割草机及其转向控制系统文献综述

转向控制系统设计1摘要：本文在介绍割草机及其转向控制系统发展现状及发展趋势的基础上，总结出坐骑式割草机转向控制系统的发展趋势，完成电动割草机转向控制系统的设计计算，并为今后的相关设计研究提供依据。关键词：割草机；转向系统；设计A design of electric mowers steering control system Abstract：This paper, on the basis of introducing the development status and the development trend of mower and its steering control systems, sums up the development trend of mount-type mower steering control system, completes electric mower steering control system design and calculation, and provides a design basis for the future research.Key words： mower ; steering control system ; design前言：近年，我国草坪业的年增长率高达 30%40%，割草机市场容量正在成倍增长，我国草坪机产业处于蓬勃发展当中。而控制转向系统是割草机的一个重要组成部分，它直接影响到割草机操作稳定性及安全性能，因此，完成割草机转向控制系统的设计对于提高割草机工作稳定性和安全性能具有重大意义。1.割草机的发展和趋势英国人Edwin Budding 利用旋转式机械工作的原理发明了滚刀式剪草机，随后传入美国。1868 年，美国第一台剪草机取得专利，美国的草坪业也由此起步。20 世纪70 年代后期开始,全球的剪草机市场销售量逐渐趋向饱和，但每年仍保持在500 万600 万台的销量。另外，剪草机在数量增加的同时，其性能也在不断改进。我国生产剪草机起步较晚，生产企业规模普遍较小，产品用途单一，品种数量少，远不能满足要求，而且质量与发达国家的相比也有很大差距。所以长期以来，草坪剪草机多以进口为主，主要来自日本、美国、意大利和瑞典等国。据统计，1999 年的剪草机销售量在 3 万台左右，其中 80为进口；2000 年我国各类草坪机械保有量达 13 余万台，剪草机进口量在 316 万台左右；近两年，草坪机械平均年增长率达到 30左右，国内每年草坪机械的销售总额大约为12 亿13 亿元人民币，其中从国外进口的机械占 85，国内自行生产的产品占 15左右，其合计销量约在 1 万台左右。近年来，欧美等天然草场面积较大的发达国家的收割设备更成熟，结构参数更合理，可靠性、生产率提高很快。国际著名的农机生产商如美国纽荷兰(NweHollnad)、约翰迪尔(JohnDeer。)、凯斯公司，英国福格森公司，韩国成元公司，德国威格公司和前进公司的割草机都己系列生产，这些设备无论在机械结构、动力配套、液压系统还是控制系统设计方面都处理的很成功，一些新的设计理论、最新科研成果的应用在这些机械上都有体现，例如在控制系2统方面，单片机、可编程控制器 P(LC)、工业控制机控制(PIC)等的自动控制手段都得到应用。此外，环境的不协调发展已经给人类生存发展的环境造成了严重影响，汽车尾气作为大气环境污染物的重要来源，引起人们的普遍关注，大力发展节能环保动力汽车已成为汽车产业的发展趋势。同时，电动割草机也具有良好的发展前途。随着电子业的迅速发展，割草机转向控制系统定会趋向于模块化、集成化、和一体化，割草机转向控制系统的轻便性、灵活性和操作性必将进一步提高。2 .转向控制系统的定义和功能用来改变或修复车辆行驶方向的专设机构称为车辆转向系统。车辆转向系统的功用是保证车辆能按驾驶员的意志而进行转向行驶。转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。3.转向控制系统的要求对转向系的主要设计要求如下：a.在转向角的全部范围内，都应操作轻便;b.工作安全可靠，并有足够的强度和寿命；c.保证最小转弯半径，且左右转向角应平衡；d.在转向轮受到冲击时，传递到转向盘上的反向冲击力要小；e.当转向轮受到地面冲击时，转向系传递到转向盘上的反向冲击要小；f.在转向后，转向盘有自动回正能力，能保证汽车有稳定的直线行驶能力。4.转向控制系统的发展和趋势汽车转向系统的发展经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本阶段，线控转向系统为其发展趋势。纯机械式转向系统结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用；液压助力转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，在重型车辆上广泛应用；EPS以其特有的优越性而得到青睐，它代表着未来动力转向技术的发展方向，EPS将作为标准配置装备到汽车上，未来一段时间在动力转向领域占据主导地位；而SBW 由于有利于提高汽车被动安全性、有利于汽车设计制造、有利于提高汽车乘坐舒适性和汽车操控稳定性等原因，将成为动力转向系统的发展方向。未来汽车的主体是低排放汽车(LEV )、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV )、电动3汽车(EV)四大EV汽车，这给线控转向系统带来了更加广阔的应用前景。此外，辅助驾驶系统和无人驾驶汽车是现在新兴的热门研究领域，实现汽车智能转向的最佳方案就是采用线控转向系统，因而线控转向系统的研制开发也为自动驾驶汽车的开发提供了良好的科研平台，其自身也具有良好的应用前景。可用于未来的智能交通系统中。5.转向控制系统的分类和结构汽车转向系统按可按转向能源的不同，分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中传力件都是机械的，主要由转向操作机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。其中转向操作机构包括转向盘、转向轴和转向管柱；转向传动机构包括转向垂臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。动力转向系统是一套兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统。动力系统式在机械转向系统的基础上加设一套转向动力装置而形成的。按动力不同可分为液压助力转向系统(HPS)（图5.1） 、电控液压助力转向系统(EHPS)（图5.2） ，现代电子和控制技术的电动助力转向系统(EPS)（图5.3）及线控转向系统(SBW)（图5.4） 。图5.1 液压助力转向系统(HPS)结构示意图 图5.2 电控液压助力转向系统(EHPS)结构示意图图5.3 电动助力转向系统(EPS)结构示意图 图5.4 线控转向系统(SBW)结构示意图6.线控转向系统(SBW)的简介4本文主要简介代表转向控制系统的发展方向的线控转向系统(SBW)。线控转向系统由方向盘模块、转向执行模块和控制器ECU 3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。方向盘模块包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、力矩电机。方向盘模块的主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号并传递给主控制器（ECU） ，同时接受ECU反馈的力矩信号，产生方向盘回正力矩，给驾驶员提供相应的路感。转向执行模块包括转向拉杆位移传感器、转向电机和前轮转向组件等。转向执行模块的功能是接受ECU的命令，控制转向电机实现要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图。自动防故障系统是线控转向系的重要模块，它包括一系列监控和实施算法，针对不同的故障形式和等级做出相应处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。汽车的安全性是必须要首先考虑的，是一切研究的基础，因此故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。线控转向系统(SBW)的工作原理如图6.1所示。当方向盘转动时，方向盘转角传感器将测量到的驾驶员转向意图转变成数字信号输入到转向控制器ECU，ECU对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态， 向转向电机和方向盘力矩电机发送命令，控制转向电机转到要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图，实现车轮的转向，同时控制力矩电机旋转，产生方向盘回正力矩， 给驾驶员提供相应的路感信息。图6.1 SBW系统工作原理图汽车线控转向技术以求获得最佳的汽车转向性能，提高汽车的操纵性、稳定性和安全性，使汽车具有一定的智能化。汽车线控转向技术的发展代表未来汽车转向技术的发展方向，并将在汽车转向领域中占据主导地位。我国的线控转向技术的研究还无法与国外相比，从我国现有条件出发，对该系统进行深入细致的研究，对于拓展线控传动技术的应用、加快国产汽车的电子化发展，以及提供未来智能汽车驾驶技术的支持，都将有深远的意义。7.总结通过对各种转向控制系统的综合比较，结合割草机的各项指标和设计要求，本课题并不采取代表转向控制系统发展方向的线控转向系统，而采用成本最低的纯机械式转向系统。参考文献501陈善华，等汽车电子转向技术发展与展望J汽车技术，2003，102 贾和平,钟绍华.汽车线控转向系统的研究J.上海汽车,2006(11):39-43.03周淑辉，等汽车电子控制转向技术的发展趋势J汽车电器，2006，1104 包凡彪.基于线控转向的汽车转向系统技术研究J.山东交通科技.2007(1):80-83.05林逸，等汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势J公路交通科技，2001，606 于蕾艳,林逸,施国标.汽车线控转向技术概述J.农业装备与车辆工程,2007(5):03-06.07 宗长富,麦莉,郭学立.汽车前轮电子转向系统J.中国机械工程,2004 (11).1022-1025.08 于蕾艳,林逸,施国标.汽车线控转向技术概述J.农业装备与车辆工程,2007(5):03-06.09 何仁,李强.汽车线控转向技术的现状与发展趋势J.交通工程运输学报.2005(2):68-72.10 Ferrara MWalk-Behind MowersJOrganic Gardening，1999。36(4)：798611 Sachs PHealthy grass。safe lawnJOrganicGardening，1999，46(5)：465I12 Logan W BTurn garden waste into garden gold【J】 Or ganic Garden，199l，38(7)：464813 Mills C BFirst Lawns：OMScott and SonsMNewYork：Princeton University Press，196I14 Sanket Amberkar, Farhad Bolou