本文是一篇機械論文，筆者對雙節履帶車行走機構進行分析，通過三維建模軟體和多體系系統動力學仿真軟體對雙節全地形履帶車的行走機構和鉸接機構的兩個關鍵結構進行虛擬樣機模型的構建。並綜合考慮全地形履帶車所在工作環境地面對全地形履帶車運動性能的影響因素，建立雙節全地形履帶車的地面模型，並最終完成雙節全地形履帶車整車模型的構建。
第1章 緒論
1.1 課題來源及目的和意義
中國國土遼闊、地形地貌複雜多樣，丘陵、高原、盆地以及沼澤等複雜地貌在我國分布較廣，其中最具代表性的山地地貌約占我國總土地面積的 75%[1-4]。近年來，隨著氣候變暖，自然災害(如地震、泥石流和洪水等)在我國發生較多，如 2008 年 5 月四川省汶川地震、2010 年青海省玉樹泥石流、2016 年 7月上旬西南至長江中下游地區暴雨洪澇災害、2017 年 4 月大興安嶺森林火災等。地震、泥石流和火災等災害不僅造成了環境的破壞，還嚴重的威脅了人民群眾的健康及財產安全。現有的救援隊伍因車輛越障功能不完善，僅有少量物資可採用空投方式進行運輸，大部分物資還是依靠傳統的人力和畜力方式進行運輸，運輸效率低。救援隊伍無法實現高效快速的進入災區並進行現場救援和災後重建。因此，急需一種新型多功能一體化的救援車輛，可用於在沼澤、沙漠、雪地及山地等複雜環境中的施工作業。該特種車輛不僅可用於災後救援及重建，還可用於國家的基礎設施建設中 (例如極端工況下鐵路、公路及水電等基礎設施建設)。
針對上述問題，全地形履帶車的相關研究可為我國提供一類具有接地比壓低、越障能力強和機動性能優越等優點的機動運載平台，能夠實現在雪地、沙漠及沼澤等多種複雜地形中實施作業，滿足我國極端工況下特種作業對全地形履帶車的需求，公路最大行程 500 km，公路最大行駛速度 40 km/h，最大爬坡度 35°，最大側傾行駛坡度 20°，過垂直牆高 0.6 m，越壕寬度 1.5 m，工作環境溫度-40~50 ℃。
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1.2 全地形履帶車的國內外研究情況
20 世紀後期，北美的加拿大，北歐的瑞典、芬蘭，原蘇聯等國就進行了雙節履帶式車輛的研製工作。之所以這些國家重視該類型車輛的研製工作，是因為這些國家由於處在較高緯度，國內領土有著非常惡劣的地形和較為極端的氣候(如沼澤、冰雪路面、山地環境等特殊工況)。在這樣的地形上通過，一般的輪式車輛和履帶車輛無法完成[5-9]。因此迫切需要在該地域上能進行人員、物資運輸、武裝巡邏等功能需要的車輛。由於具有驅動功率小、轉向推進力不變、機動性好和載重量大等優點，雙節履帶式車輛被廣泛應用於救災搶險和極端環境設施施工中 [10]。雙節履帶式車輛的車底行動裝置結構示意圖如圖 1-1所示，該行動裝置主要由帶履帶張緊裝置的誘導輪、扭杆彈簧、托帶輪、驅動輪、負重輪軸、平衡肘、負重輪和履帶等 8 部分構成。
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第2章 雙節全地形履帶車虛擬樣機構建
2.1 全地形履帶車驅動特性分析
2.1.1 全地形履帶車的驅動原理
履帶車輛能夠行駛，是依靠發動機、傳動系統等將發動機輸出的動力傳導至驅動輪，驅動輪帶動履帶做卷繞運動。履帶卷繞時，履帶接地部分與路面間生成作用力，該作用力驅動車輛前進。
雙節履帶車的動力傳遞路線如圖 2-1 所示，由發動機輸出的動力經由自動液力變速器傳遞到動力分動箱，動力分動箱內有一軸間差速器，可以把有發動機傳遞來的動力分別傳遞到雙節履帶車前後車體內部的輪間差速器，輪間差速器可以把發動機傳遞來的動力分別傳遞到兩側的輪邊減速器，輪邊減速器與車輛的驅動輪相連接，這樣，驅動輪發生旋轉，帶動履帶繞著行走系統重複進行卷繞運動，實現使車輛前進的目的。因為雙節履帶車內部有軸間差速器和輪間差速器，所以當雙節履帶車行駛在條件差異較大的起伏路面上時，雙節履帶車上的四條履帶會在軸間差速器和輪間差速器作用下，自動適應起伏路面的變化，最終保證車輛能夠按照車輛操作者的操作動作行駛。
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2.2 行走機構虛擬樣機模型的建立
2.2.1 行走機構的性能分析
如圖 2-8 所示，按不同功能，可將整條履帶分為四個區段，其中驅動段為標號 1-3，上方懸置區段為標號 4-5，前方區段為標號 6-8，最後一部分為接地段，標號為 8-1，該段也可稱為支承段。
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第3章 平直路面雙節全地形履帶車工況性能研究 .......................... 26
3.1 平直路面直線行駛仿真模型 .................................. 26
3.2 平直路面直線行駛不同工況仿真 ................................... 26
第4章 陡坡路面雙節全地形履帶車工況仿真研究 ................................. 41
4.1 爬坡過程受力分析 ............................. 41
4.2 陡坡路面爬坡過程不同工況仿真 ................................. 42
第5章 雙節全地形履帶車越障過程仿真研究 ............................... 50
5.1 雙節履帶車越高牆仿真 ..................................... 50
5.1.1 越高牆行駛仿真模型 ................................... 50
5.1.2 越高牆行駛運動性能 ................................... 50
第5章 雙節全地形履帶車越障過程仿真研究
5.1 雙節履帶車越高牆仿真
5.1.1 越高牆行駛仿真模型
為了研究雙節全地形履帶車的越障能力，建立雙節全地形履帶的越高牆仿真模型。在仿真過程中，雙節履帶車以 1 m/s 的速度向前行駛，測試車輛對高度為 0.6 m 的垂直牆的越障能力。如圖 5-1 所示，當接近障礙時車輛通過控制俯仰機構使前車向上抬頭，當前車驅動輪中心高過障礙高時，前車就能順利通過障礙，在整個越障礙過程中，駕駛員要通過控制俯仰機構的動作來實現車輛的動作，以便車輛能夠順利的通過障礙。
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結論
我國國土遼闊、地形地貌複雜多樣，丘陵、高原、盆地以及沼澤等複雜地貌在我國分布較廣。近年來，隨著氣候變暖，自然災害(在我國發生較多。地震、泥石流和火災等災害不僅造成了環境的破壞，還嚴重的威脅了人民群眾的健康及財產安全。針對上述問題，本文對雙節全地形履帶車的設計及優化進行研究，可為我國提供一類接地比壓低、越障能力強和機動性能優越的機動運載平台，能夠實現在雪地、沙漠及沼澤等多種複雜地形中實施作業，滿足我國極端工況下對全地形履帶車的需求。
本文結論簡述如下：
（1）對雙節履帶車行走機構進行分析，通過三維建模軟體和多體系系統動力學仿真軟體對雙節全地形履帶車的行走機構和鉸接機構的兩個關鍵結構進行虛擬樣機模型的構建。並綜合考慮全地形履帶車所在工作環境地面對全地形履帶車運動性能的影響因素，建立雙節全地形履帶車的地面模型，並最終完成雙節全地形履帶車整車模型的構建。
（2）利用雙節全地形履帶車的虛擬模型，通過多體系系統動力學仿真分析了雙節全地形履帶車在在重黏土路面、沙質地面、硬性地面以及積雪路面等條件下直線行駛和陡坡行駛的運動性能及行走機構的力學性能。通過分析可知，雙節履帶車在雪地地面下行駛時驅動輪轉矩最大，在工況較好的硬質路面和重黏土路面上行駛時驅動輪轉矩最小。雪地行駛時是由於車輛行駛時陷入雪中，增加了行駛阻力，使得驅動力矩最大；在其餘路面上，是由路面工況的不同，雙節全地形履帶車所需的驅動轉矩也各不相同。
（3）針對雙節履帶車輛在差速器鎖緊和工作兩種狀態，建立了雙節履帶車輛的多體動力學模型，進行了硬質路面、粘土路面、重粘土路面和干沙路面的爬坡仿真，分析了部分履帶行走機構工作條件下的爬坡能力，分析了履刺高度對爬坡能力影響。通過進行雙節履帶車輛的爬坡過程仿真得出，差速器鎖緊可以提高雙節履帶車輛的爬坡通過性;更改履刺高度後當車輛在粘性土壤上可以提高通過性，但對於摩擦性土壤影響很小，可以忽略不計;後車履帶驅動的爬坡通過性要好於前車履帶的驅動。
參考文獻（略）
第1章 緒論
1.1 課題來源及目的和意義
中國國土遼闊、地形地貌複雜多樣，丘陵、高原、盆地以及沼澤等複雜地貌在我國分布較廣，其中最具代表性的山地地貌約占我國總土地面積的 75%[1-4]。近年來，隨著氣候變暖，自然災害(如地震、泥石流和洪水等)在我國發生較多，如 2008 年 5 月四川省汶川地震、2010 年青海省玉樹泥石流、2016 年 7月上旬西南至長江中下游地區暴雨洪澇災害、2017 年 4 月大興安嶺森林火災等。地震、泥石流和火災等災害不僅造成了環境的破壞，還嚴重的威脅了人民群眾的健康及財產安全。現有的救援隊伍因車輛越障功能不完善，僅有少量物資可採用空投方式進行運輸，大部分物資還是依靠傳統的人力和畜力方式進行運輸，運輸效率低。救援隊伍無法實現高效快速的進入災區並進行現場救援和災後重建。因此，急需一種新型多功能一體化的救援車輛，可用於在沼澤、沙漠、雪地及山地等複雜環境中的施工作業。該特種車輛不僅可用於災後救援及重建，還可用於國家的基礎設施建設中 (例如極端工況下鐵路、公路及水電等基礎設施建設)。
針對上述問題，全地形履帶車的相關研究可為我國提供一類具有接地比壓低、越障能力強和機動性能優越等優點的機動運載平台，能夠實現在雪地、沙漠及沼澤等多種複雜地形中實施作業，滿足我國極端工況下特種作業對全地形履帶車的需求，公路最大行程 500 km，公路最大行駛速度 40 km/h，最大爬坡度 35°，最大側傾行駛坡度 20°，過垂直牆高 0.6 m，越壕寬度 1.5 m，工作環境溫度-40~50 ℃。
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1.2 全地形履帶車的國內外研究情況
20 世紀後期，北美的加拿大，北歐的瑞典、芬蘭，原蘇聯等國就進行了雙節履帶式車輛的研製工作。之所以這些國家重視該類型車輛的研製工作，是因為這些國家由於處在較高緯度，國內領土有著非常惡劣的地形和較為極端的氣候(如沼澤、冰雪路面、山地環境等特殊工況)。在這樣的地形上通過，一般的輪式車輛和履帶車輛無法完成[5-9]。因此迫切需要在該地域上能進行人員、物資運輸、武裝巡邏等功能需要的車輛。由於具有驅動功率小、轉向推進力不變、機動性好和載重量大等優點，雙節履帶式車輛被廣泛應用於救災搶險和極端環境設施施工中 [10]。雙節履帶式車輛的車底行動裝置結構示意圖如圖 1-1所示，該行動裝置主要由帶履帶張緊裝置的誘導輪、扭杆彈簧、托帶輪、驅動輪、負重輪軸、平衡肘、負重輪和履帶等 8 部分構成。
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第2章 雙節全地形履帶車虛擬樣機構建
2.1 全地形履帶車驅動特性分析
2.1.1 全地形履帶車的驅動原理
履帶車輛能夠行駛，是依靠發動機、傳動系統等將發動機輸出的動力傳導至驅動輪，驅動輪帶動履帶做卷繞運動。履帶卷繞時，履帶接地部分與路面間生成作用力，該作用力驅動車輛前進。
雙節履帶車的動力傳遞路線如圖 2-1 所示，由發動機輸出的動力經由自動液力變速器傳遞到動力分動箱，動力分動箱內有一軸間差速器，可以把有發動機傳遞來的動力分別傳遞到雙節履帶車前後車體內部的輪間差速器，輪間差速器可以把發動機傳遞來的動力分別傳遞到兩側的輪邊減速器，輪邊減速器與車輛的驅動輪相連接，這樣，驅動輪發生旋轉，帶動履帶繞著行走系統重複進行卷繞運動，實現使車輛前進的目的。因為雙節履帶車內部有軸間差速器和輪間差速器，所以當雙節履帶車行駛在條件差異較大的起伏路面上時，雙節履帶車上的四條履帶會在軸間差速器和輪間差速器作用下，自動適應起伏路面的變化，最終保證車輛能夠按照車輛操作者的操作動作行駛。
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2.2 行走機構虛擬樣機模型的建立
2.2.1 行走機構的性能分析
如圖 2-8 所示，按不同功能，可將整條履帶分為四個區段，其中驅動段為標號 1-3，上方懸置區段為標號 4-5，前方區段為標號 6-8，最後一部分為接地段，標號為 8-1，該段也可稱為支承段。
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第3章 平直路面雙節全地形履帶車工況性能研究 .......................... 26
3.1 平直路面直線行駛仿真模型 .................................. 26
3.2 平直路面直線行駛不同工況仿真 ................................... 26
第4章 陡坡路面雙節全地形履帶車工況仿真研究 ................................. 41
4.1 爬坡過程受力分析 ............................. 41
4.2 陡坡路面爬坡過程不同工況仿真 ................................. 42
第5章 雙節全地形履帶車越障過程仿真研究 ............................... 50
5.1 雙節履帶車越高牆仿真 ..................................... 50
5.1.1 越高牆行駛仿真模型 ................................... 50
5.1.2 越高牆行駛運動性能 ................................... 50
第5章 雙節全地形履帶車越障過程仿真研究
5.1 雙節履帶車越高牆仿真
5.1.1 越高牆行駛仿真模型
為了研究雙節全地形履帶車的越障能力，建立雙節全地形履帶的越高牆仿真模型。在仿真過程中，雙節履帶車以 1 m/s 的速度向前行駛，測試車輛對高度為 0.6 m 的垂直牆的越障能力。如圖 5-1 所示，當接近障礙時車輛通過控制俯仰機構使前車向上抬頭，當前車驅動輪中心高過障礙高時，前車就能順利通過障礙，在整個越障礙過程中，駕駛員要通過控制俯仰機構的動作來實現車輛的動作，以便車輛能夠順利的通過障礙。
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結論
我國國土遼闊、地形地貌複雜多樣，丘陵、高原、盆地以及沼澤等複雜地貌在我國分布較廣。近年來，隨著氣候變暖，自然災害(在我國發生較多。地震、泥石流和火災等災害不僅造成了環境的破壞，還嚴重的威脅了人民群眾的健康及財產安全。針對上述問題，本文對雙節全地形履帶車的設計及優化進行研究，可為我國提供一類接地比壓低、越障能力強和機動性能優越的機動運載平台，能夠實現在雪地、沙漠及沼澤等多種複雜地形中實施作業，滿足我國極端工況下對全地形履帶車的需求。
本文結論簡述如下：
（1）對雙節履帶車行走機構進行分析，通過三維建模軟體和多體系系統動力學仿真軟體對雙節全地形履帶車的行走機構和鉸接機構的兩個關鍵結構進行虛擬樣機模型的構建。並綜合考慮全地形履帶車所在工作環境地面對全地形履帶車運動性能的影響因素，建立雙節全地形履帶車的地面模型，並最終完成雙節全地形履帶車整車模型的構建。
（2）利用雙節全地形履帶車的虛擬模型，通過多體系系統動力學仿真分析了雙節全地形履帶車在在重黏土路面、沙質地面、硬性地面以及積雪路面等條件下直線行駛和陡坡行駛的運動性能及行走機構的力學性能。通過分析可知，雙節履帶車在雪地地面下行駛時驅動輪轉矩最大，在工況較好的硬質路面和重黏土路面上行駛時驅動輪轉矩最小。雪地行駛時是由於車輛行駛時陷入雪中，增加了行駛阻力，使得驅動力矩最大；在其餘路面上，是由路面工況的不同，雙節全地形履帶車所需的驅動轉矩也各不相同。
（3）針對雙節履帶車輛在差速器鎖緊和工作兩種狀態，建立了雙節履帶車輛的多體動力學模型，進行了硬質路面、粘土路面、重粘土路面和干沙路面的爬坡仿真，分析了部分履帶行走機構工作條件下的爬坡能力，分析了履刺高度對爬坡能力影響。通過進行雙節履帶車輛的爬坡過程仿真得出，差速器鎖緊可以提高雙節履帶車輛的爬坡通過性;更改履刺高度後當車輛在粘性土壤上可以提高通過性，但對於摩擦性土壤影響很小，可以忽略不計;後車履帶驅動的爬坡通過性要好於前車履帶的驅動。
參考文獻（略）
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