文献综述-铁牛65拖拉机转向机构建模与仿真分析2011.3.6.doc

石河子大学文 献 综 述 题 目：铁牛65拖拉机转向机构的建模与仿真 学生姓名： 沈 雷 专 业： 机 械 设 计 制 造 及 自 动 化 班 级： 2007级机制（3）班 院 系： 机 电 学 院 指导教师： 马 蓉 完成日期： 2011-3-17 石河子机电学院 2011 年 3 月 17 日铁牛65拖拉机转向机构建模与仿真分析摘要：铁牛65的液压助力转向系统(HPS)是拖拉机中比较先进的助力转向系统，该系统相比起传统的机械式转向系统有着节能、减轻自重、布置灵活等诸多的优点，因此它已经成为拖拉机转向系统广泛采用的技术之一。通过利用matlab、adams和solidworks控制联合建模与仿真，对拖拉机转向的优化做深入的分析与探讨，最后在现有的操纵稳定性问题研究的基础上对于仿真的结果做出具体的评价。关键词：液压动力转向；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： 拖拉机的转向机构是决定安全性的关键总成之一，人们在驾车的过程中操纵方向盘的频率是最多的，在长期的行程中，如果转向机构操纵性不好，驾驶员很容易会产生疲劳感，这在驾驶中是相当危险的。考虑了拖拉机液压助力转向系统机械子系统与液压子系统，用matlab建立相应的数学模型，利用solidworks仿真软件建立了拖拉机液压助力转向系统的仿真模型并用adams软件联合分析。仿真分析扭杆刚度和系统供油流量的变化等对系统响应的影响情况，并进行优化。从而改善目前拖拉机转向机构的转向性能。联合仿真的原理：ADAMS或SOLIDWORKS建立联合仿真系统的机械模型并添加外部载荷及约束，MATLABSimulink建立联合仿真系统的控制部分，ADAMSControls(控制模块)将两者连接起来，利用MATLABSimulink的控制输出来驱动机械模型，并将ADAMS中机械模型的位移、速度等输出反馈给控制模型，实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真，还可以在ADAMSView或ADAMSSolver中观察仿真结果。二数学建模：数学建模是一种数学的思考方法，是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并解决实际问题的一种强有力的数学手段【1】。当需要从定量的角度分析和研究一个实际问题时，人们就要在深入调查研究、了解对象信息、作出简化假设、分析内在规律等工作的基础上，用数学的符号和语言，把它表述为数学式子，也就是数学模型，然后用通过计算得到的模型结果来解释实际问题，并接受实际的检验。这个建立数学模型的全过程就称为数学建模。建模过程分为七个步骤：1. 模型准备2. 模型假设3. 模型建立4. 模型求解5. 模型分析6. 模型检验7. 模型应用数学模型一旦建立，机械优化设计问题就变成了一个数学问题。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多. 当前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类. 开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包.数学建模在机械设计中的应用，既使方案在规定的设计要求下达到某些优化的结果，又不必耗费过多的计算工作量。因此，数学建模中优化方法的应用已经成为市场竞争的一种手段【2】。三SolidWorks的功能简介 Solidworks提供了强大的基于特征的实体建模功能。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。它能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用【3】。 SolidWorks一贯倡导三维CAD软件的易用性、高效性。 SolidWork软件的特点和优点包括：1. 全Windows界面，操作非常简单方便； 2. 清晰、直观、整齐的全动感用户界面； 3. 灵活的草图绘制和检查功能； 4. 强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能；5. 工程图； 6. 数据交换；7. 支持工作组协同作业；8. SolidWorks合作伙伴计划和集成软件作为基于Windows平台的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统的核心软件，SolidWorks 完整提供了产品设计的解决方案。四动力学仿真软件Adams介绍机械系统分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是世界上应用最为权威的机械系统动力学仿真分析软件【4】【5】。软件是美国MDI(MechanicalDynamics Inc)公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，是虚拟样机领域中非常优秀的软件，目前已经广泛地应用到汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域，并取得了满意的效果。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等【6】。五液压助力转向机构的原理及系列拖拉机的主要参数工作原理：转向油泵将转向油箱中的液压油供给液压转向总成，液压转向总成控制液压油的流向，从而控制转向油缸活塞的伸缩，通过调节杆和转向臂使拖拉机前轮转向件偏转，实现拖拉机的转向【7】。目前，车辆上安装使用的动力转向系统多为液压助力式，如下图为液压助力转向机构简图：而根据方向控制阀的不同，分为滑阀式液压助力转向系统和转阀式助力转向系统。与其他转向装置比较，转阀式液压转向机构具有操纵灵活轻便、结构紧凑、利于布置安装、性能稳定、工作可靠等优点，应用极为广泛【8】。铁牛65拖拉机液压转向系统包括：CBN-E440型齿轮泵、FLD-D7.5单路稳定分流阀、BZZ1-100转阀式全液压转向器、转向液压缸等液压元件及转向盘、转向横拉杆总成等机械部分【9】。BZZ1-100转阀式液压转向器的选用也是考虑到转阀式助力转向系统的优势。约翰迪尔650（铁牛65）拖拉机具体参数如下：约翰迪尔650的助力转向结构图：约翰迪尔650（铁牛65）拖拉机机主要特点：装备国内名牌发动机，功率强劲，扭矩储备大；驾驶室采用整体式框架、钢化玻璃，视野开阔，驾乘环境舒适；变速箱具有高速档位，满足重载运输作业；分置式液压提升系统，具有强迫下降功能，农具入土作业效果佳；操纵轻便，能满足耕、耙、播、收等农田作业。与约翰迪尔同系列的拖拉机还有654型的，具体参数如下：约翰迪尔654拖拉机机主要特点：装备国内名牌发动机，功率强劲，扭矩储备大；驾驶室采用整体式框架、钢化玻璃，视野开阔，驾乘环境舒适；四轮驱动，液压转向，转向轻便灵活；半分置式液压提升系统，有多种耕深调节方式，作业效果佳；16.934宽后轮胎，牵引力大，适应各种农田作业。约翰迪尔650和654的转向系统都采用的是液压助力转向机构，其液压助力转向系统主要由机械部分和液压助力装置两部分组成。机械部分由转向传动副、转向摇臂、纵拉杆总成、横拉杆总成、转向节臂、转向主销、转向节主销套、转向节压力轴系及转向节等组成。液压助力装置部分由液压助力器、贮油箱、转向油泵及管路等组成【10】。目前农用拖拉机的转向系统一般有液压助力转向和电子液压助力转向。两者的特点如下：液压助力 当直线行驶时，活塞两端压力相等，静止不动，油泵空转；当转弯时，液压分配阀将油液通过变化了的通道进入了助力器的一侧，使活塞两端产生压力差，迫使活塞移动到另一侧，带动齿轮转动，“助一臂之力”。这样转动方向盘的操纵力不是直接迫使车轮转向的唯一作用力了，可由助力器辅动车轮转向，减轻了驾驶者的劳动强度，减少了方向盘的转数，特别是减少了停车转向时的操纵力。电子液压助力 主要由储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等构成，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，动力来自于蓄电池。它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。电子液压助力转向系统是目前采用较为普遍的助力转向系统。然而，电子液压助力转向大部分运用在汽车上，农用拖拉机一般还是沿用着液压助力转向系统。结 语在Adams、Solidworks和Matlab的环境之下对转向系统做了一体化联合仿真，验证建立的模型的正确性；同时分析控制策略方法等因素，对于结构稳定性的评价做总结。六参考文献：【1】 孙靖民，梁迎春编著.机械优化设计【M】.机械工业出版社，2006【2】 马莉编著. MATLAB数学实验与建模【M】.清华大学出版社，2010【3】江洪，魏峥，顾寄南，等.Solidworks2004基础教程.北京：机械工业出版社，2004【4】ADAMS Users Reference ManualMDI，1997【5】ADAMSCar Training GuideUSA：MSCSoftware Corporation2003【6】李军等，ADAMS实例教程【M】北京理工大学出版社2002【7