前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計的研究

呂 瑩，張 靜，吳 瀟，李志偉,

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云浮 527200；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計的研究

呂 瑩1，張 靜2，吳 瀟2，李志偉1,2

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云浮 527200；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤是一種可實現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎半徑的底盤。在轉(zhuǎn)向時，通過控制前橋驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動，使前驅(qū)動橋主動圍繞著轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)動，可以帶動底盤以任意角度轉(zhuǎn)向。根據(jù)擺轉(zhuǎn)式四輪底盤的功能要求確定了行走開式液壓系統(tǒng)的技術(shù)方案， 針對擺轉(zhuǎn)式四輪底盤的前輪差速轉(zhuǎn)向的特性提出了走開式液壓系統(tǒng)的主要功能模塊，進(jìn)而得出適合前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤的前輪的控制方式，為后續(xù)的擺轉(zhuǎn)式四輪底盤液壓系統(tǒng)設(shè)計計算方法和元件選型計算過程提供依據(jù)。

四輪底盤；轉(zhuǎn)向；前橋擺轉(zhuǎn)式；液壓驅(qū)動

0　引言

前輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向的拖拉機(jī)在松軟土地和水田中轉(zhuǎn)向困難是一種普遍存在的難題[1～5]。因此，很多拖拉機(jī)制造企業(yè)和研究人員都在致力研究減少轉(zhuǎn)向操縱力和減小轉(zhuǎn)彎半徑的兩個轉(zhuǎn)向問題。為了改善拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向和操作方式，提高作業(yè)效率和使用安全性，提出了前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤的一種設(shè)計方案。根據(jù)前期的研究為了實現(xiàn)前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤的行走要求，本文通過對不同方案的分析，得出適合前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤前輪的動力傳動方式及設(shè)計方案。

1　前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤的轉(zhuǎn)向機(jī)理分析

1.1四輪底盤的行走工作要求

四輪底盤在設(shè)計功能上要滿足直行，左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、倒退以及一定的調(diào)速范圍等基本要求，現(xiàn)今在實際生產(chǎn)上所使用的輪式底盤一般都適合在大中型地塊中作業(yè)，而我國南方大部分地區(qū)的地塊主要均為小面積地塊，在這樣的地塊作業(yè)時輪式底盤不易轉(zhuǎn)彎，作業(yè)時間率較低，為此需要設(shè)計能夠在小地塊旱地或水田中進(jìn)行作業(yè)同時具有輕型、打滑率低、不雍泥雍水、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點的農(nóng)機(jī)底盤。

1.2前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤的機(jī)理分析

為了研究主要在小地塊旱地或水田作業(yè)，并具能夠進(jìn)行倒U型轉(zhuǎn)彎模式如圖1所示的作業(yè)方式的四輪底盤。需要設(shè)計一種高效率轉(zhuǎn)向的四輪行走底盤，而關(guān)鍵就是要解決轉(zhuǎn)彎半徑的問題，即轉(zhuǎn)彎半徑小。最理想的轉(zhuǎn)彎半徑是底盤寬度的一半，即轉(zhuǎn)動方向一邊的輪子的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是零。這樣底盤車架轉(zhuǎn)彎的時候其前橋的外側(cè)輪就會圍繞內(nèi)測輪轉(zhuǎn)動，而內(nèi)測輪是原地轉(zhuǎn)動。并且能夠原地連續(xù)轉(zhuǎn)動180°。此種底盤在水田作業(yè)時，由于行走輪陷入土壤中一定深度，可免除前輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向方式存在的轉(zhuǎn)向力的問題。結(jié)合以上對四輪底盤作業(yè)等方面的要求，本課題組設(shè)計了前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向四輪底盤。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。擺轉(zhuǎn)式四輪底盤由兩個前驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向橋、機(jī)架以及安裝在機(jī)架上的兩個后輪（隨動輪）構(gòu)成。其中，轉(zhuǎn)向橋包括直接與兩前輪相連接的前橫梁，固定在前橫梁上的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)向時，一個前輪停止行走，另一個前輪繼續(xù)行走帶動前橋繞停轉(zhuǎn)的前輪轉(zhuǎn)動，同時通過前橋中部與車架的連接鉸鏈帶動車架轉(zhuǎn)向。設(shè)計車架時，確保前橋的中心可作任意角度的轉(zhuǎn)動，同時還具有橫向浮動功能，就能確保底盤的四個輪子均能同時著地，實現(xiàn)四輪底盤在小地塊中能以小的轉(zhuǎn)彎半徑、小的地頭寬度進(jìn)行輕便和靈活轉(zhuǎn)向。前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤以液壓驅(qū)動代替了傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動方式[7～9]，并且取消了繁瑣的機(jī)械式轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。兩個液壓馬達(dá)分別直接與底盤的兩前輪連接，將行走動力輸入兩個驅(qū)動輪，實現(xiàn)底盤的前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)向，兩邊的行走輪可同時進(jìn)行正反轉(zhuǎn)或一邊停轉(zhuǎn)，一邊正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作。

圖1　倒U型轉(zhuǎn)彎模式

圖中：E為地頭寬度，B為底盤輪距，L為底盤軸距，X為兩個工作行程間的距離，R為轉(zhuǎn)彎半徑，e為農(nóng)機(jī)具到輪軸的距離。

圖2　底盤結(jié)構(gòu)原理簡圖

2　轉(zhuǎn)向機(jī)理及其液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1底盤行走液壓系統(tǒng)設(shè)計方案一

根據(jù)底盤的行走及轉(zhuǎn)向方式的獨特要求，此套液壓系統(tǒng)中，兩個行走馬達(dá)是以串聯(lián)的形式接入油路，并且由同一個液壓馬達(dá)供油。由于閉式液壓系統(tǒng)中一泵只向一個液壓執(zhí)行元件供油，而開式液壓系統(tǒng)中一泵可以向多個液壓執(zhí)行元件供油，所以，本文采用開式液壓系統(tǒng)的方案[10]。其原理圖如圖3所示。

圖3　底盤行走的液壓系統(tǒng)

本套液壓系統(tǒng)的主要部件包括定量液壓油泵2、電磁換向閥3,4,7,10,11和擺線液壓馬達(dá)6,10。其中擺線液壓馬達(dá)能夠在底盤低速行駛下提供足夠大的驅(qū)動力矩，齒輪泵作為液壓系統(tǒng)的動力元件。當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后，油泵開始為液壓系統(tǒng)供油，通過控制電磁閥組的工作位置來制定底盤的行走狀態(tài)。底盤行走工況與閥的工作位置關(guān)系如表1所示。

表1　方案一底盤行走工況與閥的工作位置關(guān)系

在執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎操作時，三位四通換向閥3打開，并且需將圖中兩位三通閥4與電磁開關(guān)閥7視為一個工作閥組，即同時吸合或斷開電磁鐵。如此才能使底盤在進(jìn)行左轉(zhuǎn)向時，左輪能夠保持停止?fàn)顟B(tài)，不會因為行走過程的慣性繼續(xù)向前行走。右轉(zhuǎn)彎的動作原理與左轉(zhuǎn)彎相同。

2.2兩前行走輪液壓系統(tǒng)設(shè)計方案二

圖4　行走液壓系統(tǒng)原理圖

本套液壓系統(tǒng)的主要部件包括定量液壓油泵2、電磁換向閥6,8、緩沖油缸3,9和擺線液壓馬達(dá)。本套液壓油路與方案一的區(qū)別在于采用兩個相同的兩位四通閥6代替了方案一中的4、7組成的閥組的工作形式，并且在兩個馬達(dá)進(jìn)油路和回油路上分別裝有緩沖油缸3,9。底盤行走工況與閥的工作位置關(guān)系如表2所示。

表2　方案二底盤行走工況與閥的工作位置關(guān)系

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同樣，以底盤進(jìn)行左轉(zhuǎn)彎工況來分析。在執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎操作時，三位四通換向閥打開，電磁閥6處于右位，以切斷馬達(dá)5的供油使左輪停止轉(zhuǎn)動，電磁閥8處于左位，馬達(dá)7得以繼續(xù)轉(zhuǎn)動以達(dá)到左轉(zhuǎn)向的目的。

2.3行走輪液壓系統(tǒng)方案

方案一與方案二均采用了馬達(dá)串聯(lián)式油路連接方案。液壓馬達(dá)串聯(lián)系統(tǒng)的功能是，可以通過控制電磁閥的工作位置來分配馬達(dá)的動力。當(dāng)兩個馬達(dá)同時接入油路時，兩驅(qū)動輪同時轉(zhuǎn)動，帶動底盤直線行走；當(dāng)切斷一側(cè)馬達(dá)的動力時，亦即使一側(cè)馬達(dá)接入油路，另一側(cè)馬達(dá)停止接入油路，即可實現(xiàn)底盤繞一側(cè)輪子轉(zhuǎn)動，達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。方案二與方案一的區(qū)別在于使用電磁閥6代替了方案一中的4、7組成的工作閥組，減少了系統(tǒng)液壓閥數(shù)量。液壓閥數(shù)目的減少能夠提高系統(tǒng)動作響應(yīng)速度，降低系統(tǒng)的壓力損失，緩沖油缸的作用是能夠降低底盤在啟動和制動過程中產(chǎn)生的壓力沖擊。因此，通過對比，底盤的行走液壓系統(tǒng)采用方案二的原理。

2.4試驗驗證

圖5　試驗樣機(jī)

1）通過對自行組裝的試驗樣機(jī)進(jìn)行實驗，得出樣機(jī)的性能參數(shù)如下：整機(jī)自重：350kg，外形尺寸（長×寬×高）1440×1440×900mm，行走速度1～15km·h-1，最大驅(qū)動扭矩450N·m，最小轉(zhuǎn)彎半徑（相對前橋中心）0mm。

2）液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)底盤的前行、轉(zhuǎn)彎、后退功能，并能夠達(dá)到前橋擺轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎方式。

3）底盤在進(jìn)行地頭掉轉(zhuǎn)時大大簡化了轉(zhuǎn)向操作，在掉頭時所需地頭長度最小為2200mm，掉頭時間為7.2s～11.8s，電磁閥動作時間小于100ms時，轉(zhuǎn)向過程平穩(wěn)。底盤在行走速度越快，底盤所需轉(zhuǎn)彎時間越短。

3　結(jié)束語

前橋擺轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過采用前橋中部通過垂直轉(zhuǎn)軸與縱向水平轉(zhuǎn)軸相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可確保前橋繞垂直轉(zhuǎn)軸作任意角度的轉(zhuǎn)動，同時前橋在水平方向作一定角度的浮動，確保四輪能夠同時著地；通過對前橋擺轉(zhuǎn)底盤行走輪液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化，為擺轉(zhuǎn)式四輪底盤液壓系統(tǒng)設(shè)計計算方法和元件選型優(yōu)化計算提供依據(jù)。

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Research on the hydraulic system design of front axle swing sowing four-wheel chassis

LYU Ying1, ZHANG Jing2, WU Xiao2, LI Zhi-wei1,2

TH12

A

1009-0134(2016)02-0132-03

2015-11-13

呂瑩（1982 -），女，遼寧本溪人，講師，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及設(shè)施。