拖拉机线控液压转向系统理想角传动比获取及系统控制研究

发布时间：2020-07-17 06:23

【摘要】：转向系统决定了车辆的行驶方向,是影响车辆行驶性、稳定性和安全性的重要因素之一。目前拖拉机多采用全液压转向系统,全液压转向系统能减轻驾驶员负担,但是没有路感,驾驶员不能通过转向阻力感受路面信息,同时在不转向时,液压油也不断地被泵入转向器再流回油箱,能量损耗很大。但是由于拖拉机需要的动力大,成本控制得较低,因此先进的转向技术都没有在拖拉机上得到应用。然而,随着国内农业形势的改变,人们对拖拉机的舒适性、操稳性、安全性能要求的提高,加之电子技术成本的降低以及电液一体化的发展,液压转向技术和线控转向技术得到融合,发展了以电子控制技术为核心的线控液压转向技术。此转向系统具备线控转向系统所有优点和液压转向系统动力大的优点,被广泛运用于农业车辆和工程车辆。本文主要研究线控液压转向系统在拖拉机上的应用,并且根据线控液压转向系统角传动比可调的特点和电子控制技术的优点,对拖拉机在道路行驶时的理想角传动比以及转向系统的控制策略进行研究。本文主要完成了以下任务:(1)拖拉机人—机—地闭环系统的建立。减轻驾驶员的负担是本文研究的目的之一,因此建立了包括驾驶员在内的人—机—地闭环系统,并获取状态方程。同时验证了所建闭环系统的正确性。(2)横摆角速度增益值的优化。本文采用了定横摆角速度增益值不变的方法获取理想角传动比,而横摆角速度增益值常常依据经验取值,很难适应不同的车辆和工况,因此本文采用智能的方法对横摆角速度增益值进行优化。由于拖拉机在作业时常常需要转移工作地点,在道路上行驶,速度相对较高,有必要考虑拖拉机的操纵稳定性,因此本文以拖拉机道路行驶时的操稳性评价指标为目标函数,基于遗传算法对横摆角速度增益值进行优化。最终获取理想角传动比与方向盘转角、速度的脉谱图。(3)提出双通道模糊PID控制策略。针对单活塞杆液压缸的不对称性,提出双通道模糊PID控制的方法,基于Simulink/Simhydraulic建立系统的物理模型,完成正弦跟随、角脉冲响应和随机跟随仿真试验,分析线控液压转向系统在不同的控制方法下的转向效果,最终验证了双通道模糊PID控制方法高精度、快响应,并且能够弥补液压缸不对称性的影响。(4)完成台架试验。在已有的线控液压转向控制台架上完成正弦跟随、阶跃响应和随机转向试验,对比分析不同控制方法对转向精度的影响,从而验证双通道模糊PID控制方法的优越性。(5)完成样机的改装与试验。基于沃得854拖拉机型,对转向系统进行改装。针对改装后的液压油路,设计阀座,将所有的液压元件装在阀座上组成液压总成以减小能量损耗,并且与原转向系统并联。选取蛇形、稳态回转、角脉冲三种经典工况,在田间完成试验,包括翻耕前和翻耕后两种路面。对比分析不同控制方法的试验结果,进一步验证了双通道模糊PID控制策略不仅能够提高控制精度,同时能够弥补单活塞杆液压缸的不对称性。(6)总结与展望。总结本文的研究工作,归纳本文的创新点,展望相关领域技术的研究与发展。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S219
【图文】：

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向负担过重，因此迫切地需要发展新的转向系统。逡逑然而，打破这一设计是在２０世纪５０年代，液压助力转向系统的出现，从此助力逡逑装置便成为主流转向系统的一个衡量标准［５］，其结构图如图１－１所示。机械式液压助逡逑力转向系统利用发动机驱动液压泵产生液压助力，放大并且补偿了驾驶员对方向盘施逡逑加的转向力矩，从而使驾驶员操纵车辆转向时的力减小，减轻驾驶员的疲劳感。同时逡逑能够使驾驶员更轻松地完成急转弯避免交通事故，提高安全性能。此外，它还能利用逡逑液压缸的作用缓冲吸收路面传递到方向盘的振动，提高了驾驶员舒适性。伴随着电控逡逑技术的发展，电动液压助力转向系统渐渐地取代机械式的，不再消耗发动机的动力驱逡逑动液压泵，而是采用电动泵单元。但还是存在一些缺点，燃油经济性、存在渗油问题逡逑以及参数不能调节等。逡逑储油罐Ｊ逡逑ｙｆ逦转向柱逡逑转向助力泵＾逡逑控制逡逑动力缸逡逑图１－１液压助力转向系统结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｐｏｗｅｒ邋ｓｔｅｅｒｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑２０世纪７０年代，美国成功研发了负荷传感型全液压转向系统［６１，其结构如图１－２逡逑所示

系统结构图,全液压转向,系统结构图

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｓｔｅｅｒｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑随着人们要求的日渐提高，在２０世纪８０年代末，日本铃木公司首次将电动助力逡逑转向系统运用到自己的车上［１Ｇ］。结构图如图１－３所示，此系统采用直流电机取代了传逡逑统助力系统中的液压泵，少了油管回路和阀体，大大简化了结构。电动助力转向根据逡逑电机助力的对象不同分为转向柱助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种不同的类型［１１］。逡逑只有在驾驶员转动方向盘时，电机才提供补偿的转向力矩，避免了液压泵一直工作而逡逑带来的能量损耗。并且系统所提供的助力可以根据车辆的类别、车速或者驾驶员的喜逡逑好进行调节，具有更高的灵活性。由于电机提供的动力较小，因此多适用于汽车。逡逑图１－３电动助力转向系统结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｐｏｗｅｒ邋ｓｔｅｅｒｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１．转向电机２．转向柱３．转向齿轮４．转向齿条逡逑线控技术最早出现于航空领域，许多商用和军用飞机都采用了线控飞行飞控系统。逡逑线控技术还可以运用于驾驶、节流阀、制动以及最新的转向系统。随着电子技术与汽逡逑车技术的结合，到２０世纪末，奔驰公司首度在自己的概念车（Ｆ４００Ｃａｒｖｉｎｇ）上安装逡逑了线控转向系统［１２１，实现了线控转向技术在实车上的运用。传统转向系统的机械结构逡逑被舍弃，取而代之以传感器、执行机构和电子控制单元［５’１３１。传感器检测到驾驶员的逡逑意图送入到控制器中

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Ｖ逦＾逡逑图１－２全液压转向系统结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｓｔｅｅｒｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑随着人们要求的日渐提高，在２０世纪８０年代末，日本铃木公司首次将电动助力逡逑转向系统运用到自己的车上［１Ｇ］。结构图如图１－３所示，此系统采用直流电机取代了传逡逑统助力系统中的液压泵，少了油管回路和阀体，大大简化了结构。电动助力转向根据逡逑电机助力的对象不同分为转向柱助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种不同的类型［１１］。逡逑只有在驾驶员转动方向盘时，电机才提供补偿的转向力矩，避免了液压泵一直工作而逡逑带来的能量损耗。并且系统所提供的助力可以根据车辆的类别、车速或者驾驶员的喜逡逑好进行调节，具有更高的灵活性。由于电机提供的动力较小，因此多适用于汽车。逡逑图１－３电动助力转向系统结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｐｏｗｅｒ邋ｓｔｅｅｒｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１．转向电机２．转向柱３．转向齿轮４．转向齿条逡逑线控技术最早出现于航空领域，许多商用和军用飞机都采用了线控飞行飞控系统。逡逑线控技术还可以运用于驾驶、节流阀、制动以及最新的转向系统。随着电子技术与汽逡逑车技术的结合，到２０世纪末，奔驰公司首度在自己的概念车（Ｆ４００Ｃａｒｖｉｎｇ）上安装逡逑了线控转向系统［１２１

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