橡胶履带小车的电机选型设计

橡胶履带小车的电机选型设计

战洋，俞庆

南京苏美达智能技术有限公司，江苏 南京 211899

摘要：通过分析橡胶履带小车在正常行驶和原地转向时的受力，建立数学模型，就可以计算获得电机理论参数，方便电机选型。该方法为橡胶履带小车的电机选型设计提供一种解决思路。

关键词：履带小车；橡胶履带；受力分析；电机选型；

The motor selection design of rubber track robot

ZHAN yang, YU qing

Nanjing SUMEC Intelligence Technology Co., Ltd. Nanjing 211899

Abstract: base on the force analysis of rubber track robot running &steering, establish mathematical model, then get theoretical parameters of motor by calcution. This method provides a solution for the motor selection design of rubber track robot.

Key words: tracked robot; rubber track; force analysis; motor selection

一，背景

橡胶履带小车具有接地面积大，爬坡能力强，转向方便，车身轻便，保护地面等优点，因此越来越多的运用在小型机器人上。本文接下来主要讨论橡胶履带小车的电机选型设计。

图1，橡胶履带小车示意图

二，小车正常行驶时的理论模型

首先分析小车牵引力的组成，

F=F1+F2（公式一）

其中，F是小车电机提供的牵引力，F1是小车运行时克服的内部阻力，主要是履带内部的摩擦力。F2是小车运行时克服的外部阻力，主要是履带与地面的摩擦力。

根据经验公式，F1=(0.1~0.3)G（公式二）

其中，0.1~0.3是履带内部的摩擦系数，G是小车重量

建立数学模型，参考下图2

图2，小车行驶受力分析

得到公式，F2=f+G1=k*G2+G1=G(K*cosa+sina)（公式三）

其中，K是履带对地摩擦系数，一般取0.05~0.15

角度a是坡道角度

综合公式一二三，可以得到，

F=0.2G+G*(0.1*cosa+sina)=G(0.2+0.1*cosa+sina)

根据以上公式，通过已知的小车参数，则可得到电机理论参数。

三,小车原地转向时的理论模型

履带小车原地转向时受力较特别，见下图3，

图3，小车原地转向受力

小车以重心为原点做顺时针旋转，左右履带分别提供大小相同方向相反的牵引力F，此时履带收到的摩擦力见红色三角区域，越往车头和车尾方向摩擦力越大，越接近小车重心摩擦力越小，其中同侧履带前段和后段受到的摩擦力方向不同。此时小车牵引力F产生的正向力矩应当大于摩擦力f产生的反向力矩，然后小车开始旋转。

对上图3进行计算简化后，得到下图4，

图4，简化后的小车原地转向受力

通过计算，得知摩擦力f的力臂长度是L/3

再根据正反力矩平衡的原理，可以得到下列公式，

F*B/2+F*B/2=f*L/3+f*L/3+f*L/3+f*L/3

简化后，F=4f*L/(3B)（公式四）

公式四中的f，L和B可以通过测量直接获得，从而计算得到电机的牵引力F，但是需注意以下两点，

1)此时的牵引力F没有包含小车的内部阻力，需考虑进去

2)当小车在坡道上做原地转向时，需考虑重力影响

四,电机理论选型

参考下图5，输入已知参数，获得四种功率参数，

图5，参数获得

带入某项目中的参数，获得四个理论工作点，考虑足够余量，绘制出电机工作曲线（蓝色线），选定理论的电机额定工作点，详见下图6

图6，理论电机工作曲线

最终，选择额定功率60W，扭矩10Nm，转速60RPM的电机

五,整机复核

根据理论额定参数选择电机，装机实测，然后将实际参数与实际电机工作曲线对比，部分修正后即完成整机复核。

六,小结

橡胶履带小车电机选型设计的主要流程如下，

1)小车的基本输入参数确定

2)不同工况下的数学模型建立

3)计算获得理论电机参数

4)电机选型，测试，复核

参考文献：

［1］ 刘国民， 黄海东， 张萃． 履带底盘转向解析［J］ ． 中国工程机械学报， 2010， 8( 3) : 309-313

［2］ 程军伟， 高连华， 王红岩， 等． 基于滑动及计履带宽的条件车辆转向负荷的计算［J］ ． 车辆与动力技术， 2007( 1) : 40-44

［3］ 史力晨， 王良曦， 张兵志． 履带车辆转向动力学仿真［J］ ． 兵工学报， 2003， 24( 3) : 289-293