一種拖拉機轉向系統的改進對比分析

龔煌輝

(湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001)

0 引言

隨著當前農用機械智能化技術的不斷研發與應用，農業拖拉機作為主要的牽引動力裝置，已由傳統的工作方式逐步向自動高效率的控制模式轉變。經查閱相關技術文獻可知，國內外農業學者針對拖拉機的零部件及整機工作效率提升做出了不同角度、不同切入點的試驗與研究。就轉向系統而言，付衛強等通過研究車輪的轉角測量方法獲取精確適宜的轉向控制方式；就導航系統而言，白秉旭等引入模糊控制算法理論進行設計優化。筆者結合當前拖拉機的機械制造與設計技術，針對一型號的輪式拖拉機轉向裝置進行了分析探討。

1 轉向系統概述

車輛的轉向方式有多種，主要包括靠改變行走裝置的驅動輪施力而實現轉變方向的履帶式機及手推式機，靠車輛輪胎主動進行角度偏轉實現轉變方向的輪式機。配套優質的輪式機在驅動輪力與方向的共同作用下進行轉向控制，這一過程中輪胎做滾動運動，須滿足相應的運動與力矩關系。

拖拉機轉向系統反應靈敏與準確性很大程度決定了拖拉機的作業效率，拖拉機核心部件及參數如表1所示。圖1所示為一種拖拉機轉向系統的工作簡圖。

表1 拖拉機核心部件及參數Table 1 Main components and parameters of the tractor

圖1 拖拉機轉向系統工作簡圖Fig.1 Working chief diagram of the tractor steering system

由圖1可知：整個系統由泵提供動力進行能量的傳遞，主要由方向盤、轉向器、轉向執行裝置及相應的提供動力源裝置(油泵配套系統)等組成，通過操縱人員給出一定的轉向信號，拖拉機轉向系統進行判斷并動作。

2 轉向系統改進

2.1 數學模型

分析拖拉機轉向系統在行進過程中的機構運動規律，拖拉機的輪胎滑轉率為

(1)

式中ω—拖拉機前輪的轉角速度(rad/s)；

r—拖拉機前輪的滾動半徑(cm)；

v—拖拉機運動時的整機中心速度(km/h)。

依據式(1)，結合轉向節臂、搖臂、轉向器與連接拉桿間的尺寸配合關系，建立轉向機構車輪轉向角的數學模型，即

(2)

同理，可推導出

(3)

式中α—拖拉機的左車輪轉向角度(°)；

R0—拖拉機的輪胎轉向半徑(cm)；

L—拖拉機的前后車輪軸距(cm)；

K—拖拉機的前車輪左右輪距(cm)。

由式(2)、式(3)得到拖拉機運動任意時刻的等效轉向角為

(4)

同時，建立拖拉機轉向系統角度控制改進的輪廓思路，優化流程簡圖如圖2所示。優化主要從轉向系統的硬件配置與軟件控制兩方面進行展開，改進理念為將全液壓的轉向控制優化為線控液壓轉向控制。其中，控制執行閥與油泵型號的選取與匹配、角度傳感器的安裝部位確定及設計轉向實時調控指令成為核心任務。

圖2 拖拉機轉向系統角度控制改進流程簡圖Fig.2 Improvement process diagram of the angle control on the steering system in the tractor

2.2 硬件組成改進

采用液壓與控制技術相結合的線控液壓轉向系統，主要依據在于：拖拉機的輪胎在轉向過程中會同時承受橫向力、縱向力與慣性力的作用，因而拖拉機的轉向狀態由這三者的轉速合成，將要求的轉向角度與實際的轉向角度通過PID模糊控制算法，編制ECU控制規則表控制動作。該轉向系統的核心部件參數包括比例溢流閥、轉角傳感器、壓力表及開關等，進而實現預期的轉向系統改進，如表2所示。

表2 拖拉機轉向系統核心部件設計Table 2 Main components design of the tractor steering system

根據拖拉機方向盤轉角傳感裝置與油缸位移傳感裝置的信號，通過信號采集調整模塊，經蓄能電源控制的PLC驅動控制電路及關鍵電磁比例換向閥推動拖拉機轉向系統油缸裝置動作，最終推動拖拉機的四輪進行轉向，如圖3所示。此硬件設計改進較全液壓轉向表現在傳動比實現了更為符合實際且精準的調整與控制。

圖3 拖拉機轉向系統硬件組成改進Fig.3 Improvement of hardware composition of the tractor steering system

2.3 軟件控制優化

針對拖拉機的轉角信號采集與電機驅動，結合CAN通訊進行控制程序優化，對核心反饋原件角度位移傳感器進行參數設置，包括輸出信號范圍、分辨率與識別精度等。該拖拉機轉向裝置配備精度達0.1°的角度位移傳感器，將獲得的拖拉機轉角信號經放大電路后轉換為可識別控制的電壓信號。

同時，針對拖拉機的轉向油缸位移進行核心控制程序寫入(流程圖見圖4)，通過比較調整輸出準確的轉向控制信號，保證動作有效。此處給出控制程序指令片段：

…

ADCProcessorTrigger(ADC_BASE,0);

while((HWREG(ADC_BASE+

ADC_O_X_SSFSTAT)&0×00000100));

ADCSequenceDataGet(ADC_BASE,0,

&ulData);

ulV=((ulData&0×3ff)*1000/1024;

dalpha=(ulV-2600)*0.024;

if(fabs(dalpha)<1e-3)

dalpha=1e-3;

ahpha=atan(wheelbase/

(wheelbase/tan(dalpha/180*PI)+

dTreed/2));

mmalpha=alpha*180/PI;

…

…

圖4 拖拉機轉向系統控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of control procedure of tractor steering system

3 性能試驗

3.1 條件設置

進行拖拉機轉向系統改進裝置的性能測試，按照圖5所示的測試布置簡圖，選取4816數據采集卡將轉向控制角、轉向動作阻力與拖拉機行進速度3個關鍵采集參數經傳遞感應裝置匯至其上，從而通過相應的測試顯示控制界面來實現可視化試驗。

圖5 轉向系統改進參數測試布置Fig.5 Improved parameters test layout of the steering system

拖拉機轉向裝置性能試驗外觀接線簡圖，主要包括轉向裝置控制部件和執行部件，如圖6所示。進一步設定前置條件：①設定與田間作業環境相似的場地；②保證轉向系統運行穩定后記錄數據；③電源裝置供應可靠等。

(a) 轉向控制部件連接

(b) 轉向動作部件連接圖6 拖拉機轉向裝置性能試驗簡圖Fig.6 Performance test diagram of the tractor steering device

3.2 過程分析

利用MatLab工具與測試參數有效性理論進行數據分析處理，并選取拖拉機整機改進的關鍵參數進行綜合評價，如表3所示。評定前以數字1～10的排位進行優劣分析。由表3可知：整體較全液壓轉向控制評價指標均有提升。其中，拖拉機的轉向剛度評價值可由改進前的6.1提高到7.8；整機的車輪回正滿意度可由改進前的5.9提高至7.5；轉向靈敏度可由改進前的7.1提高至8.5。綜合來看拖拉機的轉向系統改進測試效果明顯。

為進一步驗證該轉向系統改進的可實施性，繪制如圖7所示的轉向系統改進前后的對比曲線，在同等頻率的采樣時間條件下，得出：A曲線為改進前的拖拉機轉角運行誤差，在初步動作階段的誤差較大，可達0.5m，隨后逐步趨于穩定，誤差控制在±0.22m范圍內；B曲線的采樣到轉角誤差范圍波動平穩控制在±0.15m范圍內，可見改進后的轉向控制系統平穩可靠。

表3 拖拉機轉向性能試驗關鍵參數評價Table 3 Key parameters evaluation of the tractor steering performance test

A.轉向系統改進前采樣誤差 B.轉向系統改進后采樣誤差圖7 拖拉機轉向系統改進對比曲線Fig.7 Contrast curves of the tractor steering system before and after improvement

4 結論

1) 通過分析農用拖拉機的轉向系統，在原來的全液壓轉向控制基礎上進行改進，選取線控液壓轉向控制，并進行轉向系統的硬件配置和軟件控制，以獲得全新可行的拖拉機轉向系統。

2) 進一步對轉向系統所需的硬件部件進行參數選型，同時針對轉角控制進行程序編制，設計合理的轉向系統，對改進后的轉向系統進行性能測試將主觀評定數字1～10的排位納入優劣分析，發現拖拉機的轉矩剛度、回正滿意度、車身穩定性與輕便性均有提升。

3) 對數據進行采樣分析，得出改進后的各項評定指標均有所改善且改進后的轉角控制誤差可保持在±0.15m左右。此改進思路可為類似農用機械的零部件優化與改進提供參考。