拖拉机同辙转向机构的设计与试验

拖拉机同辙转向机构的设计与试验

赵人财 ， 马旭 ， 齐龙 ， 李瑞川

1

1※

1

2

（1. 华南农业大学工程学院，广州 510642； 2.山东五征集团有限公司，五莲 262300）

摘 要：拖拉机实现同辙转向不仅转弯半径小，而且能够大大减少在田间作业时对土壤的压实和对作物的碾压，因此有必要对此类拖拉机进行研究。本文依据阿克曼基本转向原理，在四轮转向（Four Wheel Steering 简称4WS ）理论的基础上计算推导出实现拖拉机同辙转向的前后轮转角关系，并设计了一套能用于可变轮距和地隙的拖拉机同辙转向机构；运用Pro/E建立了可变轮距与地隙的四轮转向拖拉机三维实体模型，进行了机构间的干涉检验，采用ADAMS 软件进行了同辙转向机构的初步仿真，根据仿真得出的拖拉机行驶轨迹优化了机构参数。最后，研制了拖拉机同辙转向机构试验样机，进行了不同前进速度和转角下的道路试验。试验结果与仿真结果基本吻合，研制的同辙转向机构的性能基本满足使用要求。 关键词：拖拉机；四轮转向；同辙转向；设计；试验 中图分类号：S219.02

0 引 言

拖拉机同辙转向是指在转向时，后轮能沿着前轮的轨迹行驶。拖拉机实现同辙转向时不仅转弯半径小，转向灵活、轻便，而且在田间作业时能够减少对作物的碾压和对土壤的压实，因此有必要对拖拉机的同辙转向机构进行研究。拖拉机要实现同辙转向，必须采用四轮转向技术。目前国内外关于4WS 在汽车领域的研究比较多[1-3]，其中硬件研究主要集中在后轮转向的实现方面，软件的研究主要集中在4WS 的优化控制方面[1]。相对汽车领域四轮转向系统的研究而言, 四轮转向拖拉机（如意大利的RIRONE 牌喷药机）的研究较少，但利用4WS 技术来实现拖拉机同辙转向方面的研究未见报道。

本文在分析同辙转向理论的基础上，运用Pro/E软件建立了拖拉机同辙转向机构的三维模型，然后导入ADAMS 软件，对该模型进行了初步的仿真试验，最后制作试验样机，进行了道路试验。

B

α cot − cot β = （1）

L

式中，α-外转向车轮转角；

β-内转向车轮转角； L-汽车的轴距；

B-两转向节主销中心线延长线与地面的交点之

间的距离。

图1. 四轮转向时前后轮转角关系

Fig.1 The rotation relationship between inside and outside steering

wheels at two-wheel steering

1 同辙转向理论分析

车辆在转向过程中，为了使车轮避免或减小磨损，

在转向时，所有车轮都要求同时绕一瞬时转动中心做圆周运动，以保证车轮做纯滚动而无滑动[2]。为实现这一要求，内外转向车轮应转动不同的角度（如图１）。此时内外转向轮应符合以下公式：1 ∗ 收稿日期： 修订日期：

项目基金：国家“十一五”科技支撑计划项目（2009BADB5B02） 作者简介：赵人财（1986—），男（汉族），广东韶关人, 硕士，研究方向：汽车转向设计。广州 华南农业大学工程学院，510642。Email: [email protected] ※通讯作者：马旭（1959—），男（汉族），教授，博士生导师，研究方向：农业机械设计理论与检测技术。广州天河五山483号工程学院，510642。Email: [email protected]

对于四轮转向的车辆，分别利用上述的两轮转向的理想转角关系作为前后轮转角关系的依据，可得出以下的理想关系式：

B B cot α−cot β=cot α 1 − cot β 1 = ， 2 2 L （2）

L 12

若 L 1 则有 1 = α 2 ， β 1 = = L 2 = 1/ 2 L αβ 2 （3）

此时拖拉机内侧轮和外侧轮分别沿着两个半径不同的同心圆行驶，拖拉机同一侧的前后轮转向角大小相等，方向相反（如图２），此时能实现前后轮同辙。

图2. 四轮转向时前后轮转角关系

Fig.2 The rotation relationship between front and rear steering wheels

at four-wheel steering

2 同辙转向机构三维建模

为了保证前后轮同辙转向，综合以上的理论分析，本文采用由前后正反转向梯形和中间连杆机构组成的同辙转向机构（如图３）。中间的连杆机构能使前后转向梯形联动，并且前后轮转向相反。该机构由拨杆1和5，竖拉杆2和4以及换向杆3组成。拨动杆1和5可绕着固定点O 1，O 3转动。拨杆1和5一端在横拉杆BC 和EF 上的槽内（为了消除杆件运动时的干涉，此处采用一个可转动的槽，保证左右拨动横拉杆）。其工作原理如下：要使前轮向右偏转，转向执行机构驱动横拉杆BC 向左移动，带动杆1绕O 1点逆时针转动，使杆2向下移动，带动杆3绕O 点逆时针转动，使杆4向上移动，带动杆5绕O 3点顺时针转动，使横拉杆EF 向左移动，后轮向左偏转。

图3. 同辙转向机构示意图

Fig.3 The schematic diagram of the same-rut-steering mechanism

当前轮向左偏转时，通过中间杆系的传动作用，使后轮右偏转。

根据以上的转向机构方案，运用Pro/E软件建立了同辙转向拖拉机三维实体模型（如图４）。此三维模型的轴距为2500mm, 轮距为1300mm ，车轮宽150mm ，前后轮最大转角范围为±45°, 后轮驱动。由于只是仿真行驶轨迹的需要，所以在建模过程中忽略了发动机、制动系、悬架等与拖拉机转向并无直接关系的具体机构模型[3]。

图４. 运用Pro/E建立的拖拉机仿真模型

Fig.4 Tractor simulation model built by Pro/E.

3 仿真与结果分析

把三维实体模型导入ADMAS 中，添加模型相应的约束和力，设定轮胎与地面的摩擦因数[4-5]，并以后轮差D （即后轮实际行驶轨迹与理想行驶轨迹的间距）的大小来描述拖拉机同辙行驶的程度，即同辙度。后轮差越小，同辙度就越高。

为了验证1中建立的同辙理论是否能够真正实现同辙，分别进行了以下三种形式的仿真，并把仿真得出的数据绘制成直观的直角坐标图。

一是固定前轮的转角（分别是10°，20°和30°）和车速（分别是5km/h, 10km/h和15km/h），在原地进行等速圆周行驶；二是拖拉机由直线行驶变换为转弯行驶时（转弯行驶），分别只改变转向轮偏转速度ω和车速V ；三是拖拉机由转弯行驶逐步回正为直线行驶时（回正行驶），分别只改变ω和V 。

仿真结果表明，当前轮转角和车速固定不变时，拖拉机绕着一转向中心转圈，前后轮完全同辙。当拖拉机转弯行驶时，有后轮差D 产生，存在前后轮不同辙，V 不变，ω变化时，D 随着ω的增大逐渐变大（如图５a ）, ω不变，V 变化时，D 先是变大，然后逐渐变小（如图５b ）。当拖拉机回正行驶时，也有后轮差D 产生，并且D 随着ω和V 的增大而增大，但因V 变化引起的D 变化的幅度更明显（如图６）。

拖拉机转弯或回正行驶时，前轮行驶轨迹实际为螺旋线（如图７），图中O 点为转向中心，R 1和R 2为后轮与地面的实际接触点到O 点的距离，R 1'

和R 2'

为后轮与地面的理想接触点到O 点的距离。

因为前后轮始终绕着

同一圆周转动，转弯行驶时后轮差产生在前轮轨迹线的内侧（如图７a ）；而由转弯逐渐回正为直线行驶时，后轮差产生在前轮轨迹线的外侧（如图７b ）。当行驶速度恒定时，随着ω的增大，

R 1−R 1'

和

R 2−R 2'

都变大，所以

后轮差的值会变大；当ω恒定时，随着V 的增加，

R 1−R 1'

和

R 2−R 2'

也变大。但是，车速增加时，后轮

将出现甩尾，甩尾抵消了部分内侧的后轮差，车速越快，甩尾越明显，内侧后轮差越小（如图５b ）；而回正行驶

时却因甩尾的加剧使后轮差明显变大（如图６b ）

。

a b

图５. 转向行驶时W 、V 与D 的变化关系

Fig.5 The relationship betweenω(V) and D when run at Turn driving

a b

图６. 回正行驶时W 、V 与D 的变化关系

Fig.6The relationship betweenω

(V) and D when run at Return driving

a b

图７. 转弯行驶(a)与回正行驶(b)时前轮的行驶轨迹线 Fig. 7The track of front wheels at Turning driving(a) or Returning

driving(b)

4 试验验证

依照以上的设计方案，制作了一台轴距为2500mm, 轮距为165mm ，高为155mm ，整车重约400kg 的试验车（如图8a ）。为了清晰地显示车轮行驶的轨迹，本试验在光滑的较平地面上进行，并在车辆行进中给其单侧轮子滴水，车轮行驶过后留下的水的痕迹为车轮轨迹。分别进行了以下两组试验：一是固定前轮的转角（分别

是10°，20°和30°）和车速（分别是5km/h, 10km/h

和15km/h），在原地进行等速圆周行驶；二是分别在车速为5km/h, 10km/h和15km/h下进行轨迹为“S ”形的试验[6]。

a b c

图8. 试验样车a ，圆周行驶轨迹b, “S ”形行驶轨迹c Fig. 8 The test prototype vehicle (a) , circular running track(b), "S"

shape running track(c)

试验表明，试验车沿原地转圈行驶，前轮转角分别

在10°和20°时，前后轮能够完全同辙行驶（如图8b ）；但转角为30°时，后轮有轻微侧滑，原因可能是加工和调整的误差使后轮的转角关系不能很好的符合汽车的转向原理引起的。当走“S ”形试验时，有后轮差D 产生（如图8c ）。车速越快，转向轮偏转速度越快，转角越大时D 值越大，D 最大时约为一个轮宽。产生的原因可能有以下一种或者几种：一是制造和调整后转向轮的误差，二是急转弯时，后轮出现甩尾，三是轮胎与水平光滑地面之间有水，使轮胎附着力大大减小。以上三种原因的叠加，加剧了后轮的侧滑，使后轮差D 变大。

以上的试验结果与仿真结果基本吻合。然而，拖拉机在田间掉头转弯时，其行使轨迹是近似于圆周的，行使速度是比较小的（5km/h左右）。并且其整车质量比试验车大很多，地面也更粗糙，因此轮胎的附着力会大，后轮侧滑会减小。在这种情况下，以上介绍同辙理论和同辙转向机构是基本能够满足拖拉机同辙转向要求的。

5 结论

（1）本文在四轮转向理论的基础上推导出：四轮转向时，

前后轮转角大小相等，方向相反时能实现同辙转向的前后轮转角关系。

（2）设计了一同辙转向机构，应用Pro/e建立一装有此

转向机构的拖拉机三维模型, 并在ADAMS 中进行了行驶轨迹的仿真试验。设计制造了一台试验样机，并进行了道路试验。

（3）仿真和试验结果表明：车速，转向轮偏转速度，前

轮转角大小对拖拉机行驶的同辙度有影响。

（4）在原地转圈时，拖拉机前后轮能够同辙；当车速V

和转向轮偏转速度ω变化时有后轮差产生，前后轮不能完全同辙。当考虑到拖拉机的实际工作状态，以上介绍的同辙理论和同辙转向机构是基本能够满足拖拉机同辙转向要求的。

（5）为了能得到更好的同辙度，前后轮间的转角应有一

定的角度差（转弯行驶时，后轮转角应小于前轮转角，回正行驶时则相反），并且差值的大小应随着车速和转向轮偏转速度的变化而变化，以抵消车速和转向轮偏转速度的变化对同辙度的影响。

[参 考 文 献]

[1] 郭孔辉，轧浩. 四轮转向的控制方法的发展[J] . 中国机械工

程, 1998（3）：1-4

[2] [3]李延铎，王健康. 汽车拖拉机转向机构的优化设计[J].机

械，1993（5）：18-21

[3] 王望予. 汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004. [4] 陈家瑞. 汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2006. [5] 颜四平，黄玲琴等. 基于ADAMS 的四轮转向汽车虚拟样机建

模与动力学仿真 [J] .设计与研究.2007（9）：68-71. [6] Cariou,Christophe;Lenain,Roland;Thuilot,Benoit;Berducat,Mich

el.Automatic guidance of a four-wheel-steering mobile robot for accurate fied operations:Journal of Fied Robotics, v26, 2009，504-518.

Design and Test of Tractor’s Same-Rut-Steering Mechanism

Rencai Zhao1,Xu Ma1,Long Qi1，Ruichuan Li2

(1. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Shandong Wuzheng Group Co., Ltd., Wulian, 262300, China)

Abstract: When tractor steers in the same rut, it can not only improve its flexibility in steering, but also reduce soil compaction and crop

rolling. In this paper , the concept of tractor steering in the same rut was proposed on the basis of four-wheel-steering (4WS) theory, and the angle relationship between front wheel and rear wheel, which can achieve the same-rut-steering, was established. A three-dimensional model of tractor’s same-rut-steering mechanism was established by the Pro/E software, and its running tracks were simulated in the ADAMS environment. Simulation results show that the same-rut-steering accuracy was affected to some extent when tractor’s speed or steering wheel deflection rate was changed. Then a test prototype of tractor’s same-rut-steering mechanism was developed, and some tests were conducted under different forward speeds and angles. Tests shows that the tractor’s same-rut-steering mechanism disigned can basically meet the requirements. At last, methods for improving the same-rut-steering accuracy were put forward. This study lay the foundation for the development of new tractors, especially the same-rut-steering mechanism.

key words: Tractor; Four Wheel Steering(4WS); Same Rut Steering; Design; Test

拖拉机同辙转向机构的设计与试验

作者：作者单位：

赵人财， 马旭， 齐龙， 李瑞川

赵人财,马旭,齐龙(华南农业大学工程学院,广州 510642)， 李瑞川(山东五征集团有限公司,五莲 262300)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Conference_7566618.aspx