【《适用于浅山丘陵地区作业环境的履带式行走底盘机械结构设计》27000字（论文）】

适用于浅山丘陵地区作业环境的履带式行走底盘机械结构设计摘要浅山丘陵农业机械化水平程度低，采用人工种植平茬收获的方法效率低，无法满足柠条产业的需求。为了提高浅山丘陵地区农机化水平，设计一款完全适应浅山丘陵地区作业环境的行走底盘，保证农业设备作业的高效稳定，提高机械的工作效率，对于提高浅山丘陵地区农业生产的机械化水平具有深远影响。本文首先根据所选柠条种植区作业的实际情况提出的要求，确定了以履带式行走底盘为底盘的设计目标。对底盘的行走系、转向系、传动系组成进行研究分析，对相关参数进行计算，完成动力系统的选型，应用车辆底盘设计理论完成行走底盘的整机结构参数化设计和总体布局。其次，利用三维绘图软件Solidworks和多体力学软件RecurDyn对浅山丘陵作业车辆底盘车架进行了虚拟样机的动力学仿真，结合实际作业工况，针对底盘的行驶性能，选取平面行驶和爬坡行驶两个作业工况进行仿真分析，选取跑偏度作为评价指标对底盘的行驶性能进行评价。针对底盘的转向性能，仿真得到最小转弯半径为1180mm，满足作业环境需求。针对底盘的稳定性能，在分析纵向坡道稳定性后，对底盘的横向稳定性进行了仿真分析。之后，通过AnsysWorkbench软件对行走底盘中的车架进行静力学分析，以分析车架的强度和刚度；对行走底盘中的车架进行模态分析，保证车架的抗振性。分析结果证明：车架的结构及其性能合理。最后，以第四章对于车架性能的分析结论为基础，在保证车架性能的前提下，选用拓扑优化方法，对车架结构进行优化，优化结果满足设计要求的同时，实现了轻量化设计。关键词：浅山丘陵，底盘，仿真分析，优化设计目录TOC\o"1-2"\h\u22358摘要 第一章绪论1.1研究背景浅山区是山区中地形相对特殊的一部分，是相对“深山区”、“高山区”而提出的一个区域概念，指在交通的开发、人口的密度、人均的耕地和宜牧的草坡等相对深山区而言，开发较早的低山、丘陵和山麓平原等；丘陵是指由各种岩类组成的地表不平整，但是起伏和缓，并且绝对高度在五百米以内，同时相对高度小于等于二百米的坡面组合体[1]。因此，本文研究的浅山丘陵区指的是地表形态的起伏多、人类开发较早，并且已经承受一定开发压力的区域，多为缺水且干旱的丘陵地区。在我国浅山丘陵面积大，资源种类较多，丘陵山地的面积占全国土地总面积的60%以上，拥有超过一半以上的县级行政区，耕地面积占比广泛，约占全国的63.2%，居住人口和粮食产量达到全国总数的一半，农业资源十分富足，农业经济发展的前景巨大[2,3]。我国西部的黄土高原、河西走廊等浅山丘陵区域是我国柠条等落叶灌木的主要分布地区，落叶灌木的植物特点即根系比较发达，吸水力比较强，同时，由于其生态适应性强，抗逆性也十分强。典型的灌木有柠条，收割加工后，营养丰富的柠条不仅可以作为家畜的饲料，还具有一定的药用价值，更是可以用来作为木柴燃料，经济效益好[4-6]。同时，柠条作为一种耐热耐旱的植物，在我国沙化地区的防沙固沙任务中发挥了重要作用，也是宁夏回族自治区主要的防沙护林灌木之一。到目前为止，人工平茬仍是自治区内主要采用的平茬收获方法，存在部分机械化采收的农业机械主要有背负式、肩负式平茬机[7]，平茬效果差，收获效率低，人工需求量大，无法满足柠条产业种植收获的急切需求。农业机械是农业自动化采收的重要发展方向，农业机械化是我国农业现代化的根基，同时也是是农业先进生产力的评价指标。随着国家推进三农产业现代化的进程不断加快，对农机产业的发展提出了更高的要求，宁夏回族自治区的农业机械化产业的发展也迎来了一个新时期[8]。各个类别的农业机械装备在农业生产中所占的比重日渐增重。目前，平原地区的机械化水平发展较快，质量较高，浅山丘陵地区的机械化已成为农业发展的必然趋势[9]。由于浅山丘陵地区地形复杂，具有一般丘陵地区地块面积小、地块形状不规则、路面坡度大和地面起伏频繁等特点的同时[10,11]，又存在浅山区特有的土壤半沙化的缺点，是机械化最薄弱的地区。目前，在我国浅山丘陵地区进行农业作业的主要机械仍以拖拉机为主，以四轮、履带式、手扶式及两轮式微耕机为主[12-15]。由于传统的农业机械在复杂地形条件下运行困难，这些拖拉机大多是由普通拖拉机进行设计改装后投入使用，对于浅山丘陵地区的复杂的工作环境，不能完全满足良好通过性和稳定性的需求，同时，也无法承担作业多样性的重担，使得农业机械存在作业质量差、动力消耗大、爬坡性能差和容易发生倾翻等问题[16,17]。专业的拖拉机与部件研发还处于起步阶段，这是制约浅山丘陵地区农业机械化发展的主要瓶颈之一。自走式柠条平茬收割机是一类较先进的柠条平茬机械，而行走底盘是保障平茬作业质量的关键部件，决定了柠条平茬机械的工作效率。浅山丘陵行走底盘在农业生产中用处很多，其功能主要包含灌木平茬、灌木收割、灌木运输等方面。因此，研制一款完全适应浅山丘陵地区作业环境的行走底盘，具有较好的通过性，保证其搭载的农业设备高效稳定的作业，提高农业机械工作效率，对于提高浅山丘陵地区农业生产的机械化水平具有重要的指导意义。1.2课题来源和意义1.2.1课题的来源本课题来源于宁夏回族自治区重点研发计划项目“浅山丘陵柠条采收及饲料一体化加工智能装备研发”，自治区内的柠条生长在沙化的土地中，周围地面凹凸不平，其中不乏少数石块，沙地表面的承载能力较低，同时，植株之间的种植距离不统一，柠条丛的根部由于风沙的作用容易聚集沙粒，形成沙包。现有的柠条收获机多存在通过性和稳定性较差等问题，这已成为制约自治区内柠条整体产业发展的首要问题。高效柠条切割器与三维地形自适应仿形的智能平茬装备的设计与研制，不仅解决了这一问题，同时也填补了国内柠条仿形平茬机的空白。1.2.2课题的意义结合项目的实施，本课题设计一种适用于浅山丘陵作业车辆的动力底盘。根据浅山丘陵地区的地貌特征，结合计算机和虚拟样机仿真技术，利用Solidworks软件建立精确有效的样机模型，运用多体动力学软件RecurDyn对所设计的底盘进行性能的评估和优化，运用AnsysWorkbench软件对浅山丘陵地区作业车辆底盘的车架进行有限元分析及优化，保证车架力学性能符合要求的同时，避免因共振产生较大震动，减少物理样机的制造与试验所占用的时间，优化后的车架性能良好，耗材较低，降低设计与生产成本。本课题的工作对于浅山丘陵地区行走底盘的研究具有借鉴意义，对于提高农业机械在浅山丘陵环境下的作业效率，减少人力劳动度，减少经济成本，提高浅山丘陵地区农业机械自动化具有重要意义。1.3国内外研究现状及分析1.3.1国内丘陵底盘的研究现状我国浅山丘陵山地农业运输装备的研究起步较晚，近年来，国家在发展农业机械上投入了大量的人力物力财力，许多企业和高校对浅山丘陵地区作业车辆底盘研发也在不断地深入。各大高校研究院在分析国内丘陵山区作业环境的特点后，引进欧美等发达国家相关农业作业车辆底盘的先进技术，开发研制出适合我国作业特点及要求的行走底盘。目前，我国研究者们研究的适合我国的丘陵作业底盘主要有轮式和履带式，两种行走底盘适应的工作环境以及要求不同，主要通过自主设计，降低重心以提高底盘的通过性，对工作地面进行仿形以提高底盘对于地形适应能力，采用变地隙和轮距等方式满足不同种植工艺以及地形的需求，或者加入控制系统，使底盘车体根据不同路面信息，实现车身的实时调整，提高底盘的稳定性。王锋等[18]为了解决目前在丘陵地区果园的作业机械的通过性和稳定性差的现状，研制了由三角履带作为行走系统的动力底盘，如图1-1所示。由于底盘的整体体积小，生产成本相对较低；在黏性较强的路面上行驶时，特有的履带形状可以提高底盘整机的越障能力，提高底盘的稳定性，工作时底盘速度较小，最大爬坡角度可达15°，转弯半径为750～1340mm，最大跨越壕沟宽度为500mm，最高跨越垂直障碍物高度为528mm。适合在南方丘陵地区的果园进行农业作业。底盘的操纵简单，但是底盘整体的质量分布不均衡，具有较大的振动。图SEQ图\*ARABIC1-1三角履带式底盘图1-2履带式多功能机王学良等[19]为了解决农机具不能完全适应丘陵山地地区的作业地形问题，设计了一种多功能作业机。如图1-2所示。底盘采用履带式底盘，动力系统采用液压式，柴油发动机、齿轮泵和油箱位于驾驶员座椅的后下方。试验样机在工作试验中最大爬坡度可达到28°，横向可以通过最大为12°的斜坡，具有较强的爬坡能力和抗倾翻能力的同时，具有较低的质心，该底盘尤其满足在丘陵山地复杂的工作环境中作业的要求。刘平义等[20]设计了一种行走底盘，该底盘选用行星履带作为行走系统，共四组，提高了底盘在复杂地面的通过性，如图1-3所示。这种结构设计兼具了两种不同类型行走系统结构的优点，在平坦路面工作时，行走方式与一般履带式底盘相同；在不平稳和低障碍路面行走时，根据触地的履带轮的变化，系杆支架进行自动的仿形调节；在具有较难跨越的路面工作时，系杆支架绕被阻履带轮转动的同时，履带及另两个履带轮同时公转，达到翻越障碍的目的，如图1-4所示。底盘具有仿形和翻转越障能力，在起伏不定的丘陵山区等复杂地面行走的行走性能良好。图1-3行星履带农用动力底盘图1-4越障行星履带底盘丁素明等[21]为了解决传统的种植模式中行间通过性高的行走底盘较少的现状，设计了一种果园喷雾机底盘。如图1-5所示。整机行间最低通过高度为1600mm；最小转弯半径约为2000mm；设计了新型的多动力输出分动装置，可以实现不同工作系统的互不影响；变速箱与挡位的配合，实现高低速（3+1）×2个挡位，并且可以根据行走条件，随意的进行两驱与全驱的选择，驾驶员与发动机及动力系统分别放置在底盘前后两部，整机重力分布均匀。图1-5自走式果园喷雾动力底盘图1-6农用仿形行走动态调平底盘刘平义[22]等针对丘陵山区底盘通过性差和车身晃动难以维持水平的问题，设计了一种动态调平底盘。如图1-6所示，行走底盘安装的悬架可以变化角度，在不平稳路面行走时，通过对悬架工作角度的调节，实现多自由度仿形行走；同时采用全时多轮驱动，各悬架上的悬臂夹角可以利用伸缩机构进行调整，可以改变高度，动态补偿调平符合丘陵山地复杂地形对于底盘的要求，实现了车身的实时调平，。高巧明等[23]为了解决丘陵山区复杂的环境和农作物不同的种植工艺对底盘性能要求高的问题，创新性的运用了平衡摇臂悬架，并选用H型传动的系统方案，设计出了一款可变地隙可变轮距的行走底盘,如图1-7所示。转向方式为四轮全液压转向,不存在转向梯形，转向时同侧车轮以对称的角度进行偏转转向,这种转向方式能大大减小转弯半径，实现同辙转向。针对不同的工作环境，手动控制液压系统来相应的改变地隙和轮距。前后摇臂中间具有能够摆动的角度平分调节机构，根据摆动的幅度实现地隙的改变；将车轮两侧的驱动桥设计成可向外滑动的特殊装置，实现轮距的改变。(a)(b)图1-7可变地隙和轮距动力底盘1.3.2国外丘陵底盘的研究现状国外发达国家在很久之前就开始了对于丘陵山地拖拉机的设计研制与应用，到21世纪初已经实现最大作业坡度达到27°，如今国外关于丘陵山地作业车辆的底盘的相关技术已经十分成熟[24]。日本在微型和小型机械方面的技术十分成熟，但是由于我国自然环境的制约，适合在小区域作业的农业机械难以满足我国大面积农作物的收获需求。在这一领域，拥有世界领先技术的国家是美国和意大利，他们研究重要内容是差高变化以提升稳定性和机电液一体化在拖拉机底盘中的应用。苏联格鲁吉亚的农业科学院的研究室研制出一种拖拉机，该机小巧灵活，十分适合多坡路面作业，最大作业坡度可达40°，仅仅需要根据作业，需求，搭载不同农机具就也可以完成各种农业作业，但是人工操作较为繁琐，容易造成驾驶员疲劳，存在安全隐患劳动强度大[25]。芬兰Timberjack公司设计的机器人，如图1-8所示。该机器人为步行式，可在作业环境不理想的林间进行采伐作业，对松软路面以及陡峭路面的适应性很强。机器人有安装传感控制系统，根据传感器感知的路面信息调整机器人腿部的行走动作，独特的昆虫造型设计，拥有六足并且整机体积较大，该机器人能跨越的障碍高度高达120cm，满足复杂作业环境的要求，但是技术难度较大，成本较高[26]。图1-8步行式采伐机器人如图1-9多用途拖拉机许多国外的公司研究设计了多种可适用于不同丘陵山区作业环境的多用途拖拉机，拖拉机整体的结构紧凑，能搭载不同农机具在坡道路面正常作业。瑞士的Aebi公司生产的Terratrac系列山地型拖拉机[27]，如图1-9所示。其中TT270型配装VM发动机，此类型发动机由底特律公司生产，功率为70kw，变速箱形式采用静液压式，采用纵向差速传动机构，前后桥均具有适应最高应力的强度，整机自身重力较轻，质心较低，具有小高度和装配质心低的特点。1.3.3总结目前，我国浅山丘陵作业底盘的设计研究，主要以依靠先进国家先进技术为主要研究方式，由于国内外作业环境的差异，现有的浅山丘陵作业底盘的作业性能不高。国外的行走底盘由于运用的技术先进，主要包括电液控制以及人工智能等，对不同的地形具有较好的适应性，技术水平发展的已较为成熟，但价格昂贵。通过对国内浅山丘陵地区作业车辆底盘的发展现状研究发现，国内对浅山丘陵作业车辆底盘的研究较少，这就需要我们深入准确的研究，补齐这一短板，从而提高浅山丘陵地区农业机械化程度，减轻劳动强度，更好地促进我国的浅山丘陵地区的发展。1.4研究内容与路线1.4.1主要研究内容为了解决我国浅山丘陵作业车辆底盘对作业环境条件适用性差的问题，本课题结合浅山丘陵土地半沙化的作业环境与多坡地、多起伏路面的作业条件，设计一种可用于浅山丘陵作业的行走底盘，该底盘能够搭载柠条平茬作业农机具作业，同时也可以负载其他农业机械设备，提高了浅山丘陵作业的机械化水平。主要研究内容如下：（1）选取了宁夏回族自治区浅山丘陵地区某柠条种植区作为底盘的工作环境，并对种植园内工艺参数进行测定，通过对大量国内外有关于浅山丘陵地区以及丘陵山地地区行走底盘的参考文献的阅读，分析总结设计思路，以所选柠条种植区实际作业情况为基础提出设计要求，确定履带式行走底盘作为主要设计目标。（2）根据作业环境的工艺参数以及柠条平茬的实际需求，对底盘的行走系、转向系、传动系组成进行分析，应用车辆底盘设计原理完成行走底盘的整机结构组成、关键部件设计和总体布局。（3）运用Solidworks软件建立行走底盘的三维模型，对底盘结构进行虚拟装配后查看底盘整体设计的合理性并及时修改。（4）运用多体动力学软件RecurDyn中的Track-LM低速履带模块，通过设置与作业环境相符的地面，对行走底盘的主要工况进行动力学的仿真分析，主要对行走底盘的通过性、转向性以及稳定性进行分析。（5）根据所设计底盘的承载特点和主要工况，选取和添加载荷,通过AnsysWorkbench软件对行走底盘的车架进行静力学分析，保证车架的强度和刚度；对行走底盘的车架进行模态分析，得到车架的固有频率及振型，对车架的抗振性进行评估。（6）运用AnsysWorkbench软件对车架进行拓扑优化设计，保证车架性能满足要求的同时，实现车架的轻量化设计。1.4.2技术路线技术路线如图1-10。图1-10技术路线图底盘总体结构设计2.1底盘设计目标目前，关于国内浅山丘陵地区相应的环境参数调研相对较少，设计农业机械所用行走底盘时，设计方案的确定需要和环境及农艺相结合，通过环境和农艺调研确定参数，对宁夏回族自治区柠条种植区进行实地调研和查阅资料后，得知柠条种植采用大田育苗技术，固定或半固定于半沙地，路面坡道较多且最大坡度可达25°，地面起伏频繁。柠条的种植多采用双行带距8m的种植农艺，如图2-1所示。(b)图SEQ图\*ARABIC2-1柠条种植区该行走底盘设计要求符合作业环境参数参数的同时，还需要有较好的通过性、爬坡性和稳定性，需要为柠条平茬极具作业提供动力。综上所述，设计目标如下：（1）底盘满载质量≤4000kg；（2）行驶速度范围为4～8km/h；（3）在半沙化路面的通过性良好，满载接地比压30kPa；（4）具备较好的爬坡越障能力，最大爬坡角度≥30°；（5）操纵方式简单，转向灵活且具有较小的转向半径。（6）结构紧凑，方便维修。2.2底盘总体设计方案2.2.1底盘的选型本课题设计的底盘作业环境为浅山丘陵地区，具有一般丘陵地区路面坡道多，坡度大和地面起伏频繁等特点的同时，又存在浅山区特有的土壤半沙化的缺点。行走底盘按照结构不同大致可分为三种[28]。腿式底盘应用与机器人的较多。履带式底盘在行驶过程中相较于另外两种底盘，在坡地作业时通过性好，由于结构特殊，行走时与路面接触面积大，接地比压较小，对地面的压实程度小，转弯半径也比较小，在负重大或行走路面沙化的工作环境中能很好地发挥优势。轮式底盘相比于履带式底盘重量小，行驶灵活，速度快，维修方便。适合于平稳路面上的行驶作业。但是普通的轮式底盘在浅山丘陵地区地形工作能力较差，很难满足复杂地形对于底盘的作业要求，由于爬坡性能和通过性能较差，不适合在路面承受力差和多坡道路面行驶[29-31]。所以，本文选定履带式行走机构为浅山丘陵作业车辆底盘的行走系统。履带底盘的行走形式有普通型、联合型、战车型和三角形[32]。普通型重视接地长度，稳定性好但越障性能较差；联合型偏重于行驶性能；战车型的履带有较大的前进角和离去角，良好的越障性能是这种类型适用于路面条件恶劣的环境；三角形可使机构小型化，适用于收割机和旱田作业机械。根据设计要求，选择战车型履带。本文对于底盘的设计要求中，对于车速要求较低，所以选用整体式行走系统。2.2.2整机的总体布局行走底盘的总体布局关系到柠条平茬机整机的作业经济性、通过性、稳定性和安全性。因此，总体布局对于底盘的整体设计的合理性具有很大影响[33]。分析影响整机布局的各种因素，设计底盘的总体布局为：（1）动力系统选用柴油机作为主要的动力源。（2）行走系统设计：与传统的履带式底盘相同，主要由“五轮一带”，包括驱动轮、支重轮、托带轮、张紧轮、引导轮、履带以及张紧装置组成[34]。（3）传动系统设计：本文中的传动系统是指柴油机动力传递至驱动轮中间的所有传动机构组成的系统。主要由带传动、变速箱组成。5底盘的整机结构的设计尺寸为2860mm×1680mm×2400mm，底盘的总体布局如图2-2所示。5294665487294665487主视图(b)俯视图油箱；2-驾驶室；3-平茬装置搭载位置；4-变速箱；5-发动机；6-液压动力装置；7-行走系统；8-车架；9-皮带图2-2总体布局图2.3底盘行走系统的设计2.3.1行走系统的工作原理底盘行走系统的功用是将整机支撑于工作路面之上，并将由传动系输入的转矩转换成车辆在地面上的移动和牵引力[35]。履带式底盘行走系统采用“四轮一带”式的结构，主要组成为驱动轮、支重轮、托带轮、张紧轮、引导轮、橡胶履带、张紧装置和车架等。底盘行驶过程中，驱动轮通过轮齿和履带啮合，驱动轮将履带向前卷起，当驱动轮的驱动力大于行走阻力时，底盘向前正常行驶。行走系统结构如图2-3所示452145211-张紧轮；2-履带；3-托带轮；4-驱动轮；5-支重轮；6-车架图2-3行走系统结构图2.3.2主要参数的计算本小节是以底盘设计的基本理论为依托，联系实际作业环境以及设计的目标和要求，根据现有的农用履带式底盘，通过计算得行走系统的最终设计参数。（一）履带主要参数与选型1、履带节距。整机的总质量是影响履带节距的重要因素，整机重力越大，履带节距取值越大，参考经验公式（2-1）进行估算[36]。（2-1）式中：为履带节距；为履带节距系数，取15-17.5；为整机质量，取预估值4000kg。2、履带板的宽度。履带板的主要参数为履带板的宽度，同等吨位下，宽度是影响整机接敌必大的主要因素。参照公式为:（2-2）式中，为履带宽度;为机体自重kg。将预估整机重量代入公式（2-1）、（2-2）得，。履带的接地长度和轨距。履带接地长度参考公式为：（2-3）履带式行走系统中，接地长度与轨距的比值超过1.7时，履带式底盘在浅山丘陵山地环境下会存在转向困难的问题；当取值小于1时，行走系统的跑偏可能性增加[37]。此处比值取值范围选为1.2～1.4。经计算确定履带接地长度，轨距。综合考虑底盘作业环境和设计要求，选用轮齿式橡胶履带。根据计算所得，参考行业标准《JB/T6682-2008联合收割机橡胶履带系列参数》，选用履带的型号为GRT-500×90×60-4000。履带主要参数如表2-1所示。表2-1履带主要参数名称参数值驱动类型轮齿型带宽（mm）500节距（mm）90带厚（mm）40接地长度（mm）1800履带轨距（mm）1350适应机重（kg）2500～40003、接地比压。履带式行走底盘的一个重要性能参数就是接地比压，其大小直接影响底盘行驶过程中通过性，也对稳定性造成一定影响。履带式行走底盘接地比压的计算公式如下[38,39]：（2-4）式中：为整机重量；为履带接地长度；为履带宽度。将相关参数代入式（2-4）得，符合设计要求。驱动轮参数驱动轮是主动轮，是变速箱输出的动力通过啮合传递给履带的装置。齿数的大小是决定传动系统稳定运行的关键因素。齿数较少时，齿轮外廓体积较小，传动系统总体积较小；齿数过大，齿轮尺寸增加，传动系统的重量增加，会影响底盘的各项性能[40]。但齿数过少，会产生不均匀传动的问题，也会减少齿轮的使用寿命。通常传递速度较，驱动轮齿数越少越好，但不得小于10，同时为了使全部齿轮啮合准确，齿数大小为奇数，增加使用寿命。根据农业行业推荐标准《JB1T6682-2008联合收割机橡胶履带系列参数》，选择驱动轮齿数为。为避免发生根切，采用正变位齿轮。1、驱动轮分度圆的直径公式为：（2-5）式中：为履带节距；为驱动轮齿数。2、驱动轮齿根圆的直径公式为：（2-6）式中：为内传动表面与钢丝绳中心平面之间的距离,为18mm；3、驱动轮齿顶圆的直径公式为（2-7）式中：为履带厚度,为20mm；将代入公式（2-5），（2-6）和（2-7）中得到驱动轮的主要参数如表2-2，表2-2驱动轮主要参数参数名称参数值配置方式前置驱动驱动轮齿数13分度圆直径373mm根圆直径337mm顶圆直径408mm齿面弧线半径R=30-60mm支重轮参数支撑轮通过两侧的轴承及轴套与车架连接，主要担负底盘自身的重力以及农机具工作时产生的外力，同时支重轮夹持履带避免发生横向滑脱[41,42]。一般底盘上，都采用多个直径较小的支重轮，支重轮的个数由整机重力决定，重力越大，个数越多[43]。参考经验公式（2-8）进行估算，（2-8）将代入公式（2-8)得支重轮踏面直径。具体的安装方式应有助于增大接地长度，均匀接地比压。两支重轮间的距离一般为或，但是不能是或[44]。原因是因为随时都要保证履带啮合的铁齿上至少有一个支重轮，这样才可以减少因支重轮起伏而引起的高度差，提高平稳性，减少阻力。综上选用直径为290mm的支重轮，双侧履带各布置6个支重轮，相邻间距为290mm。托带轮参数托带轮的主要作用是支撑上方的履带，使履带保持张紧张态，从而避免履带下垂，减缓履带转动时的跳振。通常单侧履带配装1～2个托带轮，直径略小于支重轮直径。综上设计托带轮直径为250mm，共两个。（五）张紧轮和张紧装置张紧轮主要是为了引导履带运动方向，从而防止履带发生横向滑动，同时为了保持张紧力适中，可以与张紧装置一同使用，避免履带跳振。参考经验公式（2-9）进行估算，（2-9）将代入公式得张紧轮直径。2.4底盘动力系统的设计2.4.1最大驱动力计算履带式行走系统受到的行走阻力主要包括两部分。内部阻力为履带安装处的摩擦力，例如驱动轮和履带啮合时产生的摩擦力、车轮与各自的轴承之间的摩擦力等。履带的外部阻力为履带式底盘行走的过程中，履带受到地面挤压变形而产生的阻力[45,46]。履带底盘的直线行走所需驱动力：（2-10）式中：为外部滚动阻力系数，一般取0.1，各种路面的滚动阻力系数如表2-3；为内部阻力系数，取0.05；为整机质量，取预估值4000kg。表2-3各种路面的滚动阻力系数路面性质滚动阻力系数混凝土0.05冰面0.03～0.04坚实土路0.07松散土路0.10泥泞路面0.10～0.15履带底盘的坡道行驶所需驱动力：（2-11）式中：为坡道角度，取。经计算可知，，。底盘在爬坡时所需驱动力远大于底盘直线行驶时所需驱动力，则以底盘爬坡时所需要的驱动力为最大驱动力，计算得到最大驱动功率。最大驱动功率计算公式为：（2-12）式中：为最大驱动力，；为行驶速度，取8km/h；为传动系统效率，取；为行走系统效率，取。计算得最大驱动功率。一般履带式底盘停止行走后，操纵换挡机构完成转向，转向完成后再换挡继续直线行驶[47]。所以根据底盘转向时的功率消耗进行校核。履带车辆转向工况消耗功率是直线行驶消耗功率1.63-3.24倍。底盘转向时得驱动功率：（2-13）计算得。经计算和校核，确定底盘所需最大驱动功率为。根据项目的实际设计需求，发动机是柠条平茬机唯一的动力来源，它不仅需要给行走系统提供动力，发动机还需将动力分配给柠条平茬作业机具。已知平茬机具作业功率为，则整机需求最大功率为（2-14）2.4.2.发动机的选型浅山丘陵作业车辆需要有良好的爬坡性能、转向性能，还要够正常的进行作业。因此，选择一个适合的发动机提供动力源十分重要[48,49]。本文所设计的底盘在工作时，由于工作环境的影响，行走速度较低，同时又要搭载相应的农机具，所以要求有足够的起步转矩，汽油机虽然转速比柴油机高，但是输出转矩往往比柴油机低[50]，同时柴油机的经济性相比更好。所以选用柴油机作为整机动力源。根据前文计算已知，所选动力源功率应大于此功率。选用玉柴YCD4系列柴油机作为整机动力源，主要参数如表2-4所示。表2-4柴油机主要参数发动机参数名称参数型号YCD4N4S-110制造厂广西玉柴机械股份有限公司最大输出功率（Kw）80最大扭矩（N·m）310额定转速（rpm）3200缸径行程（mm）93×103冷却方式水冷外形尺寸（mm）830×620×6802.5底盘传动系统的设计2.5.1传动方案的确定本设计作为柠条平茬作业等农机具的负载底盘并为其提供动力。因此，柠条平茬机底盘的传动系统应分为两个分支，一个分支是将发动机提供动力传递至行走系统的驱动轮，另一个分支是将动力传递至负载的农机具进行作业。目前，车辆底盘主要的几种传动主要有液力机械式、机械式、静液压式和电力式[51]。传动方式的优缺点如表2-5。表2-5传动方式的优缺点传动方式优缺点机械传动简单的结构、可靠的工作性能、低成本、高效率，尺寸较大。常用于工程上的机械以及连续式作业负荷平稳的机械。液力传动单纯的液力传动结构复杂、成本较高，挡位合理、操纵方便，在轿车上广泛使用。静液压式传动系统造价也比较高，但其传动系统布置比较灵活，被广泛应用于军用车辆。电力传动电力式传动系统多应用于工程机械。传动方案主要取决于所设计底盘的功率大小和实际工作用途[52]。通过综合考虑众多影响因素等因素，本设计中的底盘行走系统选用机械传动方式，传动简图如图2-4所示，动力输出系统选用液压传动方式。1-带轮；2-液压平茬装置；3-发动机；4-变速箱；5-车轮；6-履带图2-4传动方案简图行走系统传动方案为：发动机—带传动—变速箱—驱动轮。发动机至变速箱采用皮带传动，带传动的结构简单、工作平稳、经济耐用。变速箱选用机械齿轮变速箱，选用了履带底盘专用变速箱，传动平稳准确，可靠性高。2.5.2传动系统参数的确定（一）速度的确定传动比主要与各档位行驶速度有关，所以应根据设计目标以及底盘自身转移的实际需求，先确定底盘的工作档位以及各档位的理论速度，再根据传动方案来计算传动比。本设计的车辆底盘主要作用是搭载柠条平茬等其他农业机械进行浅山丘陵地区的农业活动。所以，其理论速度的设计可参考其它同类型产品，确定车辆底盘理论设计的转移行驶速度为6~8km/h，工作时行驶速度为2~4km/h，后退行驶速度为4~6km/h。（二）带传动的设计带传动将柴油发动机动力传递给变速箱的输入轴。本设计所选发动机额定功率为80kw，根据《机械设计手册》进行设计，带传动参数如表2-6所示。表2-6带传动的主要参数名称参数V带类型SPB型V带主动带轮直径（mm）180从动带轮直径（mm）270传动比1.5基准长度1800中心距536单根带功率13.83V带根数7变速箱的选型本设计所选发动机的额定转速为3200r/min，根据理论设计目标中的车速以及实际工况需求，降低操纵的复杂程度，变速箱确定为两个前进挡加一个倒退挡。确定带传动的传动比大小为1.5，皮带输出轴的转速为（2-15）1、履带底盘工作时行驶速度为，则驱动轮的转速为：（2-16）Ⅰ挡设计的传动比为：（2-17）2、履带底盘后退时行驶速度为，则驱动轮的转速为：（2-18）变速箱的传动比为：（2-19）3、履带底盘设计最大行驶速度为，驱动轮分度圆直径为，则驱动轮的转速为：（2-20）式中：为最大行驶速度；为驱动轮直径。Ⅱ档设计的传动比为：（2-21）根据以上计算参数选用LB40型变速箱。该变速箱主要参数如下：表2-7LB40型变速箱主要参数名称参数Ⅰ挡传动比35.586Ⅱ挡传动比18.566倒挡传动比25.196变速箱的选取要保证底盘在转移和工作行驶，柴油机在最高转速时，底盘的行驶速度要大于等于理论设计车速的最大值，即需要满足（2-22）式中：为LB40在第n挡的传动比，；为带传动的传动比，取1.5；为理论传动比。同时，还需要保证柴油机以最大扭矩输出时，底盘能够克服最大爬坡度所对应的行驶阻力。即需要满足（2-23）式中：为柴油机的最大输出转矩。经计算，所选变速箱的传动比满足各个档位行驶速度要求。2.6本章小结本章主要通过对底盘工作环境的调查，提出了底盘设计目标。根据查阅文献，对底盘的总体布局进行了设计，确定了部分技术参数。针对履带车的整机结构，对行走系统的关键部件“四轮一带”进行了参数化设计，确定了行走系统的相关尺寸。对动力系统匹配参数进行了计算，并选用玉柴YCD4系列柴油机作为整机动力源。对几种传动系统进行了分析比较，完成了传动系统相关参数的计算，确定选用星力XL-90型变速箱。底盘虚拟样机动力学仿真浅山丘陵底盘使用环境复杂，传统设计中，理论经验结合试验的研究方法，周期较长且耗费大。RecurDyn软件是一款适用于复杂系统动力学问题的求解的多体动力学仿真软件，工具包中包含有履带车辆、媒体传送、等行业专用开发及分析工具，采用模块化、参数化的一体式建模技术，能够快速、准确方便的建立系统模型[53]。采用机械设计和运动学仿真相结合的模式能够更有效的进行设计[54,55]。本文充分利用Recurdyn软件和SolidWorks三维建模软件，共同完成底盘行走系统动力学模型的建立，利用RecurDyn软件对浅山丘陵作业车辆行走系统虚拟样机进行动力学仿真。3.1底盘行走系统的模型建立3.1.1车架模型的建立模型整体可以分为负载、车架、左行走系统和右行走系统。负载安装在车架上，左、右履带行走系统位于车体部分两侧。运用SolidWorks软件对底盘车架进行三维建模，同时为了减少仿真的计算量，对模型进行一定的简化，以“.x_t”的格式将模型导入Recurdyn仿真软件中，将所有部分合并。3.1.2行走系统模型的建立行走系统主要包括支重轮、驱动轮、张紧轮、托带轮和履带板，即“四轮一带”。利用Recurdyn软件中的低速履带工具包创建履带行走系统的多体动力学仿真模型，首先需要建立参数化部件[56]，根据浅山丘陵作业底盘的行走系统的安装尺寸。首先设置驱动链轮的质心坐标为(-2900,0,0)，其他行走系统结构的质心坐标根据安装尺寸确定。行走系统关键部件的参数建模如下：驱动轮在低速履带子系统中，利用Sprocket工具建立驱动轮，根据驱动轮的轮齿等的结构设计参数，在GeometryDate选项栏对车轮基本的几何参数进行修改，驱动轮的几何参数如图3-1所示。(a)(b)图3-1驱动轮的几何参数驱动轮模型如图3-2所示。图3-2驱动轮模型支重轮利用Track/LM中的SingleRoller命令进行建模，根据第二章中设计的参数，支重轮的几何参数如图3-3所示。(a)(b)图3-3支重轮的几何参数支重轮模型如图3-4所示。图3-4支重轮模型张紧轮和托带轮利用CenterFlange建立张紧轮和托带轮，根据第二章中设计的参数，张紧轮和托带轮的几何参数如图3-5（a），图3-5（c）所示。(a)(b)(c)图3-5张紧轮和托带轮的几何参数张紧轮和托带轮的三维建模分别如图3-6（a），图3-6（b）所示。(a)张紧轮(b)托带轮图3-6张紧轮和托带轮模型履带板先运用Track/LM中的TrackLink工具命令进行建立履带板的单个建模[57]。本文研究的履带车辆的履带为橡胶履带，与轮系啮合且直接接触，根据实际结构，对履带板的详细参数进行修改，最后运用TrackAssembly工具将履带板装配到轮系上。3.1.3约束和装配在完成集合结构建模并装配之后，需添加约束和驱动，使其具有完成运动的能力。底盘行走系统各零部件之间的约束关系，如表3-1所示。表3-1行走系统约束关系约束类型部件1部件2数量位置转动副车架驱动轮1(-2900,0,0)转动副履带架支重轮6(-2430,-420,0)/(-2140,-420,0)(-1850,-420,0)/(-1560,-420,0)(-1270,-420,0)/(-980,-420,0)转动副张紧支架张紧轮1(-500,0,0)转动副履带架托带轮2(-1990,80,0)/(-1430,80,0)固定副车架履带架1(-1704,-269,0)完成一侧行走系统的装配后，复制行走系统，将车架作为母体，将左、右两个行走系统与车架相匹配，最终建立履带车的运动学模型。整车动力学模型如图3-7所示。图SEQ图\*ARABIC4-7整车动力学模型3.1.4添加驱动本文没有针对底盘动力系统进行独立建模，而是通过在驱动轮与车架处接的转动副上面添加函数实现底盘的驱动。仿真过程中，驱动轮速度从零开始连续变化，因此函数选用STEP函数，能较好反映驱动轮逐渐加速的过程。函数表达式为:（3-1）式中：为驱动函数的自变量；为自变量的初始值；为自变量的结束值；为STEP函数的初始值；为STEP函数的结束值。3.2路面模型的建立Recurdyn软件中的Ground模块给出了两种路面建模的方法，一种是有定义接触力的无沉陷路面，另一种是通过Bekker理论定义的沉陷路面系，简单来说，就是将土壤与车辆接触时的变形分解为相互独立的竖直方向的变形和水平方向的变形[58]。结合浅山丘陵路面半沙化的土壤特性，仿真路面设置为干沙软路面，其特征参数如图3-8所示。图3-8路面参数3.3底盘虚拟样机动力学仿真3.3.1模型预分析仿真分析之前，为了对模型整体的合理性进行评估，找出建模中存在的问题，应对所建立的模型进行预分析。预分析是为了找出模型中多余的约束、独立的坐标，即对模型进行初步的验证，并且计算自由度[59]。预分析的结果如图3-9所示，预分析结果表明：模型运动自由度为456，不存在冗余约束。由模型预分析可知模型设计合理，可以进行仿真分析。图3-9预分析结果3.3.2底盘通过性能分析（一）平地行驶平地行驶是浅山丘陵作业车辆底盘主要的行驶方式，履带式底盘在路面的直线行驶仿真性能，主要是通过测量驱动轮的阻力矩、沉陷深度、接地比压来衡量的[60]，同时履带底盘行走的平稳性也是底盘研究的重要指标[61]，其主要通过底盘的垂直方向的质心位移来衡量[62]。分别模拟车速为8km/h、6km/h、4km/h三个工况下匀速直线行驶的过程。驱动轮在三个工况下稳定行驶的转速分别为1.895rps，1.426rps，0.948rps，驱动函数分别为STEP(TIME,0,0,1,-1.895*PI),STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI),STEP(TIME,0,0,1,-0.948*PI)(负号代表驱动轮沿顺时针转动)。仿真时间10s，步数1000步。履带式行走系统的总阻力等驱动轮受到的反力，仿真模型中，驱动轮与车架之间的旋转副Z方向的阻力矩即为履带式底盘行驶时的阻力矩，图3-10（a）为三种行驶工况（行驶速度）下驱动力矩变化曲线。由图可知，0～1s内是履带底盘的加速阶段，由于加速阶段车架和履带的振动导致受力不均匀，阻力矩变化较大；1s后底盘加速结束，保持匀速行驶，底盘运行平稳，此时受力较均匀，由图3-10（b）、（c）、（d）可知，三种行驶工况下底盘行驶总阻力的平均值相差不大，并且随着行驶速度增加，驱动阻力矩有增高趋势。（a）（b）（c）（d）图3-10三种工况下驱动力矩变化曲线图3-11为三种工况下履带中第2块履带板的沉陷深度变化曲线，由曲线图可知，三种行驶速度下履带板的沉陷深度相同，查阅资料可知履带沉陷深度主要与底盘重量以及土壤系数有关。图3-11三种工况下履带第2块履带板的沉陷深度变化曲线图3-12为三种工况下履带第2块履带板与地面的接触力变化曲线。由曲线图可知，履带板与地面的接触力的变化较大，主要是由于履带板在啮合时受力不均匀造成的。并且随着行驶速度的升高，接触力稍有升高。图3-12三种工况下履带第2块履带板与地面的接触力变化曲线图3-13为三种档位工况下底盘质心在y方向上的位移变化。0～1s内底盘的质心垂直位移曲线变化显著，这是因为底盘开始加速时会产生较大的振动；曲线的波动在2s左右成规律性变化，波动明显减弱，说明底盘匀速运行平稳。图3-13三种档位工况下底盘质心在y方向上的位移变化坡道行驶履带式底盘的爬坡能力反应了底盘在坡道行驶和进行作业的效果，选取最大爬坡度为评价指标，最大爬坡度最直接形象的表明了一个履带底盘的越障能力，最大爬坡度越大，爬坡能力越强。底盘的爬坡性能仿真如图3-14所示。图3-14底盘的爬坡性能仿真图仿真速度为4km/h，驱动函数为STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)，建立长2598mm，高1500mm的30°坡道，仿真时间15s，步数1000步。图3-15为爬越30°斜坡时底盘质心y方向位移曲线。由图可知，底盘在4s后开始爬坡，质心位移升高，4～6.5s底盘开始爬坡，曲线斜率有微弱变化，6.5s～11s曲线呈线性增长，说明底盘在斜坡上稳定行驶；11s～12s时，位移曲线快速升高又降低，因为此时底盘行驶到了斜坡的最高点，底盘前部分开始接触上平面；12s后质心位移曲线不再发生变化，说明底盘在上平面平稳运行。由图可知，底盘顺利完成爬坡，达到了最大爬坡角度≥30°的设计要求。图3-15爬越30°斜坡时底盘质心的y方向位移曲线图3-16为底盘爬30°斜坡时的底盘质心的速度曲线。0～1秒内为底盘速度达到设定速度4km/h；4s时，底盘开始爬坡，曲线产生波动，这是因为底盘行驶到斜坡的最低点，底盘前部分开始爬坡；6.5s后底盘整体完全爬上斜坡，速度稳定在设定值4km/h附近，开始在斜坡上平稳行驶；11s～12s秒速度曲线再次出现较大波动，这是因为底盘行驶到了斜坡的最高点，底盘前半部分的悬空使底盘产生速度改变，12s之后底盘整体到达上平面，速度稳定在4km/h左右，行驶平稳。底盘顺利完成爬坡。图3-16底盘爬30°斜坡时的底盘质心的速度曲线图3-17为底盘爬30°斜坡时的底盘质心加速度曲线。底盘开始运动，4s时，底盘开始爬坡，此时曲线产生波动，这是因为底盘开始爬坡时底盘前部分接触斜坡产生的加速度变化；4～7s底盘在斜坡上行驶，加速度稳定；在12秒左右速度曲线再次出现较大波动，这是因为底盘从斜坡再次进入平地时产生较大加速度。底盘爬越斜坡过程中加速度变化合理，底盘运行平稳。图3-17底盘爬30°斜坡时的底盘质心加速度曲线跑偏度分析底盘跑偏是由于两侧履带与地面的接地比压不同而导致两侧履带相对地面的位移不同，即造成整机跑偏。通过参考标准GBT15370.4-2012《农业拖拉机通用技术条件第4部履带拖拉机》中要求履带拖拉机在干硬平整、坡道不大于1“的路面上的百米跑偏量不超过6m，即跑偏率不大于6%。以4km/h作为行驶速度，驱动函数为STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)，建立长150m的水平路面模型，仿真时间200s，步数500步。图3-18为底盘x方向和y方向位移变化曲线，可知底盘于178s时，水平位移100m，同时偏移量为2757.84mm，计算跑偏率为2.7％。符合标准技术要求。图3-18底盘x方向和y方向位移变化曲线3.3.3底盘转向性能分析履带式底盘改变运动方向的能力称为转向性能，是履带式底盘重要的性能之一，履带式底盘转向是通过一侧转向离合器的分离来实现转向的，属于原地转向运动[63,64]。底盘的转向性能仿真如图3-19所示。图3-19底盘的转向性能仿真图以6km/h作为行驶速度，外侧驱动轮0～1s内加速至1.426rps，1s后外侧驱动轮匀速行驶，驱动函数为STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)；内侧驱动轮0～1s内加速至1.426rps，1～2s内匀速行驶，4s后速度为0，驱动函数为STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)+STEP(TIME,2,0,4,-1.426*PI)。仿真时间25s，步数1000步。由图3-20可以看出，底盘两侧驱动轮初速度为0，1s以后驱动轮的角速度升高到4.47rad/s（1.426rps），内侧驱动轮从4s开始角速度为0，底盘开始转向。图3-20驱动轮角速度变化图图3-21为底盘在Z方向的质心位移变化图，由图可知履带拖拉机在Z方向的最大位移值为2216mm，最小位移位置为145mm，可得到最小转向半径为1180mm。已知浅山丘陵种植最小间距为6m，符合作业环境的转向要求。图3-21底盘在Z方向的质心位移变化图3.3.4底盘稳定性能分析履带式底盘的稳定性能是行驶安全和作业安全的保障，指的是底盘在平地和坡地行驶过程中，不发生滑移或倾翻的能力。履带式底盘的稳定性能通常用纵向稳定性和横向稳定性来衡量。纵向稳定性是指车辆沿着坡道行驶时，底盘不会绕着其后轴或其前轴发生倾翻的能力。本文3.3.2中已对爬坡工况下稳定性能进行了分析，横向稳定性是指车辆在左右高度不同的横向坡度的道路上行驶时抵抗发生侧向翻车、侧向滑移的能力[65]。此处仅对横向稳定性进行仿真分析。以4km/h作为行驶速度，驱动函数为STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)，建立长2598mm，高1500mm的30°斜坡，底盘整机模型在所建立的斜坡上横向行驶，如图3-22。仿真时间10s，步数1000步。图3-22斜坡横向行驶仿真图仿真结果如图3-23，底盘在坡道横向行驶过程中未发生倾翻，0～1s内底盘加速至4km/h，1s后稳定行驶，在行驶过程中，质心的位移曲线呈线性变化，速度、加速度保持稳定。图3-23斜坡横向行驶结果分析图3.4本章小结本章一开始对多体力学软件RecurDyn和其Track-LM模块进行了简单的阐述，利用三维绘图软件Solidworks对浅山丘陵作业车辆底盘车架进行了几何建模，再利用RecurDyn软件进行了底盘的动力模型建模。结合实际作业工况，针对底盘的行驶性能，选取平面行驶和爬坡行驶两个作业工况进行仿真分析，选取跑偏度作为评价指标对底盘的行驶性能进行评价。针对底盘的转向性能，仿真得到最小转弯半径为1180mm，满足作业环境需求。针对底盘的稳定性能，在分析坡道稳定性后，对底盘的横向稳定性进行了仿真分析，稳定性良好。车架的有限元分析浅山丘陵作业车辆底盘的设计过程中，车架的性能十分关键，若底盘中车架的刚度和强度不满足要求，底盘作业的安全性会降低；而刚度和强度超过需用要求过多，会使底盘的重量过大，影响通过性，增加成本。同时底盘在工作行驶时，会被由各种因素引起的震动影响，若其频率在车架的固有频率附近，就会引起车架的共振，共振会对底盘结构造成破坏，同时噪声、振动的存在，给操纵者带来极大的不便。有限元分析法是分析力学性能的一种方法，计算速度较快，精度较高。本章运用ANSYSWorkbench软件分别对浅山丘陵作业车辆底盘的车架进行静力学分析和模态分析，验证车架的性能是否满足设计与使用要求。4.1有限元分析概述4.1.1有限元分析方法基本理论有限元法基本思想，是将连续区域离散化为单元组合体，这些单元组合体为一组有限个、且按一定方式互相联系在一起，将连续区域看作是由力学单元相互联接而成的等效集合体，这些力学单元为有限个。各单元方程“组集”在一起而形成总体方程组，在计入边界条件后，即可对方程组求解，可以模型化几何形状复杂的求解域是由于不同形状的单元能按不同的方式进行组合。完成有限单元离散后，单元之间仅仅通过节点联系，所有力和位移都由节点进行计算。每一个单元都选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界面以及子域与外界分界面都满足一定的条件。然后组合所有单元的方程得到了结构的方程，求解得到所需的近似解[67,68]。分析的流程如图4-1所示。图4-1有限元分析流程图AnsysWorkbench多功能且操作简单，是目前应用最广的有限元分析软件之一[69]。AnsysWorkbench能够进行多学科的研究[70-74]。针对静力学分析和模态分析，能与其他软件完美交互，缩短了要学习不同软件相似功能的时间。4.1.2有限元分析模型准备浅山丘陵作业车辆底盘上绝大多数的零部件都是通过车架来固定其位置的，车架是整机重力的承载体，同时担任着行走系统安装的任务，车架主要由纵梁与横梁焊接而成，车辆行驶过程中，车架承载着底盘上主要的载荷，因此，车架强度和刚度在设计中尤为重要。同时行驶过程中车架的振动，会给操纵者带来极大的不便。车架作为整个底盘的基体，直接影响浅山丘陵作业车辆的稳定性能。对车架进行有限元分析的模型准备工作如下：（一）车架的有限元建模利用SolidWorks软件对底盘结构中的车架进行三维建模，同时为了减少仿真的计算量，对模型进行一定的简化，以“.stp”的格式将模型导入AnsysWorkbench软件中，如图4-2所示。图4-2有限元分析模型添加模型的材料属性将三维模型导入AnsysWorkbench软件后，根据设计对结构材料的属性进行定。本课题设计的车架部分主要由槽钢焊接而成，槽钢的材料是Q235，槽钢的材料属性如表4-1。表4-1材料属性材料名称弹性模量(Gpa)泊松比密度(kg/m3)屈服强度(Mpa)Q2352100.2887850235网格划分WorkbenchMesh中的网格划分方式有很多，较为常用的主要有自动网络划分和四面体网络划分等。网格类型和网格的疏密程度直接影响最终的计算结果，网络过密会增加CPU计算时间，影响解题速度的同时，精度提升不显著，提高了对计算机的配置的要求。AnsysWorkbench软件中的Meshing平台在仿真分析中具有良好的自动网格划分功能。因此本设计采用自动网络划分的方法。本文中，车架由各种不同的槽钢和方管焊接而成，并没有特殊的变形结构，故先对车架进行整体智能网格划分，再对模型进行检验，网格大小设为20mm，划分完网格以后，车架的网格模型如图4-3所示，共有317400个节点，158650个单元。图4-3车架模型的网格划分4.2静力学分析4.2.1静力学分析基本理论在ANSYSWorkbench中进行静态分析是最为普遍的的一种方法[75]。线性结构的静力学分析用来对结构在给定静力载荷情况下的响应情况，通过对响应结果的分析，来判断所设计结构是否满足设计要求，如果不满足要求，根据分析结果对模型进行相应的修改，直到设计结构满足设计要求。静力学分析中，结构在外力作用下的位移、应力和应变等为主要参数。经典力学的理论知识中，动力学下的通用方程为[76]：（4-1）式中：为质量矩阵；为阻尼矩阵；为刚度系数矩阵；为矢量位移；为速度矢量；为加速度矢量；为力矢量。对于线性结构静力学分析，与时间相关的参数都可以忽略，则可以提出[77]：（4-2）式中：为静力载荷，不考虑改变的载荷以及惯性量的影响；为常量矩阵，同时必须连续，对应材料符合小变形以及线弹性的理论要求。这两个基础是进行静力学分析的前提。4.2.2静力学分析车辆底盘在工作时的典型工况，一般有紧急制动、转弯、满载扭转和满载弯曲四种工况。本文研究的履带式底盘主要在浅山丘陵山地中使用，设计要求最高车速为6～8km/h，车速较低，前三种工况对车架影响较小。所以仅对满载弯曲工况下的车架结构进行分析。（一）施加载荷与约束为了保证分析结果的准确性，在软件中选择与实际相同的载荷施加与车架上，所得到的结果才能更接近于真实结果。满载弯曲工况指的是底盘在满载状态下，在良好路面匀速直线行驶的状态。该工况下车架承受的载荷主要是包括车架自身在内的各零部件总成，以及操纵者和货物等在重力加速度作用下产生的重力，取动载系数为2.5。浅山丘陵作业车辆车架满载弯曲工况承受的载荷大多来自于来自发动机、变速箱、液压动力装置、驾驶室等。车架的外加载荷如表4-2。表4-2车架的外加载荷名称发动机变速箱传动系统和液压装置驾驶室柠条平茬农机具载荷大小（kg）320168100200500边界条件为支重轮固定处的全自由度约束。满载弯曲工况下车架施加载荷与约束模型如图4-4。图4-4满载弯曲工况下车架施加载荷模型图静力学分析完成准备工作后，利用ANSYS软件对车架进行受力分析计算，得到车架的应力、应变和变形分布，输出等效应力、等效应变和车架变形情况分布云图分别如图4-5，图4-6，图4-7所示。图4-5为车架等效应力分布云图，由图可知，车架的等效应力整体较小，车架的最大应力发生在下车架右侧横梁与支重轮连接板的连接处，此处应力较高，主要因为横梁和连接板的焊接处存在尖角，比较容易产生应力集中，车架最大应力值为149.18Mpa，小于槽钢Q235的屈服极限235Mpa。该车架的强度能够满足设计的要求。图4-5车架的等效应力分布云图图4-6，图4-7分别为为车架等效应变和车架变形分布云图，由图可知，最大变形发生车架两侧纵梁的中间部分，最大变形量为2.647mm，小于材料许用的最大变形量。该车架的刚度能够满足设计的要求。图4-6车架等效应变变化图图4-7车架总变形云图对仿真结果的分析表明，车架的强度和刚度符合要求，最大应力、应变和发生的变形都远小于材料许用值，满足设计要求，车架静力学性能满足设计要求。4.3模态分析4.3.1模态分析基本理论模态分析属于求解特征值问题，动力学方程为：（4-3）自由状态下，结构的振动为简谐振动，运动形式为：（4-4）式中：每个元素定义为各点的振幅，代入式（4-3），可得：（4-5）式（4-5）为也是特征值问题，特征值为，开放后所得的即为自振园频率，自振频率为。特征值对应的特征向量为，即当自振频率时，所对应的振型。4.3.2模态分析浅山丘陵作业底盘除了应具有良好的力学性能外，还应防止与其他部件发生共振现象，在ANSYSWorkbench软件中对车架在自由状态下进行模态分析，得出分析结果，进而预测车架在使用中在是否可能发生共振，针对结果及时对相关参数进行修改设计，避免发生共振现象，提高底盘的各项性能。（一）分析准备在模态分析中，除了特殊计算有预应力存在的条件时一般不添加载荷。本文分析属于无预应力的条件下，即车架的自由状态下，不添加约束条件进行仿真，根据仿真结果得出车架的固有频率和振型，在设置分析项时，设定频率范围为1～108hz，低阶频率对应的振型对分析结构的动态特性影响远大于高阶振型[80]，评估前10阶振动的固有频率。（二）模态分析对仿真结果中底盘车架的10阶模态进行提取，其中车架前10阶的固有频率直方图如图4-8所示。图4-8十阶固有频率直方图由图可知，自由状态下，结构具有移动和旋转共6个刚性自由度，对应的固有频率值接近于0，此为车架的刚体模态，数值仅仅表示底盘车架的刚体位移，对车车架的振动分析没有实际意义，所以本此次分析去除前六阶结果，仅根据后四阶仿真结果进行分析，车架的模态振型分析结果如图4-9、图4-10、图4-11和图4-12所示。图4-9车架一阶模态振型图图4-10车架二阶模态振型图图4-11车架三阶模态振型图图4-12车架四阶模态振型图车架四阶模态的固有频率及振型如表4-3所示。表4-3车架四阶模态固有频率及变形幅值阶数频率（HZ)振型118.711一阶扭转232.341一阶纵弯335.856一阶弯扭组合438.993二阶纵弯根据仿真的结果可知，车架随着频率的增加，振幅较小，没有发生剧烈的振动，性能良好。车架最小阶次的固有振动频率为18.711Hz。在行驶过程中，最主要的外界激励来自于柴油机的振动和路面的凹凸不平。柴油机的额定转速为3200r/min，由公式（4-6）（4-6）式中：为频率，单位为；为转速，单位为；为发动机气缸数的一半，此处为2。计算得出的柴油机震动产生的频率为106.66Hz。路面激励大小是由路面状况决定的，此激励频率一般在3Hz以下。车架的四阶模态的固有频率范围为18.711～38.993Hz，远高于路面激励频率的同时，与发动机振动频率相差较大，所以车架不会因发生共振而造成破坏。4.4本章小结本章主要从有限元分析的基础入手，介绍有限元分析的基本理论和步骤，然后概括了有限元分析软件AnsysWorkbench的基本功能。利用solidwords建立了车架的三维几何模型，并导入到Workbench中作为车架的有限元计算模型，运用Workbench有限元工具完成了车架的静力学分析和模态分析。车架的静力学分析，计算出车架在典型的工况下的应力和应变分布，证明车架的强度和刚度是满足要求的。车架的模态分析，计算出了车架的最小固有频率为18.711Hz，分析结果证明了浅山丘陵作业车辆底盘车架结构设计合理，力学性能的符合要求。第五章车架的优化设计车架是车辆上各零部件的安装基础，底盘设计中，在满足强度和刚度的条件下应减轻底盘的整体重量，以控制油耗量，节省材料。因此，保证各方面性能达到要求的基础上，减轻车架的重量是十分必要。传统底盘设计中，车架的结构设计凭借经验设计出产品的初始方案，然后进行样机试验分析。如果不符合要求，再修改设计方案，耗时较长，很难达到最优结果。本文第四章对浅山丘陵作业车辆底盘边梁式车架进行了静力学分析和模态特征分析。通过分析可知，车架强度和刚度满足设计要求，但仍有进行进一步优化的空间。本章、对车架进行结构优化设计，针对上车架应力分布不均问题，采用拓扑优化方法对车架结构进行拓扑优化设计，进一步提升车架设计的合理性。优化方法的概述拓扑优化方法是结构优化方法的一种，主要思想是在给定的设计空间中寻找最优拓扑问题，以寻求最佳的材料分布问题，是对结构内部布局形式进行优化，所以又称布局优化[81]。尤其适合用于那些没有最优结构参考的产品的设计过程中，它可以完成承受载荷结构的最佳材料分配方案的寻找，从而使结构的材料布局更合理，拓扑优化的理论方法可以大致确定结构的最佳形状。Ansys中与有限元法相结合的结构拓扑优化，本质上是一个单元有无的问题，通过拓扑优化的迭代计算，保留对结构传力性能较好的单元，去除对结构传力性能作用不大的单元，最后得到一个满足要求的最优结构[82]。拓扑优化的优点是设计者可以在不清楚结构形状的时，仅根据产品所处的工作条件来确定产品大概结构，它本质上不对结构尺寸进行设计，但是可以给设计者提供最优材料分布云图，以及对应的新的设计思想。设计变量、约束条件和目标函数是拓扑优化数学模型的主要要素，拓扑优化技术是通过运用设计变量给每个单元赋予内部伪密度来实现的，在设计中定义的设计变量相当于每单位相对密度，主要作用是划定设计区域以及设计结构，密度值的变化范围为0～1，1代表实，0代表空，中间的密度值则意味着该部分结构可以在优化中根据设定的条件，定义为可保留或去掉材料的部分。约束条件是定义完后设计结构的体积分数，一般不超过0.3，拓扑优化设计结果用优化目标-加权应变能随迭代次数的变化曲线、结构材料相对密度分布色谱云图和相对密度等值线图来描述。拓扑优化的目标函数，本质上是满足结构约束基础下，减少结构变形能，即提高结构的刚度[83-85]。拓扑优化设计流程图见图5-1。图5-1拓扑优化流程图车架拓扑优化根据本文第四章中利用AnsysWorkbench软件对浅山丘陵作业车辆底盘边梁式车架进行了静态强度和模态特征的分析，分析结果表明车架的性能满足设计要求，但车架整理质量较大，且结构应力分布不均匀，上车架尤为明显，车架形变集中出现在上层车架，因此有必要利用拓扑优化方法对车架结构进行拓扑优化设计，对车架的应力分布进行改善的同时实现车架的轻量化。拓扑优化准备基结构的建立本文研究的车架分为上下两层，上车架总体尺寸为2860mm×1680mm×80mm，下车架总体尺寸为1850mm×1080mm×80mm。对车架进行拓扑优化，需要对原始的车架结构进行修改，因此，基结构只要建立一个与原车架结构总体尺寸相同的简单模型即可，同时，应力分布不均匀主要出现在上车架，故在基结构模型中对下车架进行简化。车架拓扑优化基结构如图5-2所示。图5-2拓扑优化基结构模型模型准备定义基结构的材料与原车架相同，定义材料为Q235。车架的拓扑优化模型所受载荷与约束与原车架相同。车架中主要的承载部件为纵梁以及与其他系统的连接处，拓扑区域划分如图5-3所示。图5-3拓扑区域划分车架的拓扑优化分析拓扑优化步骤主要为定义优化函数，定义目标函数和约束条件，初始优化过程，执行拓扑优迭代，对所建立的车架基结构进行拓扑优化计算，拓扑优化计算结束后，AnsysWorkbench输出的拓扑优化结果为结构材料相对密度分布色谱云图和相对密度等值线图。车架的拓扑优化是以在第四章静力分析结果为基础的，以结构的柔顺度最小（刚度最大）为目标，分别以体积Volume减少70%为约束条件，对车架进行拓扑优化。根据ANSYS软件的原则要求，选用体积Volume为约束条件时，需选择OC优化计算方法，迭代的收敛公差设定为0.0001，优化迭代次数为40。拓扑优化是一个迭代过程，迭代后优化目标-加权应变能随迭代次数的变化曲线如图5-4所示，可以发现迭代优化结果是收敛的。图5-4迭代曲线车架拓扑优化结构云图如图5-5所示，其中红色区域表示可以删除的区域，灰色区域表示保留的区域。（a)（b)图5-5车架的拓扑优化云图图5-5（a）车架的拓扑优化云图可以看出，上车架与竖梁连接处密度大的材料把上车架的左右纵梁连为一体，所以要在此处分别增加一个横梁，添加的第二根横梁应添加两根斜梁与第一根横梁相连，添加的第四根横梁应添加两根斜梁与第五根横梁相连，同时在添加的第五根横梁与后边梁中间添加斜梁；上车架两侧的纵梁是主要受力部件，所以原车架两侧的纵梁部分不做修改，根据图5-5（b）可知下车架的材料密度较大，但由于结构形状不明显，无法转化为实际的结构，故不作结构的改动。但根据图5-5（b）可以看出下车架以及纵梁处可去除材料较多，对下车架横梁纵梁以及纵梁进行尺寸上的调整。5.2.3车架的结构优化根据拓扑优化的结果，结合原始车架的结构，在原始车架模型基础上进行优化。上车架优化如表5-1所示。表5-SEQ表\*ARABIC1上车架优化细节表名称优化方式数量优化前优化后（截面尺寸）横梁添加横梁5无60*40*4斜梁添加斜梁6无6