高地隙自走式噴霧機轉向傳動系統的優化設計

羅汞偉

（江蘇大學 京江學院，江蘇 鎮江 212013）

高地隙自走式噴霧機是新型的農業植保機械，因其作業時需要在農田頻繁轉向，而且人們對于噴霧車轉向性能要求的不斷提高，而前輪轉向的噴霧機轉向精度低，轉向半徑較大，并且噴霧機反復前進，倒退，會使得作物受到嚴重碾壓，影響作物收成。國內也有一些噴霧機采用的是前輪液壓轉向，后輪通過桿件傳動進行轉向，但是這種轉向系統的桿件布置困難，而且傳動的效率較低，精度差，很難滿足ackerman轉向原理，使得輪胎產生嚴重的側滑和偏磨。

國內研發高地隙自走式噴霧機的工作還處于起步階段，其中，全液壓四輪轉向系統的研究也未見報道[3]。由此可見，研發高地隙自走式噴霧機的全液壓四輪轉向系統，對提高我國施藥機械和技術水平并加快國內高地隙自走式噴霧機的研發都具有極其重要的作用。

1 數學模型的建立

樣機的全液壓四輪轉向系統采用的是轉向動力缸，動力缸活塞運動帶動連桿與搖臂運動，實現轉向輪偏轉。簡化后轉向傳動機構示意圖如圖1所示。

圖1 轉向傳動機構示意圖

通過轉向傳動機構示意圖可以發現，轉向傳動機構屬于多連桿機構，動力缸內的活塞在高壓油的推動下往復運動，再經過傳動機構，車輪，使噴霧機進行轉向，為了便于進行仿真分析并基于活塞的運動形式，可以將動力缸的活塞等效為一根連桿并定義相應的約束，因此轉向傳動機構轉化為了連桿機構。設定兩根主銷之間為一根連桿，不設置其自由度，方便進行運動分析，用 AB（A′B′）桿代表車橋，AC（A′C′，BD，B′D′）桿代表搖臂AG（A′G′，BH，B′H′）桿代表主銷，CE（C′E′，DF，D′F′）桿代表連桿，EF（E′F′）桿代表活塞，如表 1 所示。

表1 梯形數據介紹

噴霧機的轉向傳動機構中，當活塞桿在轉向動力缸內運動的距離為s時，對應內轉向輪產生的偏轉角度為α，外轉向輪產生的偏轉角度為β。根據圖中轉向傳動機構的幾何關系，能夠得到：

綜合以上的兩個式子，能夠得到實際內外輪轉角的表達式：β=f（α）

理想狀況下四輪轉向系統的內外轉角關系：

要實現實現車輪的純滾動，使內外輪轉角盡可能地滿足阿克曼轉向原理，需要對四輪轉向系統中的轉向傳動機構進行優化計算，當然在實際轉向過程中，難免會因為一些不確定因素造成一定的誤差，將外輪轉向角理論值與實際轉向角之間的偏差作為目標函數，因此，因此得到目標函數為：

2 ADAMS模型的建立

在ADAMS中的VEIW模塊中，為了便于仿真時能更清楚地顯示仿真圖像，設定工作界面的背景色為白色并設定工作界面的單位如圖2所示，在VEIW模塊的主工具箱中，根據表2所示實際機構的測量數據，設定轉向傳動機構關鍵點的坐標，將轉向傳動機構簡化為多連桿機構，由于前后橋完全對稱，可以將四輪轉向等效為分析前輪轉向，以XY平面為主界面設定關鍵點，將前車橋中心點坐標定義為坐標原點（0，0，0），這樣便于在建模過程中設置相應關鍵點的坐標，并對關鍵點之間添加相應的構件，得到如圖3所示的模型。

圖2 工作界面的單位設置

表2 轉向傳動機構的參數

圖3 簡化后的轉向傳動機構構件圖

要使轉向傳動機構能夠正常運動，需要控制機構的自由度，因此要在建立完的構件上定義相應的約束與運動副。根據樣機的實際機構，車橋在原地轉向時是固定不動的，那么在車橋上首先要添加一個固定副；梯形臂繞著車橋旋轉，則梯形臂與車橋之間應該添加旋轉副；轉向輪繞主銷轉動，轉向輪安裝在轉向節上，那么在主銷與轉向節之間應該添加固定副；梯形臂與主銷也固連在一起，所以在梯形臂與主銷之間添加一個固定副；梯形臂與連桿之間通過球鉸連接，所以它們之間應該添加球鉸副；連桿的運動由往復直線的活塞桿帶動，因此活塞桿與連桿之間需要添加萬向副；油缸中的活塞不斷水平往復運動，相當于橫拉桿在不停地做平移運動，所以在橫拉桿上添加一個滑動副。運動副的添加如表3所示。

基礎部件 約束類型車橋與地面 固定副梯形臂與車橋 固定副主銷與梯形臂 固定副梯形臂與連桿 球絞副梯形臂與車橋 旋轉副活塞與連桿 萬向副活塞與車橋 滑動副

為了讓轉向傳動系統可以按照一定的運動規律運動，實現系統的運動仿真，需要去除系統過多的自由度，因此必須對運動副添加相應的驅動，以限制系統的自由度。參照定義運動副時，運動副約束方程是在固定的坐標系上建立的。將驅動添加到運動副后，建立驅動的約束方程用的仍是之前的固定坐標系。動力缸的活塞桿推動連桿運動，而活塞桿被簡化為橫拉桿進行往復的直線運動，可以假設活塞桿為剛體。VIEW模塊中，能定義到運動副上的驅動有滑動驅動與旋轉驅動。滑動副與圓柱副可以添加滑動驅動，旋轉副與圓柱副可以添加旋轉驅動。因此，為了能夠模擬機構的運動，可以在滑動副上添加一個滑動驅動，定義并設定其參數，得到如圖4所示的模型。

圖4 轉向傳動機構ADAMS仿真模型

3 轉向傳動機構仿真測試

對前面建立的轉向傳動機構ADAMS仿真模型進行一個10s，100步的仿真，分別來分析不同的梯形搖臂長度，液壓缸安裝位置，梯形底角對內外輪轉角的影響，仿真結果如圖5～7所示。

圖5 搖臂長度變化對內外輪轉角的影響

圖6 液壓缸安裝位置變化對內外輪轉角的影響

圖7 底角變化對內外輪轉角的影響

對比搖臂長度變化對內外輪轉角的影響曲線、液壓缸安裝位置變化對內外輪轉角的影響曲線、底角變化對內外輪轉角的影響曲線，可以發現如果保持初始底角和液壓缸安裝位置不變，搖臂長度從120mm增加到140mm，在搖臂長度為120mm時，實際曲線和理想外轉角曲線最為相近；如果保持初始底角和搖臂長度不變，液壓缸安裝位置從70mm增加至80mm時，當液壓缸安裝位置為80mm時，實際曲線和理想外轉角曲線最為相近；如果保持搖臂長度和液壓缸安裝位置不變，初始角度從70°增加至80°時，當轉向傳動機構底角的初始角度為70°時，實際曲線與理想曲線最為相近。說明此時轉向傳動機構性能最理想，對比圖5與圖6的曲線，底角始終為75°不變，減小搖臂的長度或者增加動力缸安裝位置距離，內外輪轉角誤差逐漸減小，但是減小的量并不明顯，由此可見，搖臂長度和動力缸安裝位置的變化對內外輪轉角的影響不是很大，而底角的變化對內外輪轉角有著較為顯著的影響。

4 轉向傳動機構優化設計

進入ADAMS/VIEW模塊后，考慮到機構的運動以及空間布置等因素，約束條件如表4所示。根據上文已經得到的目標函數，本次對轉向傳動機構進行優化設計利用的是VIEW模塊中自帶的優化功能，將模型參數設定為優化后的值再次進行仿真分析，在后處理模塊中將理想內外輪轉角曲線、優化前的內外輪轉角曲線、優化后的內外輪轉角曲線進行整合，得到如圖8所示的曲線。

表4 約束條件

圖8 優化前后內外輪轉角曲線對比圖

如圖8所示，內外輪轉角曲線的實際值與理想值之間的差距明顯的減小，說明對轉向傳動機構的優化是有效的。而內輪轉角在0°～18°之間時，實際內外輪轉角曲線與理想內外輪具有很高的重合度，18°～40°之間時，實際內外輪轉角曲線與理想內外輪出現了較大的誤差，但介于噴霧機的使用條件并非十分苛刻，因此所誤差也控制在了一個可以接受的范圍內。

5 轉向系統性能實驗

利用軟件進行仿真分析，具有準確、簡便、靈活的優點，能夠較為真實的反映噴霧機轉向系統的轉向性能，但實驗是檢驗設計正確與否的唯一標準，仿真分析決不能代替實驗。本章將通過驗證仿真結果的準確性，從而得到轉向系統主要的設計參數。

圖9 組裝完成的高地隙自走式噴霧機

實驗中，噴霧機最小轉向半徑為：噴霧機外輪與地面接觸點與轉向中心之間的距離。實驗步驟：將樣機駕駛到指定的實驗地點，將轉向盤向左（右）打死，轉向盤保持不動，樣機會以低速勻速轉向。樣機旋轉一圈時停止運動，在軌跡圓上的任意一點固定住卷尺的一端，另一端不斷在軌跡圓上運動，取測到的最大距離的一半作為樣機最小轉向半徑。為了驗證本次優化的正確性，分別將方向盤向左打死，像右打死各進行了3次，如表5所示為測量的數據，最終結果計算取平均值。

表5 優化前后最小轉向半徑的測量實驗

從表5的實驗測量的結果可以發現，轉向傳動機構優化前，噴霧機最小轉向半徑的平均值為3.58m，而通過優化噴霧機轉向傳動機構后，噴霧機最小轉向半徑的平均值為2.68m，較優化前減小了約25%。同時，通過實驗也驗證了轉向傳動機構優化后，實際的內外輪轉角與理想的內外輪轉角基本一致，當車輪偏轉至最大轉角時，轉向傳動機構優化前的噴霧機車輪在實驗場地會出現明顯的側滑痕跡，轉向傳動機構優化后的噴霧機車輪在實驗場地則基本沒有側滑痕跡，并且明顯縮小了最小轉向半徑，由此驗證了文章對噴霧機轉向傳動機構優化設計的正確性。因此，通過優化設計提高了噴霧機的轉向靈活性，同時也減少了輪胎的磨損與側滑。

6 結語

轉向傳動機構作為轉向系統的傳動機構，對轉向系統的性能有著較大影響。文章通過實際樣車模型利用ADAMS軟件建立了轉向傳動機構的仿真模型，分析了搖臂長度，轉向動力缸安裝位置，底角的變化對內外輪轉角的影響，對轉向傳動機構進行參數化處理，并且通過建立約束條件與目標函數，對影響內外輪轉角的參數進行優化計算，對比分析優化前后的仿真曲線與理想曲線。

最后將優化后的噴霧機駕駛到開闊的路面，進行轉向軌跡實驗，發現優化后噴霧機的轉向半徑大大減小，前后輪的重合度也很高，而且前后輪轉向誤差的大小與虛擬樣機的仿真結果吻合，說明了虛擬樣機技術對實際的生產設計具有一定的指導意義，也說明了文章的設計優化是有效的。

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