大型高地隙自走式噴霧機轉向系統結構設計及優化

李偉　楊帆　毛恩榮　邵明璽　李志香　杜岳峰

摘要：轉向系統作為大型高地隙自走式噴霧機的重要組成部分，其性能的優劣直接影響噴霧機的操縱穩定性、行駛平順性和施藥效率，合理的轉向傳動機構可以有效減小車輛轉向過程中的側滑及輪胎磨損。針對大型高地隙自走式噴霧機結構特點和作業環境，結合轉向系統設計要求，在轉向定位參數設計計算的基礎上，設計一種適用于大型高地隙自走式噴霧機轉向傳動機構，建立其準確的三維模型，并利用ADAMS/Car進行平行輪跳試驗，最后利用ADAMS/Insight對其結果進行轉向定位參數優化。仿真結果表明：優化后的轉向系統在輪跳幅值為±50mm的仿真試驗中，前輪前束變化幅度減小72%，前輪外傾角變化幅度降低58.4%，立軸內傾角變化幅度減小16.9%，變化幅度顯著減小且更加平緩，提高整車的操縱穩定性，減少轉向過程中的輪胎磨損，可更好地滿足高地隙自走式噴霧機的轉向作業需求。基于自主研制的3WPG-3000型高地隙自走式噴霧機，搭建轉向系統實車試驗平臺，通過GPS設備，對不同轉向模式下噴霧機的同心圓轉向軌跡進行測定，試驗結果表明，兩輪轉向模式下轉向半徑為6.85m，四輪轉向模式下轉向半徑為5.12m，同時，所設計的轉向系統在不同轉向模式下均可較好地完成同心圓轉動，可以滿足噴霧機在不同工況下的轉向需求。

關鍵詞：高地隙自走式噴霧機；轉向傳動機構；轉向定位參數；轉向試驗

中圖分類號：S224.3 文獻標識碼：A 文章編號：20955553 （2023） 11005008

Design and optimization of steering system structure of high clearance

self-propelled sprayer

Li Wei Yang Fan Mao Enrong Shao Mingxi Li Zhixiang Du Yuefeng

（1. The Open University of China， Beijing， 100039， China; 2. Beijing Key Laboratory of Optimized Design for

Modern Agricultural Equipment， College of Engineering， China Agricultural University， Beijing， 100083， China；

3. College of Mechanical Engineering， Qinghai University， Xining， 810016， China）

Abstract：As an important part of high clearance self-propelled sprayer， the steering system directly affects the handling stability， driving smoothness and spraying efficiency of the sprayer. A reasonable steering transmission mechanism can effectively reduce the side slip and tire wear during the steering process of the sprayer. According to the structural characteristics and operating environment of the high clearance self-propelled sprayer， combined with the design requirements of the steering system， on the basis of the design and calculation of the steering positioning parameters， a steering transmission mechanism suitable for high clearance self-propelled sprayer was designed， meanwhile， the three-dimensional model was established， the parallel wheel jump test was conducted by ADAMS/Car， and the steering positioning parameters were optimized using ADAMS/Insight. The simulation results revealed that in the simulation test of the optimized steering system with a wheel jump amplitude of ±50 mm， the change range of the front wheel toe-in was reduced by 72%， the change range of the front wheel camber angle was reduced by 58.4%， and the change range of the vertical axis inclination angle was reduced by 16.9%， the change was significantly smaller and more gradual， which improved the handling stability of the whole vehicle and reduced the tire wear during the steering process. Based on the self-developed 3WPG-3000 high clearance self-propelled spray， a real vehicle test platform for the steering system was built， and the concentric steering trajectory of the spray under different steering modes was measured by the GPS equipment. The test results revealed that the steering radius was 6.85 m under two-wheel steering mode and 5.12 m under four-wheel steering mode. At the same time， the designed steering system could complete the concentric circle rotation well in different modes， which could meet the steering requirements of the sprayer under different working conditions.

Keywords：clearance self-propelled sprayer; steering transmission mechanism; steering positioning parameters; steering test

0引言

隨著農業生產的發展，現代農業逐步向“高效、低耗、可持續”的精細化作業方式轉變，國家對高效植保農業機械的研究與推廣越來越重視。高地隙自走式噴霧機可適用于絕大多數作物播前、苗前的消毒和高稈作物生長至中后期的病蟲害治理，具有智能化程度高、施藥效率高、藥量使用合理、施藥均勻性好以及環境友好性強等特點，是一種理想的大田植保作業機械［13］。

轉向系統作為高地隙噴霧機底盤系統的重要組成部分，是車輛正常行駛的重要保障，其性能的好壞直接影響了噴霧機的作業效率和質量、操縱穩定性能、安全性能以及輪胎的使用壽命［45］。大型高地隙自走式噴霧機具有高地隙、大質量、大體積的特點，在作業過程中易出現轉向困難或因轉向半徑過大而壓損作物和破壞土壤的問題。合理的轉向傳動機構可以有效減小車輛在轉向過程中的側滑量和前輪擺振，提高轉向操縱穩定性并減少輪胎磨損。

轉向系統優化設計方法主要有：（1）通過車輪輪跳試驗分析轉向系統的影響因素，構建轉向懸架系統非線性模型進行優化［69］；（2）以ADAMS/Car為平臺，建立運動學模型，利用Insight對轉向系統進行優化分析［1013］；（3）應用空間機構學原理，對轉向懸架系統結構的干涉問題進行斷開點位置優化設計［1415］。王成志等［4］以剛體螺旋運動理論建立了麥弗遜懸架和配用轉向機構運動模型，以最小轉角誤差為目標，對轉向懸架系統進行優化，優化后的前輪前束角變化范圍減小，轉向性能得到改善。秦偉等［7］針對某轎車懸架系統，通過轉向梯形斷開點位置對阿克曼特性和前束角的影響分析及整車布局為限制條件，建立優化設計模型，通過仿真可知，優化結果減小了阿克曼轉向偏差，提高了車輛操縱穩定性。張月［11］采用正交試驗對輕型載貨汽車底盤懸架系統參數進行優化設計，并利用ADAMS的Insight模塊進行優化，找出了對目標影響較大的設計變量。董恩國等［13］利用ADAMS對車輛的轉向梯形及車輪定位參數進行了優化設計。卞學良等［15］運用多剛體系統動力學中的R-W方法，建立了麥弗遜懸架轉向梯形斷開點位置優化模型，并通過實例計算驗證了模型的可行性和正確性。

本文以大型高地隙自走式噴霧機轉向系統傳動機構為研究對象，綜合考慮大型高地隙噴霧機作業環境、結構特點和轉向系統設計要求，設計一種適用于大型高地隙自走式噴霧機的轉向傳動機構，對其轉向定位參數進行設計計算，并以ADAMS為仿真平臺，建立轉向懸架系統仿真模型，對其轉向定位參數進行優化分析，提高噴霧機轉向系統的操縱穩定性和安全性。

1轉向系統設計要求分析

大型高地隙自走式噴霧機體積較大，在作業過程中容易出現轉向半徑過大，或因轉向側滑而導致壓損作物或破壞土壤的問題。

高地隙自走式噴霧機整機設計性能指標［16］如表1所示。

高地隙自走式噴霧機轉向系統需要滿足以下要求：

（1）轉向過程中左、右車輪轉角符合阿克曼理論。各車輪在轉向過程中均繞其瞬時轉動中心轉動，且無側滑現象。

（2）具有簡單合理的結構形式。轉向系統結構形式簡單，便于駕駛員在復雜的作業環境中進行檢修與維護，保證車輛的作業效率。

（3）便于高地隙懸架系統布置。高地隙噴霧機懸架系統結構復雜，體積較大，需轉向系統配合以完成其結構布局。

（4）具有合理的轉向輪定位結構和參數。轉向定位參數設計不合理會引起噴霧機在作業過程中出現車輪跑偏、車輛無法保持直線行駛、輪胎磨損速度快以及車輛轉向操縱性差等問題。

（5）便于液壓系統布置。此類大型機械具有質量大、體積大、作業環境復雜的特點，在作業過程中需克服較大轉向阻力，需采用液壓轉向系統，因此轉向懸架系統在設計過程中需考慮液壓系統的布置問題。

2轉向傳動機構設計

根據高地隙自走式噴霧機轉向系統設計要求，設計了一種前輪轉向梯形前置、后輪轉向梯形后置的轉向傳動機構，整機轉向系統布局如圖1所示，轉向及懸架機構總成如圖2所示［1618］。

轉向傳動機構主要零部件包括油缸支撐臂、轉向液壓缸、轉向臂、空氣彈簧支撐座、立軸和馬達保護殼等。其中，空氣彈簧通過螺栓與空氣彈簧頂部支撐以及空氣彈簧底部支撐固定在一起，空氣彈簧與立軸通過螺栓固定連接在一起；油缸支撐臂通過螺栓與橫梁固定在一起，轉向液壓缸與轉向臂通過銷軸連接在一起，轉向臂與空氣彈簧底部支撐座通過螺栓固定在一起；立軸通過花鍵與馬達保護殼固定連接在一起，馬達保護殼與輪胎的輪轂通過螺栓固定連接在一起。

轉向系統工作過程中通過控制液壓缸的伸縮帶動轉向臂進行轉動，轉向臂的轉動可以帶動空氣彈簧與立軸進行同軸轉動，立軸的轉動帶動馬達保護殼與輪胎進行轉動，從而完成車輛的轉向。

3轉向定位參數設計

轉向定位參數的設計對于保證操縱穩定性、輪胎壽命及車輛駕駛的安全性具有重要意義［1920］。本文針對大型高地隙自走式噴霧機轉向系統結構特點及高地隙自走式噴霧機作業特點對轉向定位參數進行設計。

3.1前輪外傾角

前輪外傾角為前輪輪胎的中心平面與車輛垂向平面所形成的夾角，合理的前輪外傾角可有效減少輪胎磨損、降低輪轂軸承的載荷，提高直線行駛的穩定性。前輪外傾時車輪運動如圖3所示。

所研發的大型高地隙自走式噴霧機藥箱容積為3 000L，在作業前需進行加藥加水，作業過程中隨著噴霧的進行，藥液質量逐漸減少，作業過程中簧載質量變化較大。前輪外傾角在載荷變化過程中外傾角應較小，參考國內外同類車型及轉向系基本設計要求，設定前輪外傾角初始值為2°。

3.2前輪前束

前輪前束為左、右兩前輪輪胎前端點之間距離與兩后端點之間的距離的差值，主要用于消除車輛行駛過程中的側滑量，減小磨損，前輪前束示意圖如圖4所示。

3.3立軸后傾角

傳統車輛的主銷在高地隙噴霧機上由轉向立軸替代，因此主銷后傾角及主銷內傾角在本文中稱為立軸后傾角和立軸內傾角。

立軸后傾角α為立軸中心線與地面垂線所成夾角，其作用是使車輪產生主動回正力矩，保證車輛運行過程中的穩定性，立軸后傾角越大，輪胎偏轉反作用力越大，車輛安全性越好，但立軸后傾角過大會使轉向所需克服的反作用力也變大，導致轉向困難，因此，立軸后傾角一般在3°以內。立軸后傾角示意圖如圖5所示。立軸中心軸線與地面交點n位于地面與輪胎接觸點m前側，車輛進行轉向時，產生一個作用于點的垂直于車輪的向心力F0，向心力F0繞立軸軸線形成回轉力矩Mα，m點到立軸中心線on的距離為e，計算如式（4）所示。

3.4立軸內傾角

立軸內傾角β為轉向軸中心線與地面垂線之間的夾角，用于產生主動回正力矩，并使整車質量均勻分布在軸承上，降低轉向零部件的磨損。主銷內傾角示意圖如圖6所示。

當輪胎受力進行轉向時，由于立軸后傾角的存在，輪胎及車身會向上部抬升一定距離h，當外力消失后，地面提供給的前向摩擦力轉換為回轉力矩Mβ使車輪回正。前輪和車身抬起的高度

根據上述公式計算所產生的回正力矩的大小以及所需轉向力的大小，選擇合適的立軸后傾角以及立軸內傾角，經計算后設定立軸內傾角初始值為8.7°。

因此，確定轉向定位參數初始值：前輪前束初始值為9mm（即前輪前束角為0.28°），前輪外傾角初始值為2°，立軸后傾角為0°，立軸內傾角初始值為8.7°。

4轉向系統仿真優化及分析

4.1仿真系統平臺搭建

所設計的高地隙自走式噴霧機為獨立式立軸空氣懸架結構形式，轉向系統為全液壓轉向系統，轉向結構均左右對稱，懸架及轉向系統拓撲結構如圖7所示。

根據懸架及轉向系統拓撲結構圖及所建立的三維模型，結合各零部件材料屬性，對各零部件進行簡化，在ADAMS/Car中建立前輪懸架及轉向系統仿真模型，并對所建模型進行靜平衡調整，ADAMS仿真模型如圖8所示，仿真參數如表3所示。

4.2仿真優化及分析

在平行輪跳仿真試驗中，設置輪胎垂向跳動位移為±50mm，實時監測轉向定位參數在輪跳試驗過程中隨輪跳幅值變化而引起的參數變化范圍，通過傳感器模塊測量優化前、后的平行輪跳仿真結果。

在仿真過程中首先對所建模型的各子系統進行靜平衡調整，然后在ADAMS/Car仿真環境下進行平行輪跳試驗，以前輪外傾角、前輪前束角和立軸內傾角在平行輪跳試驗中變化范圍更小為目標，利用ADAMS/Insight模塊對其進行轉向定位參數優化。經Insight優化后前輪前束角初始值為8mm（即前輪前束角為0.25°），前輪外傾角初始值為2°，立軸內傾角初始值為8.5°，立軸后傾角為0°。優化前、后的平行輪跳仿真結果如圖9所示。

轉向定位參數優化前、后在平行輪跳試驗下的數據對比如表4所示。

由圖9（a）和表4可知，在平行輪跳仿真試驗中，優化前的前束角為（-0.179°～0.481°），變化幅度為0.006 6°/mm；優化后的前束角為（0.078°～0.256°），變化幅度為0.001 8°/mm，優化后的前束角變化幅度減小72%，變化趨勢更加平穩，處于合理變化范圍之內。

由圖9（b）和表4可知，優化前的前輪外傾角變化范圍為（1.093°～3.449°），外傾角變化幅度為0.023 56°/mm；優化后的外傾角變化范圍為（1.805°～2.784°），外傾角變化幅度為0.009 79°/mm，變化幅度降低58.4%，優化后的變化幅度處于（-0.003°～0.015°）/mm設計要求范圍內，滿足設計要求。

立軸內傾角主要用于產生主動回正力矩，保證轉向輕便，并使整車質量均勻分布在軸承上，減小轉向零部件的損壞，立軸內傾角設計過程中應使其維持在（7°～13°）的范圍內，以保證車輛轉向過程中的轉向輕便性。由圖9（c）和表4可知，在平行輪跳仿真試驗中，優化前的立軸內傾角變化范圍為（7.429°～9.876°），而優化后的立軸內傾角變化范圍（7.652°～9.684°），立軸內傾角變化范圍由0.024 47°/mm減小為0.020 32°/mm，變化范圍降低16.9%，可以更好地滿足設計要求。

由平行輪跳仿真試驗結果可知，優化后的轉向定位參數可以更好地滿足噴霧機轉向系統作業需求。

5試驗驗證

5.1試驗平臺搭建

為驗證所設計轉向系統傳動機構的合理性，根據轉向系統優化結果研制3WPG-3000型大型高地隙自走式噴霧機轉向系統，搭建轉向系統實車試驗平臺（圖10）。

轉向系統試驗平臺主要由高地隙自走式噴霧機、全液壓轉向器、四輪轉向閥、拉線式位移傳感器、GPS設備以及測控系統（上位機、采集卡與供電裝置）組成。

5.2試驗結果

噴霧機車身中部位置安裝GPS設備，用以接收噴霧機運動軌跡信號，同時，將噴霧機的輪距調節至3.6m，軸距為4m。試驗過程中駕駛員將噴霧機行駛至A點，轉動方向盤至極限轉角，以5km/h的速度勻速行駛，分別在兩輪模式和四輪模式下觀測噴霧機運行軌跡及轉向半徑，GPS設備采集噴霧機運動軌跡如圖11所示。

由圖11可知，噴霧機在兩輪轉向模式下轉向半徑為6.85m，四輪轉向模式下轉向半徑為5.12m。由軌跡圖可知，噴霧機在兩種轉向模式下均可以完成同心圓轉動，表明噴霧機轉向系統可以較好地完成噴霧機在不同工況下的轉向作業需求。

6結論

1）? 根據高地隙自走式噴霧機作業環境和作業特點，提出高地隙自走式噴霧機轉向系統設計要求。設計了一種適用于大型高地隙自走式噴霧機的轉向傳動機構，對轉向定位參數進行了設計計算，初步設定了轉向系統的前輪外傾角、前輪前束、立軸后傾角、立軸內傾角。

2）? 根據所設計的轉向系統定位參數，在Creo中建立高地隙自走式噴霧機轉向機懸架系統三維模型；在進行必要的簡化后將其導入ADAMS中進行平行輪跳仿真試驗，以平行輪跳試驗過程中定位參數變化最小為優化目標，利用Insight模塊對轉向定位參數進行了優化設計，優化后的前輪前束值為8mm，前輪外傾角為2°，立軸內傾角為8.5°，立軸后傾角為0°。

3）? 平行輪跳試驗結果表明，輪胎跳動位移為±50mm時，優化后前輪外傾角變化幅度由0.023 56°/mm減小為0.009 79°；前輪前束角變化值由0.006 6°/mm減小為0.001 8°/mm；立軸內傾角變化值由0.024 47°/mm減小為0.020 32°/mm。在平行輪跳試驗下，優化后的轉向懸架機構轉向定位參數變化范圍更小且更平緩，處于設計允許范圍內，可以更好地滿足大型高地隙自走式噴霧機轉向系統的作業要求。

4）? 搭建轉向系統實車試驗平臺，利用GPS設備測定高地隙噴霧機在兩輪轉向和四輪轉向模式下的同心圓轉動軌跡。噴霧機在5km/h的速度勻速行駛模式下，兩輪轉向模式下轉向半徑為6.85m，四輪轉向模式下轉向半徑為5.12m，且兩種轉向模式下均可良好地完成同心圓轉動，試驗結果表明所設計的轉向系統具有較好的響應性能，可以滿足噴霧機在不同工況下的轉向需求。

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