文獻(xiàn)綜述-鐵牛65拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)建模與仿真分析2011.3.6.doc

石河子大學(xué)文 獻(xiàn) 綜 述 題 目：鐵牛65拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的建模與仿真 學(xué)生姓名： 沈 雷 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 自 動(dòng) 化 班 級(jí)： 2007級(jí)機(jī)制（3）班 院 系： 機(jī) 電 學(xué) 院 指導(dǎo)教師： 馬 蓉 完成日期： 2011-3-17 石河子機(jī)電學(xué)院 2011 年 3 月 17 日鐵牛65拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)建模與仿真分析摘要：鐵牛65的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)是拖拉機(jī)中比較先進(jìn)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比起傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著節(jié)能、減輕自重、布置靈活等諸多的優(yōu)點(diǎn)，因此它已經(jīng)成為拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)之一。通過(guò)利用matlab、adams和solidworks控制聯(lián)合建模與仿真，對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向的優(yōu)化做深入的分析與探討，最后在現(xiàn)有的操縱穩(wěn)定性問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上對(duì)于仿真的結(jié)果做出具體的評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向；建模；仿真Abstract: Hydraulic Power Assisted Steering System of tie niu 65 is more advanced at tractors; this system has some advantages such as energy conservation, dead load relieving and flexible decorating, and so on. Thus it is also a widespread technology applying in the steering system of tractor. Through making use of matlab, adams and solidworks to control and unite to modeling and simulation, make a Simulation Analysis on optimizing with the steering system. At last, come to a evaluation with the result of modeling at the foundation of the stability of controlling in existence. Key word: Hydraulic Power Assisted Steering System; modeling; simulation一研究背景及目的： 拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是決定安全性的關(guān)鍵總成之一，人們?cè)隈{車(chē)的過(guò)程中操縱方向盤(pán)的頻率是最多的，在長(zhǎng)期的行程中，如果轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)操縱性不好，駕駛員很容易會(huì)產(chǎn)生疲勞感，這在駕駛中是相當(dāng)危險(xiǎn)的。考慮了拖拉機(jī)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械子系統(tǒng)與液壓子系統(tǒng)，用matlab建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用solidworks仿真軟件建立了拖拉機(jī)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型并用adams軟件聯(lián)合分析。仿真分析扭桿剛度和系統(tǒng)供油流量的變化等對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響情況，并進(jìn)行優(yōu)化。從而改善目前拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能。聯(lián)合仿真的原理：ADAMS或SOLIDWORKS建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)的機(jī)械模型并添加外部載荷及約束，MATLABSimulink建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)的控制部分，ADAMSControls(控制模塊)將兩者連接起來(lái)，利用MATLABSimulink的控制輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械模型，并將ADAMS中機(jī)械模型的位移、速度等輸出反饋給控制模型，實(shí)現(xiàn)在控制系統(tǒng)軟件環(huán)境下進(jìn)行交互式仿真，還可以在ADAMSView或ADAMSSolver中觀(guān)察仿真結(jié)果。二數(shù)學(xué)建模：數(shù)學(xué)建模是一種數(shù)學(xué)的思考方法，是運(yùn)用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言和方法，通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化建立能近似刻畫(huà)并解決實(shí)際問(wèn)題的一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段【1】。當(dāng)需要從定量的角度分析和研究一個(gè)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，人們就要在深入調(diào)查研究、了解對(duì)象信息、作出簡(jiǎn)化假設(shè)、分析內(nèi)在規(guī)律等工作的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的符號(hào)和語(yǔ)言，把它表述為數(shù)學(xué)式子，也就是數(shù)學(xué)模型，然后用通過(guò)計(jì)算得到的模型結(jié)果來(lái)解釋實(shí)際問(wèn)題，并接受實(shí)際的檢驗(yàn)。這個(gè)建立數(shù)學(xué)模型的全過(guò)程就稱(chēng)為數(shù)學(xué)建模。建模過(guò)程分為七個(gè)步驟：1. 模型準(zhǔn)備2. 模型假設(shè)3. 模型建立4. 模型求解5. 模型分析6. 模型檢驗(yàn)7. 模型應(yīng)用數(shù)學(xué)模型一旦建立，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題就變成了一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專(zhuān)業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué),工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C,FORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多. 當(dāng)前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox).工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包.功能工具包用來(lái)擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算,可視化建模仿真,文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能.學(xué)科工具包是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的工具包,控制工具包,信號(hào)處理工具包,通信工具包等都屬于此類(lèi). 開(kāi)放性使MATLAB廣受用戶(hù)歡迎.除內(nèi)部函數(shù)外,所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件,用戶(hù)通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫(xiě)程序構(gòu)造新的專(zhuān)用工具包.數(shù)學(xué)建模在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，既使方案在規(guī)定的設(shè)計(jì)要求下達(dá)到某些優(yōu)化的結(jié)果，又不必耗費(fèi)過(guò)多的計(jì)算工作量。因此，數(shù)學(xué)建模中優(yōu)化方法的應(yīng)用已經(jīng)成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一種手段【2】。三SolidWorks的功能簡(jiǎn)介 Solidworks提供了強(qiáng)大的基于特征的實(shí)體建模功能。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。它能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用【3】。 SolidWorks一貫倡導(dǎo)三維CAD軟件的易用性、高效性。 SolidWork軟件的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)包括：1. 全Windows界面，操作非常簡(jiǎn)單方便； 2. 清晰、直觀(guān)、整齊的全動(dòng)感用戶(hù)界面； 3. 靈活的草圖繪制和檢查功能； 4. 強(qiáng)大的特征建立能力和零件與裝配的控制功能；5. 工程圖； 6. 數(shù)據(jù)交換；7. 支持工作組協(xié)同作業(yè)；8. SolidWorks合作伙伴計(jì)劃和集成軟件作為基于Windows平臺(tái)的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)的核心軟件，SolidWorks 完整提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的解決方案。四動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams介紹機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是世界上應(yīng)用最為權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件【4】【5】。軟件是美國(guó)MDI(MechanicalDynamics Inc)公司開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，是虛擬樣機(jī)領(lǐng)域中非常優(yōu)秀的軟件，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到汽車(chē)制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國(guó)防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域，并取得了滿(mǎn)意的效果。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線(xiàn)ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等【6】。五液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的原理及系列拖拉機(jī)的主要參數(shù)工作原理：轉(zhuǎn)向油泵將轉(zhuǎn)向油箱中的液壓油供給液壓轉(zhuǎn)向總成，液壓轉(zhuǎn)向總成控制液壓油的流向，從而控制轉(zhuǎn)向油缸活塞的伸縮，通過(guò)調(diào)節(jié)桿和轉(zhuǎn)向臂使拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向件偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向【7】。目前，車(chē)輛上安裝使用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多為液壓助力式，如下圖為液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖：而根據(jù)方向控制閥的不同，分為滑閥式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)閥式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與其他轉(zhuǎn)向裝置比較，轉(zhuǎn)閥式液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有操縱靈活輕便、結(jié)構(gòu)緊湊、利于布置安裝、性能穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用極為廣泛【8】。鐵牛65拖拉機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括：CBN-E440型齒輪泵、FLD-D7.5單路穩(wěn)定分流閥、BZZ1-100轉(zhuǎn)閥式全液壓轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向液壓缸等液壓元件及轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向橫拉桿總成等機(jī)械部分【9】。BZZ1-100轉(zhuǎn)閥式液壓轉(zhuǎn)向器的選用也是考慮到轉(zhuǎn)閥式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。約翰迪爾650（鐵牛65）拖拉機(jī)具體參數(shù)如下：約翰迪爾650的助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖：約翰迪爾650（鐵牛65）拖拉機(jī)機(jī)主要特點(diǎn)：裝備國(guó)內(nèi)名牌發(fā)動(dòng)機(jī)，功率強(qiáng)勁，扭矩儲(chǔ)備大；駕駛室采用整體式框架、鋼化玻璃，視野開(kāi)闊，駕乘環(huán)境舒適；變速箱具有高速檔位，滿(mǎn)足重載運(yùn)輸作業(yè)；分置式液壓提升系統(tǒng)，具有強(qiáng)迫下降功能，農(nóng)具入土作業(yè)效果佳；操縱輕便，能滿(mǎn)足耕、耙、播、收等農(nóng)田作業(yè)。與約翰迪爾同系列的拖拉機(jī)還有654型的，具體參數(shù)如下：約翰迪爾654拖拉機(jī)機(jī)主要特點(diǎn)：裝備國(guó)內(nèi)名牌發(fā)動(dòng)機(jī)，功率強(qiáng)勁，扭矩儲(chǔ)備大；駕駛室采用整體式框架、鋼化玻璃，視野開(kāi)闊，駕乘環(huán)境舒適；四輪驅(qū)動(dòng)，液壓轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向輕便靈活；半分置式液壓提升系統(tǒng)，有多種耕深調(diào)節(jié)方式，作業(yè)效果佳；16.934寬后輪胎，牽引力大，適應(yīng)各種農(nóng)田作業(yè)。約翰迪爾650和654的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都采用的是液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和液壓助力裝置兩部分組成。機(jī)械部分由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副、轉(zhuǎn)向搖臂、縱拉桿總成、橫拉桿總成、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)、轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)套、轉(zhuǎn)向節(jié)壓力軸系及轉(zhuǎn)向節(jié)等組成。液壓助力裝置部分由液壓助力器、貯油箱、轉(zhuǎn)向油泵及管路等組成【10】。目前農(nóng)用拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般有液壓助力轉(zhuǎn)向和電子液壓助力轉(zhuǎn)向。兩者的特點(diǎn)如下：液壓助力 當(dāng)直線(xiàn)行駛時(shí)，活塞兩端壓力相等，靜止不動(dòng)，油泵空轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，液壓分配閥將油液通過(guò)變化了的通道進(jìn)入了助力器的一側(cè)，使活塞兩端產(chǎn)生壓力差，迫使活塞移動(dòng)到另一側(cè)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，“助一臂之力”。這樣轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的操縱力不是直接迫使車(chē)輪轉(zhuǎn)向的唯一作用力了，可由助力器輔動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)向，減輕了駕駛者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了方向盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)，特別是減少了停車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱力。電子液壓助力 主要由儲(chǔ)油罐、助力轉(zhuǎn)向控制單元、電動(dòng)泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、助力轉(zhuǎn)向傳感器等構(gòu)成，其中助力轉(zhuǎn)向控制單元和電動(dòng)泵是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。電子液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的缺點(diǎn)。它所采用的液壓泵不再靠發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶直接驅(qū)動(dòng)，而是采用一個(gè)電動(dòng)泵，動(dòng)力來(lái)自于蓄電池。它所有的工作的狀態(tài)都是由電子控制單元根據(jù)車(chē)輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等信號(hào)計(jì)算出的最理想狀態(tài)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在低速大轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元驅(qū)動(dòng)電子液壓泵以高速運(yùn)轉(zhuǎn)輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車(chē)在高速行駛時(shí)，液壓控制單元驅(qū)動(dòng)電子液壓泵以較低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，在不至于影響高速打轉(zhuǎn)向的需要同時(shí)，節(jié)省一部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率。電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前采用較為普遍的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。然而，電子液壓助力轉(zhuǎn)向大部分運(yùn)用在汽車(chē)上，農(nóng)用拖拉機(jī)一般還是沿用著液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。結(jié) 語(yǔ)在Adams、Solidworks和Matlab的環(huán)境之下對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了一體化聯(lián)合仿真，驗(yàn)證建立的模型的正確性；同時(shí)分析控制策略方法等因素，對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)做總結(jié)。六參考文獻(xiàn)：【1】 孫靖民，梁迎春編著.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)【M】.機(jī)械工業(yè)出版社，2006【2】 馬莉編著. MATLAB數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)與建?！綧】.清華大學(xué)出版社，2010【3】江洪，魏崢，顧寄南，等.Solidworks2004基礎(chǔ)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004【4】ADAMS Users Reference ManualMDI，1997【5】ADAMSCar Training GuideUSA：MSCSoftware Corporation2003【6】李軍等，ADAMS實(shí)例教程【M】北京理工大學(xué)出版社2002【7