Как правильно выбрать гусеничные гусеницы для гусеничных транспортных средств и конструкции ходовой части робота?

Разработка прочной ходовой части — сложная задача. Выбор неправильной системы мобильности неизбежно приводит к катастрофическим сбоям в эксплуатации, тяжелым затратам на техническое обслуживание и критически важным простоям. Колеса достаточно хорошо работают на ровных, предсказуемых поверхностях. Однако непредсказуемая и суровая среда абсолютно требует непрерывных путей. Интеграция этих непрерывных гусениц по своей сути приводит к сложным компромиссам в отношении энергопотребления, веса шасси и конструкции трансмиссии. Это руководство предоставляет группам инженеров и закупщиков четкую, основанную на фактических данных структуру. Вы узнаете, как точно оценить, указать и найти подходящие гусеницы резервуара для вашей конкретной роботизированной или тяжелой техники. Мы стремимся предоставить вам полезную техническую информацию. Вы можете использовать эти принципы для создания высоконадежных мобильных платформ.

Ключевые выводы

• Материал определяет возможности: резина снижает вибрацию на твердых поверхностях, а сталь обеспечивает непревзойденную долговечность в высокоабразивных средах.
• Бюджет мощности имеет значение: противоскользящее рулевое управление, присущее гусеницам танка, требует значительно более высокого крутящего момента и энергопотребления по сравнению с колесными платформами.
• Сход с рельсов является основным риском: для надежной работы необходимы правильные механизмы натяжения и точное выравнивание натяжной и ведущей звездочек.
• Стратегия снабжения: баланс готовых компонентов и специально разработанных профилей гусениц во многом зависит от масштабирования полезной нагрузки и сроков развертывания.

1. Постановка проблемы: когда следует выбирать гусеницы вместо колес

Инженеры должны обосновать механическую сложность непрерывных путей. Нельзя просто поменять колеса на гусеницы, не меняя при этом всю архитектуру автомобиля. Вы должны оценить местность, чтобы определить, обеспечивают ли гусеницы необходимое оперативное преимущество.

Давление на грунт и плавучесть

Тяжелые полезные нагрузки легко проваливаются в мягкую местность, например, в грязь, снег или рыхлый гравий. Непрерывные гусеницы решают эту физическую проблему за счет распределения веса. Они распределяют общую массу автомобиля по значительно большей площади поверхности. Этот механизм резко снижает давление на грунт. Более низкое давление на грунт предотвращает опускание шасси вниз. Транспортные средства сохраняют плавучесть на слабых основаниях. Это рассчитывается путем деления общего веса транспортного средства на площадь контакта с гусеницей. Колесные платформы концентрируют вес на четырех небольших пятнах контакта. Гусеничные платформы распределяют вес по всей нижней длине ходовой части.

Преодоление препятствий

Непредсказуемая среда представляет собой вертикальные препятствия и глубокие пропасти. Стандартные колеса часто теряют сцепление с дорогой на крутых подъемах. Они также попадают в широкие траншеи. Гусеничные системы обеспечивают превосходное преодоление препятствий. Мы разделяем эти преимущества на три основные области:

1. Угол подхода: Гусеницы выступают вперед от основного шасси. Они зацепляются за вертикальные препятствия раньше, чем колеса.
2. Непрерывное пятно контакта: увеличенная площадь контакта легко охватывает большие промежутки. Он преодолевает мусор, не роняя раму автомобиля.
3. Подъем по лестнице: агрессивное сцепление тянет автомобиль вверх по равномерным ступенькам. Проушины на направляющих эффективно цепляются за края лестницы.

Компромиссная реальность

Системы непрерывной мобильности не являются идеальным решением всех проблем. Они имеют явные механические недостатки. Они значительно тяжелее колесных аналогов. Они вносят огромную механическую сложность. Вы должны использовать специальные компоненты подвески, чтобы поддерживать их выравнивание. Максимальные скорости обычно ниже из-за внутреннего трения. Вы должны сбалансировать потребность в экстремальных внедорожных возможностях с временем автономной работы и нагрузкой на трансмиссию.

2. Оценка материалов протектора танка и рисунка гусеницы

Выбор подходящего материала напрямую влияет на успех работы. Рельеф определяет идеальный материал. Неправильный выбор приводит к быстрой деградации или недостаточной тяге.

Выбор материала

Производители в основном отливают непрерывные гусеницы из трех разных материалов. Каждый материал служит определенной операционной нише.

• Резиновые протекторы: они представляют собой отраслевой стандарт для многофункционального применения. Они превосходны как в помещении, так и на открытом воздухе. Они создают очень низкое возмущение грунта. Они обеспечивают отличную амортизацию. Резина является основным выбором для легкой и средней робототехники.
• Стальные и металлические гусеницы. Экстремальное промышленное использование требует стали. От них зависит тяжелое строительство и горнодобывающая промышленность. Они выдерживают среду с высокой абразивностью. Они дробят острые камни, не разрывая их.
• Композитные и полимерные звенья. Легкая робототехника выигрывает от современных полимеров. Эти ссылки обеспечивают высокую модульность. Вы можете быстро заменить отдельные неработающие ссылки. Они также обеспечивают абсолютную коррозионную стойкость в морской среде.

Углубленное изучение рисунков гусениц (наконечников протектора)

Текстура поверхности гусеницы определяет ее сцепление. Инженеры называют эти текстуры рисунками протектора или выступами. Конструкция наконечников должна соответствовать рабочей среде.

• Агрессивный и блочный рисунок: они имеют глубокие, широко расположенные выступы. Они обеспечивают максимальное сцепление с глубокой грязью. Они агрессивно вгрызаются в рыхлую почву. Широкое расстояние позволяет грязи удаляться во время вращения.
• Зигзагообразный и газонный узоры: эти конструкции обеспечивают умеренное сцепление. Они оптимизированы для передвижения по снегу. Они также сводят к минимуму повреждение ухоженных поверхностей, таких как поля для гольфа или домашние газоны.
• Гладкие и низкопрофильные узоры: их следует использовать исключительно на мощеных поверхностях или бетоне. Они существенно снижают вибрацию. Они минимизируют износ на ровной поверхности. Им не хватает сцепления с дорогой для бездорожья.

Сравнение материалов и приложений

3. Инженерные критерии: размеры, кинематика и энергопотребление.

Гусеничные системы требуют тщательного математического моделирования перед началом прототипирования. Вы должны точно масштабировать размеры в соответствии с вашей полезной нагрузкой. Вам также необходимо учитывать уникальную физику рулевого управления.

Масштабирование полезной нагрузки и размеров

Вы рассчитываете размеры гусеницы на основе строгих целевых показателей давления на грунт. Сначала определите максимальную общую массу вашего автомобиля. Затем определите максимально допустимое давление на грунт для вашей целевой местности. Мягкий снег требует чрезвычайно низкого давления на грунт. Вы достигаете более низкого давления на почву за счет увеличения ширины или длины гусеницы. Однако увеличение ширины увеличивает сопротивление повороту. Увеличение длины снижает маневренность. Вы должны найти оптимальный размерный баланс.

Динамика бортового рулевого управления

Гусеничные машины почти полностью полагаются на бортовое рулевое управление. Для поворота требуется, чтобы левая и правая гусеницы двигались с разной скоростью. Зачастую они движутся в противоположных направлениях. Этот процесс создает огромное боковое трение о землю. Транспортному средству приходится буквально тащить гусеницы в сторону, чтобы повернуться. Преодоление этой реальности с высоким трением требует огромного крутящего момента. Вы должны переоценить свои приводные двигатели. Редукторы с высоким крутящим моментом строго необходимы. Двигатели меньшего размера будут глохнуть при поворотах с нулевым радиусом.

Трение и эффективность

Гусеничные мобильные системы испытывают сильное внутреннее трение. Они крайне неэффективны по сравнению с колесами. Чрезвычайная жесткость материала гусеницы противостоит изгибу. Каждый раз, когда гусеница обхватывает звездочку, она потребляет энергию. Сопротивление роликов еще больше истощает бюджет мощности. Вы должны тщательно сформулировать свою оценку относительно времени автономной работы. Гусеничный робот разряжает батарею гораздо быстрее, чем колесный робот того же веса.

Таблица коэффициентов энергопотребления

4. Снижение рисков внедрения: предотвращение переброса и схода рельсов с рельсов

Механические неисправности в полевых условиях обходятся дорого. Сход с рельсов остается наиболее распространенным критическим отказом в гусеничных системах. Вы должны спроектировать ходовую часть так, чтобы гусеницы надежно сидели.

Проблема «броска следа»

Инженеры называют сход с рельсов «выбросом гусеницы». Гусеница резко отрывается от ведущей звездочки или натяжного колеса. Это почти всегда происходит при поворотах с высоким крутящим моментом. Это также часто происходит при движении по сильно неровной местности. Боковые силы давят на обочину гусеницы. Если гусеница слишком ослаблена, она соскальзывает с направляющих. Выброшенная гусеница оставляет машину полностью обездвиженной.

Системы натяжения

Правильное натяжение предотвращает сход с рельсов. Вы не можете просто прикрутить колеса на место и натянуть на них гусеницу. Динамические нагрузки приводят к тому, что гусеница со временем растягивается. Вы должны интегрировать активные или регулируемые натяжители гусениц. Пружинные натяжители входят в стандартную комплектацию роботов среднего размера. Они поглощают внезапные удары, сохраняя при этом постоянное внешнее давление. Тяжелые промышленные системы полагаются на гидравлические натяжители. Эти системы закачивают смазку в цилиндр, чтобы толкать натяжное колесо вперед. Постоянное натяжение удерживает внутренние выступы привода в полном зацеплении.

Архитектура ходовой части

Расположение ваших колес определяет надежность системы. Каждый компонент играет особую роль в передаче мощности и выравнивании.

• последствий Ведущие звездочки или натяжные колеса: Ведущая звездочка соединяется непосредственно с двигателем. Вам следует расположить его высоко, чтобы защитить его от прямых ударов. Натяжное колесо находится на противоположном конце. Это обеспечивает напряжение. Вы должны максимизировать угол обхвата гусеницы вокруг ведущей звездочки. Больше обмотки означает лучшую передачу мощности.
• Шоссейные колеса и тележки: они расположены в нижней части шасси. Они равномерно распределяют вес автомобиля. Они удерживают нижнюю гусеницу плотно прижатой к местности. Опорные катки с фланцами также предотвращают боковое скольжение гусеницы при резких поворотах.
• Интеграция подвески: жесткие рамы явно терпят неудачу на пересеченной местности. Жесткая рама отрывает колеса от земли, преодолевая камни. Это создает провисание гусеницы. Базовые системы подвески, такие как подвеска Christie или торсионная подвеска, удерживают все колеса прижатыми к земле. Они динамически подстраиваются под рельеф местности, поддерживая правильное выравнивание колеи.

Лучшие практики и распространенные ошибки

Рекомендация: всегда используйте натяжные колеса с толстыми фланцами. Фланцы действуют как физические барьеры. Они задерживают выступы направляющих гусеницы и предотвращают боковое смещение.

Распространенная ошибка: игнорирование накопления мусора. Грязь плотно набивается на звездочки. Он искусственно увеличивает диаметр колеса. Это растягивает гусеницу до тех пор, пока она не сломается или не оторвется. Всегда делайте в звездочках отверстия для очистки от грязи.

5. Логика закупок: выбор индивидуальных или готовых гусениц

Создание ходовой части с нуля возникает редко. Рынок предлагает множество готовых решений. Однако проблемы масштабирования иногда требуют индивидуальной разработки. Вы должны принять строгую стратегию поиска поставщиков.

Включение готовых систем в шорт-лист

Предварительно созданные модули непрерывного пути ускоряют разработку. Они идеально подходят для быстрого прототипирования. Они подходят для стандартных беспилотных наземных транспортных средств (UGV). Они прекрасно справляются с предсказуемыми полезными нагрузками. При отборе поставщиков требуйте комплексные модели САПР. Перед покупкой необходимо смоделировать интеграцию. Кроме того, настаивайте на поддающихся проверке номинальных нагрузках. Никогда не доверяйте общим заявлениям о полезной нагрузке без данных тестирования.

Триггеры индивидуального проектирования

Некоторые проекты абсолютно требуют индивидуального производства. Вам следует запустить этап индивидуального проектирования при определенных условиях. Экстремальный масштаб является основным триггером. Массивная полезная нагрузка требует специальной ширины гусеницы. Собственные размеры шасси также требуют индивидуальной сборки. Кроме того, экстремальные условия требуют уникальных химически стойких резиновых смесей. Если стандартные варианты не проходят экологические испытания, вам придется перейти на индивидуальный вариант.

Оценка поставщиков

Команды по закупкам должны задавать трудные вопросы. Не просто оценивайте первоначальную цену покупки. Оцените инженерную компетентность поставщика.

• Lead Times: Как быстро они смогут доставить большие объемы?
• Запасные части: имеются ли на складе стандартные ведущие звездочки и натяжные ролики?
• Гарантия при экстремальных испытаниях: аннулируют ли гарантию, если система работает в высокоабразивном песке?
• Затраты на оснастку: если вам требуется индивидуальный рисунок протектора, какова первоначальная стоимость новых производственных форм?

Заключение

Успешная разработка ходовой части в основном зависит от тщательного механического компромисса. Вы должны сбалансировать распределение полезной нагрузки и доступность электроэнергии. Вы должны активно разрабатывать механизмы для предотвращения катастрофических сходов с рельсов.

• Начните свой проект с точных расчетов полезной нагрузки и определения местности.
• Не выбирайте конкретный материал гусеницы до того, как определите целевые показатели давления на грунт.
• Всегда отдавайте приоритет системам динамического натяжения, чтобы исключить риск переброса гусеницы.
• Запросите у поставщиков образцы протекторов резервуаров для проведения эмпирических испытаний на трение и истирание.
• Увеличьте характеристики своих приводных двигателей, чтобы они могли комфортно справляться с боковым трением, возникающим при рулевом управлении с бортовым поворотом.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Всегда ли гусеницы танков лучше подходят для передвижения по бездорожью, чем колеса?

О: Не всегда. Хотя они обеспечивают превосходное сцепление и проходимость, они потребляют больше энергии и их сложнее обслуживать. Шарнирно-сочлененных колесных установок может быть достаточно для пересеченной местности.

Вопрос: Как предотвратить соскальзывание гусениц танка моего робота?

Ответ: Внедрите систему динамического натяжения, используйте промежуточные колеса с фланцами и убедитесь, что направляющие гусеницы имеют соответствующий размер с учетом боковых сил во время скользящего рулевого управления.

Вопрос: Могу ли я использовать промышленные резиновые гусеницы для легкого робота?

О: Обычно нет. Промышленные гусеницы слишком жесткие и тяжелые, что приводит к чрезмерному расходу топлива у двигателей меньшего размера. Гусеницы должны быть масштабированы пропорционально весу и выходной мощности автомобиля.