基于Simulink 的自动化农业机械底盘设计*

梁 堃

（宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021）

在特殊地形农业作业活动中，不仅要强化农机行动的适应性，也要考虑因底盘受力及运动引发的底盘稳定性问题，由此使农机底盘更为可靠。特殊地形农业作业需要转弯半径小、转向灵活、底盘距地面高的四轮底盘。为解决农机底盘问题，不仅要考虑转向，也需要关注离地间隙以及控制适应性[1]。目前，关于农机底盘的研究较多，但设计出的机械底盘转向仍然采用传统转弯形式，未能实现地形高适应性以及有效小半径转弯等要求[2]。因此，结合特殊地形运动路径与转向等要求，课题组设计出一种自动化农机机械底盘，其采用前桥摆转驱动，在农业作业时可转“U”形弯，掉头后进入下一小块田地，具有结构稳定、操作便捷、转弯半径较小等优势。通过Simulink 对底盘前桥、后桥与整体进行受力仿真分析，并对机械底盘进行局部优化，从而减少作用力对机械底盘的影响，对农机部件现代化设计具有积极意义。

1 底盘整体结构与工作原理

自动化机械底盘由车轮、马达、电磁阀、发动机等部件组成，如图1 所示。两侧各安装两轮，四轮均配置马达。左前轮马达与右前轮马达经串联并入油路，后轮油路与前轮油路通过并联连在一起，前驱动轮的马达负责提供机械底盘的前进动力[3]。当机械底盘转向时，前桥驱动轮停止转动，另一侧继续运动，让前桥围绕已经停止的驱动轮进行摆转，由此带动连接后桥的机架转动[4]。为了能让底盘在特殊地形中稳定运动，应保持四轮始终同时接触地面，对此可在前桥与机架中部将转向轴放于浮动轴中，从而实现既可转向又能浮动的目的。

图1 自动化机械底盘整体结构

2 底盘转向优化

2.1 转向干扰

为了验证底盘在转“U”形弯时前桥与后桥机架是否存在干扰，引入算法对机械底盘机架进行综合分析。p表示前桥与机架的转向点，c1、c2、c3、c4为机架外廓点，a表示前轮内侧点，b表示前轮外侧点，w1表示机架前端宽度，t表示前轮的轮距，d表示前轮的直径，l1表示转向点距机架后端长度，w2表示前轮的轮宽，l2表示前桥距车架的长度。

底盘机架结构冲突如图2 所示，位于c1、c2、c3、c4的端点与前轮外侧点最容易出现干扰，为了在转向过程中前桥能稳定通过o，应增大pa，减小pb。分析后可知，当前轮的轮距t与前轮的直径d保持一定时，为了让pa增大，pb应尽量减小。所以，在设计过程中应尽量减小前桥与机架的间隔长度。

图2 底盘机架结构冲突

2.2 前桥与后桥受力

采用Simulink 对前桥进行受力分析，如图3 所示。图3 中①处放置发动机等核心部件，负重60 kg，形变量最大处位于驱动桥中部，最大形变量约为0.83 mm；最大受力为20 MPa~30 MPa，常常出现在转向轴两侧部位。

图3 前桥受力分析

为减少转向时前轮对后桥的干扰，在设计时对后桥进行受力分析，如图4 所示。①区域驾驶人员体重设为80 kg，②区域与③区域放置发动机、电磁阀、油箱等部件，整体质量设为70 kg，④区域为水冷设备位置，质量设为20 kg。图中分析后可知，后桥在负重后产生的受力最大处应在驾驶人员附近，该处形变量与人员体重有直接关系，此时最大受力约为23 MPa。

图4 后桥受力分析

2.3 整体受力

机械底盘在负重后产生的最大受力一般集中在前桥及与前桥连接的承压处，为10 MPa~20 MPa。所以，应使用厚度大于12 mm 的方钢制作前桥，并对前桥转向管附近的配件进行标准分配[5]。在负重作用下，机械底盘最大形变处位于电磁阀与油缸的连接处，此时最大形变量为0.5 mm~1.2 mm。

2.4 结构调整

前桥主要承受转向装置与发动机的压力[6]。在受力分析后可知，前桥及与前桥连接的承压板出现形变。为了使前桥在运动时更为稳定，可将水冷与控制系统安装于连接处后部，以此平衡发动机的重量。对后期受力与形变分析后可知，在不改变前桥转向时，可通过调整机械底盘承受力，减少机架形变，延长使用时长，从而让机械底盘更为耐用。

3 参数设计

机械底盘由多个零部件组成，通过参数设计对机械底盘零部件进行建模，从而为仿真实验提供可行性[7]。在参数设计时，首先，应分析需要进行建模的零部件结构，同时做好层次区分；其次，要绘制核心特征，使用宏代码操作[8]。如果缺少宏文件记录，那么可调用相关API 参数。零部件文件创建后可调用草图命令与特征管理器，以机械底盘零部件为例，具体参数可表示为：

ActivateDoc“机械底盘”，False，longsta-tus//新建底盘零部件

Set Part=swApp.ActiveDoc//新建窗口

Dim myModelView As Object Part.InsertSketch2 ture//绘制草图

Part. CreateCircle 0,0,dl,0,0//特征管理器

False,0,0,False,False,1,1,0,0,False//拉伸特征

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2//建立基准

Dim myRefPlane As Object

基准创建后，可通过一系列参数程序对相关部位进行调整，从而开始进行仿真实验。

4 仿真实验

在Simulink 平台上进行模拟实验，让发动机始终以恒定转速驱动，使机械底盘在直线匀速行驶，并对底盘驱动轮转速进行记录。

4.1 轨迹实验

确定行驶平稳后，每隔固定距离放置蓝色标记作为取样点，记录机械底盘直线与转弯过程的清晰轨迹，通过测量压痕的位置距离确定底盘驱动轮各时间的坐标，得出运动直线度[9]。通过对有无人乘坐的结果分析，发现机械底盘在平稳路面达到设计要求的直线度，同时不受负重影响。

4.2 液压实验

测试机械底盘在各条件下马达的输入压力、流量变化情况。固定油门线，选取运动速度1 km/h、2 km/h、3 km/h，对机械底盘进行运动测试，在Simulink 平台上实时测量液压系统的压力与流量。Simulink 具有数据分析功能，能够对收集到的数据进行特性分析，液压实验传感器安装形式如图5 所示。右前轮马达I的输入压力由传感器①进行测量；左前轮马达Ⅱ的输入压力由传感器②进行测量；左后轮马达Ⅲ的输入压力由传感器④进行测量；右后轮马达Ⅳ的输入压力由传感器⑤进行测量。传感器③的压力为马达Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的输出压力。

图5 液压传感器安装形式

流量要大于15 L/min 才可确保实验数据的准确，启动时马达压力快速升至最高峰值[10]。在这之中，左前轮马达Ⅱ、左后轮马达Ⅲ、右后轮马达Ⅳ压力的最高峰值为6.5 MPa，右前轮马达I 压力的最高峰值为6 MPa，待启动5 s后进入稳定状态，马达平稳运动压力检测结果如表1 所示。

表1 马达平稳运动压力检测

后桥马达输入压力基本保持在2 MPa 左右，左前轮马达Ⅱ的输入压力在0.43 MPa 波动，右前轮马达I的输入压力在0.45 MPa 波动，马达压力变化基本一致，如图6 所示。压力实验表明，底盘运动过程中的压力变化较为稳定，启动与停止时受力也在控制范围内。由此可知，机械底盘液压驱动可满足运动需求。

图6 马达压力变化趋势

5 结语

综上，根据转向原理，对机械底盘结构进行干扰检测，确定其整体结构是否合理。在前桥、后桥及整体进行受力分析后，增加后桥连接，调整后的机械底盘与之前相比，在负重受力及形变方面均得到有效改善，优化了底盘稳定性，能够满足现实工作强度要求。通过Simulink 平台实验，机械底盘在平稳路况下无论是否有人乘坐均可保持较高的运动直线度，偏离率较低，能够满足直线度要求。机械底盘可进行大幅度转向，能够转入相邻位置。在液压实验中，左前轮与右前轮输出一致，左后轮与右后轮输出一致，表明设计的机械底盘可有效满足运动稳定要求，对于提升农机工作效率具有积极意义。