前橋擺轉式四輪底盤轉向系統的轉向機理研究

呂　瑩，張　靜，李志偉

（1.羅定職業技術學院，云浮　527200；2.華南農業大學，廣州　510642）

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前橋擺轉式四輪底盤轉向系統的轉向機理研究

呂瑩1，張靜2，李志偉2

（1.羅定職業技術學院，云浮527200；2.華南農業大學，廣州510642）

摘要：四輪底盤在小地塊水田作業時，減少地頭空行轉彎時間是提高作業時間利用率的重要環節。為實現四輪底盤小半徑轉彎，以提高水田播插底盤作業率為主要研究目標，對四輪底盤在90°、180°等不同轉彎形式下進行分析，得出適合小地塊水稻播插作業時以較小轉彎半徑的轉彎方式；前橋擺轉四輪底盤在轉向時，通過控制前橋驅動輪的轉動，使前驅動橋主動圍繞著轉向裝置轉動，可以帶動底盤以任意角度轉向。采用ADAMS軟件對四輪底盤后輪軌跡進行模擬，在確保后輪完全不吃入已完成作業區的倒U轉彎方式的情況下，提出設計前橋擺轉式四輪底盤轉向系統的可行性。

關鍵詞：四輪底盤，轉向，前橋擺轉式，小轉彎半徑

0　前言

由于水田對土地平整度要求比較高，田塊面積增大時會增加平整的難度，故水田耕作地塊面積一般都比較小，特別是山區丘陵因地形影響，田塊大多小于0.133 hm2（2畝），還有很多0.067 hm2（1畝）以下的小田塊。不規整的小塊水田對田間作業機械機動性與操縱性要求較高，轉彎半徑大的水田機械不能滿足要求，限制了水田機械的推廣應用，使得大部分地區的水田機械化程度不高，特別是水稻播插機械化水平難以提高，嚴重影響著水稻生產機械化的發展。

1　我國水田機械的狀況

1.1不同轉彎方式對時間利用率影響

現今水田中所使用的拖拉機主要是引進于日本。這種底盤在進行播插作業時，主要采用偏轉的方式進行轉向[1-4]，需要助力裝置進行輔助轉向。這種底盤需要3.5～4.0 m的地頭寬度才能實現轉向，作業時增加了空行時間，并且無法實現直接進入下一畦作業，影響了播插作業時間利用率，如表1。表1中主要以偏轉轉向底盤為例，不同轉彎方式下的工作行程率與底盤的轉彎半徑有著密切的關系，轉彎半徑越大，工作行程率越小，而工作行程率越小，工作的時間利用率就越低，并且需要多次換擋操作，增大了轉彎時的操縱難度。在我國南方小地塊水田中使用的底盤，由于地塊面積小而短，空行時間率一般都在30%以上，高者竟達50%～70%。在這種小地塊中，底盤的尺寸愈大，工作速度愈高，其空行時間率也愈高。這不但要影響作業時間利用率，而且也會影響底盤及其機組的經濟性和使用成本。故以實現播插底盤能夠在地頭轉彎時直接進入下一畦為目標，減少空行時間，減小轉彎半徑是提高我國現階段不規整、小地塊水田作業機械適應性的關鍵技術難題。

表1　不同轉彎下的工作行程率Table 1 Operation working stroke rate under different turning

1.2我國水田機械研究現狀

迄今為止，以日本插秧機為代表的插秧機構、以華南農業大學羅錫文院士團隊研發的水稻直播機系列及農業部南京農業機械化研究所研發的毯狀秧苗播種機系列等播插機具已可實現水稻播插機械化作業，但是仍缺少能夠在小地塊水田中進行水稻播插的同時具有輕型、打滑率低、不雍泥雍水、轉彎半徑小等特點的水田農機底盤。日本所使用的插秧機底盤采用中高花紋輪胎和汽油機作為動力，雖然解決了底盤要具有輕型、打滑率底、不雍泥雍水等問題，但采用的前輪偏轉轉向方式仍無法解決在水田中實現轉彎半徑小的問題。因此，根據我國水田的特點，需研究適用于小地塊水田，具有較小轉彎半徑，在較小的地頭寬度能進行180°轉彎模式的四輪底盤，應用于掛接水稻播插機具作業，同時，底盤還要達到輕型、離地間隙大、轉向靈活（可在地頭寬度小的地方自由轉向）、方便進出入田地或過田埂的要求。

圖1　底盤結構原理簡圖Fig.1 The structure principle diagram of chassis

2　前橋擺轉轉向式四輪底盤轉向機理分析

2.1前橋擺轉四輪底盤的轉向機理分析

通過對現有所用的四輪偏轉轉向底盤、前后輪同時偏轉以及折腰式偏轉的四輪行走底盤的轉彎半徑的分析，可得出轉彎半徑對底盤工作效率有著重要的影響。因此，為了滿足底盤在小地塊旱地和水田中實現底盤轉向不進入已完成作業區，并具有轉彎半徑小、轉彎操作簡單的高效率轉向機構等功能。要研究一種高效率轉向的四輪行走底盤，就一定要解決轉彎半徑的問題，即盡量減少轉彎半徑。最理想的轉彎半徑是底盤寬度的一半，即轉動方向一邊的輪子的轉速應該是零。這樣底盤車架轉彎的時候其前橋的外側輪就會圍繞內側輪轉動，而內側輪是原地轉動，可實現在原地的連續轉彎180°如圖2所示的倒U型轉向，而不需要倒退等的輔助轉彎。因此，需研究一種轉向系統，使底盤車架在轉彎的時候車架能夠和前橋中心進行相對轉動，其轉向結構原理如圖1所示。這種新型的轉向系統——前橋擺轉轉向式轉向系統，在轉向時，一個前輪停止行走，另一個前輪繼續行走帶動前橋繞停轉的前輪轉動，同時通過前橋中部與車架的連接鉸鏈帶動車架轉向。這種底盤的車架要確保前橋的中心可作任意角度的轉動，同時還具有橫向浮動功能，這就能確保底盤的四個輪子均能同時著地，實現四輪底盤在小地塊中能以小的轉彎半徑、在小的地頭寬度能進行輕便和靈活地轉向。當該系統底盤在水田作業時，由于行走輪陷入土壤中一定深度，此底盤在水田轉向時免除了前輪偏轉轉向方式存在的轉向力的問題，只需控制前橋擺轉轉向底盤一側輪的停轉，另一側輪的繞轉，就能輕易的實現小轉彎半徑的轉向，并且后橋在轉向時可以保證不進入已完成作業區等要求。

圖2　倒U型轉彎模式Fig.2 Inverted U curve model

圖3　90°轉彎時各輪胎軌跡模型Fig.3 The tire trace model under 90°turning

2.2前橋擺轉四輪底盤行走輪軌跡模擬

為了更好驗證前橋擺轉轉向四輪底盤在轉彎過程中能否實現小轉彎半徑的目標，通過軟件ADAMS對底盤進行模擬仿真。ADAMS/View[13-18]具有較為強大的實體建模功能，能夠對零件質量、質心、慣性矩等進行自動計算，并能加入材料、色澤等特征信息。對于外形不是很復雜的零件，用ADAMS/View建模較為方便。

在ADAMS中建立前橋和后橋以及鉸接點等，鉸接點的位置設置在前橋的中點處，具體尺寸是：輪距為1 440 mm，軸距為900 mm，前輪半徑350 mm，后輪半徑250 mm?？紤]到重心前置的要求，模型中球的位置代表底盤車身的重心，球心位于距地面高度650 mm、距前橋300 mm的對稱平面上，車身質量為350 kg。分別建立底盤在90°、180°轉向時后輪軌跡，如圖3和圖4；通過ADAMS軟件模擬可得出前橋擺轉四輪底盤在轉向時轉彎半徑小，所需要的地頭寬度比較小，滿足設計要求，適合小地塊水田的播插作業。

圖4　180°轉彎時各輪胎軌跡模型Fig.4 The tire trace model under 180°turning

3　小結

前橋擺轉式轉向系統通過采用前橋中部通過垂直轉軸與縱向水平轉軸相結合的鉸接結構設計方案，可確保前橋繞垂直轉軸作任意角度的轉動，同時前橋在水平方向作一定角度的浮動，確保四輪能夠同時著地；通過ADAMS簡化模型，驗證了前橋擺轉式轉向方案滿足設計要求，為物理樣機能夠滿足直接作倒U形連續轉彎掉頭進入下一畦的要求提供了重要的理論依據。

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Research on the Steering Theory of Front Axle Swing Sowing Four-wheel Chassis

Lv Ying1, Zhang Jing2, Li Zhiwei2
（1.Luoding Polytechnic，Yunfu 527200, China 2.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；）

Abstract：Four-wheel chassis when working in a small piece of paddy field, reduce blank line turning time is an important link in work utilization rate operation time.In this paper, in order to realize four-wheel chassis small turning radius, increase the paddy field on chassis operation efficiency as the main research target, 90°, 180°in the four-wheel chassis under different forms of turning modeling analysis, and concluded that suitable turning way of smaller turning radius for small plot rice sowing operations ; When the front axle Swing four-wheel chassis steering, By controlling the rotation of the front drive axle, to the front drive axle can rotate active around the steering device, and drive the chassis steering in an arbitrary Angle; Through ADAMS software for simulating four-wheel chassis rear wheel track, and ensuring the rear wheels do not enter that the assignments section has been completed, put forward to design front axle pendulum type four-wheel chassis steering system operability.

Key words：four-wheel chassis; Steering; Front axle swing type; Small turning radius;

作者簡介：呂瑩（1982—），女，滿族，遼寧本溪市，講師，博士，羅定職業技術學院教師，研究方向為農業機械裝備及設施。廣東省羅定市西門崗5號，527200。Email: 26026174@qq.com