河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 胡楠 王學(xué)昌 馬志凱 鄭子岳 李曉曉 劉楊

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，因而現(xiàn)今我國(guó)迫切需要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志[1]，加速我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的重要途徑之一就是運(yùn)用機(jī)械化的先進(jìn)技術(shù)來(lái)提高資源利用效率、節(jié)省人力[2]。本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)作業(yè)車，可進(jìn)行精準(zhǔn)噴藥等作業(yè)，大大提高了資源的利用效率，節(jié)省了人力[3-5]。

1 整體參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 底盤設(shè)計(jì)

該作業(yè)車需在相對(duì)狹小的空間里靈活作業(yè)，故在保證所有零部件能夠安裝上去的前提下應(yīng)盡可能地縮小尺寸，最終尺寸定為1180mm×753mm×430mm。為使小車轉(zhuǎn)向更加穩(wěn)定，采用前輪距較寬于后輪距的設(shè)計(jì)，雖然會(huì)導(dǎo)致在轉(zhuǎn)彎時(shí)的精度略微降低，但對(duì)小車的工作情況影響不大，所以最終定前輪距為622mm，后輪距為582mm。

1.2 質(zhì)量與載荷分布設(shè)計(jì)

通過(guò)整體設(shè)計(jì)與選材并綜合小車?yán)m(xù)航等因素，最終確定小車整備質(zhì)量為60kg，搭載四塊供電電源后總質(zhì)量為75kg。為使小車的動(dòng)力性與通過(guò)性較好，使驅(qū)動(dòng)輪處載荷相對(duì)較大；為使小車操縱穩(wěn)定性較好，轉(zhuǎn)向輪處的載荷不應(yīng)過(guò)小；為使小車四個(gè)輪胎磨損均勻，四個(gè)車輪的載荷不應(yīng)相差過(guò)大。綜合以上因素考慮，將小車45%的載荷分配給前軸承受，剩余55%的載荷分配給后軸承受。

2 小車的性能參數(shù)設(shè)計(jì)

由于作業(yè)環(huán)境土地比較松軟且道路泥濘，故小車行駛速度不宜過(guò)快，但作業(yè)速度應(yīng)該比人工要快4～5 倍，所以最終將小車最高速度Vmax 設(shè)定為15km/h。另外要求轉(zhuǎn)彎半徑盡可能減小，提高小車的通過(guò)性與靈活性，為了讓小車靈活通過(guò)轉(zhuǎn)彎路口，設(shè)計(jì)小車轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角為30°，由前期設(shè)計(jì)計(jì)算可知小車的軸距為868mm，根據(jù)最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin=軸距/轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角的正弦值可以確定小車的最小轉(zhuǎn)彎半徑約為1.74m。由于要求制動(dòng)性能盡量較好，制動(dòng)距離要減少，避免因?yàn)橹苿?dòng)距離太長(zhǎng)導(dǎo)致車輛對(duì)作物產(chǎn)生碰撞，小車采用盤式制動(dòng)器，制動(dòng)時(shí)每個(gè)剎車鉗的力F1=67.5N，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上各有一個(gè)剎車片，計(jì)算得最小剎車距離≤5m。關(guān)于小車的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 小車主要性能參數(shù)

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證車體尺寸，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，小車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式。由于小車的行駛速度較低、質(zhì)量較輕，所需功率較小，故選用直流電機(jī)即可滿足要求。所需電機(jī)的功率計(jì)算公式如下：

解得Pe=0.715kW，根據(jù)計(jì)算所得，小車在以最高車速行駛時(shí)，所需的直流電機(jī)功率為715W，經(jīng)過(guò)選擇比較最終選定尤奈特永磁直流無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)主要性能參數(shù)如下表2 所示。

表2 電機(jī)主要性能參數(shù)

由于作業(yè)車采用直流無(wú)刷電機(jī)控制行進(jìn)，要保證電池連續(xù)工作的時(shí)間，故其能源系統(tǒng)采用四塊鋰離子電池串聯(lián)進(jìn)行車輛的供電。

4 傳動(dòng)系統(tǒng)

4.1 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)

作業(yè)車采用了后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向的方式，將轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動(dòng)輪分開控制，并且大大簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)?？紤]到該作業(yè)車在田間工作，其中的路面情況比較單一，不存在復(fù)雜路面，另外由于用戶使用手機(jī)APP 進(jìn)行車輛行駛控制無(wú)須人員駕駛，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，降低生產(chǎn)成本，最終采用整體式驅(qū)動(dòng)橋，如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋

4.2 主減速器的計(jì)算

主減速器采用齒輪嚙合時(shí)要保證主從動(dòng)齒輪的相對(duì)位置，否則產(chǎn)生的沖擊噪聲會(huì)較大。為此選取主減速器時(shí)在保證傳動(dòng)比符合的條件下，要保證主動(dòng)、從動(dòng)齒輪有足夠的支承剛度。該車選用的電機(jī)輸出軸輸出的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)2900r/min，小車的最高車速設(shè)定在15km/h，通過(guò)計(jì)算得出車輪的轉(zhuǎn)速最高為392r/min，故主傳動(dòng)比i=2900/392=7.4。

4.3 半軸的設(shè)計(jì)

由于路面不平或者輪胎磨損不均勻等問題，兩車輪的行駛距離也不盡相同，故必須設(shè)置半軸來(lái)保證小車的兩側(cè)車輪不能總是以相同角速度行駛。半軸連接在驅(qū)動(dòng)輪與差速器之間，其中內(nèi)端設(shè)計(jì)成花鍵形式與差速器上的半軸齒輪相連接，外端設(shè)計(jì)為螺紋結(jié)構(gòu)直接穿過(guò)驅(qū)動(dòng)輪中的軸承并長(zhǎng)出車輪部分15mm，并用螺母擰緊固定。

5 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 懸架系統(tǒng)

此小車懸架系統(tǒng)主要由減振器及彈簧并聯(lián)組成，其中減振器與彈性元件的安裝示意圖如圖2 所示。選取減振器時(shí)的要求：當(dāng)懸架系統(tǒng)壓縮時(shí)，阻尼力比較小；懸架系統(tǒng)舒張時(shí)，阻尼力比較大；當(dāng)車架與車橋的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較大時(shí)，阻尼力要保持在一定的范圍之內(nèi)。懸架系統(tǒng)中的彈性元件直徑為10mm，螺距為20mm，材料選用硅錳鋼。

圖2 減振器與彈性元件安裝示意圖

5.2 前橫梁懸架系統(tǒng)

為了使小車整體尺寸更小，前橋部分設(shè)計(jì)為單橫臂式懸架，前橫臂懸架系統(tǒng)如圖3 所示，懸架部分通過(guò)連接吊耳與車架連接，這樣有助于降低小車的寬度，使小車的前輪距減少，操控性更強(qiáng)、靈活性更高。此種設(shè)計(jì)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定高效，符合該車作業(yè)的整體設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)要求。

圖3 前橫臂懸架系統(tǒng)

5.3 后懸架系統(tǒng)

小車后端的懸架系統(tǒng)一端與后叉相連，一端通過(guò)吊耳車架相連，后端懸架系統(tǒng)如圖4 所示，車輪受到的來(lái)自路面的沖擊力通過(guò)后叉?zhèn)鬟f到懸架系統(tǒng)，減輕對(duì)車架的振動(dòng)沖擊。在此中間沒有多余的連接部件，在很好地實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上大大簡(jiǎn)化小車底盤的零部件組成，有利于小車的輕量化與節(jié)能化。

圖4 后懸架系統(tǒng)

5.4 后叉設(shè)計(jì)與分析

由于后叉為整車受力的一個(gè)關(guān)鍵零部件，為此要保證其強(qiáng)度與剛度，避免整車關(guān)鍵零部件失效，最終采用可鍛造鑄鐵材料。為了節(jié)省材料、減輕小車總質(zhì)量，最終將后叉設(shè)計(jì)為厚度為3mm 的中空殼體結(jié)構(gòu)，并使用Solidworks 內(nèi)置軟件對(duì)后叉進(jìn)行受力分析與有限元的分析，應(yīng)力分布圖如圖5 所示，通過(guò)受力分析得出安全系數(shù)為6.91，符合安全性能要求。

圖5 后叉應(yīng)力分布圖

6 結(jié)論

本文通過(guò)建模、分析等方式設(shè)計(jì)了一輛自動(dòng)作業(yè)車，包括底盤及質(zhì)量載荷分布設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與選擇、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在作業(yè)時(shí)各方面的性能較高，同時(shí)滿足了節(jié)能、環(huán)保和低成本等要求。