前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

呂 瑩，張 靜，吳 瀟，李志偉,

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云浮 527200；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

呂 瑩1，張 靜2，吳 瀟2，李志偉1,2

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云浮 527200；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤(pán)是一種可實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎半徑的底盤(pán)。在轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)控制前橋驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使前驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)圍繞著轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，可以帶動(dòng)底盤(pán)以任意角度轉(zhuǎn)向。根據(jù)擺轉(zhuǎn)式四輪底盤(pán)的功能要求確定了行走開(kāi)式液壓系統(tǒng)的技術(shù)方案， 針對(duì)擺轉(zhuǎn)式四輪底盤(pán)的前輪差速轉(zhuǎn)向的特性提出了走開(kāi)式液壓系統(tǒng)的主要功能模塊，進(jìn)而得出適合前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤(pán)的前輪的控制方式，為后續(xù)的擺轉(zhuǎn)式四輪底盤(pán)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法和元件選型計(jì)算過(guò)程提供依據(jù)。

四輪底盤(pán)；轉(zhuǎn)向；前橋擺轉(zhuǎn)式；液壓驅(qū)動(dòng)

0　引言

前輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向的拖拉機(jī)在松軟土地和水田中轉(zhuǎn)向困難是一種普遍存在的難題[1～5]。因此，很多拖拉機(jī)制造企業(yè)和研究人員都在致力研究減少轉(zhuǎn)向操縱力和減小轉(zhuǎn)彎半徑的兩個(gè)轉(zhuǎn)向問(wèn)題。為了改善拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向和操作方式，提高作業(yè)效率和使用安全性，提出了前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤(pán)的一種設(shè)計(jì)方案。根據(jù)前期的研究為了實(shí)現(xiàn)前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤(pán)的行走要求，本文通過(guò)對(duì)不同方案的分析，得出適合前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤(pán)前輪的動(dòng)力傳動(dòng)方式及設(shè)計(jì)方案。

1　前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤(pán)的轉(zhuǎn)向機(jī)理分析

1.1四輪底盤(pán)的行走工作要求

四輪底盤(pán)在設(shè)計(jì)功能上要滿足直行，左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、倒退以及一定的調(diào)速范圍等基本要求，現(xiàn)今在實(shí)際生產(chǎn)上所使用的輪式底盤(pán)一般都適合在大中型地塊中作業(yè)，而我國(guó)南方大部分地區(qū)的地塊主要均為小面積地塊，在這樣的地塊作業(yè)時(shí)輪式底盤(pán)不易轉(zhuǎn)彎，作業(yè)時(shí)間率較低，為此需要設(shè)計(jì)能夠在小地塊旱地或水田中進(jìn)行作業(yè)同時(shí)具有輕型、打滑率低、不雍泥雍水、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)的農(nóng)機(jī)底盤(pán)。

1.2前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤(pán)的機(jī)理分析

為了研究主要在小地塊旱地或水田作業(yè)，并具能夠進(jìn)行倒U型轉(zhuǎn)彎模式如圖1所示的作業(yè)方式的四輪底盤(pán)。需要設(shè)計(jì)一種高效率轉(zhuǎn)向的四輪行走底盤(pán)，而關(guān)鍵就是要解決轉(zhuǎn)彎半徑的問(wèn)題，即轉(zhuǎn)彎半徑小。最理想的轉(zhuǎn)彎半徑是底盤(pán)寬度的一半，即轉(zhuǎn)動(dòng)方向一邊的輪子的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是零。這樣底盤(pán)車架轉(zhuǎn)彎的時(shí)候其前橋的外側(cè)輪就會(huì)圍繞內(nèi)測(cè)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)測(cè)輪是原地轉(zhuǎn)動(dòng)。并且能夠原地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)180°。此種底盤(pán)在水田作業(yè)時(shí)，由于行走輪陷入土壤中一定深度，可免除前輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向方式存在的轉(zhuǎn)向力的問(wèn)題。結(jié)合以上對(duì)四輪底盤(pán)作業(yè)等方面的要求，本課題組設(shè)計(jì)了前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向四輪底盤(pán)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。擺轉(zhuǎn)式四輪底盤(pán)由兩個(gè)前驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向橋、機(jī)架以及安裝在機(jī)架上的兩個(gè)后輪（隨動(dòng)輪）構(gòu)成。其中，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)向時(shí)，一個(gè)前輪停止行走，另一個(gè)前輪繼續(xù)行走帶動(dòng)前橋繞停轉(zhuǎn)的前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)前橋中部與車架的連接鉸鏈帶動(dòng)車架轉(zhuǎn)向。設(shè)計(jì)車架時(shí)，確保前橋的中心可作任意角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還具有橫向浮動(dòng)功能，就能確保底盤(pán)的四個(gè)輪子均能同時(shí)著地，實(shí)現(xiàn)四輪底盤(pán)在小地塊中能以小的轉(zhuǎn)彎半徑、小的地頭寬度進(jìn)行輕便和靈活轉(zhuǎn)向。前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤(pán)以液壓驅(qū)動(dòng)代替了傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動(dòng)方式[7～9]，并且取消了繁瑣的機(jī)械式轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。兩個(gè)液壓馬達(dá)分別直接與底盤(pán)的兩前輪連接，將行走動(dòng)力輸入兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)向，兩邊的行走輪可同時(shí)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)或一邊停轉(zhuǎn)，一邊正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。

圖1　倒U型轉(zhuǎn)彎模式

圖中：E為地頭寬度，B為底盤(pán)輪距，L為底盤(pán)軸距，X為兩個(gè)工作行程間的距離，R為轉(zhuǎn)彎半徑，e為農(nóng)機(jī)具到輪軸的距離。

圖2　底盤(pán)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

2　轉(zhuǎn)向機(jī)理及其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1底盤(pán)行走液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一

根據(jù)底盤(pán)的行走及轉(zhuǎn)向方式的獨(dú)特要求，此套液壓系統(tǒng)中，兩個(gè)行走馬達(dá)是以串聯(lián)的形式接入油路，并且由同一個(gè)液壓馬達(dá)供油。由于閉式液壓系統(tǒng)中一泵只向一個(gè)液壓執(zhí)行元件供油，而開(kāi)式液壓系統(tǒng)中一泵可以向多個(gè)液壓執(zhí)行元件供油，所以，本文采用開(kāi)式液壓系統(tǒng)的方案[10]。其原理圖如圖3所示。

圖3　底盤(pán)行走的液壓系統(tǒng)

本套液壓系統(tǒng)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(dá)6,10。其中擺線液壓馬達(dá)能夠在底盤(pán)低速行駛下提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力矩，齒輪泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，油泵開(kāi)始為液壓系統(tǒng)供油，通過(guò)控制電磁閥組的工作位置來(lái)制定底盤(pán)的行走狀態(tài)。底盤(pán)行走工況與閥的工作位置關(guān)系如表1所示。

表1　方案一底盤(pán)行走工況與閥的工作位置關(guān)系

在執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎操作時(shí)，三位四通換向閥3打開(kāi)，并且需將圖中兩位三通閥4與電磁開(kāi)關(guān)閥7視為一個(gè)工作閥組，即同時(shí)吸合或斷開(kāi)電磁鐵。如此才能使底盤(pán)在進(jìn)行左轉(zhuǎn)向時(shí)，左輪能夠保持停止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)因?yàn)樾凶哌^(guò)程的慣性繼續(xù)向前行走。右轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作原理與左轉(zhuǎn)彎相同。

2.2兩前行走輪液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案二

圖4　行走液壓系統(tǒng)原理圖

本套液壓系統(tǒng)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(dá)。本套液壓油路與方案一的區(qū)別在于采用兩個(gè)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(gè)馬達(dá)進(jìn)油路和回油路上分別裝有緩沖油缸3,9。底盤(pán)行走工況與閥的工作位置關(guān)系如表2所示。

表2　方案二底盤(pán)行走工況與閥的工作位置關(guān)系

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同樣，以底盤(pán)進(jìn)行左轉(zhuǎn)彎工況來(lái)分析。在執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎操作時(shí)，三位四通換向閥打開(kāi)，電磁閥6處于右位，以切斷馬達(dá)5的供油使左輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁閥8處于左位，馬達(dá)7得以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到左轉(zhuǎn)向的目的。

2.3行走輪液壓系統(tǒng)方案

方案一與方案二均采用了馬達(dá)串聯(lián)式油路連接方案。液壓馬達(dá)串聯(lián)系統(tǒng)的功能是，可以通過(guò)控制電磁閥的工作位置來(lái)分配馬達(dá)的動(dòng)力。當(dāng)兩個(gè)馬達(dá)同時(shí)接入油路時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)底盤(pán)直線行走；當(dāng)切斷一側(cè)馬達(dá)的動(dòng)力時(shí)，亦即使一側(cè)馬達(dá)接入油路，另一側(cè)馬達(dá)停止接入油路，即可實(shí)現(xiàn)底盤(pán)繞一側(cè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。方案二與方案一的區(qū)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(tǒng)液壓閥數(shù)量。液壓閥數(shù)目的減少能夠提高系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)速度，降低系統(tǒng)的壓力損失，緩沖油缸的作用是能夠降低底盤(pán)在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力沖擊。因此，通過(guò)對(duì)比，底盤(pán)的行走液壓系統(tǒng)采用方案二的原理。

2.4試驗(yàn)驗(yàn)證

圖5　試驗(yàn)樣機(jī)

1）通過(guò)對(duì)自行組裝的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出樣機(jī)的性能參數(shù)如下：整機(jī)自重：350kg，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）1440×1440×900mm，行走速度1～15km·h-1，最大驅(qū)動(dòng)扭矩450N·m，最小轉(zhuǎn)彎半徑（相對(duì)前橋中心）0mm。

2）液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的前行、轉(zhuǎn)彎、后退功能，并能夠達(dá)到前橋擺轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎方式。

3）底盤(pán)在進(jìn)行地頭掉轉(zhuǎn)時(shí)大大簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向操作，在掉頭時(shí)所需地頭長(zhǎng)度最小為2200mm，掉頭時(shí)間為7.2s～11.8s，電磁閥動(dòng)作時(shí)間小于100ms時(shí)，轉(zhuǎn)向過(guò)程平穩(wěn)。底盤(pán)在行走速度越快，底盤(pán)所需轉(zhuǎn)彎時(shí)間越短。

3　結(jié)束語(yǔ)

前橋擺轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)采用前橋中部通過(guò)垂直轉(zhuǎn)軸與縱向水平轉(zhuǎn)軸相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可確保前橋繞垂直轉(zhuǎn)軸作任意角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)前橋在水平方向作一定角度的浮動(dòng)，確保四輪能夠同時(shí)著地；通過(guò)對(duì)前橋擺轉(zhuǎn)底盤(pán)行走輪液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化，為擺轉(zhuǎn)式四輪底盤(pán)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法和元件選型優(yōu)化計(jì)算提供依據(jù)。

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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?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及設(shè)施。