无人驾驶履带车底盘设计(36页).doc

-无人驾驶履带车底盘设计-第 33 页履带式无人运输平台底盘设计摘 要随着社会的发展，为了应对军事目的以及特种作业需求，做好未来战争的物质基础，高技术装备的发展和推新尤为引人注目，并呈现出向无人化发展的趋势。传统车辆系统因其带来的交通事故、人力资源浪费和许多特殊场合无法操控等缺点，越来越不能满足人类需求，无人机动平台可以克服这些缺点。地面无人机动平台作为智能交通系统和未来战斗系统的一个重要组成，在军用和民用两方面都有巨大的应用前景。其通过外部挂载不同的功能模块，可以达到代替人类完成不同的作战、侦察、救护、消防和爆炸物拆除等特种作业的目的。发展无人机动平台减少人类直面危险的可能，从而减少人员伤亡和资金投入。履带式底盘是构成履带式无人机动平台的基本结构，也是其重要组成部分。本文介绍了国内外各种履带式底盘的结构和发展，研究其机动性能，设计出一种较简易的遥控小型履带无人车的履带式底盘。关键词：履带式底盘，机动性能，遥控驾驶，无人机动平台，搭载装置目 录摘要Abstract目录1绪论1 1.1履带无人平台研究背景1 1.2履带无人平台发展概况22 履带无人平台研究目的4 2.1履带无人平台底盘发展 2.2履带底盘的关键技术43几种履带无人平台底盘方案5 3.1设计方案遵循原则5 3.2设计要求及主要参数6 3.3具体设计方案 4 履带无人平台底盘总体设计 4.1底盘结构设计9 4.2悬挂系统设计9 4.3驱动系统设计9 4.4设计相关计算95履带无人平台底盘设计总体图 6履带无人平台底盘主要零件图 7结束语 8参考文献致谢 1.绪论1.1履带无人平台的研究背景随着高新技术的迅猛发展引发了社会各领域的一系列重大变革，作为未来战争的物质基础，高技术装备也在不断发展和推新中，并呈现出向无人化发展的趋势。传统车辆系统因为其带来的交通事故、人力资源浪费和许多特殊场合无法操控等缺点，越来越不能满足人类需求，无人驱动平台可以克服这些缺点。无人平台就是人不在平台的一套系统。按照使用场景的不同，可分为海上、地面、空中以及深空探测无人平台。所谓地面无人平台就是在地面上行驶的能执行特定任务的机器人，是机械化、信息化、智能化高度融合的机动平台。同时随着计算机技术、信息技术、人工智能、导航定位等技术的深入发展，无人化技术取得了坚实的基础和越来越广泛的应用，并迅速涌现出如地面无人车、无人机、无人反潜战潜水机等各种类型的无人产品。比如军用的地面移动机器人在各种复杂环境下具有较高的机动性，可以代替人类进入一些危险和未知的环境，适用于国防和民用等多个领域，而且在反恐斗争中也可以发挥很大作用。地面无人机动平台作为智能交通系统和未来战斗系统的一个重要组成，在军用和民用两方面都有巨大的应用前景。其通过外部挂载不同的功能模块，可以达到代替人类完成不同的作战、侦察、救护、消防和爆炸物拆除等特种作业的目的。发展无人机动平台可以解放人力，减少人类直面危险的可能，从而减少人员伤亡和资金投入。 无人机动平台不仅在军事上有重大作用，在交通运输中也可以有很广泛的应用。且其所涉及的精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、新能源与材料、传感与信息处理以及人工智能等基础技术都可以辐射到很多场合，推动很多产业与技术的进步。因此世界各国对开展无人机动平台都很积是重视和支持。其中美国的技术尤为领先与其他国家。 我国对于这方面的研究起步较晚，一些基础技术也不够成熟，开展地面无人机动平台的研究对于我国有很重要的现实意义。本文主要针对履带式无人机动平台底盘进行研究，履带式底盘具有牵引力大、接地比压低、爬坡能力强和转弯半径小等特点。穿越沙石、泥泞及崎岖地形的能力较强。其在装甲车和运输车中都有较广泛的应用，大大加强了这些车辆的越障能力。1.2履带无人平台发展概况履带式无人运输平台是指在车内没有驾驶者的情况下，能够在各种复杂路面或野外环境中行驶并执行某项任务的履带式车。最初对于无人车的研究是源于军事应用的需要，但科学技术的进步使得无人车在民用领域的应用前景也日益增长。无人车在军事领域被广泛应用于侦察巡逻、火力攻击、战场运输、扫雷和导弹发射等，民用领域中则可以完成消防、排爆、救援、安保等工作。在无人机动平台的研究方面，美、英、德、法、日等军事发达国家走在世界的前沿，其中美国更为领先。这些国家都有自己独立的无人机动平台计划，目前主要投入于军事应用方面。在海湾战争、科索沃战争到伊拉克战争这些现代战争中，无人平台的作用日益凸显，并逐渐成为现代信息化战场上不可或缺的重要角色。无人地面机动平台如今已成为世界各国争相研制的“热点”兵器。1.2.1国外履带无人平台发展概况关于地面无人平台、“遥控战车”的最早发展甚至是可以追溯到第二次世界大战期间纳粹德国在东线战场上投入了几类“歌利亚”遥控爆破坦克，用于对付碉堡工事和盟军的“谢尔曼”等坦克。20世纪50年代后期开始，苏联也展开了大规模的无人地面车辆研究。在冷战另一方的美国，美国斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构在政府部门的支持下开展了无人地面车辆的研究。但是无人化车辆真正作真正开始飞速发展是在20世纪80年代，西方国家大力投入人力物力，将传感技术、自动控制、人工智能、机器视觉、导航定位、信息融合处理等技术汇于一体，无人机动平台取得跨越式进步。 30多年来，美国在无人地面机动平台的装备、研究和应用上始终处于国际领先水平。美国国防部鼓励国内各团体大力发展无人作战系统，其中卡耐基梅隆大学率先研制出Crusher大范围复杂越野的无人机动平台。而美国的小型无人作战平台已经趋近于实用化，在阿富汗和海湾战争中已经得到一定程度的实战检验。截至2009年，美国在伊拉克和阿富汗战场上使用了约3500辆无人地面车辆，主要用于爆炸物的探测与处理，如“魔爪”机器人、MPR-800型多用途无人地面作战平台、通用机器人运输系统(ARTS)、MK MOD系列爆炸物处理机器人等。图1-1“魔爪”履带无人平台图 图1-2爆炸物处理履带无人平台美军目前有100多项战斗任务可由机器人承担，如机器人弹药装填手、机器人排雷车、火力支援机器人等。美军曾于2000年提出，到2015年将有1/3的地面作战车辆实现无人驾驶。“联合机器人计划”(JRP)和“战术移动机器人”(TMR) 是其主要研究的内容，目前已取得很大成果。英国现装备的机器人车辆主要有“土拨”和“野牛”机器人、“手推车”爆炸物处理车、“独眼巨人”Mk3轻型通用机器人、“哈德润“爆炸物处理机器人、”搜索者“排爆机器人、RAVEN爆炸物销毁机器人等。目前主要研究项目有：“未来工程坦克”（FET）、“小猎犬”战斗工程牵引车 、“地雷探测、标识和处理计划”(MINDER) 。法国现装备的机器人平台有：SAEMC800爆炸物探测机器人、RM35机器人、TSR200机器人、Minirob微型爆炸物处理机器人(可在机场及舰船的狭窄过道中使用)等。在研项目主要有:“自主式快速运动侦察车”(DARDS)  、 SYRANO战场侦察机器人。德国智能机器人研究和应用在世界上处于领先地位。现装备的主要车型以扫雷和爆炸物处理机器人为主，如“清道夫”2000扫雷车、“犀牛”扫雷车、Rode爆炸物处理机器人、MV4系列机器人、GARANT-3多用途机器人等。目前实施的最重要无人地面车辆项目是1985年启动的“智能机动无人系统大纲”(PRIMUS)，其主要目标是为半自主无人车辆开发和集成先进技术，使用的试验平台是数字化“鼬鼠”2装甲车。除上述国家外，其他国家也在开展地面无人作战平台的研制工作，如加拿大的“改进型地雷探测计划”、意大利、法国和西班牙联合开展的“先进移动机器人”项目、瑞士的Pemex轮式地面无人平台项目、比利时的HUDEM项目、西班牙的“罗德”轮式地面无人平台以及俄罗斯的“越野车”-M3超轻型移动式机器人等。而近年来，由于反恐、反地道战以及城市巷战的需要，小型遥控地面武器机动平台的研制工作受到了美国军方的高度重视，在战术移动机器人计划TMR和联合机器人计划JRP的支持下，该研究方向取得了突破性的进展，研制出一批小型无人地面武器机动平台，如iROBOT公司的Packbot，Foster-Miller公司的Solem、Talon等。目前，美国是无人武器机动平台发展规划最完备、技术水平最高、投入经费最多的国家，亦是军用无人车辆研制方面最积极，进展最快，技术发展最全面的国家。 图1-3“角斗士”战术履带无人平台 图1-4 国产履带无人平台加装81式步枪1.2.2国内履带无人平台发展及其现状目前国外的遥控无人车辆技术已趋于成熟，而我国在80年代末才开始无人机动平台的研究，加上我国的传感技术、导航定位、自动控制等关键技术还是远远落后于先进国家的水平，这大大制约了我国无人机动平台的发展速度。目针对国内危险行业与部门实际需求，在国家863计划的大力扶持下，也取得了一批不小的成果。像吉林大学的JLUIV-3、JLUIV-4，清华大学的THMR-V，上海消防所的“消防机器人”，广东卫富机器人公司的“防爆机器人”。某些技术上也已达到了世界先进水平。我国基于视觉导航的地面智能机器人在实验场的自主行驶速度最高达到了90km/hr，视觉导航等技术有所突破。但整体研究水平进展不大，在一定程度上得益于计算机等硬件设备的改善，但是由于某些关键技术无法突破，以及一些研究仍处于空白期，对这方面的了解有相当部分停留在文献上，无人地面武器机动平台的传感器、导航定位、控制及本体设计等关键技术方面的研发远远落后于先进国家，严重制约了国内无人地面武器机动平台的发展步伐。小型无人地面武器机动平台在机动性、越野性等方面与有人车辆有很大的不同，国外在这方面做了较深入的研究，但国内尚未开展这方面的研究。所以我国的无人机动平台研究仍有很长的路要走。图1-5 我国正在测试的某型号小型无人履带平台中国兵器工业集团公司下属中国北方车辆研究所成立兵器地面无人平台研发中心。其主要任务是开发军民用无人车辆和相关装备。这是中国目前规格最高的无人地面车辆研发机构。无人地面车辆是近年来各国军方研制和装备的重要装备。 图1.6“龙卫士 X3B”反恐履带无人平台图1.6所示是由上海广茂达伙伴机器人有限公司研制的“龙卫士Dragon Guard X3B反恐机器人”，是我国第一台单兵反恐机器人。机器人重5Okg，行驶速度为0-1 m/s，可以通过27°楼梯、30°斜坡，可以跨越20cm高的障碍物，可在草地、沙地、碎石地、雪地运行，适应全天候、全地形，展开迅速、操作方便，广泛用于爆炸物处理、侦察、特种作业等反恐领域，综合指标接近国际水平。根据我国的现有国情，小型无人地面机动平台的研究以实际应用为主要研究方向，当前对小型无人地面机动平台的研究与应用大多是基于远程遥控操作或者监控为前提下的平台自主行进。随着科技的发展，实现完全意义下的自主行进已经成为小型无人机动平台的未来目标，因此，为了减少我国与发达国家之间的差距，乃至在未来战争中能够保持与发达国家之间的武器平衡，研究小型无人机动平台的路径规划技术具有重大的战略意义。2 履带无人平台研究目的虽然当下无人地面车辆的发展和使用已经涉及多个领域，甚至有统计称可执行任务已有百余项，但因自主化程度较低，无人地面车辆的发展还不足以取代有人地面车辆。目前各国选择的基本上都是一条遥控无人地面武器机动平台与自主无人地面武器机动平台相结合的发展道路，实力较强的国家都制定自己的近期和长期计划，同时开展遥控及自主无人地面武器机动平台的研制工作，不断地将自主无人武器地面机动平台研制的成果用于小型遥控无人地面武器机动平台，以促进小型遥控无人地面武器机动平台的实用化，而小型遥控无人地面武器机动平台的应用反过来又促进自主无人地面武器机动平台的发展。美国等一些发达国家在小型遥控无人地面武器机动平台的研制中取得了突破性的进展，在一些危险环境作业中已经得到实际应用，部分小型遥控无人地面武器机动平台已经装备部队用于战场。对小型无人地面武器机动平台自主性的挑战来自要求完成的任务和高度非结构化与变化的环境。野外环境中，要求小型无人地面武器机动平台完全自主地完成任务，目前还有一定的困难。2.1履带无人平台发展当下，各国地面无人车辆的研发上，主要就是力图完善其自主化水平。具备更高自主化水平的地面无人车辆成为具有复杂结构和多种功能，能够在危险地域执行任务和直接作战的机动平台。虽说目前地面无人平台在自主化和联合协同作战方面的发展仍存有众多技术难题，比如说自主行驶操作、高速环境感知、不规整路的通过、信息化通信网络、人机交互等诸多技术难题。但随着人工智能、计算机技术、微电子技术和新材料技术的进一步发展，地面无人车辆必将对社会经济和生产力的发展产生更加深远的影响，在未来战争中小型无人地面武器机动平台将发挥重要作用。一段时间内来看，未来的地面无人车辆的发展将：小型化，通过小型化的地面无人车辆来成熟性能、验证技术，再实用化的小型地面无人车辆向中型、大型自由发展；战斗武装化，地面无人车辆已经脱离了侦察、运输等作战保障的概念，战斗化已成必然的趋势，也是终极目标之一；通用化，依据标准化、系列化、通用化的思路发展无人装备，能提高无人装备和其它装备之间零部件互换和信息互通能力，降低成本，加快研制进度。无人地面车辆是随着不断增长的减少人员伤亡需求而产生的，因此世界各国立足本国需求，发展了形形色色的无人地面车辆。随着新材料技术和纳米技术的发展，无人地面车辆的小型化将有新的突破，采用隐身技术提高生存能力，是无人地面车辆发展的重要方向；依靠自身的人工智能来完成预定的动作和任务，采用许多先进而可靠的传感器和高速计算机系统的高自主性无人地面武器机动平台必须具有高度的自适应能力和学习能力。目前远程操作的半自主(监控自主式)小型无人地面武器机动平台是一段时期内的发展方向。采用商业现货技术和开放式系统，即采用最新的商业器件、“开放”型的系统硬件和软件，使无人地面武器机动平台能更好更快地利用快速发展变化的工业技术，并可减少国防预算、研制和生产时间。近年来，电动汽车技术有了较大的进展，电动汽车技术应用于小型无人地面武器机动平台也是必然趋势。图2-1 “利爪1型”无人作战平台由于无人地面武器机动平台在军事和民用上的巨大作用，世界发达国家多年来进行广泛深入的研究，取得了较为成熟的研究成果，研制出的无人地面武器机动平台在军事和民用方面得到了一定的应用，部分成果已实用化和产品化。而通过国产120公斤级的“利爪”1型履带式小型平台，我们看到了成熟的小型化、武装化，通过1000公斤级的“利爪”2型6×6轮式平台，能看到平台的通用化发展。不过，虽说在地面无人车辆这个领域，我们已经在路上，在开展这积极务实的研发工作，但从地面无人车的作战任务需求论证、关键技术的研究、样机的研制和试验，我国仍是要有很长的路要踏踏实实的一步步走。无人地面平台(亦称“机器人”)是一种能够受控或自主完成复杂地形机动、辅助或取代作战人员完成特定作战/保障任务的无人地面机动平台，是信息技术与工业技术高度复合发展的产物，是人类传统作战行动在陆战场上的扩展二无人地面车辆在未爆弹药处理、简易爆炸装置探测、预警侦察、安全巡逻、战场救护、探扫雷、城区辅助作战和后勤保障等很多战术作战领域发挥了重要作用。而无人车底盘的作用是支承、安装发动机及其各部件总成，形成车辆的整体造型，并传递动力，使整车产生运动，保证正常行驶。我国生产履带底盘的历史较短，与起重机的发展基本相同，与世界先进国家相比，国内履带底盘的技术含量低、系列化程度低，在制造和设计上还存在一定的差距。近年来，国内履带起重机的快速发展，给履带底盘的发展带来了机遇，系列化得以不断的提高。对于车辆、机器人等地面行走机构来说，移动底盘的通过性是最重要的性能之一，尤其是在非结构化环境下作业时，更要求底盘具备良好的灵活性和适应性。因此，提高底盘在复杂地形环境下的通过性，一直是国内外专家和学者研究的热点。底盘可以采用履带式和轮式，轮式底盘运用较广，但是它的牵引附着性能较差，在坡地、粘重、潮湿地及沙土地的使用受到一定的限制;履带式底盘牵引附着性能好，单位机宽牵引力大、接地比压低、越野能力强、稳定性好，在沙石、泥泞及崎岖路面上具有较高的通过性。该型底盘广泛应用于大型起重机、运输车等工程机械，现在小型地面无人运输平台也广泛使用履带式底盘，因其突出的全地形通过能力。本次设计就是采用履带式底盘。履带式底盘是机器的重要部件，它对整个装置起着支撑作用。所以根据现有军工业的履带机械（无人车）再结合民用的履带（拖拉机）对整个装置进行较完整的配合与加工等一系列的设计。本设计采用现在相关军工业机械上的一些底盘设计与实物作为参考，综合考虑底盘结构，使其可以在不同的地域都可较好的支撑机体使其可以正常的工作。本设计对驱动轮、支重轮、导向轮的特殊结构设计，使整个底盘结构较好的适应复杂地形。2.2履带底盘关键技术履带无人平台的研究涉及机械、控制、传感器、计算机等技术，随着无人平台技术的发展，要求其智能化程度更高，涉及的技术更广，难度也越来越高，其核心技术主要包括模块化设计技术、控制技术、通信技术、多传感器信息融合技术、导航和定位技术等。基于模块化设计的履带无人平台的结构构型可以根据工作任务而改变，不同的无人平台执行不同的任务时加装不同的功能模块，因此对任务与环境的适应性强。但是无论而加装哪种功能模块，采用的都是同一种底盘。履带底盘作为履带车辆的行走系统，是其重要总成之一，行走系统的优劣直接影响到履带车辆的行驶平顺性、稳定性和附着性能。对于工程对象不同，研究内容亦不同。3.关于履带无人平台底盘的几种设计方案 履带车辆行走系统与轮式车辆具有明显的不同。履带车辆不像轮式车辆那样用前后轮支承，而是靠两条履带与地面接触。履带车辆的左、右两侧各有一个驱动轮来驱动该侧履带实现行驶。3.1设计方案遵循原则在设计履带底盘时应遵循以下原则：（1) 总体结构紧凑、简单，容易安装，重量轻；（2) 应预留足够多的空余空间以用来加装功能模块或运输物资；（3) 采取模块化设计，各个功能模块之间相互独立装配，互不干扰；（4）行驶稳定性高，越障能力强。（5）保障可行性和经济性。3.2设计要求及主要参数技术要求：（1）履带式无人运输平台采用无人驾驶遥控操纵方式；（2）应用独特摇臂式四连杆悬架系统；（3）采取强电直驱方式提供动力；（4）设计通用化程度较高的模块接口，可满足执行多种军民用任务需要。针对履带式底盘设计要求，在调查分析多方面资料的基础上，对履带式底盘进行了总体设计。通过总体设计对所设计的履带式底盘做出初步全面的规划，提出相关数据、资料等信息，为进一步设计和分析提供理论基础。在总体设计中履带式底盘的主要性能参数必须确定，其代表了履带式底盘的主要性能，但其参数的确定是一个复杂的过程，受很多因素影响，而且彼此影响制约，所以各参数可以通过一定规律确定。 主要性能参数：（1）最大载荷：120千克；（2）平地最大速度（空载）：35千米/小时；（3）垂直越障高度：0.25米；（4）越沟宽度：0.4米；（5）最大爬坡角：45度；（6）抗侧倾角度：约45度。暂定该底盘重量为200kg。3.3具体设计方案根据底盘的实际应用，可以从以下结果方面着手进行底盘的选择设计。设计思路：履带底盘采用橡胶材料，或者金属材料。驱动方式选择机械驱动，或者电力驱动。底盘悬挂系统采用弹性悬架或者刚性悬架。方案一：采用橡胶履带。优点是整体重量小；对路面破坏小；噪声低，缓冲性好；节约时间成本。缺点是不耐腐蚀，特种作业能力较差；不够坚固，容易磨损划伤。方案二：采用金属履带。优点是坚固耐用，稳定性强；使用寿命长，适应范围广；重心相对稳定，不宜侧翻。缺点是自重过大，不能上路行驶；成本较高；抗震能力较差。方案三：采用电力驱动。优点是系统简单，能量传递方便，可无极变速，标准化高，节能环保。缺点是转向慢，功率密度小，恶劣环境下不安全。方案四：采用机械驱动。优点是传动准确可靠，操作简单，负载变化对传动比影响小及受环境影响小、价格低等。缺点是布局固定，尺寸大，重量重，不能无极变速。方案五：采用弹性悬架。优点是牵引力较大；振动小。缺点是结构复杂。 方案六：采用刚性悬架。优点是结构简单；耐冲击性强。缺点是直接受力较大，振动大。结论：从实际应用需求、简化结构、节能环保等方面考虑，决定选择采用金属履带、电力驱动和弹性悬架。4.履带无人平台底盘的总体设计履带式无人运输平台底盘的设计思想是将驱动系统、电源系统、控制系统、通信系统以及悬架系统和链轮系统结合起来合理的组合成为一个整体，通过无线遥控的方式来控制其运动。4.1底盘结构设计履带行走装置有“四轮一带”（驱动轮，支重轮，导向轮，拖带轮或张紧轮，以及履带），张紧装置和缓冲弹簧，行走机构组成。机械行走时,驱动轮在履带紧边产生一个拉力，力图把履带从支重轮下拉出。处于支重轮下的履带与地面有足够的附着力，阻止履带的拉出，迫使驱动轮卷绕履带向前滚动，导向轮把履带铺设到地面，从而使机体借支重轮沿履带轨道向前运行。“四轮一带”在我国已经基本标准化，尤其是在大型、重型机械方面。因此，本设计还是采用传统模式的设计方法。一般常见的底盘形式有以下三种。第一种是简单用刚轴连接两履带的底盘，这种底盘结构最为简单，使用也最为广泛。其优点是结构简单，占空间小。缺点是稳定性差，复杂地形的通过性不是很高。图4-1 简单的刚轴连接底盘第二种是凸起式平台连接两履带的底盘，这种底盘因为是凸起平台，所以对崎岖路面的通过性更强，稳定性也较强。但是平台结构已经定型，空间占用也大，对整体布局造成很大限制。图4-2 凸台连接式履带底盘第三种底盘是采用刚轴加连杆的连接方式，这种底盘抗震和回整效果较好。并且占空间小，结构也比较简单。图4-3 刚轴加连杆连接底盘通过结合现有底盘结构和一定创新，设计出一种新式底盘结构，通过独特的摇臂式四连杆作为连接。中间用三根轴即一根轴加两根回正弹簧连接车架，加上前后的两根回正弹簧刚好组成一个菱形结构，即保证了底盘强度，又是履带平台有了较高的稳定性。4.2悬挂系统设计履带车高速行驶在崎岖的道路上，虽然履带或车轮因地面不平而上下跳动，但车内的乘员却感受不到强烈的巅震，究其原因，是悬挂系统起的作用。车辆的悬挂装置对车辆本身来说是非常重要的组成部分，它能够很大程度上吸收车辆由于路面激励产生的振动。车辆振动是影响车辆行驶平顺性的主要因素。尤其考虑到全地形车辆高通过性，合理地设计或优化车辆的悬挂装置，可以很好地改善车辆的行驶平顺性。悬挂系统是履带车行动装置的重要组成部分，是将履带车的车体和负重轮连接起来的所有零部件的总称，主要包括弹性元件、减振器、限制器、平衡轴等。确保行驶平稳，缓和行驶时的冲击与振动。减轻振动对车辆各部件的损伤和破坏，增加可靠性，从而确保履带车在任何路面上都能充分发挥动力一传动装置的最大效能，并保证其能以最大车速行驶，使车辆具有良好的机动性。履带车在恶劣地形上的高速运动能力取决于悬挂系统，特别是悬挂系统为负重轮提供的垂直行程。它是评价履带车战场机动性重要的指标之一。普通刚性悬架不能有效缓冲冲击和振动，并且运动速度较低。因此设计中底盘履带悬架采用弹性悬架的结构。弹性元件是坦克装甲车辆悬挂系统的核心部件，它的发展和结构改进会影响到悬挂系统的发展步伐。目前，世界各国坦克装甲车辆的悬挂系统中更多地采用扭杆弹簧作为弹性元件。扭杆弹簧是圆截面的细长杆，承受纯扭转，结构简单，重量轻，横向布置在车内底甲板上方，占用车内空间小，有利于车辆的总体布置。尤其是经过工艺改进的高强度扭杆弹簧，更是履带式装甲车辆悬挂系统最优先考虑的弹性元件。但数量相对较少。现代履带式装甲车用得较多的是高强度扭杆弹簧和减振器并列的独立悬挂装置，也有采用可调式液气悬挂和混合式悬挂的，悬挂性能和可靠性均有大幅度提高。液气悬挂是以油液传递压力，以气体(一般为氮气)为弹性元件的一种悬挂系统，其最大特点是悬挂特性为“非线性”的。所谓“非线性”是指弹性元件变形越大时，吸收的冲击能量就越大，呈非线性增加，这样就可以使坦克保持较高的平均行驶速度。液气悬挂的缺点是结构较复杂，价格较高，且易损坏而不易修复。扭杆弹簧实际上是一种细长的金属杆，在车底甲板上横向安装。其长度与车体宽度差不多，它的一端固定在车体支架上，另一端与平衡轴导管相连，在行驶过程中负重轮的上、下跳动使扭杆扭转，以吸收地面对车体的冲击能量。每一个负重轮都与一根扭杆相连，扭杆数目与负重轮数目相同。扭杆的直径和长度决定着坦克装甲车辆的悬挂特性。由于扭杆结构简单，安装方便，单位体积吸收能量较多，在车体内所占容积不大，工作可靠，不易损坏。因此在此选择扭杆弹簧作为悬挂装置。4.3驱动系统设计表4-1 无人履带车性能指标名称参数最大载荷120千克平地最大速度（空载）35千米/小时垂直越障高度0.25米越沟宽度0.41米最大爬坡角45度抗侧倾角度约45度行走方式履带式驾驶方式无线电遥控考虑以上要求，传动系统采用动力装置后置、发动机横置，此传动系统布置方案有利于传动系统的布置与空间合理利用，可有效降低底盘高度，减小车身长度，有利于其作业稳定性和行驶的机动性。表4-2 几种驱动方式比较性能机械驱动液压驱动液力驱动电力驱动输出力和转矩较大大大小速度低较高较高高质量功率比较小小小中等响应性中等高中等高无极调速较难良好较好良好结构一般较简单一般稍复杂环境适应性一般较好，但易燃较好较差工作寿命一般一般一般较短价格一般稍高稍高较高表4-2列举出了几种驱动方式的综合比较，通过对这几种驱动方式的特点进行分析比较，结合设计要求、实际使用情况和经济性等方面的因素，考虑到液压驱动可以实现无级调速，同时具有系统简单、能量传递方便、标准化程度高、易于实现自动控制及遥控，并且比较节能环保等优点，因此确定选取电力驱动作为履带底盘的驱动方式。为了简化结构，增加传动效率，采用强电直驱电机驱动。履带底盘采用两侧履带差动驱动方式，两侧分别安装驱动电机来驱动履带轮。该驱动机构的设计使车前进、后退、改变方向等操作灵活自如，能够实现快速自由移动和原地自转，穿越狭小空间和复杂地形的能力大大增强。4.4设计相关计算4.4.1电机选取发动机最大功率根据履带车以最大功率行驶的工况确定。其在良好道路上以最大速度行驶所需功率可确定为发动机最大功率。由于本设计是以电机直接驱动主动轮，所以应先算出发动机功率，以此选取合适的电机。表4-3 无人履带车性能指标名称参数最大载荷120千克平地最大速度（空载）35千米/小时垂直越障高度0.25米越沟宽度0.41米最大爬坡角45度抗侧倾角度约45度行走方式履带式驾驶方式无线电遥控供电方式锂电池供电，可持续供电3h当知道道路条件，以及车辆在此道路上所能达到的最大速度，发动机功率可由下式确定： （1）式中：G车辆的全重（KN）；vmax在良好道路上行驶，要求达到的最大速度（km/h）；f0车辆在良好道路上行驶的地面阻力系数；车辆效率。参考现有的履带车实验数据进行选择，要求的最大速度是在良好道路上行驶所能达到的，也就是地面变形阻力系数f很小，坡度也很小的路面能达到的。履带车行驶的地面阻力系数可表示为： （2）由于坡度很小，所以：式中：i路面的坡度，即所研究路段上坡高度与水平距离之比。结合已有经验：履带车辆效率分别取电机94%，联轴器99%。带入得，Nfmax=0.599kw。表4-4 常州永沛公司电机参数表在确定最大功率时，由于还要装载功能模块或物资，以及未来发展预留空间，所以功率选取要偏大一些，在此选取常州永沛机电技术有限公司的YP80B3/5-24V0.55-1200型号的电机，两台电机共1.1KW，大于Nfmax，充分满足要求。4.4.2 牵引力计算在道路上行驶或作业时，履带车上作用着推动车辆前进的驱动力和抵抗车辆前进的各种外部阻力。履带车必须克服来自地面的滚动摩擦阻力Ff才能在地面正常行驶；当车辆在坡道上行驶或作业时，还必须克服重力沿坡道的分力，即坡度阻力Fi。因此，车辆行驶的总阻力为: (3)(1)滚动阻力Ff 履带滚动时，履带与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的履带和支撑路面的变形。这导致阻碍履带滚动的阻力矩Tf的产生。由平衡条件得: (4)式中:W一法向载荷(N)；r一驱动轮半径(m)；f一滚动阻力系数，如表4-5，根据履带车作业环境，这里取0.10。支撑面种类铺石路面0.050.60.8干燥土路0.070.50.6柔软的岩质路面0.100.60.7沼泽地0.100.160.50.6细砂地0.100.450.55收割过草地0.70.9开垦的田地0.100.120.60.7冻结的道路0.030.040.2表4-5 履带式机械的滚动阻力系数和附着系数 (3)坡道阻力Fi车辆上下坡行驶时，车辆重力沿坡道的分力表现为车辆坡度阻力Fi，即： (5)式中: 道路坡度角。履带车要想正常启动和行驶，其履带行走装置的驱动力Ft(也就是车辆的切线牵引力，由驱动链轮上的驱动力矩所产生)必须大于或等于各阻力之和。即要满足: (6)式中:k一履带驱动段效率，取0.95 ； Mk一驱动轮输出力矩(N·m)。由于路面对履带车产生的最大驱动力，即车辆产生的切线牵引力，发生在履带车满载时在最大坡度的路面起动时候需要克服的阻力，因此车辆产生的最大切线牵引力需要满足: (7)将数据代入得: (8)4.4.3履带车牵引力的校核履带车想正常启动或行驶的前提是，不但其牵引力要克服拖拉机所受到的阻力，而且不能大于地面对拖拉机的附着力。否则，当车辆的牵引负荷超过地面附着力以后，履带行走机构将发生全滑转失速，机械停止行走而丧失作业能力。用公式表示为: (9)式中:一地面附着系数，见表3，根据履带车作业环境，取0.9；考虑履带车满载情况的地面附着力： (10)因Ftmax<Fmax,故所求得的驱动力满足要求，车辆不会打滑。4.4.4履带车运动学分析履带行驶机构是由大节距链轮和链轨组成14，在履带车辆行驶时，若履带与地面之间无滑转，则履带车辆的行驶速度就等于驱动链轮与链轨传动时动力半径的圆周速度，这时车辆的理论行驶速度vt为: (11) (12)实际行驶速度v为: (13)式中:nk一驱动轮的转速(r/min)；E0一动轮每转卷绕的履带板块数，即有效啮合齿数；rd一驱动轮动力半径(m)；lc一链轨节距(m)；nm一电机输出轴的转速(r/min)；im一驱动轴传动比；一车轮相对地面的滑转率。滑转率是履带式行驶车辆设计计算中最重要的参数之一，它是指车轮滑移成分占车辆纵向运动中的比例，是由阻力和惯性共同产生的。滑转率滑转率过大，会造成车速损失过大，制约车辆牵引功率的发挥。但从另一方面来说，滑转也可以使车辆在发生超载时避免发动机熄火和行走系统的损坏，有一定过载保护的功能。这里取=7%。针对驱动回路的其中一个电机，要计算单边直驱电机的驱动力。因此按照一般的工程实际，取整机行驶阻力的60%作为单边驱动的行驶阻力，即单边有效切线牵引力为: （14) (15)设联轴器传动效率为M(这里取0.99，则电机负载力矩Mm和驱动轮输出力矩Mk有如下关系: (16)故 (17)结合式(12)和式(14)，可得在最大切线牵引力作用下，电机的输出扭矩为: (18)4.4.5 四轮一带的计算与选型15以下计算为参照参考文献1415计算过程和方法。4.4.5.1 履带履带结构有整体式和组成式两种。整体式每一节履带铸造成整体，结构简单、重量轻、易拆装，但销孔间隙大，易进泥沙、易磨损，适于高速车辆。工程车辆大多采用组合式履带结构，这种结构密封性能好，泥砂不易进入相对的转动面，因此使用寿命长，但零件多，制造复杂，拆装困难。履带支承长度Lc，轨距B和履带板挂宽度b应合理匹配，使接地比压，附着性能和转弯性能符合要求。根据本机的设计参数，确定履带的主要参数为整机的重量。本机的初定整机重量为：0.9t。令表示为接地长度，单位m，表示履带的高度，单位m，G表示机器整机重量，单位为t。则有经验公式知： (19)履带板宽度b，一般参照公式为：