无人驾驶履带车底盘设计

履带式无人运送平台底盘设计

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陷，越来越

不能满足人类需求，无人机动平价可以克服这些缺陷。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，可以达成代替人类完毕不同的作战、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

直面危险的也许，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C

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...........................................................I

Abstract..............................................................................................................II

目录..........................................................III

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..................................2

2.履带无人平台研窕目的.....................................4

2.1履带无人平台底盘发展..................................

2.2履带底盘的关键技术....................................4

3.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设计规定及重要参数....................................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...........................................9

5.履带无人平台底盘设计总体图

6.履带无人平台底盘重要零件图

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C传统车辆系统由于其带来的交通事故、人力资源浪费和

许多特殊场合无法操控等缺陷，越来越不能满足人类需求，无人驱动平台

可以克服这些缺陷。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、

导航定位等技术的进一步发展，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，合用于国防和民

用等多个领域，并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，可以达成代替人类完毕不同的作战、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

危险的也许，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，在交通运送中也可以有很广泛

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、传感与信息解决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。本文重要针对履带式

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。

其在装甲车和运送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

履带式无人运送平台是指在车内没有驾驶者的情况下，可以在各种复

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、火力袭

击、战场运送、扫雷和导弹发射等，民用领域中则可以完毕消防、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，目前重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，无人平台的作用匚益凸显，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,

用丁对付碉堡工事和盟军的“谢尔曼”等坦克。2()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、信息融合解决等技术汇于一体，无人机动平台取得跨

越式进步。30数年来，美国在无人地面机动平台的装备、研究和应用上

始终处在国际领先水平。美国国防部鼓励国内各团队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

中已经得到一定限度的实战检查。截至2023年，美国在伊拉克和阿富汗战

场上使用了约35D0辆无人地面车辆，重要用于爆炸物的探测与解决，如“魔

爪”机器人、MPR-800型多用途无人地面作战平台、通用机器人运送系统

(ARTS)、MKMOD系列爆炸物解决机器人等。

图1-1“魔爪”履带无人平台图图1-2爆炸物解决履带无人平台

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2023年提出，到2023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”。RP）和“战术移

动机器人”（TMR）是其重要研究的内容，目前已取得很大成果。英国现装

备的机器人车辆重要有“土拨”和“野牛”机器人、“手推车”爆炸物解决

车、“独眼巨人”Mk3轻型通用机器人、“哈德润”爆炸物解决机器人、”搜

索者“排爆机器人、RAVEN爆炸物销毁机器人等。目前重要研究项目有:

“未来工程坦克”（FET）、“小猎犬”战斗二程牵引车、“地雷探测、标记

和解决计划”（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微型爆炸物解决

机器人（可在机场及舰船的狭窄过道中使用）等。在研项目重要有：“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在领先地位。现装备的重要车型以扫雷和爆炸物

解决机器人为主，如“清道夫”2023扫雷车、“犀牛”扫雷车、Rode爆炸

物解决机器人、MV4系列机器人、GARANT-3多用途机器人等。目前实行

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),其重要目的是为半自主无人车辆开发和集成先进技术，使用的

实验平台是数字化“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“改善型地雷探测计划”、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潜机动平台，如iROBOT公司的Packbot,

Fostcr-MiHcr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:某些技术上也己达成了世界先进水平。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成了90km/hr,视觉导

航等技术有所突破。但整体研究水平进展不大，在一定限度上得益于计算

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

处在空白期，对这方面的了解有相称部分停留在文献上，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进一步的研究，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。其重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

DragonGuardX3B反恐机器人”，是我国第一台单兵反恐机器人。机器人

重50kg,行驶速度为0Tm/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、雪地运营，适应全天候、全

地形，展开迅速、操作方便，广泛用于爆炸物解决、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重

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

意义下的自主行进己经成为小型无人机动平台的未来目的，因此，为了减

少我国与发达国家之间的差距，乃至在未来战争中可以保持与发达国家之

间的武器平衡，研究小型无人机动平台的途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，甚至有记录

称可执行任务已有百余项，但因自主化限度较低，无人地面车辆的发展还

局限性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规定完毕的任务和

高度非结构化与变化的环境。野外环境中，规定小型无人地面武器机动平

台完全自主地完毕任务，目前尚有一定的困难。

2.1履带无人平台发展

当下，各国地面无人车辆的研发上，重要就是力图完善其自主化水平。

具有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，可以

在危险地区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、运送等作成保

障的概念，战斗化已成必然的趋势，也是终极目的之一；通用化，依据标

准化、系列化、通用化的思绪发展无人装备，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，减少成本，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毕预定的动作

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运用快速发展

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

家数年来进行广泛进一步的研究，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，部提成果己

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6X6

轮式平台，能看到平台的通用化发展。但是，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、样机的研制和实验，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”）是一种可以受控或自主完毕复杂地形

机动、辅助或取代作战人员完毕特定作战/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解决、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、系列化限度低，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，特别是在非结构化环境下作业时，更规定底盘具有良好的灵

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、运送车等工程机械，现在小型地

面无人运送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区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，规定其智能化限度更高，涉及的技术更广，难渡也

越来越高，其核心技术重要涉及模块化设计技术、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、简朴，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送物资；

（3）采用模块化设计，各个功能模块之间互相独立装配，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设计规定及重要参数

技术规定:

（1）履带式无人运送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）采用强电直驱方式提供动力;

（4）设计通用化限度较高的模块接口，可满足执行多种军民用任务需

要。

针对履带式底盘设计规定，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重要性能参数必须拟定，其代表了履带式

底盘的重要性能，但其参数的拟定是一个复杂的过程，受很多因素影响，

并且彼此影响制约，所以各参数可以通过一定规律拟定。

重要性能参数；

（1）最大载荷：120公斤；

（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200kgo

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。

设计思绪：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。缺陷是不耐腐蚀，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。缺陷是自重过大，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。优点是系统简朴，能量传递方便，可无极变速,

标准化高，节能环保。缺陷是转向慢，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，操作简朴，负载变化对

传动比影响小及受环境影响小、价格低等。缺陷是布局固定，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。缺陷是结构复杂。

方案六：采用刚性悬架。优点是结构简朴；耐冲击性强。缺陷是直接受

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

履带式无人运送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，力图把履带从支重抡下

拉出。处在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营。

“四轮一带”在我国已经基本标准化，特别是在大型、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。

第一种是简朴用刚轴连接两履带的底盘，这种底盘结构最为简朴，使

用也最为广泛。其优点是结构简朴，占空间小。缺陷是稳定性差，复杂地

形的通过性不是很高。

图47简朴的刚轴连接底盘

第二种是凸起式平台连接两履带的底盘，这种底盘由于是凸起平台,

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，对整体布局导致很大限制。

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，结构也比较简朴。

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I四连杆作为连接。中间用三根轴即一根轴加两根向正弹簧连

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颠宸，究其因素，是悬拄系统起的

作用。车辆的悬挂装置对车辆自身来说是非常重要的组成部分，它可以很

大限度上吸取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

顺性的重要因素,特别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，重要涉及弹性元件、减振器、限制器、平衡轴等。保证行驶平

稳，缓和行驶时的冲击与振动。减轻振动市车辆各部件的损伤和破坏，增

长可靠性，从而保证履带车在任何路面上都能充足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，它的发展和结构改善

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，结构简朴，重量轻,

横向布置在车内底甲板上方，占用车内空间小，有助于车辆的总体布置。

特别是通过工艺改善的高强度扭杆弹簧，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）为弹性兀件的一种悬挂系统，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，

吸取的冲击能量就越大，呈非线性增长，这样就可以使坦克保持较高的平

均行驶速度。液气悬挂的缺陷是结构较复杂，价格较高，且易损坏而不易

修复。

扭杆弹簧事实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，以吸取地面对车体

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。扭杆的直径和长度次定着坦克装甲车辆的悬挂特性。由于扭杆结构简

朴，安装方便，单位体积吸取能量较多，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公斤

平池最大速度（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

考虑以上规定，传动系统采用动力装置后置、发动机横置，此传动系

统布置方案有助于传动系统的布置与空间合理运用，可有效减少底盘高度,

减小车身长度，有助于其作'也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档

响应性中档中档高

无极调速较难良好较好良好

结构一般较简朴一般稍复杂

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

价格一股稍高稍高较高

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，结合设计规定、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，同时具有系统简朴、能量传递方便、

标准化限度高、易于实现自动控制及遥控，并且比较节能环保等优点，因

此拟定选取电力驱动作为履带底盘的驱动方式。

为了简化结构，增长传动效率，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，可以实现快速自

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拟定。其在良好道

路上以最大速度行驶所需功率可拟定为发动机最大功率。由于本设计是以

电机直接驱动积极轮，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公斤

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，可连续供电3h

当知道道路条件，以及车辆在此道路上所能达成的最大速度，发动机

功率可由下式拟定:

N-或____JibilkW

/Vfmax-K、V(1)

36077

式中：G—车辆的全重(KN)；

v3一在良好道路上行驶，规定达成的最大速度(km/h)；

f。一车辆在良好道路上行驶的地面阻力系数;

n—车辆效率。

参考现有的履带车实验数据进行选择，规定的最大速度是在良好道路

上行驶所能达成的，也就是地面变形阻力系数f很小，坡度也很小的路面

能达成的。履带车行驶的地面阻力系数可表达为:

fo=sincr+/cosa

由于坡度很小，所以:

式中：i一路面的坡度，即所研究路段上坡高度与水平距离之比。

结合已有经验:

f=0.03-0.(M,i=0.025,f()=0.055〜0.065

sinabtana=i=0.025,/=0.04,-0.065

履带车辆效率分别取电机9侬，联轴器99%。带入得，N"=0.599kw。

表4-4常州永沛公司电机参数表

额定电压额定功率转速额定电流额定转矩重量冷却

产品型号

(VDC)(KW)(r/min)(A)(N.m)(KG)方式

YP8OB35-24VO.55-I2OO240.551200254.46.5

YP80B35-24V0.75-150024()[1500344.86.5

YP80B35-24V1.1-1500241.11500507.08.0风

YP80B；2-3000241.230003.86.5

YP80B35-24V15-2000241.5200069718.0

YP80B3/5-48V0.75-1500480.751500174.86.5冷

YP80B3548V1.1-1500481.11500257.08.0

YP80B35-48V1.2-3000481.23000283.86.5

YP8OB35-48\?.2-3000482.23000507.08.0

过载能力包机短时间功率过我1.5倍，狗近、襄3乞

使用环境海拔4000米以下,空气比。二9上

注：以上为我司标点产品，可根据*户需求定制.

在拟定最大功率时，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YP80B3/5-24VO.55-1200型号的电机,两台电机共L1KW,大于'皿，充

足满足规定。

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

才干在地面正常行驶；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：

EF=耳+耳(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、

切向的互相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：

Ft.=Tf/r=Wf(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。

表4-5_履带

支撑面种类f<P

式机械铺石路面0.050.6〜0.8的滚

干燥土路〜

孙阳力0.070.50.6

柔软的岩质路面0.100.6-0.7

/和附沼泽地0.10-0.160.5〜0.6着系

纽砂地0.100.45-0.55

双(P

收割过草地0.7〜0.9

开垦的田地0.10-0.120.6-0.7

冻结的道路0.03-0.040.2

(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：

耳二Gsiiia(5)

式中：。一道路坡度角。

履带车要想正常启动和行驶,其履带行走装置的驱动力R(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：

耳+Ff^Ft=qkMk/rd(6)

式中：八一履带驱动段效率，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：

Sin+

Funax=F阻max«.naJ(化00%小)0(7)

将数据代入得:

Flmax=(sin450+0.Icos45°)x900x9.8x10kN=6.86kN(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，不仅其牵引力要克服拖拉机所受

到的阻力，并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。

用公式表达为：

尺二兄二G(p(9)

式中:(p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：

Fpmax=<pGcosamax=5.613kN(10)

因Ftmax<F<pmax,故所求得的驱动力满足规定，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蛆成"。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VI为：

vt=3.6Eon!lc/60=0.06x27T7tkrd(knVh)(11)

v”0.12兀.mrd/im(knVh)(12)

实际行驶速度v为：

v=(l-5)vt=0.12TT.1-5)nmrd/im(knVh)(13)

式中:8一驱动轮的转速(r/min)；

日一动轮每转卷绕的履带板块数，即有效啮合齿数；

口一驱动轮动力半径(in)；

L一链轨节距(m)；

nm—电机输出轴的转速(r/min)；

im一驱动轴传动比；

3一车轮相对地面的滑转率。

滑转率8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，会导致车速损失过大，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3=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：

F(s=0.6F,=0.6Z.(14)

Mk=Ftsrd/nk=0.6Ftrd/T]k(15)

设联轴器传动效率为QM(这里取0.99,则电机负载力矩Mm和驱动轮

输出力矩总有如下关系：

MmninnM=Mknk(16)

故

Mm=Mknk/nmr|M=Mk/T]Mim(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:

MmmLOSFimaxr/nEMim=Nm(^)

4.4.5四轮一带的计算与选型g

以下计算为参照参考文献[14][15]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导致整体，结

构简朴、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规定。根据本机的设计参数，拟定履带的重要参

数为整机的重量。本机的初定整机重量为：0.9t。

令人表达为接地长度，单位m力。表达履带的高度，单位m,G表达机

器整机重量，单位为I。则有经验公式知：

，产1.07VG=1.07xV(X9=1.033m取4=1033〃"〃(J9)

履带板宽度b,一般参照公式为：

b=(0.9-1.1)x209x#Gxl()-3(〃〃〃)(20)

式中：G—整机重量，kgo

即b®201.8mm。

履带节距'。和驱动轮齿数z应当满足强度、刚度规定。在此情况入，

尽量选择小的数值，以减少履带高度。

根据节距与整机重量的关系："。=(15~17.5)后,其中t。的单位为„叫G

的单位为kgo

fo=（15~17.5）M3"8767〃〃（说明：此处的驱动轮方面在驱动轮计算

部分再具体说明。）

令力表示履带全长

2x1033+23：＜87,6+0.55x87.6+40=3161.58nvn

2

根据计算结果与实际的资料：参照橡胶履带230*48系列自制金属履

4.4.5.2驱动轮

驱动轮用以将动力传给履带。驱动轮和履带的啮合质量，影响动力的

传递和行驶的均匀性。履带行走装置的驱动轮通常放在后部，这样既可缩

短履带张紧段的长度，减小功率损失，也可提高履带的使用寿命。

（1）驱动轮齿数Z。卷绕在驱动轮上的履带板数目Z'增长，使履带运

动速度均匀性好，钱链摩擦损失减少，但使驱动轮直径增大，引起底盘高

度及重量的增长。一般Z'在12〜15之间，可为整数，也可为0.5的倍数。

为增长驱动轮使用寿命，一般Z=2Z',当驱动轮齿数为偶数时，驱动轮上

有一半齿不参与啮合，待齿面磨损严重后，拆下重装时，使未参与啮合的

齿开始工作，以增长使用寿命；当驱动齿为奇数时，驱动轮上各齿轮流与

节销啮合，同样增长使用寿命，且使用方便。因此，一般情况下，驱动轮

齿数为奇数。

（2）驱动轮齿形。按齿面形状，驱动轮齿形可分为凸形，直线形和凹

形，其齿形规定为：使履带节销顺利地进入和退出啮合，减少接触面的冲

击力；齿面接触应力应小，以减少磨损；当履带节距因磨损而增大时，履

带节销与驱动轮齿仍能保持工作。为了减少接触应力，工作面形状最佳用

凹形。当履带节距因磨损而增大时，节销将沿着齿面向上爬，为保证此时

仍能啮合，轮齿应有一定高度。节圆直径Dk：

sin(——)

Z'(23)

式中：10—履带板节距，mm；

Z'一围绕驱动轮一周的履带板数目。

4.4.5.3支重轮

支重轮用来将整机重量传到履带上，使整机沿履带轨道滚动，并夹持

履带，不使其横向滑脱，迫使履带在地面上滑移。支重轮经常在泥水中工

作，且承受重载和强烈冲击，因此规定支重轮强度高，特别是轮缘和滚动

表面应具有高强度和耐磨性，支重轮要具有可靠的密封结构。支重轮的个

数和布置应有助于履带接地压力分布均匀。布置时，应尽也许增大履带的

接地长度，同时应注意防止支重轮间、支重轮与驱动轮、支重轮与引导轮

的互相干涉。

4.4.5.4托链轮

托链轮装在履带的上方区段托住履带，以减少上方履带的跳动和下垂

量，并防止履带发生侧向滑脱。托轮的个数取决于履带上方的长度，一般

驱动轮到引导轮的距离22nl时，每侧的托链轮设2个，小于2nl时，一般

设一个。托链轮的高度，应使其滚动表面和驱动轮、引导轮的滚动表面大

约在一条直线上。也有一些国外底盘，为了减小履带的振跳，将托链轮的

高度增长，并保持一定的张紧力。

4.4.5.5引导轮

引导轮用于履带对的运转，可以防止跑偏和越轨。同时运用张紧装置

使引导轮移动调整履带的张紧度。所以引导轮既是履带的引导轮又是履带

的张紧轮。引导轮的移动方式分为摆动式和滑动式，目前工程机械多采用

滑动式。

4.4.6张紧装置的设计与计算

履带的张紧装置的调整方式一般有螺杆调整和液压调整。

(1)螺杆调整

螺杆调整是通过调节螺杆和螺母来改变导向轮的位置，从而达成张紧

的目的，其结构简朴，但调整费力且螺纹易锈死而使调整更难。螺杆调整

是一种刚性张紧，不具有缓冲作用，张紧力重要由螺杆来调节，只要螺杆

直径足够大，具有一定强度和刚度。此张紧调节型式一般用在小型机械和

超大型机器上。

(2)液压调整

液压调整是借助黄油枪将黄油压入张紧油缸内，使张紧油缸一端移动

导向轮一端压缩弹簧，从而使缓冲弹簧获得一定的预张紧力。当履带在运

营中碰到冲击时，通过油缸的伸缩和履带的作用力使导向轮前后移动，实

现履带张紧或松弛，从而减少冲击，起到缓冲的作用。而弹簧的缓冲作用

在很大限度上决定于弹簧的预张紧力及弹簧的行程。

4.4.6.1弹簧张紧力计算

弹簧预紧力是履带车后退爬坡时，缓冲弹簧不产生附加变形来决定的。

如图4.1所示。

驱动轮

图4.1导向轮受力分析

履带车两条履带所提供的牵引力应大于整机质量沿斜面方面上产生的

Gsina

分力Gsina,每侧履带所提供的牵引力应大于即：

N〉包吧x9.8(N)

2(24)

州=2N〉9.8xGsina(N)0.

(NDJ

式中：a一最大爬坡角度，°;

...900xsin450AoO11O

N〉x9.8=3118.3Np°八八AOAAIN

代入数据得，2,々=2N〉6236.7N

G—整机重量，kg0

缓冲弹簧安装时必须有一定的预压缩量，使履带中产生一定预紧力，

该预紧力保证缓冲弹簧不会在受到外来微小的冲击时就产生附加变形而引

起履带振跳，同时又可保证引导轮在正常工作时不会向后移动，从而避免

脱轨。但缓冲弹簧预紧力亦不能太大，当履带和各轮之间卡入坚硬石块时

或当前方受到较大的冲击力时，缓冲弹簧应能进一步压缩，以保护行走系

各零件不致损坏。其计算经验公式如下:

外=(1.2〜1.4)x9.8xGina(N)

°(26)

缓冲弹簧最大变形时的弹簧压力

%ax=(L5-2)P°(N)(27)

带入数据得，—叫“13.783

4.4.6.2缓冲弹簧的工作行程S

缓冲弹簧的工作行程S是指弹簧预紧状态到最大变形状态时的附加变

形量，其对履带行走性能有很大影响，假如缓冲弹簧的行程过小，当导向

轮受到前方的冲击载荷或因泥沙、小石头等潜入驱动链轮的齿沟、履带里

时，就有也许导致刚性碰撞，导致履带过载和油缸活塞杆变形，从而影响

履带行走系统的整体性能。因此缓冲弹簧必须具有一定的缓冲行程，其计

算公式为：

S⑴皿)

4(28)

式中：Dke一驱动轮齿顶圆直径，mm；

Dki一驱动轮齿根圆直径，mine

4.4.6.3连接架

连接架一般由中间架与左右履带梁组成，根据结构形式可分为X架与

H架，其重要参数直接影响整机的性能，涉及牵引能力，转弯能力等。

(1)履带轨距B

B=(3.5〜4.5)bQ277)(29)

式中：b一履带板宽度，mm；

带入数据得，3=807.2mm

(2)履带支撑面长度Lc一般按总体设计及工作条件规定的平均接地

比压P拟定：

4=k(〃加D

2bp(30)

式中：G一整机重量，kg；

b一履带宽度，mm；

P一平均接地比压，一般工程机械平均接地比压为30〜70kPa。

同时，计算所得的Lc应满足转向规定：

4<2(…

B〃(31)

式中：Lc一履带支撑面长度，mm；

B—履带轨距，mm；

。一牵引附着系数，具体见表4-6；

f一滚动阻力系数，具体见表4-7；

口一回转阻力系数，具体见表4-8。

表4-6履带机械不同路面牵引附着系数

路面条件牵引附着系数路面条件牵引附着系数

铺砌道路0.6-0.8细砂土地0.45-0.55

干土道路0.8〜0.9收割后的草地0.7〜0.9

柔软眇路0.6~0.7开垦的田地0.6~0.7

深泥土地0.5~0.6冻结的道路0.2

表4-7不同路面的滚动阻力系数

路面条件滚动阻力系数路面条件滚动阻力系数

混凝土0.05泥泞地、沙地0.10—0.15

坚实土路0.07冻结的道路0.03-0.04

松散土路0.1

表4-8履带与各种土壤之间的回转阻力系数

路面条件回转阻力系数

土壤种类平均值Uc平均最大值UCW

干混凝土0.530.74

湿混凝土0.640.75

干实砂土0.620.88

湿实砂土0.270.35

干沥青混凝土0.350.45

柔软砂土