摘要：针对小型履带底盘设备在复杂山地地形中存在通过性不足、动力效率低、环境适应性差等问题，提出基于电力驱动履带耦合的山地小型履带式电力驱动底盘设计方案。采用ANSYS Workbench对驱动轮和履带机架进行有限元仿真分析，分别计算出驱动轮和履带机架的最大位移形变量和最大等效应力满足强度使用要求。田间试验结果表明，设计的履带底盘最大直线行驶偏移率3.37%，最小转弯半径573 mm，最大爬坡度35°,最大越障高度240 mm，满足田间作业需求。

　　关键词：电驱动；履带动力底盘；结构设计；试验验证

　　1.引言

　　我国丘陵山区耕地多呈斜坡地、不规则地和梯田状分布[1-3]。丘陵山区具有地块碎片化、地形地貌复杂及作业空间受限等固有禀赋特征，这些客观条件直接导致农业机械化作业面临耕种作业精准度不足、机具操作适配性差、动力消耗偏高、安全风险防控压力较大等问题，成为制约我国丘陵山地地区农业机械化向高质量、规模化方向发展的关键桎梏[4]。现阶段适用于丘陵山区的农业机械动力底盘可划分为四大类型，包括履带式底盘、轮式底盘、足式底盘及复合式底盘[5]。在各类行走底盘结构中，履带式底盘因具备结构紧凑、承载性能优异的核心特性，在丘陵山区农机作业场景中展现出显著的技术优势与应用潜力。韩振浩等已开发出优化型山地果园履带动力底盘，该动力底盘优化后的最大障碍物通过高度可达230 mm，相比优化前提升了27.78%，最大壕沟跨越宽度可达640 mm，相比优化前提升了28%[6]。杨艳明等研发了一款自适应型农业机械动力底盘，该底盘采用传统机械传动方案，虽具备基础地形适应能力，但整机呈现体积偏大的技术短板[7]。杨腾祥等以履带式联合收割机为研究对象，基于平行四边形的基本原理，实现了该收割机的自动横向调平功能。而且设计了底盘调平控制方式，可在收割机作业过程中自动调节车身的横向倾斜度[8,9]。BAO等针对山地果园开展了轻型自走式通用移动平台的研究。通过对移动平台进行运动学与动力学的设计建模，达到了预期的自主轨迹行走功能[10]。

　　当前履带式动力底盘的研发与应用仍以大中型机型为主导。丘陵山地果园具有地形条件恶劣、作业空间郁闭度高的典型特征，此类环境约束对大中型履带式动力底盘的作业适应性形成显著制约[11]。基于此开展对山地小型履带电驱动力底盘的研究，设计出一种高效、稳定、适应性强的动力底盘，具有重要的现实意义和应用价值。

　　2.总体方案布局

　　2.1整体布局

　　底盘采用紧凑型矩形框架结构，既增强了结构强度与稳定性，又便于在狭窄山地环境中作业。履带式底盘的行走装置作为整机核心承载与运动执行部件，其首要功能是承担农机装备的整机重力并实现接地支撑。在动力传递过程中，该装置通过履带与驱动轮的啮合传动，将驱动轮输出的旋转动力转化为底盘沿作业面的直线或曲线行走运动[12]。齿轮电机安装于底盘两侧，可减少动力传输过程中的能量损耗，提升传动效率与空间利用率。电池组置于底盘中部，靠近底盘重心位置，有助于平衡底盘重量分布并提升行驶稳定性。控制单元安装于驾驶座舱内，便于驾驶员操作及监控底盘运行状态。该行走机构采用双履带对称布置的设计方案，履带系统通过驱动轮、导向轮、支重轮及张紧轮构成的多轮协同传动组与底盘主体实现刚性连接。驱动轮通过齿轮电机驱动，为底盘提供前进后退动力；导向轮用于引导履带行进方向；支重轮承担底盘重量，使履带能平稳滚动于地面；张紧轮则用于调节履带张力防止过度下垂，小型履带动力底盘整机结构如图1所示。

　　2.2工作原理

　　传动系统采用齿轮电机的方式。驱动电机输出的扭矩直接传递给齿轮减速器，经过齿轮减速器的减速增扭后，再传递给驱动轮，驱动履带转动。这种传动方式可以同时兼顾结构紧凑、高传动效率、耐用性等优点。在传动系统中，还设置了过载保护装置，当系统负载过大时，过载保护装置会自动切断动力传输，保护电机和减速器不受损坏。履带底盘的核心应用场景聚焦于丘陵山地等复杂地形环境，该类场景对底盘的行驶稳定性与地形通过性提出了刚性技术要求。作为保障底盘适配复杂地形的核心性能指标，行驶稳定性与地形通过性的优劣，主要由整机几何参数、最小离地间隙、履带有效接地长度、接近角及离去角等关键设计参数共同决定。

　　3.关键部件设计

　　3.1驱动电机选型

　　履带动力底盘的运行阻力极值主要出现在两类典型工况:其一为坡道直行工况；其二为平地转向工况。

　　通过对不同作业工况下底盘牵引力需求的量化分析与对比研究表明，履带动力底盘在坡地起步阶段需克服坡道阻力、惯性阻力及接地摩擦阻力的叠加作用，其牵引力需求达到全工况峰值水平。履带动力底盘在爬坡工况下的力学特性与受力分布情况如图2所示。

　　代入履带底盘相关参数计算得，履带底盘平面直线行驶功率为1304 W。

　　代入履带底盘相关参数计算得，履带动力底盘电机的输出转矩为4.2 N·m。

　　综合上述理论分析与参数计算结果，为履带行走系统匹配的动力装置确定为直流无刷伺服齿轮电机。该电机的额定技术参数为额定输出扭矩为8 N·m，额定工作电压48 V，额定转速3000 r/min，额定输出功率1500 W，经校核其动力性能可完全满足底盘在目标作业场景下的动力需求。

　　3.2橡胶履带

　　驱动轮与橡胶履带的扭矩传递通过啮合传动为主、摩擦辅助的方式实现，履带使用的是天然橡胶材料耐磨性好，内部嵌入加强型铁芯和缠绕钢丝，经久耐用不掉齿。履带底面采用高度大、大角度凸起花纹，花纹深度达22—24 mm，插入泥地中形成机械咬合，增大水平方向推力，更适合山地作业环境，结构如图3所示。

　　3.3驱动轮参数设计与仿真

　　履带驱动轮是履带式机械的核心传动部件，通过与履带啮合传递扭矩驱动设备前进。其设计需兼顾强度、耐磨性、防滑性能及适应复杂工况的能力，设计核心在于高效扭矩传递、可靠啮合、长寿命与耐磨性，其结构与材料需根据工况精确匹配。驱动轮直径可按下列公式计算：

　　式中：Pa—履带节距，取72 mm；Z—驱动轮齿数，取13。

　　基于驱动轮在坡道启动工况下的额定承受扭矩，建立驱动轮的ANSYS有限元仿真模型，旨在探究其在目标外部载荷作用下的力学变形特性与应力分布规律。仿真结果表明，该履带动力底盘驱动轮的最大变形量为0.019 mm，此变形量级经工况适配性验证，可完全满足实际作业工况下的结构运行要求；其最大等效应力值为38.919 MPa，该应力水平低于所选用材料的屈服强度阈值，表明驱动轮在该载荷条件下不会发生塑性变形，具备足够的结构承载安全性。驱动轮的总变形云图及等效应力分布如图4所示

　　3.4履带机架的设计及仿真

　　履带机架作为核心承重结构，需满足强度、刚度及轻量化要求，同时需适配驱动轮、支重轮、张紧轮等部件的安装布局。综合考虑，采用整体焊接的方式，将承重横梁、轮轴、机架固定片焊接起来，保证具有足够的工作强度和刚度。

　　为探究机架在目标外部载荷作用下的力学响应特性，建立其ANSYS有限元仿真模型并开展加载形变分析。该机架采用整体焊接结构，选用Q 235碳素结构钢作为制造材料，其关键力学参数如下：弹性模量为MPa、泊松比0.3、密度、屈服强度235 MPa。仿真分析结果显示机架最大变形量为0.031499 mm，满足实际工作工况的使用要求；最大等效应力为33.747 MPa，远低于Q 235碳素结构钢的屈服强度，表明机架结构具备充足的承载可靠性与工作稳定性。履带机架的总变形云图及等效应力分布如图5所示。

　　3.5张紧机构与轮毂总成

　　张紧机构通过调节履带张紧度来避免履带打滑、减少冲击磨损、保证行走稳定性。设计包括张紧轮支架、轨道支架、张紧支撑片、张紧螺杆、机构固定片、轮轴、轮轴固定片等部件，采用螺杆式张紧，通过螺杆旋转推动张紧轮支架，调节履带张紧度，这种方法结构简单、成本低、维护方便。张紧机构设计如图6所示。

　　轮毂总成是履带式机械设备的关键部件，主要由轮毂体、油封塑胶圈、轴承、卡簧、密封片、密封端盖等组成，是非常重要的承载部件，对轴的强度以及轴承的承载能力有很高的要求，其结构如图7所示。

　　4.田间试验

　　为验证所设计的履带动力底盘各项性能是否达到设计指标，选取直线行驶偏移率、最小转弯半径、最大爬坡度、最大越障高度作为试验评价指标，通过田间实地试验，评估底盘设计的合理性。

　　4.1直线行驶偏移率试验

　　将履带动力底盘平稳行驶至试验区域后，通过遥控手柄发送匀速行驶指令，控制底盘完成全程45 m的直线行驶试验。试验实测结果表明，该履带底盘直线行驶过程中的最大平均偏移量为1.52 m，对应直线行驶偏移率为3.37%，偏移量及偏移率均处于预设允许范围之内，完全满足丘陵山地田园作业的使用要求。

　　4.2转弯试验

　　通过遥控手柄向样机发送转弯控制指令，采用差速转向控制策略，即控制一侧驱动轮制动、另一侧驱动轮匀速前进。该转向试验重复进行3次，采用钢尺精准测量履带在地面留下的转向轨迹圆半径，对3组实测数据进行算术平均处理，最终测得该履带底盘的最小转弯半径为573 mm，符合设计要求。

　　4.3爬坡试验

　　模拟丘陵山地田园作业中的实际爬坡工况，坡台初始坡度设定为5°,每次试验将坡台坡度增加10°,随后控制履带动力底盘尝试驶上坡台，直至底盘无法克服坡道阻力、无法继续驶上坡台为止，实测最大爬坡角度为35°。

　　4.4越障试验

　　越障性能测试中，初始障碍物高度设定为180 mm，试验过程中以20 mm为梯度逐级提升障碍物高度，直至底盘无法稳定跨越。经实测该履带动力底盘的最大垂直越障高度为240 mm。

　　5.结论

　　研发了一款小型山地电驱动履带式底盘。基于设计底盘的目标作业需求，完成了履带动力底盘核心部件的方案设计、参数计算及选型优化。利用ANSYS Workbench对驱动轮和履带机架进行有限元仿真分析，分别计算出驱动轮和履带机架的最大位移形变量和最大等效应力满足强度使用要求。

　　田间试验表明，设计的履带底盘最大直线行驶偏移率3.37%，最小转弯半径573mm，最大爬坡度35°,最大越障高度240 mm，满足田间作业需求。

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