履带式行走机构设计分析和研究

赵瑜;闫宏伟

【摘 要】履带式行走机构是大型机械等整机的支承件,用来支承整机的重量,承受机构在工程作业过程中的产生力,并完成整机在行进、后退、转场、作业时的移动.因此,对于大型机械(包括工程机械、冶金机械等)的底盘,一般设计成履带驱动结构,履带沿着整机纵向中心对称布置.本文主要研究讨论履带行走机构的设计原则和运动受力分析,总结机构行走时的影响因素,以达到整个机构结构合理、安全可靠、行动灵活的目的.

【期刊名称】《新技术新工艺》 【年(卷),期】2010(000)005 【总页数】4页(P50-53)

【关键词】履带行走机构;运动受力;驱动;影响因素 【作 者】赵瑜;闫宏伟

【作者单位】山西北方风雷工业集团有限公司,成套装备研究所,山西,太原,030009;中北大学,机械工程与自动化学院,山西,太原,030051 【正文语种】中 文 【中图分类】TH213.7

履带行走机构主要由导向轮、张紧装置、履带架、支重轮、驱动装置、托链轮及履带板等组成,如图1所示。当液压马达带动驱动链轮转动时,与驱动链轮相啮合的链

轨及履带板有相对移动的趋势,但是,由于履带板与路面之间的附着力大于驱动链轮、支重轮和导向轮的滚动阻力,所以履带板不会滑动,而驱动链轮、支重轮和导向轮则沿着铺设的链轨滚动,从而驱使整机行走。整机履带行走机构的前后履带均可单独转向,从而使机器转弯半径更小或实现蟹行。

一般来说,履带行走机构工作的条件相对恶劣,所以在设计整个系统时,要求具有足够的强度和刚度,结构合理,具有良好的行进及转向功能。 图1 履带行走机构结构简图 1 四轮一带设计要求和布置 1.1 履带

履带工作条件恶劣,必须具有足够的强度和刚度,耐磨性能要求良好,质量较轻以减少金属的消耗量,并减轻履带运转时的动载荷,履带和地面要有良好的附着性能,保证能发出足够的牵引力,还要考虑减少行驶及转向的阻力。 履带节距随机体自重的增加而线性增大,参照计算式为：

式中,t为履带节距;G为机体自重,再按履带节距标准选取。

履带板的宽度取决于工作条件所要求的平均接地比压,宽度越大,接地比压越小。一般参照计算式为：

式中,b为履带宽度;G为机体自重,再按履带宽度标准选取。 1.2 驱动轮

驱动齿的齿数一般选为奇数,这样驱动轮各齿轮流与节销啮合可增加使用寿命。 驱动轮节圆半径参照计算式为：

式中,rk为节圆半径;t为履带节距;Z1为卷绕在驱动轮上的履带板数目。

在履带作业机械上,多数都是把驱动轮布置在后方,这样布置的优点是可以缩短履带驱动区段的长度,减少因驱动力造成履带销处的摩擦损失,有利于提高行走系统效率。驱动轮布置在前还是在后与传动系的布置有关。驱动轮中心高度应有利于降低重心(或车身)高度和增加履带接地长度,改善附着性能。因此驱动轮高度应尽量小。 1.3 导向轮和张紧装置

导向轮的前后位置根据驱动轮位置而定,通常布置在前面。引导轮中心离地高度应有利于降低重心。在设计时,应注意使导向轮前、后移动的调整范围超过履带节距的一半,当因履带磨损节距变长时,可取下1节履带板,仍能保持履带的张紧度。 张紧装置的缓冲弹簧必须有一定的预压缩量,使履带中产生预张紧力,其作用是：前进时不因稍受外力即松弛而影响履带销和驱动轮齿的啮合,倒退时能保证产生足够的牵引力,确保履带销和驱动轮齿的正常啮合。缓冲弹簧预紧力参照计算式为：

式中,PY为弹簧预紧力;G为机体自重。 1.4 支重轮

支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,在履带作业机械上均采用直径较小的多个支重轮,支重轮的个数随车辆功率(机重)的增加而增多。但是,对于高速运行的履带车辆,为减小滚动阻力,提高行走系统效率,通常采用大直径的支重轮,并取消托链轮。

支重轮在导向轮和驱动轮间的布置应有利于增大履带接地长度,因此,最前一个支重轮应尽量靠近导向轮,最后一个支重轮应尽量靠近驱动轮。为了不和它们的运动发生干涉,最前一个支重轮的位置应保证当引导轮在缓冲弹簧达到最大变形时相互不发生干涉。最后一个支重轮轮缘外径与驱动轮齿顶圆之间应保留一定的间隙,以保证当悬架弹簧产生最大变形时不发生干涉,各支重轮之间距为均匀分布。 1.5 托链轮

托链轮主要用来上方区段履带的下垂量。因此,为了减少托链轮与履带间的摩擦损失,托链轮的数目不宜过多,每侧履带一般为1～2个。轴距在2 m以下的一般采用1个,轴距在2 m以上的一般采用2个。对于小型履带式作业机械来说,上方区段履带下垂量不大,可不装托链轮。 2 履带式行走机构运动受力分析

图2为履带式机械在水平地面上作等速直线运动时的受力简图,图中Fz为滚动阻力,G为机体重量,Fn为地面对履带作用的法向反力。由传动系统传到驱动轮上的驱动力矩Mk对整机整体来说是内力矩,所以用虚线表示。由于Mk的作用,在驱动轮和最后1个支重轮之间的一段履带中产生一个拉力T(此力对于整机来说是内力,图中未标出),力 T企图把支重轮下的履带向后拉出,使支重轮下的这段履带相对地面向后运动或有向后运动的趋势。由于这段履带被整机重量G压在地面上,因此这段履带受到地面的水平反作用力,这个反作用力称为牵引力,用F表示,其方向和整机运动方向一致,整机的运动就是在F的作用下产生的。 图2 履带形式机构行驶原理简图

在驱动力矩Mk(由行进减速机输出扭矩决定)的作用下,在履带驱动区段内,除了预张力以外,还作用有拉力T,其中T=Mk/rk(rk为驱动轮节圆半径),拉力T要使履带支撑区段从支重轮下向后拉出,如果忽略T在传递过程中的摩擦损失,则土壤作用在履带支撑区段的反作用力等于T。把作用在驱动轮缘上的拉力移到驱动轮轴上,即在驱动轮轴上施加一对大小相等、方向相反、并和履带驱动区段平行的力T,则其中1个力与驱动区段作用于轮缘的力形成1个力偶,其值等于Mk,方向和Mk相反。而另1个力又可分解为平行和垂直地面的2个分力T′和 T″。如图3所示,其中：

图3 驱动轮和后支重轮上受力简图

同样把后支重轮下履带对支重轮作用的2个力(其中一个是驱动区段的拉力,另一个

是土壤的反作用力,大小均等于T)都移到支重轮轴上,结果只得到一个合力T∑(2个力偶大小相等方向相反,相互抵消)。把 T∑分为平行和垂直地面的分力 T′∑和T″∑,其中水平分力为：

整个机体前进的力是 T′和T′∑之和,而

由此可见,忽略拉力T在传递过程中的摩擦损失,则在驱动力矩Mk作用下,地面对履带支撑区段的反作用力T就等于推动整个机体运动的力,其值和驱动区段的倾角α无关(实际上摩擦损失是存在的,所以地面的反作用力F要比T小)。 3 履带的驱动效率

当驱动轮上有驱动力矩作用时,在履带驱动区段就有张力 T。同时每当一块履带板被卷上驱动轮,在履带销3两侧的履带板相对转过β角,在履带销1、2两侧履带板分别相对转过α角,如图4所示。因此消耗的摩擦功为：

式中,η为履带销和销孔间的摩擦系数;r0为履带销半径。 图4 履带行走机构简图

驱动轮每转1转,有Zk块履带板被卷上驱动轮,所以驱动轮每转消耗的功为：

由上式可知：履带驱动效率与驱动力矩无关,而是由履带行走机构的结构参数决定的常数。实际上ημ k还应考虑履带销套和驱动轮齿啮合时的摩擦和冲击损失。ημ k值一般为0.96～0.97。

所以履带行走机构的切线牵引力为：

由此可见,计算履带行走机构切线牵引力F时,应考虑履带驱动区段的摩擦损失。此

外还应考虑履带行走机构的滚动阻力。 4 履带行走机构的附着性能

履带行走机构的切线牵引力F主要是由于履刺向后挤压土壤而产生的地面反作用力,履带支撑面下的土壤受到和F大小相等、方向相反的剪力。

1)增加履带支撑面积不仅可以增大F值,而且在相同的F值时可以减小滑转率。 2)相同的履带支撑面积,采用狭而长的履带比宽而短的履带附着性能要好。但是加长履带支撑长度将使机械转向困难,在现有的转向机构没有根本改变前,履带支撑段不可能做得很长。

影响履带行走机构附着性能的因素,除去土壤性质、履带支撑面的长度和宽度外,主要还有机械重量、履刺高度及履带支撑面上比压的分布。

增加机械重量可以改善附着性能,尤其是在砂质土壤上。但是采用这种方法不可避免地要增加滚动阻力,而且机械重量不能超过一定限度,否则引起土壤结构的破坏,反而使附着性能变坏。

增加履刺高度可以增加土壤受剪切作用的侧面受剪面积,从而改善附着性能。对于纯摩擦性土壤,例如干砂,其粘结系数≈0,土壤的侧面受剪面上正压力很小,因此其剪切强度接近零,增加履刺高度就没有效果。反之,在粘性土壤中,增加履刺高度的作用就很显著。对于土质沿深度不均一的土壤,较高的履刺可以切入土中和较坚实的土层接触,这种土层的剪切强度较大,因而改善了附着性能。履刺之间的距离对附着性能亦有影响。

履带支撑面上比压的分布对附着性能有较大的影响。一些试验的结果表明,当比压在整个履带支撑区段呈线性分布,而且其合力在履带支撑长度中心后面1/10处时,可得到最大切线牵引力。 5 结语

履带式行走机构在机械行业已经得到了广泛的应用,影响其行走的因素不仅和机械

的结构、参数有关,而且还和地面土壤的性质有着密切的关系。设计时要综合的分析和研究,认真分析各项技术参数,才能保证履带行走机构使用状态良好,完全满足使用要求。 参考文献

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