前橋擺轉轉向式四輪底盤液壓驅動系統方案優化設計的研究

呂 瑩，張 靜，吳 瀟，李志偉,

（1.羅定職業技術學院，云浮 527200；2.華南農業大學，廣州 510642）

前橋擺轉轉向式四輪底盤液壓驅動系統方案優化設計的研究

呂 瑩1，張 靜2，吳 瀟2，李志偉1,2

（1.羅定職業技術學院，云浮 527200；2.華南農業大學，廣州 510642）

前橋擺轉四輪底盤是一種可實現小轉彎半徑的底盤。在轉向時，通過控制前橋驅動輪的轉動，使前驅動橋主動圍繞著轉向裝置轉動，可以帶動底盤以任意角度轉向。根據擺轉式四輪底盤的功能要求確定了行走開式液壓系統的技術方案， 針對擺轉式四輪底盤的前輪差速轉向的特性提出了走開式液壓系統的主要功能模塊，進而得出適合前橋擺轉轉向底盤的前輪的控制方式，為后續的擺轉式四輪底盤液壓系統設計計算方法和元件選型計算過程提供依據。

四輪底盤；轉向；前橋擺轉式；液壓驅動

0　引言

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

1　前橋擺轉轉向底盤的轉向機理分析

1.1四輪底盤的行走工作要求

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

1.2前橋擺轉四輪底盤的機理分析

為了研究主要在小地塊旱地或水田作業，并具能夠進行倒U型轉彎模式如圖1所示的作業方式的四輪底盤。需要設計一種高效率轉向的四輪行走底盤，而關鍵就是要解決轉彎半徑的問題，即轉彎半徑小。最理想的轉彎半徑是底盤寬度的一半，即轉動方向一邊的輪子的轉速應該是零。這樣底盤車架轉彎的時候其前橋的外側輪就會圍繞內測輪轉動，而內測輪是原地轉動。并且能夠原地連續轉動180°。此種底盤在水田作業時，由于行走輪陷入土壤中一定深度，可免除前輪偏轉轉向方式存在的轉向力的問題。結合以上對四輪底盤作業等方面的要求，本課題組設計了前橋擺轉轉向四輪底盤。其結構如圖2所示。擺轉式四輪底盤由兩個前驅動輪、轉向橋、機架以及安裝在機架上的兩個后輪（隨動輪）構成。其中，轉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向機構組成。轉向時，一個前輪停止行走，另一個前輪繼續行走帶動前橋繞停轉的前輪轉動，同時通過前橋中部與車架的連接鉸鏈帶動車架轉向。設計車架時，確保前橋的中心可作任意角度的轉動，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，實現四輪底盤在小地塊中能以小的轉彎半徑、小的地頭寬度進行輕便和靈活轉向。前橋擺轉轉向底盤以液壓驅動代替了傳統的機械式傳動方式[7～9]，并且取消了繁瑣的機械式轉向操縱機構。兩個液壓馬達分別直接與底盤的兩前輪連接，將行走動力輸入兩個驅動輪，實現底盤的前進后退和轉向，兩邊的行走輪可同時進行正反轉或一邊停轉，一邊正反轉，實現轉彎動作。

圖1　倒U型轉彎模式

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為轉彎半徑，e為農機具到輪軸的距離。

圖2　底盤結構原理簡圖

2　轉向機理及其液壓系統設計

2.1底盤行走液壓系統設計方案一

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

圖3　底盤行走的液壓系統

本套液壓系統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6,10。其中擺線液壓馬達能夠在底盤低速行駛下提供足夠大的驅動力矩，齒輪泵作為液壓系統的動力元件。當發動機啟動后，油泵開始為液壓系統供油，通過控制電磁閥組的工作位置來制定底盤的行走狀態。底盤行走工況與閥的工作位置關系如表1所示。

表1　方案一底盤行走工況與閥的工作位置關系

在執行左轉彎操作時，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行左轉向時，左輪能夠保持停止狀態，不會因為行走過程的慣性繼續向前行走。右轉彎的動作原理與左轉彎相同。

2.2兩前行走輪液壓系統設計方案二

圖4　行走液壓系統原理圖

本套液壓系統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。本套液壓油路與方案一的區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，并且在兩個馬達進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系

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同樣，以底盤進行左轉彎工況來分析。在執行左轉彎操作時，三位四通換向閥打開，電磁閥6處于右位，以切斷馬達5的供油使左輪停止轉動，電磁閥8處于左位，馬達7得以繼續轉動以達到左轉向的目的。

2.3行走輪液壓系統方案

方案一與方案二均采用了馬達串聯式油路連接方案。液壓馬達串聯系統的功能是，可以通過控制電磁閥的工作位置來分配馬達的動力。當兩個馬達同時接入油路時，兩驅動輪同時轉動，帶動底盤直線行走；當切斷一側馬達的動力時，亦即使一側馬達接入油路，另一側馬達停止接入油路，即可實現底盤繞一側輪子轉動，達到轉向的目的。方案二與方案一的區別在于使用電磁閥6代替了方案一中的4、7組成的工作閥組，減少了系統液壓閥數量。液壓閥數目的減少能夠提高系統動作響應速度，降低系統的壓力損失，緩沖油缸的作用是能夠降低底盤在啟動和制動過程中產生的壓力沖擊。因此，通過對比，底盤的行走液壓系統采用方案二的原理。

2.4試驗驗證

圖5　試驗樣機

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

2）液壓系統可實現底盤的前行、轉彎、后退功能，并能夠達到前橋擺轉式轉向的轉彎方式。

3）底盤在進行地頭掉轉時大大簡化了轉向操作，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，轉向過程平穩。底盤在行走速度越快，底盤所需轉彎時間越短。

3　結束語

前橋擺轉式轉向系統通過采用前橋中部通過垂直轉軸與縱向水平轉軸相結合的結構設計方案，可確保前橋繞垂直轉軸作任意角度的轉動，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；通過對前橋擺轉底盤行走輪液壓控制系統的優化，為擺轉式四輪底盤液壓系統設計計算方法和元件選型優化計算提供依據。

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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，研究方向為農業機械裝備及設施。