拖拉機線控液壓轉向系統設計及樣車性能試驗

房素素，魯植雄，王增才，刁秀永，魯 楊，龔佳慧，朱春瑩

（1. 山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061；2. 南京農業大學工學院，南京 210031）

拖拉機線控液壓轉向系統設計及樣車性能試驗

房素素1，魯植雄2※，王增才1，刁秀永2，魯 楊2，龔佳慧2，朱春瑩2

（1. 山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061；2. 南京農業大學工學院，南京 210031）

拖拉機的轉向系統是保證行駛安全、高效作業的關鍵機構，針對傳統的全液壓轉向系統在轉向過程中易發生轉向沉重，甚至失靈等狀況，該文提出一種拖拉機線控液壓轉向系統。論文首先對拖拉機線控液壓轉向系統進行總體設計，基于MATLAB軟件的Simulink/Simhydraulic模塊對線控液壓轉向系統進行動態建模和仿真分析，根據分析數據完成試驗樣車改裝，利用改裝樣車分別進行轉向系統的靜態隨機轉動試驗、蛇形試驗、雙紐線試驗、穩態回轉試驗以及轉向瞬態響應試驗。通過試驗分析得到線控液壓轉向系統在5個試驗中理論與實際轉向輪轉角平均誤差分別為1.58°，0.79°，1.09°，0.69°，0.47°。試驗結果表明線控液壓轉向系統的理論與實際轉角曲線吻合度更高，誤差均低于全液壓系統，轉向誤差精度有大幅度提高，性能更理想。拖拉機線控轉向系統綜合了液壓和線控技術優點，在保證大動力輸出的同時，又具有轉向靈活，方便安裝等特點，可為拖拉機線控轉向系統推廣應用提供參考。

拖拉機；轉向；系統；線控液壓；樣車改裝

房素素，魯植雄，王增才，刁秀永，魯 楊，龔佳慧，朱春瑩. 拖拉機線控液壓轉向系統設計及樣車性能試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(10)：86－93. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.011 http://www.tcsae.org

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0 引 言

拖拉機作為現代農業中十分重要的一種農業車輛，其工作環境主要在田間，條件惡劣，地面阻力大，目前傳統的全液壓轉向系統具有大動力輸出這一突出特點[1]，但缺點也十分明顯，如在轉向過程中易發生轉向沉重，甚至失靈等狀況。同時農業車輛在地域轉移時需在公路上行駛，且其重心一般較高，雖然其行駛速度相對于乘用車輛為低速，但是相對于自身車況則為高速行駛，側向穩定性較差[2]，特別是在轉向時，駕駛員安全感較低，而在汽車行業十分熱門的線控轉向系統具有角傳動比和力傳動比可變的特性[3-4]，這一特點不僅可以大大提高轉向的靈敏度和精度[5]，而且使得車輛操縱穩定性得到改 善[6-8]，但是汽車線控轉向系統并不適合拖拉機這類需要大動力輸出的農業機械，綜合考慮將全液壓技術與線控技術相結合設計出拖拉機線控液壓轉向系統[9]。農業車輛屬于作業車輛，通常更多關注其作業功能，很少關注駕駛員操作車輛的疲勞度，特別是在作業時，駕駛員往往需要大幅度頻繁轉向，而所設計的線控液壓轉向系統的變角傳動比和變力傳動比特性可以有效降低駕駛員的勞動強度。新系統取消全液壓轉向系統中轉向器與轉向輪之間復雜的液壓油路的布置，將兩者直接相連接；同時也取消轉向盤與轉向器之間的機械連接，通過電子元件與電路進行信號傳遞和控制，從而在理論上可以實現方向盤安裝在任何一個位置，大大拓展駕駛員的工作空間，且轉向輕便，安裝自由。未來農業車輛的發展方向將是自動轉向[10]，無人化作業，線控轉向技術與自主導航技術[11-13]、雷達技術等都是農業車輛發展的關鍵技術，這些技術的結合相比較全液壓轉向系統將更好地實現無人化自主作業。

近幾年國內外許多研究人員都對拖拉機線控液壓轉向系統進行一定的研究，并取得一定成果。陸垚忠等[14]設計了基于DSP的線控液壓轉向系統，并在進行臺架試驗之后結果表明：該系統能更好地結合路況實現對車輛的轉向控制，減少液壓震顫；杜恒[15]對一輛重型七軸車輛的轉向系統進行電控液壓式改裝，并進行原地加載轉向試驗與實車試驗，從而論證使用電磁比例伺服閥可獲得較高的轉角跟蹤精度；常江雪等[16]對比分析拖拉機線控液壓轉向系統中的 PID控制算法和模糊控制算法，對轉向控制策略進行一定的研究； Naseem Daher等[17]在降低線控液壓轉向系統的使用成本方面提出了虛擬傳感的概念，并進行分析論證；魯植雄等[18-19]從路感特性方面進行一定的研究并設計出能較好協調轉向輕便性與路感之間矛盾的曲線型轉向路感特性。

這些研究成果對于線控液壓轉向系統能夠更好地應用和發展都具有重要意義，但是目前研究都處于理論仿真以及臺架試驗階段，但鮮少有研究者將新系統真正應用于樣車，并在對樣車進行改裝之后進行試驗。

文章主要是介紹拖拉機線控液壓轉向系統的整體設計，介紹線控液壓轉向系統控制算法及建模仿真分析，根據理論設計進行樣車改裝，并在改裝好樣車之后進行樣車性能試驗。

1 總體設計與控制算法

1.1 線控液壓轉向系統的總體設計

線控液壓轉向系統實現變角傳動比[3]，打破以往的隨動控制，這就使得轉向靈活輕便，操縱方便平穩，提高整體舒適性和安全性；如圖 1所示為線控液壓轉向系統的總體設計。

圖1 線控液壓轉向系統總體結構Fig.1 Hydraulic steering-by-wire system overall structure

如圖1所示，3種不同線型分別代表輸入信號、輸出信號以及油路。此線控液壓轉向系統主要的工作原理是方向盤轉角信號和轉矩信號通過傳感器采集后被同時送到ECU（electronic control unit），ECU對信號分析處理并向轉向執行系統的電磁比例伺服閥發出控制信號給轉向油缸，之后轉向梯形實現車輪轉向。前輪實際轉角由安裝在轉向油缸上的位移傳感器的輸出信號結合轉向梯形參數計算得到，并將計算得到的前輪實際轉角信號反饋給 ECU，以構成對前輪轉角的閉環控制。相比于傳統的全液壓轉向系統，線控液壓轉向系統使用電磁比例伺服閥替代全液壓轉向器控制液壓油路的流向與流量，以達到轉向目的。

1.2 線控液壓轉向系統硬件選型及控制算法

依照系統結構設計，綜合考慮性能、成本、精度以及使用要求等各方面的因素，現將改裝中使用的各個零部件的選型[20]列于表1中。

表1 零部件選型Table 1 Components selection

文章重點研究通過對比線控液壓轉向系統和全液壓轉向系統，證明設計的線控液壓轉向系統可以具有更優的轉向性能，為完成試驗，系統設計完成之后采用最簡單的經典PID控制算法來實現系統閉環控制[9]。通過精確整定 PID參數來保證控制算法性能，以達到控制目標，確保拖拉機的轉向性能。經過大量仿真試驗，通過試湊法，將參數整定為：P=2，I=0.005，D=0.001[21]。

拖拉機線控液壓轉向系統的PID控制器[22]設計如圖所示，整體結構為閉環控制系統，方向盤轉角傳感器采集轉角信號作為系統輸入，與實際轉角信號作差，得到結果信號進行算法處理后信號進入 PID控制器，控制器輸出控制電壓，此電壓信號驅動轉向執行結構完成轉向動作，具體為電磁比例伺服閥接收到信號控制轉向油缸液壓油流量，進而控制油缸活塞桿的運動，從而通過轉向梯形控制轉向輪的轉動。轉向輪的實際轉角信號由轉向輪轉角傳感器采集并經過角傳動比的換算，在實際改裝中為滿足線控液壓系統性能要求，將角傳動比設定為12。

圖2 拖拉機線控液壓轉向系統PID控制器設計Fig.2 Design of tractor hydraulic steering-by-wire system PID controller

2 建模仿真及樣車改裝

基于設計完成的線控液壓轉向系統的總體結構、PID控制器以及選定的參數，在對拖拉機的轉向系統改裝之前，首先利用MATLAB軟件進行建模和仿真分析[23]，基于 Simulink/Simhydraulic模塊建立線控液壓轉向系統模型[16]，其中輸出為轉向輪的轉角信號和油缸位移信號，本文基于沃得 854拖拉機進行改裝及試驗，依據其型號參數所確定的油缸位移和轉向輪轉角的關系公式（1）對兩信號進行處理。

式中u表示油缸位移傳感器信號，mm。f(u)表示轉向輪轉角信號，V。因此在所得到的數據中輸出信號為轉向輪轉角信號[24-25]。整個模型的建立都基于線控液壓系統總體設計原理圖，并且在零部件選型和連接上保持一致。

圖3 線控液壓轉向系統仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic steering-by-wire system

仿真結果如圖3b所示，PID控制器輸出信號與目標信號吻合程度較高，可驗證系統具有可行性，可以進行樣車改裝試驗。如圖 4所示為全液壓轉向系統結構圖。圖5a所示為總體改裝設計圖，虛線框內是對樣車所做的改裝部分。圖5b所示的是總體改裝實物圖。由圖4，圖5對比可以看出，改裝過程中增加系統所需的控制閥，電子元件以及設計電路，通過信號傳遞替代全液壓系統中轉向盤與轉向執行機構之間復雜的油路連接，去除轉向柱等部件，大大減輕轉向系統的重量，不僅實現轉向盤與執行機構之間的獨立布置，并且轉向系統實現輕量化有利于節能。使用多個傳感器采集信號，控制器精確控制轉向執行機構實現變角傳動比和變力傳動比，從而提高轉向靈敏度，同時對轉向油泵實現電控，相對于圖 4中全液壓轉向系統中轉向油泵無論是否轉向都處于工作狀態的情況，線控液壓系統的油泵只有在轉向時才工作，避免能量浪費[26-27]。系統中的 PID控制器為閉環控制，改裝之后可消除拖拉機原轉向系統無反饋或反饋單一的缺點。

圖4 全液壓轉向系統結構Fig.4 Structure of full hydraulic steering system

圖5 線控液壓轉向系統總體改裝圖和實物圖Fig.5 General modification of hydraulic steering-by-wire system and modification picture

3 試驗測試與結果分析

樣車改裝完成之后必須要進行大量的試驗測試，為多方面測試拖拉機改裝之后的轉向系統性能，對其進行靜態試驗和動態試驗。

靜態試驗可在實驗室內進行，動態試驗需在室外試驗場地進行。實施試驗之前進行一系列準備工作，首先是儀器的選擇與安裝，按照表 1選定型號購買并安裝儀器；在試驗進行之前對試驗樣車進行檢查保證樣車可正常啟動，駕駛安全；同時保證試驗場地整潔平坦，天氣無異常，并準備好試驗所需基本工具[28]。除去對于試驗場地標樁的設置每個試驗不同外，其余試驗準備對于靜態試驗動態試驗都相同。

試驗開始之前需要先對傳感器進行標定，得到轉向輪角度與電壓的關系，這是控制器輸出精確轉向輪角度信號的基礎數據。

標定試驗使用的傳感器是安裝于轉向輪主銷上的轉向輪角位移編碼器，具體試驗過程為：首先進行找正，記錄轉向輪位于正中時編碼器的輸出信號值為300，記錄此時控制器的輸出電壓，為 2.46 V。之后轉動轉向盤，此時轉向盤每轉過一個角度，油缸位移傳感器則輸出相應的電壓，之后轉向輪角位移編碼器輸出相應的轉角信號，將電壓信號和轉角信號進行采集，并將試驗中記錄的轉角信號和電壓信號進行數據處理，擬合得到線性圖，輸出方程表示為公式（2）。

式中x表示電壓信號，V；y表示轉向輪轉角信號，(°)；關系式的斜率為16.283 2。如圖6為轉向輪轉角與電壓的關系圖。

圖6 轉向輪轉角與電壓關系Fig.6 Relationship between steering angle of steering wheel angle and voltage

各個試驗所評價的車輛性能不盡相同[29-30]，接下來將分別介紹各個試驗，并重點分析試驗結果，每個試驗都將分別對原系統和新系統進行測試，并保證兩系統在試驗環境和駕駛條件方面盡可能相同，保證試驗數據可靠性。每個試驗都將分別采集兩系統的兩類數據，一類為轉動拖拉機轉向盤得到的轉角，即理論轉向盤轉角，此數據由安裝于方向盤上的空心軸式編碼器獲取；另一類為轉向盤轉角作用于轉向輪，使其轉過的角度，即實際轉向盤轉角，此信號由轉向輪油缸傳感器獲取。這兩個數據可最為直觀的反映拖拉機整體的操縱穩定性以及轉向系統在隨動性以及靈敏性等方面的性能高低[21]，并通過對曲線的直觀對比分析得出結論。

3.1 靜態隨機轉動試驗

靜態試驗進行的是靜態隨機轉動試驗，過程為原地操縱拖拉機轉向系統進行測試試驗。兩系統在原理與結構上都具有很大區別，并且在樣車開發過程中可以在原有轉向系統與線控液壓轉向系統之間實現一鍵切換功能，這不僅是出于安全的考慮，樣車開發必須保留原有的全液壓轉向系統，以防止試驗中線控液壓轉向系統突然失靈，而且保證兩系統獨立運行，互不干擾。進行靜態試驗的目的是對比兩系統性能并測試系統進行動態試驗的安全性和可靠性，具體過程為：首先進行全液壓轉向系統隨機轉動試驗，隨機轉動方向盤，并同時電腦記錄試驗數據，之后拖拉機熄火，重新啟動進行相同準備工作之后切換開關至線控液壓轉向系統隨機轉動方向盤記錄對應數據。靜態試驗結果分析如圖7所示。

由于在靜態試驗中駕駛員隨機轉動方向盤，并且基本是有規律的左右轉動，因此可以很直觀的體現轉角的變化符合駕駛員的方向盤的轉動方向，轉向盤的工作行程是–360°～360°，轉向輪的工作行程是–30°～30°，因此在數據處理過程中將其倍數關系進行處理。兩系統在隨機過程中轉向盤輸入的轉角與轉向輪輸出轉角之間的差值將其稱為誤差。分析數據曲線可以說明轉向系統功能正常運行，這是作為之后兩系統性能比較的前提條件。同時全液壓轉向系統的隨機轉動試驗理論與實際轉角的差值隨著時間逐步加大，并且在轉角較大的情況下格外明顯，對比來看線控液壓系統的誤差值小且恒定，基本維持在 5°以下，且相比較全液壓系統的誤差，前者穩定且在極值時刻誤差也沒有很大波動。全液壓系統在此試驗中的平均誤差為 8.22°，相比線控液壓轉向系統只有1.58°的誤差均值，在轉向性能方面并不理想，而改裝之后的拖拉機應用線控液壓系統，轉向性能大大提高。

圖7 2系統靜態隨機轉動試驗Fig.7 Static random rotation experiment of two systems

3.2 動態試驗

動態試驗進行的是蛇形試驗、雙紐線試驗、穩態回轉試驗、轉角瞬態響應試驗，試驗路徑如圖 8所示，各試驗結果如圖 9所示。通過試驗結果分析比較改裝之后的線控液壓轉向系統與全液壓轉向系統在性能各方面的差別，從而評價線控液壓轉向系統的可行性與創新之處，為之后作進一步的改進以及在農業機械上的廣泛應用提供可靠數據。動態試驗的幾項試驗中駕駛拖拉機進入試驗場地后為保證車速穩定，在駕駛時將檔位調整至 4檔（低速擋），并將油門踩到1/3處，試驗員通過電腦采集數據，各個試驗首先采集車輛使用全液壓轉向系統時的數據，再一次按照原路線行駛，切換至線控液壓轉向系統，獲取理論轉向盤與實際轉向盤轉角數據。

圖 8 2系統動態試驗路徑Fig.8 Paths ofdynamic experiments for two systems

3.2.1 蛇形試驗

蛇形試驗是綜合評價車輛操縱穩定性和靈敏性的一項試驗，是包含人、機、外界環境幾大因素的一種閉環試驗[28]。由于拖拉機作業的特殊性一般來說車速較低，因此對拖拉機進行蛇形試驗將重點評價其方向操縱輕便性以及隨動性。試驗主要獲取蛇形轉向盤轉角以及蛇形轉向輪轉角，試驗在保證車速穩定的情況下以盡可能高的車速行駛，并要求駕駛員經驗豐富，拖拉機行進路線及方向如圖8a中實線及箭頭所示，以保證拖拉機可以正常轉向。

圖9a中所得曲線能夠很好地反映蛇形路徑以及轉向盤理論與實際的吻合程度。通過分析 2條誤差曲線也可以更加直觀清晰地對比兩系統的性能優劣。1）首先分別對比兩系統轉向盤理論與實際轉角曲線的吻合程度，線控液壓轉向系統顯然更加理想；其次分別對比在實際與理論轉向輪轉角的相符程度上，線控液壓轉向系統吻合程度十分高，直觀地反映出線控液壓轉向系統使拖拉機具有更高的轉向靈敏性和隨動性，這對拖拉機性能上的優化有很大意義。2）通過分析誤差曲線，可以明顯的看出線控液壓轉向系統試驗誤差始終在0～3°之間，最大為2.64°，始終在較小范圍內波動，計算其平均誤差為0.79°；而全液壓轉向系統試驗誤差則波動很大，最大誤差值可以達到11.04°，計算其平均誤差為4.15°。由此可知線控液壓轉向系統在性能穩定性以及轉向精度方面更有優勢。

3.2.2 雙紐線試驗

雙紐線試驗是評價車輛轉向輕便性的一項試驗，本試驗測量拖拉機在低速大轉角時的轉向輕便性，試驗過程中駕駛員操縱轉向盤駕駛拖拉機按照如圖8b所示的雙紐線路徑前進，途中標樁構成雙紐線造型，雙紐線頂點的曲率半徑為4.5 m，結點至頂點的距離為9 m，拖拉機保持低速穩定前進，同時采集記錄數據，分析數據后如圖9b所示。

圖9 2系統動態試驗結果Fig.9 Dynamic experiments results for two systems

1）對比兩系統4條試驗曲線，其形狀都可正常反映雙紐線試驗的曲線特點，2轉向系統都能完成正常轉向，并且在行駛過程中與路徑相符合程度基本達到正常行駛要求。但可以很明顯地看出，全液壓轉向系統理論與實際的轉向盤轉角在轉向角度較大的情況下吻合程度會下降，當轉向角度較大時，轉向輪轉角并不完全符合轉向盤的轉角大小，而是小于轉向盤轉角，這在實際轉向過程中會使得操縱靈敏性和輕便性大大下降。而線控液壓轉向系統的雙紐線試驗理論與實際轉角曲線吻合程度很高，即工作過程中駕駛員轉動方向盤多大角度，相應的轉向輪就轉過多大角度，轉向更為輕便靈活。

通過 2系統雙紐線試驗誤差對比，從曲線數據得到線控液壓轉向系統的誤差波動始終在 4°以內，最大達到3.55°，相比較全液壓轉向系統極值大于15°的曲線變化，前者轉向更具有穩定性，其性能更加優越。對比線控液壓與全液壓系統分別為1.09°、6.25°的誤差均值，可以更加準確地說明前者的轉向輕便性能好。

3.2.3 穩態回轉試驗

拖拉機的穩態回轉試驗是測定在給定拖拉機轉向盤一個轉角輸入時，其運動的穩態響應過程，此試驗與蛇形試驗，雙紐線試驗以及角脈沖角階躍試驗共同評價拖拉機的操縱穩定性。試驗具體過程為：在試驗場地上用標樁擺出一個半徑為15 m的圓，拖拉機保持最低穩定車速沿所設置的圓外圈行駛，行駛路線如圖8c所示結果。進行數據處理以及誤差分析，得到圖9c。

圖9c所示的全液壓系統穩態回轉試驗與線控液壓轉向系統試驗曲線，試驗曲線在整體趨勢走向上基本一致，說明拖拉機的轉向功能正常，差異在于轉向操縱穩定性能高低以及穩態響應的靈敏程度不同。

通過誤差曲線更可以直觀的看到線控液壓轉向系統穩定性強，平均誤差小于全液壓轉向系統1.62°的一半，只有0.69°。全液壓系統相較線控液壓系統要差，也說明現代車輛轉向系統的發展逐漸趨于線控技術，的確是因為線控技術有很大優勢。

3.2.4 轉向瞬態響應試驗

拖拉機的轉向瞬態響應試驗主要包括 2個試驗，轉向盤角階躍輸入的轉向瞬態響應試驗和轉向盤角脈沖輸入的轉向瞬態響應試驗。從操作方法以及獲取的數據可以簡單地認為轉角階躍輸入試驗就是進行一半的轉角脈沖輸入穩態響應試驗，因此在以下敘述中將只介紹分析轉角脈沖試驗過程以及結果。試驗過程為：拖拉機以試驗車速直線行駛，之后轉向盤突然轉動180°后保持不動，約3 s后突然轉動方向盤回正，之后駕駛拖拉機行駛直至其恢復到正常直線行駛狀態。此試驗過程中記錄數據，駕駛員保證油門開度不變。

圖9d所顯示的是2系統的轉角脈沖輸入的瞬態響應試驗結果曲線以及 2系統誤差對比分析曲線圖，試驗結果曲線都有明顯的脈沖信號，說明兩系統轉向功能都正常，但全液壓轉向系統的試驗曲線符合度不高，即理論與實際轉角仍存在較大的誤差，而線控液壓轉向系統瞬態的響應能力更強，靈敏性更高。通過兩系統誤差對比分析，將理論與實際轉角的誤差匯總并取平均誤差值，計算得到全液壓轉向系統在此試驗中的誤差均值為1.14°，而線控液壓轉向系統的誤差均值只有0.47°，此結果更加清晰地論證線控液壓轉向系統具有更高的轉向精度，響應更快。

4 結 論

1）基于拖拉機線控液壓轉向系統的理論設計完成樣車改裝，并且對改裝完成之后的樣車進行樣車試驗，對線控液壓轉向系統的各項性能進行研究分析。線控液壓轉向系統結合線控技術和液壓技術優勢于一體可使拖拉機轉向性能得到全新提升，也為農業車輛轉向領域的研究提供新的研究數據。

2）通過靜態試驗和動態試驗對全液壓轉向系統和線控液壓轉向系統進行試驗結果分析對比得出靜態試驗中全液壓轉向系統理論與實際轉向輪轉角平均誤差值為8.22°，而線控液壓轉向系統只有1.58°。動態試驗中線控液壓轉向系統的平均誤差值分別為0.79°，1.09°，0.69°，0.47°，而全液壓轉向系統平均誤差分別為4.15°，6.25°，1.62°，1.14°，從結果對比可以看出新改裝的系統在試驗中理論與實際轉角誤差波動明顯小于全液壓系統，平均誤差數值也低于全液壓系統，轉向精度更高，響應更快，具有不僅可以提高拖拉機的操縱穩定性和路徑跟蹤能力，并且可以有效減少駕駛員勞動強度的優點。

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Design and prototype performance experiments of steering-by-wire hydraulic pressure system of tractor

Fang Susu1, Lu Zhixiong2※, Wang Zengcai1, Diao Xiuyong2, Lu Yang2, Gong Jiahui2, Zhu Chunying2
(1.Key Laboratory of High Efficiency Clean Machinery Manufacturing, Ministry of Education, College of Mechanical Engineering,Shandong University, Jinan250061,China; 2.College of Engineering Agricultural University, Nanjing210031,China.)

The tractor steering system is the key to ensure the safe and efficient operation of the driving mechanism, the traditional hydraulic steering system in the steering process is prone to heavy steering and even failure, and the performance is not ideal, so this paper put forward a new hydraulic steering-by-wire system, which combined hydraulic steering technology with the steering-by-wire technology. This system not only cancels the steering wheel and the mechanical connection between the hand wheel and the steering gear, but also simplifies the hydraulic oil circuit design between the steering gear and steering wheel. It makes steering flexible and convenient, and meanwhile the use of hydraulic system can ensure high power output.Agricultural vehicles need to drive on the highway when transferring in the different regions, and its center of gravity is generally higher, while its speed is lower compared with the passenger vehicle. Actually, the speed is high in their own condition, and the vehicle’s lateral stability is poor. When the agricultural vehicle is in operation, the driver needs to steer the wheel frequently, but the design of the variable angle transmission ratio and variable force transmission ratio of hydraulic steering-by-wire system makes the vehicle handling stability improved, and can reduce the driver’s labor intensity effectively.Compared with the traditional full hydraulic steering system, the new system can better promote the development of agricultural vehicles, and eventually make the unmanned autonomous operation agricultural vehicles come true. This paper introduced the overall design of the tractor’s hydraulic steering-by-wire system, and all kinds of important parts were showed clearly by design chart: ECU (electronic control unit), circuit design, input signal, output signal, and so on. The system uses the classical PID (proportion, integral, derivative) to design the controller, and the whole system is a closed loop control system.Building model and simulation analysis were based on Simulink/Simhydraulic module of MATLAB software, and the modeling and the real vehicle modification for various parts were all based on the overall design principle of hydraulic steering-by-wire system. After the completion of the selection of parts, the tractor was modified. The key components of the new system and the design of the circuit and controller were described in detail, which were compared with the original structure of the steering system. Meanwhile, the energy saving of the new system was analyzed in this paper. Then the static and dynamic experiments with the prototype were finished. The static experiment was a random rotation experiment, the main purpose of which was to test how the new system was feasible, and ensure that the dynamic experiments could be carried out safely. Four dynamic experiments were snake-shaped experiment, lemniscate experiment, steady-state experiment, and angle transient response experiment, which were used to evaluate different vehicle performances. Every experiment tested the hydraulic steering system and hydraulic steering-by-wire system respectively, and the 2 systems’ difference was evaluated in the performance of steering sensitivity, handling stability, and convenient operation. In the experiment process of 2 systems, 2 kinds of data should be obtained, i.e. the hand wheel angle data (the theoretical angle data) and the steering wheel angle data(the actual angle data). Two kinds of data were compared and analyzed, and the experimental results showed that the theoretical and actual angle curve of hydraulic steering-by-wire system fitted better, and the error was lower than the full hydraulic system. Although both of the 2 steering systems could complete the steering action, the difference of performances existed between the hydraulic system and hydraulic steering-by-wire system. Hydraulic steering-by-wire system is feasible,which makes the function innovation, structure innovation, and practice innovation. In function, it combines the advantages of steering-by-wire technology and hydraulic technology, so that the tractor steering performance gets a new upgrade. The system structure innovation is to use various types of sensors to complete the closed-loop control, use electromagnetism proportional servo valve to replace the full hydraulic steering gear, and use the PID to controller complete steering system control. Based on theory design, we modified the tractor, and performed a series of experiments with the tractor. The final experiments results showed that the hydraulic steering-by-wire system can achieve better steering function compared with the traditional full hydraulic steering system.

tractors; steering; systems; hydraulic steering-by-wire; modified tractor

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.011

S232

A

1002-6819(2017)-10-0086-08

2016-10-09

2017-04-13

國家重點研發計劃（2016YFD0701100）

房素素，女，山東淄博人，主要從事汽車電子控制及農業機械轉向系統研究。濟南 山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，250061。Email：fangsusu9@126.com

※通信作者：魯植雄，男，湖北武穴人，教授，博士生導師，主要從事車輛電子學研究與車輛-地面系統力學研究。南京 南京農業大學工學院，210031。

Email：luzx@njau.edu.cn