自適應丘陵山地拖拉機虛擬設計及仿真分析

簡鴻亮，張 靜，劉 昱，鄭德聰，李志偉

（山西農業大學 農業工程學院，山西 太谷 030801）

丘陵山地農業機械化技術水平低，是制約我國農業機械化整體技術發展的短板，主要原因是丘陵山地拖拉機工作性能不能滿足生產要求，表現為側翻穩定性和復雜地形的適應性差。為此，開展了自適應丘陵山地拖拉機的設計研究，利用虛擬樣機技術進行計算機模擬和仿真，為樣機試制提供理論支撐[1-2]。

國外開展丘陵山地拖拉機研究較早，奧地利的Geotrac4ep 系列山地拖拉機底盤就配備32 個前進和后退檔位，各個驅動輪裝有減震裝置[3]。其馬力強勁、體積大，但不適合小地塊作業。中國農業大學劉平義等[4]研發出一種根據地形進行調整的動態調平底盤，具有良好的地面仿形功能，可實現多個自由度的動態調平，保證整機車身的穩定性[5]。

自適應丘陵山地拖拉機的機身采用吊掛式結構，整機的平衡通過各機構的配合及調整驅動輪運動姿態實現，傳動系統為機械式傳動，穩定可靠，旨在解決適應性差的技術難題。通過SolidWorks軟件建立三維實體模型，利用ADAMS 軟件對拖拉機的翻傾穩定性、越障能力進行模擬仿真分析[6-7]，并利用ANSYS Workbench 軟件對機架及關鍵零件進行有限元分析，為樣機試制提供技術支撐。

1 總體方案

1.1 自適應丘陵山地拖拉機結構組成及工作原理

自適應丘陵山地拖拉機結構如圖1 所示。

圖1 自適應丘陵山地拖拉機結構示意Fig.1 Structure diagram of adaptive hilly mountain tractor

從圖1 可以看出，自適應丘陵山地拖拉機主要由動力輸出軸1、后驅動輪2、齒輪傳動箱3、后輪邊傳動箱4、轉向分動箱5、后驅動橋6、上梁7、連接架8、制動裝置9、車架縱梁10、前驅動橋11、前輪邊傳動箱12、發動機13、前驅動輪14、機架15、無級變速箱16、齒輪減速控制箱17、減速器18 等組成。其工作原理為發動機13 輸出的動力通過無級變速箱16進行變速，再經過齒輪減速控制箱17 及減速器18進行減速提升動力，增大的動力通過齒輪傳動箱3、轉向分動箱5 和制動裝置9 至車架縱梁10。整機的H 型結構和縱梁10 內部雙傳動軸再把動力分布至車身兩側，然后通過前輪邊傳動箱12 和后輪邊傳動箱4 把動力傳動至兩側車輪，驅動拖拉機前進。制動時通過液壓裝置控制底盤的左右側輸出動力，進行剎車制動。轉向通過轉向分動箱5 進行調整方向，利用其內部的牙嵌式離合器在不同工況下的連接與分離進而控制內外雙軸的轉動方向，實現轉向。

1.2 主要技術參數

自適應丘陵山地拖拉機主要的技術參數如表1所示。

表1 自適應丘陵山地拖拉機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of adaptive hilly mountain tractors

2 底盤建模及越障性能仿真分析

2.1 三維模型的建立

使用SolidWorks 軟件對丘陵山地拖拉機底盤進行三維模型的建立，建模過程中采用實際尺寸等比例設計拖拉機底盤的軸距、輪距和質心等核心參數。在整機模型設計時簡化車架、發動機、前后驅動橋、輪邊傳動箱等零部件模型。同時，進行約束裝配和干涉檢查。建模結果如圖2 所示。

圖2 自適應丘陵山地拖拉機底盤三維簡化模型Fig.2 Simplified 3D model of adaptive hilly mountain tractor chassis

2.2 基于ADAMS 的仿真模型建立

將整機裝配體導入ADAMS 軟件，在ADAMS/View 中對整機關鍵連接部位運用布爾運算求和，檢查裝配合理性。在ADAMS 軟件中構建與實際路況一致的可傾斜的平臺進行模擬，將整機裝配體放置平臺中心，使全部輪胎和平面保持相切狀態。模擬丘陵山地拖拉機作業時的2 種狀態，一是不使用調平裝置的裝配體模型，二是使用有調平裝置的裝配體模型。如圖3 和表2 所示，根據整機在工作時的狀態，對各個核心部件進行受力約束，進一步測驗穩定性，伴隨平臺傾斜角度的增加，與平面相切的輪胎脫離平面，即整機側翻，測得丘陵山地拖拉機的最大側傾穩定角[8]。

表2 底盤模型約束和驅動數量Tab.2 Chassis model constraints and drive quantity

2.3 越障仿真與性能分析

拖拉機在山地崎嶇不平的路面上行駛中，面對各種各樣的地形條件，比如田埂、土坡、凹坑等一系列路面變化，這對丘陵山地拖拉機的穩定性、越障性、安全性是一個考驗[9]。根據朱閱等[10]研發的六輪多自由度底盤的越障性仿真研究情況，結合丘陵山地拖拉機在作業時遇到的典型路況工況，建立單輪越障與雙輪越障的運動學模型。使用ADAMS 軟件建立單側和雙側對稱障礙模型，設定高度100 mm,對拖拉機裝配模型進行配合約束，給驅動輪添加驅動力，模擬真實路況進行運動學仿真。再利用ADAMS 軟件分析拖拉機車輪質心位移在調平和非調平狀況下隨時間的變化情況。

圖4 為模擬拖拉機行進中遇到單側障礙的簡化模型，當單側越障時，拖拉機在平行四桿調平機構的作用下，整體車身保持水平和四輪同時著地的狀態。圖5 為模擬拖拉機行進時雙輪遇到障礙的簡化模型，當雙輪越障時，左右兩邊車輪同時同步平穩越障。

圖4 單側車輪越障仿真模型Fig.4 Unilateral wheel obstacle crossing simulation model

圖5 雙輪越障仿真模型Fig.5 Two-wheel obstacle crossing simulation model

如圖6、7 所示，丘陵山地拖拉機在調平的情況下進行單側越障，底盤車輪質心與實際狀況基本一致。未進行調平狀態下的質心沒有發生明顯變化，原因是在模擬仿真過程中未越障的一側車輪發生傾斜，導致拖拉機易發生側翻。在調平狀態單輪越障中，時間在2 s 附近時，拖拉機開始越障，前右輪質心升高到425 mm 附近，6.5 s 附近完成越障，前右輪質心回到最初狀態。當時間在9 s 附近時，后右輪開始越障，質心升高，14 s 附近完成越障。質心回到初始位置，整車底盤質心趨于穩定狀態。

圖6 調平和非調平狀態拖拉機底盤單輪越障重心對比Fig.6 Comparison of the center of gravity of the single-wheel obstacle crossing chassis in the states of levelling and unlevelling

圖7 調平狀態單輪越障各車輪質心隨時間變化Fig.7 Change of the mass center of each wheel with time in one-wheeled obstacle crossing in the levelling state

如圖8 所示，在雙輪仿真越障中，2 s 附近時，兩前輪同步越障，車輪質心升高，9 s 附近兩后輪開始越障，質心升高，14 s 附近整車完成越障作業。對比普通拖拉機的性能，丘陵山地拖拉機底盤對地面的仿形效果更好，在調平過程中，四輪始終貼合地面，增加了穩定性、安全性、可靠性[11]。

圖8 調平狀態雙輪越障各車輪質心隨時間變化Fig.8 Changes of the mass center of each wheel with time in two-wheeled obstacle crossing in the levelling state

3 關鍵零部件的有限元分析

3.1 車架縱梁有限元分析

3.1.1 車架縱梁有限元模型 車架縱梁承載拖拉機各個零部件的靜載荷和在作業時的動載荷，設計時要保證足夠的強度和剛度，保證整機結構的穩定性。拖拉機車架類型多種多樣，主要有中梁式、邊梁式、全梁架式、半梁架式、無梁架等[12]。根據實際作業要求和進一步考慮各種車架樣式的優缺點，丘陵山地拖拉機底盤選用中梁式型車架。相對于其他車架，占用空間小，抗扭轉剛度較好，而且有較大的前輪轉向角，特別是在機體結構上便于拖拉機調平機構位置的放置和獨立懸架的安裝，提高了拖拉機的越野性能，在布局結構上給驅動輪充足的活動范圍。進一步利用ANSYS Workbench 分析軟件對車架縱梁、輪邊傳動箱等關鍵零部件進行有限元分析，驗證其強度和剛度是否滿足實際工況的使用要求，再進一步優化設計。配置上發動機、變速箱、減速器，使拖拉機的重心低，在崎嶇不平的地塊作業時，不易發生側翻，整機穩定性增加。由于傳動軸在車梁內運動，避免了灰塵的進入。前后驅動橋和縱梁采用鉸接方式，更加靈活適應路面的變化，增加對路面的仿形能力。車架的縱梁為管形，外徑140 mm，內徑130 mm。圖9-A 為車架縱梁二維模型示意。采用SolidWorks建立車架縱梁三維模型[13-14]，如圖9-B 所示。

圖9 車架縱梁示意Fig.9 Schematic diagram of frame rail

3.1.2 材料設置和網格劃分 將車架縱梁的三維模型另存為Parasolid（*.x_t）格式導入ANSYS Work?bench軟件對車架進行靜力學分析，確定邊界條件，分析車架縱梁變形情況和最大應力值，對底盤的結構強度等做出驗證分析。其次對車架縱梁進行網格劃分和邊界條件設置，驗證車架縱梁的剛度和強度的合理性。丘陵山地拖拉機底盤材料采用Q235普通碳素鋼，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.33，抗拉強度極限為235 MPa，材料密度為7 850 kg/m3。

對拖拉機底盤車架縱梁進行有限元網格劃分，用四面體單元，網格設置5 mm，車架縱梁被劃分成252 171 個單元，425 361 個節點，如圖9-C 所示。

3.1.3 邊界條件處理 表3 為丘陵山地拖拉機底盤車架縱梁布置各部件的載荷大小。

表3 拖拉機底盤車架承受載荷情況Tab.3 load conditions of tractor chassis frame

如圖10-A 所示，利用ANSYS Workbench 分析軟件對車架縱梁整體強度和剛度進行有限元分析，在車架縱梁上施加均布載荷，簡化邊界條件施加約束，取前后驅動橋和車架縱梁的連接處為約束面[15]，分析拖拉機底盤車架縱梁在較為復雜地形所承受的沖擊載荷，為樣機的加工制造提供理論依據。對拖拉機底盤的車架縱梁進行簡化處理，暫不考慮焊接對機架材料的影響[16]。

3.1.4 仿真結果及分析 根據仿真分析的結果，確定了丘陵山地拖拉機底盤車架縱梁各個部分的載荷分布狀況，為下一步的改進提供了依據，加強對車架縱梁薄弱區改進，結合運動學和動力學的知識運用，在模擬仿真中進一步優化設計，根據實際工作狀況，設定參數，減少在生產檢查過程中和實際測驗時的不合理問題，進一步使整機往輕量化設計[17-19]。

如圖10-B 所示，在車橋和車架縱梁的連接部分的應力最大，為3.871 4 MPa，對其進行網格細化處理分析。如圖10-C 所示，連接處的最大應力為4.355 5 MPa，由于該處為邊界約束條件，即該點是應力奇異點，不計其應力奇異性，單獨對其危險部分車架縱梁中間部分動力傳輸進行分析[20-21]。如圖10-D、E 所示，由于車架縱梁中間動力傳輸連接處應力為3.002 2 MPa，小于該材料的屈服極限235 MPa，滿足作業的強度要求。此外，中間動力連接處形變為1.289 6×10-3mm，幾乎可以忽略不計，由此可以得出均符合安全要求，剛度和強度符合要求[22]。

3.2 輪邊傳動箱有限元分析

3.2.1 輪邊傳動箱有限元模型 輪邊傳動箱起著傳遞動力給驅動輪和支撐機架的作用。同時輪邊傳動箱支撐梁、連接架、驅動橋和上梁構成平行四桿機構，使整機在田間坡地作業時及時調整左右兩側的高度差，保證4 個輪子始終都能同時著地，不易側翻。圖11-A 為輪邊傳動箱三維模型。

圖11 輪邊傳動箱示意Fig.11 Schematic diagram of wheel transmission box

3.2.2 材料設置和網格劃分 選取Q235 普通碳素鋼為輪邊傳動箱的材料，選用四面體單元，設置網格長度為5 mm，其被劃分289 957個節點，170 035個單元，如圖11-B 所示。

3.2.3 邊界條件處理 由圖12-A 可知，將約束添加至輪邊傳動箱和驅動橋的連接位置，再添加壓力載荷和車輪驅動力載荷到其連接處，得出壓力載荷為5 000 N，輪邊傳動箱所承受的單輪驅動力為2 695 N，簡化傳動箱殼體，忽略焊接所造成的影響[23-25]。

圖12 輪邊傳動箱應力位移分布云圖Fig.12 Distribution nephogram of stress and displacement of wheel transmission box

3.2.4 仿真結果與分析 由圖12-B、C 可知，在輪邊傳動箱與驅動橋鉸接位置應力最大為30.229 MPa，小于其材料的屈服極限235 MPa，在輪邊傳動箱與驅動橋鉸接位置存在最大變形，其位移量為2.810 4×10-2mm，均符合強度和剛度安全要求[26]。

4 結論

本研究通過對自適應丘陵山地拖拉機底盤越障性能、翻傾性能的仿真分析和主要工作部件的有限元模擬，結果表明，丘陵山地拖拉機調平狀態下最大側傾角為37.5°。在100 mm 障礙條件下，單側車輪越障時，在四桿調平裝置配合下，一側抬起，另一側與水平地面平行接觸，四輪緊貼地面。雙輪越障時，左右同時同步越障，仿形效果好，穩定性良好。車架縱梁最大變形位于縱梁和動力輸入位置，總位移量為1.289 6×10-3mm，最大應力發生在中間動力傳輸連接處，為3.002 2 MPa。輪邊傳動箱和驅動橋的鉸接處應力最大為30.229 0 MPa，最大變形發生在輪邊傳動箱與輪轂連接處，位移量為2.810 4×10-2mm，強度和剛度滿足使用要求。丘陵山地拖拉機可滿足實際工況的穩定性及可靠性需求。