一种拖拉机转向系统的改进对比分析

时间：2024-05-24

龚煌辉

(湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)

0 引言

随着当前农用机械智能化技术的不断研发与应用，农业拖拉机作为主要的牵引动力装置，已由传统的工作方式逐步向自动高效率的控制模式转变。经查阅相关技术文献可知，国内外农业学者针对拖拉机的零部件及整机工作效率提升做出了不同角度、不同切入点的试验与研究。就转向系统而言，付卫强等通过研究车轮的转角测量方法获取精确适宜的转向控制方式；就导航系统而言，白秉旭等引入模糊控制算法理论进行设计优化。笔者结合当前拖拉机的机械制造与设计技术，针对一型号的轮式拖拉机转向装置进行了分析探讨。

1 转向系统概述

车辆的转向方式有多种，主要包括靠改变行走装置的驱动轮施力而实现转变方向的履带式机及手推式机，靠车辆轮胎主动进行角度偏转实现转变方向的轮式机。配套优质的轮式机在驱动轮力与方向的共同作用下进行转向控制，这一过程中轮胎做滚动运动，须满足相应的运动与力矩关系。

拖拉机转向系统反应灵敏与准确性很大程度决定了拖拉机的作业效率，拖拉机核心部件及参数如表1所示。图1所示为一种拖拉机转向系统的工作简图。

表1 拖拉机核心部件及参数Table 1 Main components and parameters of the tractor

图1 拖拉机转向系统工作简图Fig.1 Working chief diagram of the tractor steering system

由图1可知：整个系统由泵提供动力进行能量的传递，主要由方向盘、转向器、转向执行装置及相应的提供动力源装置(油泵配套系统)等组成，通过操纵人员给出一定的转向信号，拖拉机转向系统进行判断并动作。

2 转向系统改进

2.1 数学模型

分析拖拉机转向系统在行进过程中的机构运动规律，拖拉机的轮胎滑转率为

(1)

式中ω—拖拉机前轮的转角速度(rad/s)；

r—拖拉机前轮的滚动半径(cm)；

v—拖拉机运动时的整机中心速度(km/h)。

依据式(1)，结合转向节臂、摇臂、转向器与连接拉杆间的尺寸配合关系，建立转向机构车轮转向角的数学模型，即

(2)

同理，可推导出

(3)

式中α—拖拉机的左车轮转向角度(°)；

R0—拖拉机的轮胎转向半径(cm)；

L—拖拉机的前后车轮轴距(cm)；

K—拖拉机的前车轮左右轮距(cm)。

由式(2)、式(3)得到拖拉机运动任意时刻的等效转向角为

(4)

同时，建立拖拉机转向系统角度控制改进的轮廓思路，优化流程简图如图2所示。优化主要从转向系统的硬件配置与软件控制两方面进行展开，改进理念为将全液压的转向控制优化为线控液压转向控制。其中，控制执行阀与油泵型号的选取与匹配、角度传感器的安装部位确定及设计转向实时调控指令成为核心任务。

图2 拖拉机转向系统角度控制改进流程简图Fig.2 Improvement process diagram of the angle control on the steering system in the tractor

2.2 硬件组成改进

采用液压与控制技术相结合的线控液压转向系统，主要依据在于：拖拉机的轮胎在转向过程中会同时承受横向力、纵向力与惯性力的作用，因而拖拉机的转向状态由这三者的转速合成，将要求的转向角度与实际的转向角度通过PID模糊控制算法，编制ECU控制规则表控制动作。该转向系统的核心部件参数包括比例溢流阀、转角传感器、压力表及开关等，进而实现预期的转向系统改进，如表2所示。

表2 拖拉机转向系统核心部件设计Table 2 Main components design of the tractor steering system

根据拖拉机方向盘转角传感装置与油缸位移传感装置的信号，通过信号采集调整模块，经蓄能电源控制的PLC驱动控制电路及关键电磁比例换向阀推动拖拉机转向系统油缸装置动作，最终推动拖拉机的四轮进行转向，如图3所示。此硬件设计改进较全液压转向表现在传动比实现了更为符合实际且精准的调整与控制。

图3 拖拉机转向系统硬件组成改进Fig.3 Improvement of hardware composition of the tractor steering system

2.3 软件控制优化

针对拖拉机的转角信号采集与电机驱动，结合CAN通讯进行控制程序优化，对核心反馈原件角度位移传感器进行参数设置，包括输出信号范围、分辨率与识别精度等。该拖拉机转向装置配备精度达0.1°的角度位移传感器，将获得的拖拉机转角信号经放大电路后转换为可识别控制的电压信号。

同时，针对拖拉机的转向油缸位移进行核心控制程序写入(流程图见图4)，通过比较调整输出准确的转向控制信号，保证动作有效。此处给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;

…

图4 拖拉机转向系统控制程序流程图Fig.4 Flow chart of control procedure of tractor steering system

3 性能试验

3.1 条件设置

进行拖拉机转向系统改进装置的性能测试，按照图5所示的测试布置简图，选取4816数据采集卡将转向控制角、转向动作阻力与拖拉机行进速度3个关键采集参数经传递感应装置汇至其上，从而通过相应的测试显示控制界面来实现可视化试验。

图5 转向系统改进参数测试布置Fig.5 Improved parameters test layout of the steering system

拖拉机转向装置性能试验外观接线简图，主要包括转向装置控制部件和执行部件，如图6所示。进一步设定前置条件：①设定与田间作业环境相似的场地；②保证转向系统运行稳定后记录数据；③电源装置供应可靠等。

(a) 转向控制部件连接

(b) 转向动作部件连接图6 拖拉机转向装置性能试验简图Fig.6 Performance test diagram of the tractor steering device

3.2 过程分析

利用MatLab工具与测试参数有效性理论进行数据分析处理，并选取拖拉机整机改进的关键参数进行综合评价，如表3所示。评定前以数字1～10的排位进行优劣分析。由表3可知：整体较全液压转向控制评价指标均有提升。其中，拖拉机的转向刚度评价值可由改进前的6.1提高到7.8；整机的车轮回正满意度可由改进前的5.9提高至7.5；转向灵敏度可由改进前的7.1提高至8.5。综合来看拖拉机的转向系统改进测试效果明显。

为进一步验证该转向系统改进的可实施性，绘制如图7所示的转向系统改进前后的对比曲线，在同等频率的采样时间条件下，得出：A曲线为改进前的拖拉机转角运行误差，在初步动作阶段的误差较大，可达0.5m，随后逐步趋于稳定，误差控制在±0.22m范围内；B曲线的采样到转角误差范围波动平稳控制在±0.15m范围内，可见改进后的转向控制系统平稳可靠。

表3 拖拉机转向性能试验关键参数评价Table 3 Key parameters evaluation of the tractor steering performance test

A.转向系统改进前采样误差 B.转向系统改进后采样误差图7 拖拉机转向系统改进对比曲线Fig.7 Contrast curves of the tractor steering system before and after improvement