藝術理念下的拖拉機外形與功能協同性研究

毛聯瑞

(仲愷農業工程學院,廣州 510225)

0 引言

目前,農業田間作業環境的惡劣與不可控特性促使易于管理與保證清潔保養的拖拉機外部造型成為用戶滿意度的重要體現。近年來,不少專家學者從視覺沖擊角度、審美搭配角度等對設備外形進行改進優化,運用人機工程學等核心算法實現用戶期望意象等;另一方面,采用數字控制模型進行特征造型曲線描述,包含細分曲面技術、樣條曲線技術等3D外形模型藝術設計。拖拉機作為一種通用農業機械,應用三維藝術理念,改善整機造型思路可提高產品的應用廣泛性。為此,擬從拖拉機實現外形與功能協同性角度入手,在保證拖拉機核心零部件控制路徑與作業功能基礎上對其整體配置、線性平滑等參數進行優化,實現藝術理念的拖拉機外形個性設計。

1 拖拉機原理與組成

拖拉機主要由提供動力裝置、液壓懸掛及動力輸出等裝置組成,工作原理可概述為:在確保電氣儀表線路工作正常條件下,駕駛員通過給出操縱指令,控制拖拉機經傳動、牽引系統完成行走、轉彎及后退等動作。

選擇東方紅SK404型號為研究對象(見圖1),在確定該拖拉機的發動機型號基礎上,設計8/2的前進與倒退變速調節檔位,給出如表1所示的基于藝術設計理念的農業用新型拖拉機主要技術參數配置。該拖拉機采用后置非獨立式的動力輸出軸型式,且設置大于200mm的離地間隙以保證適應多種復雜的田間作業環境。

表1 基于藝術設計理念的農業用新型拖拉機主要技術參數配置

圖1 農業用新型拖拉機的整體外觀圖

2 外形與功能協同設計

2.1 藝術理念協同模型搭建

考慮外型設計的幾何尺寸與單元形態協調,以產品設計的視覺創新沖擊為切入點,保證整機的線條優美為目標,形成藝術理念下的拖拉機產品設計要素關系構成,如圖2所示。

圖2 藝術理念下的拖拉機產品設計要素關系構成

首先,基于拖拉機的牽引與傳功系統功能,考慮拖拉機零部件整體屬性與外形設計精度的緊密度,參照E-R零件設計方法,選擇牽引電機功率與速度為核心參數因變量,建立該藝術理念下的智能拖拉機功能數學模型,即

(1)

式中FTM—拖拉機額定牽引力(kN);

Fgx—拖拉機犁耕作業阻力(kN);

PT—拖拉機牽引電機額定功率(kW);

V1—拖拉機犁耕作業最大速度(km/h);

ηt—拖拉機作業牽引效率;

rq—拖拉機驅動輪半徑(mm);

nc—拖拉機檔位柴油機轉速(rad/s);

i0—拖拉機主減速裝置傳動比;

iL—拖拉機輪邊減速裝置傳動比;

i1—拖拉機作業一檔傳動比;

in—拖拉機作業N檔傳動比;

ζn—拖拉機作業N檔負荷率。

同時,對該拖拉機駕駛系統進行重點外形設計優化,根據人機工程學原則,作業人員坐姿與操縱舒適性能利用數學位置關系,以駕駛操作機體關節實現協調與平衡為目標,建立最佳作業位姿計算模型,即

(2)

式中X—拖拉機駕駛位姿水平距離(mm);

Y—拖拉機駕駛位姿垂直距離(mm);

A1—拖拉機駕駛位姿水平投影長度(mm);

A2—拖拉機駕駛位姿水平操作距離(mm);

θ—拖拉機駕駛位姿水平投影與駕駛工作臺夾角(°)。

結合拖拉機作業時,主要驅動裝置承受載荷分布狀況呈現出不穩定特征,采用以自相關函數為基準進行作業信號的實時監測,可得到

(3)

式中D—拖拉機作業載荷波動方差;

ci—拖拉機整機承受載荷精度系數;

αi—拖拉機整機承受載荷衰減特性參數;

βi—拖拉機整機承受載荷振蕩特性參數;

τ—拖拉機作業載荷波動信號相對位移;

n—拖拉機作業載荷波動組成項數;

R(τ)—拖拉機作業載荷自相關函數。

2.2 核心零部件功能實現

從各操縱裝置在動作過程中物質、能量及信號的輸入輸出角度進行定義,保證物量平衡,給出拖拉機產品設計與驅動慣量邏輯功能實現流程,如圖3所示。

圖3 拖拉機產品設計與驅動管理邏輯功能實現流程簡圖

合理布置動力模塊,以牽引電機為源點,采用電與液混合聯動的系統結構方式,確保拖拉機發動機最大輸入功率。

優化控制加載模塊,將PID實時調控原理與ECU控制相結合,實現拖拉機油缸位移與加載力的信號檢測,同時確保主油路的工作流暢。

2.3 整機藝術理念外形生成

按照藝術理念下的拖拉機結構外形設計應用流程(見圖4),在草圖與油泥模型的配合下進行設計的可行性分析;經討論論證后,在協同模型的支撐下進行機體的具體尺寸與色彩搭配,實現基于程序執行的整機全尺寸模型。

圖4 藝術理念下的拖拉機結構外形設計應用流程簡圖

選擇三維可視設計中能夠實現節點插入、修改、分割及調控頂點等功能的曲線構造方法,利用可修改權因子,最大限度接近優美的曲線NURBS模型進行曲面拼合與環境圖像映射,并按照表2所示的主要造型指令,進行拖拉機零部件外觀模型呈現。按照設計步驟,利用拖拉機外形設計的幾何特征信息、工藝信息與有限元求解方法,得到如圖5所示的拖拉機減速裝置部件裝配外形。

表2 藝術理念下拖拉機外形與功能協同實現的主要造型指令

圖5 藝術理念下設計的拖拉機減速裝置部件裝配外形

3 藝術理念協同設計試驗

3.1 條件設置

搭建以計算機控制為核心的試驗平臺,進行藝術理念下的拖拉機外形與功能性作業仿真試驗。依據基于藝術理念的拖拉機外形與功能設計結構體系(見圖6),從應用、邏輯與物理3個層次進行STEP設計,分為形狀信息與應用程序兩大板塊進行。

圖6 基于藝術理念的拖拉機外形與功能設計結構體系簡圖

試驗同時須做到:①主機、TCU、CAN、上位機的工作指示正常;②數據格式保證在STEP標準轉變下符合識別要求;③計算機處理計算速度、處理速度配置滿足;④拖拉機外形與功能測試參數正常輸入等。

3.2 過程分析

準確記錄主要試驗數據,得到如表3所示的基于藝術設計理念的拖拉機外形參數與功能優化參數數據對比。

表3 基于藝術設計理念拖拉機外形參數與功能優化試驗主要表征數據對比

由表3可知:拖拉機的越埂功能、轉向功能與視野范圍均與優化前保持了較好的一致性;其中,越埂高度的參數值較外形功能協同前誤差控制在4%～7%之間,轉向半徑的參數值較外形功能協同前誤差控制在2%～5%之間,視野范圍的參數值較外形功能協同前誤差控制在3%～7%之間,試驗效果良好。

選擇以拖拉機的驅動輪滑轉率為功能優化參數,得到如圖7所示的外形與功能協同試驗下拖拉機的后輪滑轉率對比曲線。由圖7可知:該試驗值與模型計算值誤差不大,控制在5%范圍內,吻合度較好,驗證功能協同外形設計可行,該滑轉率可有效保證拖拉機在作業過程中控制系統的穩定。

A0功能模型計算值 B0試驗數據處理值

將獲得的參數信息進行深度處理,進一步設計該拖拉機的外形與功能協同感官評價度指標,得到如表4所示評價效果。由表4可知:整體試驗選擇流暢、時尚、舒適、協同感等指標,在造型設計、用戶意象與社會意境三方面均實現正向提升,切合了藝術理念的設計目標。

表4 基于藝術理念下的拖拉機外形與功能協同試驗感官評價度

4 結論

1) 通過分析農用拖拉機的工作原理與組成部件,結合三維藝術設計理念,搭建整機外形與功能協同模型,并深入優化零部件功能,通過因子分析生成拖拉機藝術外觀模型,進行仿真試驗。

2) 試驗結果表明:協同優化后的拖拉機外形結構布局合理,拖拉機的越埂功能、轉向功能與視野范圍功能表現良好。該研究思路將拖拉機功能實現與外觀造型協同考慮,可為類似農機設備優化設計提供參考。