜合彈性模量。 一對標(biāo)準(zhǔn)齒輪的齒面接觸強度按下面公式計算 （26） 驅(qū)動輪是一個只有6個齒的齒輪，為了方便校核，此處按正常齒進行強度校核，則驅(qū)動輪的接觸強度。其中：載荷系數(shù)；傳動比；；；。 顯然，驅(qū)動輪的齒面接觸疲勞強度符合要求。 5.2.2 齒根彎曲疲勞強度校核 根據(jù)齒根彎曲疲勞強度的驗算公式 （27） 式中：——為模數(shù)； ——為齒形系數(shù)； ——為應(yīng)力修正系數(shù)。（查表得，1.75，） 代入數(shù)值計算得： 因此，驅(qū)動輪的齒根彎曲疲勞強度也符合要求。 5.3 軸承的壽命校核 軸承壽命計算公式 （28） 式中：--為轉(zhuǎn)速； --為基本額定動載荷； --為當(dāng)量動載荷，； --為壽命指數(shù)，對于球軸承[4]。 對驅(qū)動輪傳動軸處的軸承進行壽命校核 查表得 因為機器行走時傳動軸處的載荷最大，故按此時的工作狀態(tài)進行壽命計算，得 按照上述方法，同樣可計算出：支重輪處軸承的使用壽命 由于農(nóng)田作業(yè)機是季節(jié)性的工作，所以軸承的使用壽命均符合要求。 5.4 鍵的設(shè)計及其校核 鍵的尺寸選擇主要由安裝軸的軸徑?jīng)Q定，由驅(qū)動輪的尺寸可得出安裝尺寸為Φ43mm和Φ33mm。查設(shè)計手冊[3]得鍵的尺寸分別為12×66，其長度為66mm,和7×16,長度為16mm。 類型選擇為普通平鍵。按照下面的公式進行強度計算： （29） 強度驗算：鍵的材料選擇為45號鋼，查設(shè)計手冊得：許用擠壓應(yīng)力 故鍵能安全工作。 5.5 機架的校核 在機器行走過程中，機架起到支撐作用，其作用實則為梁。故在校核時，近似將其作為梁來校核。此處校核單邊機架處于水平位置時滿足要求，其受力狀況下圖所示。 圖13 機架受力圖 Figure 13 Frame by trying to 其中，為外力合力及機器自身的重量約為2000N，平均分布在兩邊支架上,即，，，，， 慣性矩。 AB段：； BC段：； CD段：； 由以上可知截面B是危險截面，此處拉應(yīng)力 （30） 故機架強度滿足要求。 5.6 螺栓的設(shè)計及校核 機架與驅(qū)動輪軸承座通過螺栓連接，這里對螺栓的要求比較高，要具有較高的強度和剛度。對此處的螺栓應(yīng)進行強度校核，如下圖。這里選擇的是高強度螺栓，等級8.8級，型號為M24*56,材料為低碳合金鋼，抗拉強度800MPa,屈服強度640MPa。 按照下面的公式進行校核： 預(yù)緊力計算公式： （31） 校核計算公式： （32） 圖14 螺栓受力圖 Figure 14 Bolt by trying to 許用應(yīng)力計算公： （34） 式中： --載荷； --螺栓預(yù)緊力； --可靠性系數(shù)，取1.1～1.3； --接合面數(shù)； --接合面摩擦因數(shù)，取0.15； --螺紋小徑； --螺栓屈服強度； --安全系數(shù)，取2.5。 故，該螺栓強度滿足要求。 6 總結(jié) 對履帶式行走底盤的設(shè)計進行設(shè)計，其主要目的是為了解決相關(guān)農(nóng)用機械的生產(chǎn)效率，以滿足社會的廣泛需要。經(jīng)過設(shè)計與計算，其發(fā)動機配用11馬力，轉(zhuǎn)速2000r/min左右，保證機構(gòu)工作時有一定的工作動力。主要結(jié)論如下： (1) 對履帶底盤的總體結(jié)構(gòu)進行了分析，得到了一些特殊的結(jié)構(gòu)組成及其安裝方法，其中履帶寬200mm,履帶總長2300mm左右，軌距450mm,輪距860mm,履帶高360mm等； (2)設(shè)計了履帶車輛的基本性能計算，包括驅(qū)動力為8.085kw,牽引力為13.23KN,運動的平均速度在0.5～1.5m/s等； (3)對履帶張緊的設(shè)計及其相關(guān)計算，包括彈簧的有效圈數(shù)為7，節(jié)距12mm,間距7mm等。 本設(shè)計的優(yōu)點在于該履帶式行走地盤適用性強，體積小，質(zhì)量輕，經(jīng)濟實惠，能廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的地面環(huán)境條件。對于此次設(shè)計同樣存在一些問題，如設(shè)計計算結(jié)果有待生產(chǎn)后，進行實際考核與驗證；整體結(jié)構(gòu)需利用計算機輔助工程軟件，進行有限元分析以優(yōu)化設(shè)計機構(gòu)；主要部件與結(jié)構(gòu)，有待通過計算機仿真技術(shù)進行進一步分析和研究，以驗證其合理性等。 參考文獻 [1] 吳宗澤.第3版， 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].北京: 高等教育出版社，2006.5:1～253. 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