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第5章 履帶車輛懸浮和傳動系統(tǒng)
長期以來,有一種想法,如果打算設(shè)計一個高機動性的車輛,為了比任何車輛具有更好的流動性應(yīng)使用履帶式車輛. 雖然履帶會不斷變化，其中車輪會顛簸，只有少數(shù)障礙和特殊地形的時候會阻止六個輪子的搖桿轉(zhuǎn)向架車輛前行，但不能阻止類似大小的履帶式車輛。在一些很軟的地形上，比方說：松散的沙子，深泥，薄雪。一定尺寸的障礙物會被卡在輪子之間的縫隙
通過這個更加復(fù)雜和更低的傳動效率，他們可以得到更高的移動性,，因此履帶是針對這些情況較好的選擇，但不是比任何情況都要好
履帶式車輛第一次開始出現(xiàn)在20世紀(jì)初，在第一次世界大戰(zhàn)中廣泛使用。當(dāng)時所用的基本布局今天仍然使用在重型施工設(shè)備，在其一端的驅(qū)動鏈輪，另一端的惰輪，通常被作為張緊輪使用，他們之間的一些機械來支撐地面上履帶。這個基本的簡單的布局強大并且易于控制。即使在其最簡單的形式中，該履帶布局較先前已經(jīng)做了全面的改進。
連續(xù)不斷的與地表接觸會對履帶帶來益處。地面上會有很大的長度寬度類似于履帶尺寸大小的印跡，由于較低的觸地壓力，允許他可以在比較柔軟的地面上行駛。他也給踏板提供了更大的面積，和抓地的齒數(shù)。
連續(xù)不斷的觸地，消除了輪式車輛的一旁的輪子之間會變成高居中的問題，一個一定尺寸的障礙物會卡在在輪子的一邊，履帶停留在上面，輪式車輛會被卡住的這些情況，履帶式軌道能夠輕易的翻滾過障礙物。
也許最重要的性能是能夠連續(xù)不斷的觸地，輪子的懸浮力無法匹配，這是跨越障礙物的能力。一個六輪或8輪車可以添加懸掛組件，以增加其裂縫寬度。但這些增加了復(fù)雜性的輪式車輛固有的簡單性。履帶要有跨越裂縫的能力 ，基于他們的設(shè)計。添加一個機械裝置來移動他的重心，一輛輪式車輛能跨過裂痕能力比一半長度的車輛更強大的。
大多數(shù)類型有許多移動部件比輪式布局，所有趨于增加滾動摩擦，但一個精心設(shè)計的履帶事實上比一個在非常柔軟的地面上的輪式車輛更加高效。大多數(shù)的移動部件也變得更加復(fù)雜，履帶設(shè)計的主要問題是防止履帶被揭去懸浮系統(tǒng)，完全不能使車輛停止下來。
軌道系統(tǒng)由軌道，驅(qū)動鏈輪，托輥/張力 車輪，懸架系統(tǒng)，并且，有時，支撐輥。有該軌道系統(tǒng)的幾種變化，每個都有它自己的一組兩個 流動性和穩(wěn)定性的優(yōu)點和缺點。
履帶設(shè)計本身（鋼環(huán)節(jié)的設(shè)計，連續(xù)的橡膠，胎面的形狀）
保持履帶在車上的方法（針入孔，導(dǎo)刀，V形槽）
支持履帶在地面上的懸浮系統(tǒng)（裝了彈簧和沒有裝彈簧的輪子，固定導(dǎo)軌）
一端的形狀或履帶系統(tǒng)的兩端（圓的或者傾斜的）
惰輪和/或驅(qū)動鏈輪的相對大小
大多數(shù)這些系統(tǒng)布局的變化已經(jīng)試過了，一些大獲成功，其他的一些在流動性方面沒有顯著的改善。
也有許多品種的履帶布局和不同履帶數(shù)量的布局，這些不同的布局有彼此之間有一定的優(yōu)勢和劣勢。
一個履帶與一種單獨的操縱發(fā)發(fā)
?基本的并排是雙履帶
?兩個履帶和一種單獨的操縱方法
?兩個縱向履帶
?使用四條履帶的幾種設(shè)計
一個六履帶布局包括兩個主要的履帶和兩套次要履帶和每端
六履帶設(shè)計可能過度重合，因為有一個專門的履帶設(shè)計，他有真正令人印象深刻的機動性，他有四個履帶并且只是用三個機械裝置。
機器人正慢慢的被人們在家里普遍使用，在其他良性室內(nèi)環(huán)境需求也在不斷攀升。重要的是使用任何滾動驅(qū)動系統(tǒng)來爬階梯不是很難，甚至只使用一條履帶，履帶簡化
比起輪式傳動系統(tǒng)爬階梯更加平穩(wěn)，可以有更快的速度，但是他們很難和階梯保持一致，他們能夠迅速的變得傾斜，，即使是人工操作，修正車輛行駛方向的是棘手的。在寫這篇文章的時候有沒有已知的自主車型，可以爬階梯的完整飛行無人工輸入。
本章覆蓋了所有已知用于生產(chǎn)的車輛履帶布局正在從30厘米大小不等，長（約一英尺），超過45米（城市街區(qū)）??。履帶對小型車輛良好的使用效果，，由于履帶材料的剛度,問題都可以發(fā)展變化。只10厘米長的玩具使用的履帶，以及至少一個機器人研究者已建微型機器人與約25毫米長的履帶。這些全自主機器人大約有四分之一的大小。 Inuktun（www.inuktun.com）使履帶單位在管道爬行機器人的使用約25厘米長。
另一個極端是大型施工設(shè)備和軍事坦克像M1A2艾布拉姆斯。在M1A2的履帶是寬0.635米（一個舒適的椅子的寬度） 4.75米長（長于大多數(shù)汽車）并在一起，包括懸掛部件，補將近四分之一罐的總重量計。一個更大的追蹤車輛NASA的履帶式運輸車用于移動手機啟動墊航天飛機計劃。該履帶的單鏈路轉(zhuǎn)運的軌道是近2米長，重達近八千牛頓（約等于一個中型汽車） 。每個磁道有57鏈接并安裝在雙八條軌道是世界上最大的車輛。雖然這個龐然大物的遷移率是有限的，這是旨在攀登等級達發(fā)射場百分之五，同時舉行航天飛機完全垂直的可調(diào)螺距平臺。它大火沿一個緩慢的散步整個行程。多數(shù)大型車輛，如這些使用，因為在履帶上的金屬連接軌道有非常大的力量
在一個更實際的規(guī)模為移動機器人，用聚氨酯皮帶
模內(nèi)鋼筋的驅(qū)動鏈輪和模內(nèi)鋼齒
牽引正逐漸取代全金屬履帶。較小的尺寸可以使用固體聚氨酯皮帶，沒有鋼可言。聚氨酯皮帶重量更輕，更耐用，如果大小合適。他們造成較大規(guī)模的硬質(zhì)表面的道路損壞極小。如果設(shè)計得當(dāng)，并尺寸，它們可以是非常有效的，雖然不像機械效率的輪式車輛。他們不舒展，生銹，或需要象金屬連結(jié)履帶似的任何保養(yǎng)。
更大的表面積在與地面接觸的情況下，允許較重的同樣大小的車輛，而不增加地面的壓力，這有利于更重的載荷或更多變形。即使是很重的M1A2有大約82公斤帕斯卡地面壓力（大致相同壓力大的人站在一英尺）。在標(biāo)尺的相對端的BV2064-履帶車具有 只有十千帕斯卡地面的壓力。這種低接地比壓允許BV206也趕了過來，并通過沼澤，沼澤，或軟雪 即使人們陷入麻煩。然而，本BV206不具有的最低壓力。保留用于車輛 專門為在細雪地上的使用而設(shè)計的。這些車輛有壓力低至5千帕。這是比壓力更一點 由一個一升瓶可樂施加在一個表中。
相較于輪式傳動系統(tǒng)，履帶驅(qū)動裝置可以似乎是該車輛的相對大的部分。鏈輪，托輥，和履帶內(nèi)側(cè)車輪離開任何小體積的部件。這里有點誤導(dǎo)，因為與傳動系的輪式車輛縮放判斷同樣大小的障礙，作為一個跟蹤裝置，懸掛組件占用幾乎相同的體積。在事實上，一個6輪式搖臂轉(zhuǎn)向架懸掛的體積大約是相同履帶單元時可轉(zhuǎn)讓的障礙高度是基線參數(shù)。
履帶車輪上的優(yōu)勢是可轉(zhuǎn)讓的裂縫寬度。在這種情況下，履帶顯然是更好的。長期接觸面允許車輛延伸出了一個裂縫的邊緣，直到前履帶接觸的相反側(cè)為止。輪式車輛，即使有八個輪子，只會掉入裂縫的之間的差距 車輪不能支持車輛的中間的裂縫的邊緣。納入一個六輪搖臂轉(zhuǎn)向架懸掛聰明的機制在第四章中所示是一個解決這個問題，但需要更多的運動部件和另一個驅(qū)動器。
為了簡化構(gòu)建履帶機器人，還有一些制造企業(yè)建造設(shè)備的底盤。所有這些功能于一身的驅(qū)動裝置，只需要把電源和控制系統(tǒng)添加到驅(qū)動單元。他們是非常強大的，并提出了大量的各種款式，作出了鋼鐵和橡膠履帶。幾乎所有都是液壓驅(qū)動的，但也有少數(shù)幾個旋轉(zhuǎn)抽可由電動機電動輸入。制造出來的尺寸不小于1m，但對于較大的機器人，他們應(yīng)該在設(shè)計中予以考慮 因為設(shè)計他們的公司了解履帶設(shè)計和起落架，它們是強大的，它們構(gòu)成一個螺栓固定的解決方案 ，他們所述的履帶式移動機器人的有更復(fù)雜的系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)向履帶車輛
履帶式車輛的轉(zhuǎn)向基本上是一個簡單的概念，帶動一個履帶比其他車輛轉(zhuǎn)彎速度更快。這跟一個滑移轉(zhuǎn)向的輪式車輛是完全一樣的。它也被稱為差速轉(zhuǎn)向。該在履帶式車輛側(cè)滑的功率要求是大致相同的，或許有點高，作為一個四輪滑移布局。由于在早期版本履帶式車輛的就有剎車的使用要求，最簡單的方式是通過降低一個軌道引導(dǎo)該側(cè)制動。
幾個新的布局改善這種驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)?？刂泼總€履帶的速度直接添加第二主驅(qū)動源，但精細的轉(zhuǎn)向和速度由人控制。第二改善驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)向使用一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，第二差動驅(qū)動由它自己的馬達驅(qū)動。這方面的一個輸出差被直接連接到主差的輸出;另一種是交叉連接到主差的另一個輸出軸。不同的轉(zhuǎn)向電機的速度變化的兩個履帶的相對速度。這就達到精細的轉(zhuǎn)向控制，但是相當(dāng)復(fù)雜。
用于轉(zhuǎn)向履帶車的另一種方法是使用一些外部導(dǎo)向裝置。使用這種類型的系統(tǒng)是最熟悉車輛是常見的雪移動。這是一個跟蹤單獨控制布局。用于空氣凈化不僅僅是雪，滑雪板可以被車輪替換。
一個指導(dǎo)方法，它可以改善流動性，這叫掛接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種布局有兩個主要的部分，都是履帶，這是通過一個接頭，該接頭允許控制運動中至少有一個連接方向。它合并彎曲車輛在中間，使其轉(zhuǎn)了一個彎。這是因為用于輪式前端裝載機相同的系統(tǒng)。這樣可以進一步有助于系統(tǒng)的移動性，如果自由的第二度，它允許對橫向支點共同控制?；虮粍舆\動在幾乎相同的位置轉(zhuǎn)向接頭。
同樣的方法，減少轉(zhuǎn)向動力上防滑轉(zhuǎn)向輪式車輛可以應(yīng)用于履帶，即，降低了懸浮液軌道的中間位置。這具有提高的端部的作用，減少了需要打開電源時他們周圍的打滑。因此這降低了履帶的主要履帶，有更多的地面接觸面面積，這不經(jīng)常被納入履帶式車輛的。
各種履帶的制作方法
履帶的制作有許多不同的方式。早期的履帶幾乎是全鋼結(jié)構(gòu)，因為這是所有是可利用的和足夠強大的。由于聚氨酯等非常堅硬的橡膠的出現(xiàn)，履帶就不用鋼制作了。全鋼履帶是非常沉重和裝在更小的車輛上，這可能是一個很大的問題。較大的車輛或車輛去高負荷的承載，鋼聯(lián)履帶可能是最好的解決方案。有至少六個不同的的履帶制作技術(shù)。
?所有鋼鉸鏈接
?帶有可拆卸聚氨酯墊路鋼鉸鏈?zhǔn)芥溄?
?固體聚氨酯
?聚氨酯與預(yù)埋鋼筋受拉構(gòu)件
?聚氨酯與預(yù)埋鋼筋受拉構(gòu)件和外部鋼
鞋（有時稱為夾板）
?聚氨酯與預(yù)埋鋼筋受拉構(gòu)件和預(yù)埋鋼板
橫向驅(qū)動梯級帶整體導(dǎo)牙
全不銹鋼鉸鏈連接的履帶（圖5-1）似乎是最堅韌最難被擊敗的設(shè)計，但這種設(shè)計有幾個缺點。碎片可以被夾履帶移動連接的地方，可以卡住履帶。一個解決此問題的方法盡可能使安裝的鉸鏈點就在履帶上。這降低了履帶的外部表面開啟，該值與關(guān)閉，減少壓帶卷的大小。這是一個微妙而重要的鋼軌道設(shè)計的一部分。這降低了支點如圖5-2所示。
履帶式車輛，甚至自主機器人，某個時刻會在一些已經(jīng)修好的路上的行駛，全鋼制履帶損壞路面。安裝聚氨酯墊中的鏈接履帶已經(jīng)解決了這個問題。這些墊被設(shè)計，容易被更換。這些墊在履帶上用鏈接螺栓或膠粘劑連接的特殊連接當(dāng)用壞的時候能夠拆掉和替換
。圖5-3顯示了一個額外的口袋為降低的樞軸連接聚氨酯車輪
完全去除夾點的方法是是履帶成一片。這和聚氨酯履帶是一樣的。沒有夾點 ;履帶是一個踏板或不帶踏板的連續(xù)的環(huán)帶，將履帶由成聚氨酯制作是在路上最多用的 ，。這是非常艱難的，相對高的摩擦相比，鋼，而且價格便宜。同時，它也 不損壞道路。諷刺的是，如果需要更高的牽引力，鋼 夾板可以用螺栓固定到氨基甲酸乙酯。就像鋼聚氨酯墊路 軌道，鋼的鏈接通常設(shè)計為可移除的。
大多數(shù)聚氨酯履帶的使用本身太有彈性。這
弱點是由在鋼電纜上制作聚氨酯來克服的。該鋼被氨基甲酸酯完全覆蓋，所以沒有腐蝕的問題。鋼消除拉伸，并且給系統(tǒng)增加了一點重量。甚至有了更高的強度，淬火鋼橫桿被模制到履帶。這些桿的形狀和位置，有利于在驅(qū)動器上的齒鏈輪可以直接在他們上面推動。這給出了聚氨酯履帶較大的拉力強度，并延長其使用壽命。系統(tǒng)的又一變型，是在這些棒伸向軌道的外側(cè)加強胎面。這是用于聚氨酯中最常見的布局 跟蹤工業(yè)車輛。如圖5-4所示的橫截面 這種布局
履帶形狀
由驅(qū)動鏈輪，惰輪和車輪的作品形成的基本履帶在使用中工作的很好，但也有可以做簡單的事情 修改此長方形的形狀，以增加其流動性和穩(wěn)定性。流動性可以通過升高前面的履帶來提高，這有助于前面 能夠跨越更高的障礙。穩(wěn)定性可以通過移動易損部件來增強 ，如驅(qū)動鏈輪，遠離可能不利的位置。這些改進可以應(yīng)用到任何履帶設(shè)計，但并非必要用在變量或重新配置的履帶。
提高流通障礙高度最簡單的方法是使該系統(tǒng)較大的前輪。該方法一點也不不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且事實上可以通過消除履帶返回路徑的托索輪組來簡化。此布局，當(dāng)帶定位于前軸驅(qū)動鏈輪，還結(jié)合提高了驅(qū)動系統(tǒng)。這減小了損壞的幾率驅(qū)動鏈輪及相關(guān)零部件。第一次世界大戰(zhàn)的許多早期的坦克用這個履帶形狀
另一種提高履帶的端部方法是使他們進入坡道。加入坡道可以增加車輪的數(shù)量和移動部分的數(shù)量，但是它們可以大大增加流動性。斜坡前面是常見的，具有明顯的優(yōu)勢，抬高背在狹小的空間需要備份運行時，可以幫助移動越過障礙。如圖5-5（A-D），坡道是通過提高驅(qū)動器和/或惰輪輪齒來比車輪高兒創(chuàng)建的。一些這樣的設(shè)計增加軌道系統(tǒng)內(nèi)的體積，但這種量有可能用于由機器人的其它部件。
多個公司已經(jīng)設(shè)計并且建立了形狀可以改變的履帶系統(tǒng)，可以改變形狀。這些可變幾何形狀履帶系統(tǒng)上使用的履帶比大部分履帶更加靈活，這使得它可以使彎曲周圍較小的鏈輪和惰輪更靈活 ，并在兩個方向上彎曲。車輪通常通過一些常用的懸浮系統(tǒng)直接安裝在底座，但是惰輪安裝在一個臂，這樣可通過改變前斜坡的形狀弧移動。第二張緊主臂的所有位置，惰輪必須納入履帶系統(tǒng)保持張力
當(dāng)系統(tǒng)高度被包含在方程中時，這種差異會產(chǎn)生非常好的機動性。因為存放高度相比于轉(zhuǎn)讓障礙物高度比較小。在有效延長履帶，除了一個重心移動機構(gòu)，使車輛有跨越更寬的裂縫的能力。有了這個概念，簡單的實現(xiàn)中，可變幾何形狀的履帶系統(tǒng)是用于移動機器人驅(qū)動系統(tǒng)的好選擇圖5-6（A-B）示出一種布局的可變幾何形狀履帶系統(tǒng)。還有許多人是可能的。
因為它可以同時傳輸拉力的履帶和驅(qū)動扭矩，驅(qū)動鏈輪（和相關(guān)的驅(qū)動機構(gòu)）是最脆弱的移動的履帶系統(tǒng)的一部分。它們可以位于履帶的前面或后面，然而它們通常是在后向這樣讓他們遠離難免和前面的車輛發(fā)生碰撞。當(dāng)被路面上的一些東西撞擊時，提高鏈輪離地的高度，脫掉鏈輪避免有可能造成的損害，這些修改都將導(dǎo)致在一個共同的履帶的形狀，如圖在圖5-5C。
擴展履帶式車輛的移動性的簡單方法是，讓汽車的底盤或車身有一個斜度。靜斜坡延伸了在前面和上面的履帶滑動設(shè)置障礙，這樣就比履帶高了。這使得該車的跨越障礙的能力比使用非移動的移動性系統(tǒng)部分更高 ，一個巧妙的方法。
履帶懸掛系統(tǒng)
驅(qū)動鏈輪和從動輪之間的空間必須是均勻地支撐在地面上，以實現(xiàn)最大的履帶最大的價值。這可以以幾種方式之一來完成。這些方法之間的主要差別是傳動效率，復(fù)雜性和。對于特別長的履帶的行駛特性，頂板也必須被支撐。但是，這通常是一個簡單的被滾子，或者是驅(qū)動鏈輪和惰輪之間的均勻間隔。
主要類型的地面支撐方法
?導(dǎo)向葉片
?固定車輪
?搖臂車輪對
?安裝在彈簧車軸車輪
導(dǎo)向葉片是簡單的軌道，通常是設(shè)計成履帶上的鏈接，騎在V形導(dǎo)向接收器。他們可以不斷延伸從一端到另一端，因此沿其整個長度支撐的履帶是最有效的。不幸的是，它們也相當(dāng)?shù)托У?，因為有長的滑動表面，其不能實際意義上的潤滑。對于剩下的車輛，他們也產(chǎn)生了刺耳的行駛。
一步從導(dǎo)向葉片是固定車輪（圖5-7）。這些都是對短截線，軸車輪牢固地安裝到機器人的底盤。車輪可以相對于履帶較小，因為繼續(xù)前行的東西只是履帶光滑的內(nèi)表面。他們也產(chǎn)生刺耳的行駛，更何況比導(dǎo)向葉片，但他們更高效。固定滾輪對于一個機器人身上強大的履帶系統(tǒng)是一個不錯的選擇因為乘坐的舒適性并不那么重要，在較低的速度，因為在車輛上只載著一個人。
顛簸不會妨礙履帶的效率，但是，由于在崎嶇地形，底盤上下移動。想減少這種情況，在高速行駛時是特別有益的，和搖桿布局輪式車輛的使用幾乎是在履帶上一樣有效。滾筒是成對安裝在驅(qū)動鏈輪和惰輪之間的搖滾輪。搖滾輪（圖5-8）允許履帶走崎嶇不平的地形 ，降低了機器人底盤的垂直運動。履帶的仔細張緊是與可動車輪必不可少的。
最復(fù)雜，高效，平穩(wěn)通過安裝制作在車輪上的懸掛車軸。主要有三種類型的懸掛的系統(tǒng)中普遍使用。
?扭簧縱向控制臂
?縱向控制臂加螺旋彈簧
?鋼板彈簧搖臂
拖臂上的扭簧在圖5-9顯示，這是一個簡單的裝置，以扭轉(zhuǎn)一堆鋼棒，其拖拽臂一端相連的。它的名字是因為托臂支持他們把點的輪徑，通過扭轉(zhuǎn)彈簧，在底盤。車輪安裝到縱力對車輪推臂上，扭鋼棒。這個系統(tǒng)是很受歡迎的，20世紀(jì)40年代和50年代用古老的大眾甲殼蟲支撐前面的車輪。它也被用在了阿爾維斯的堅定，更詳細的描述在第四章。
還可以支持拖曳臂用的螺旋彈簧的端部，或這或許可以產(chǎn)生線圈過度沖擊懸掛系統(tǒng)，他比任何履帶系統(tǒng)（圖5-10）都能夠產(chǎn)生更加光滑的車程。這個震動也可添加到扭臂懸架系統(tǒng)。該螺旋彈簧在扭轉(zhuǎn)懸架的優(yōu)點在于，負載支承在彈簧非常接近負載點，減少力和力矩的拖曳臂。這可以降低懸架系統(tǒng)的重量，并使系統(tǒng)更加內(nèi)部的履帶體積，而不是內(nèi)部的底盤。
搖臂系統(tǒng)的簡單變化將代搖桿鋼板彈簧（圖5-11）。這簡化了震動搖桿，并產(chǎn)生更加平穩(wěn)的移動，彈簧通常很僵硬，因為搖桿手臂的擺動運動仍然允許車輪做大的動作。就可加裝到搖臂懸掛系統(tǒng)，如果目前搖臂不能使運動足夠平穩(wěn)，僅在一側(cè)的輪轂,使車輪在彈簧的兩側(cè)減小產(chǎn)生的扭矩。圖5-11顯示雙輪。
履帶系統(tǒng)布局
一條履帶傳動系統(tǒng)
被視為最簡單的布局是只使用一條履帶。這種布局是實際上存在至少一種形式，流動性是相當(dāng)不錯的，最常見的市售履帶車輛的形式是雪移動。雖然這些車輛是專門為雪地使用而設(shè)計的，具有更換滑雪板輪轂的功能，并且他們可以用于硬表面上，在雪地賽道應(yīng)用相當(dāng)廣泛。能夠盡可能地降低接地壓力，但是輪式布局非常適合較窄的履帶。