CN108617176B - 一种拖拉机三自由度农具悬挂机构 - Google Patents

一种拖拉机三自由度农具悬挂机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拖拉机三自由度农具悬挂机构，包括左伸缩拉杆，右伸缩拉杆，下拉杆，农具挂接框；其中，左伸缩拉杆，右伸缩拉杆是带有移动副的拉杆，可伸长或缩短，左伸缩拉杆、右伸缩拉杆一端与拖拉机机体通过球副铰接，另一端通过球副与农具挂接框铰接。下拉杆一端通过通过转动副与机体联接，另一端通过虎克铰与农具挂接框联接，虎克铰具有两个正交的转动自由度组成，一个转动方向平行于与下拉杆在机体上转动副方向，另一个转动副方向平行于农具挂接框平面法线；通过调节移动副和转动副来控制农具挂接框的位置和姿态，实现农具位置和姿态的调节。

Description

一种拖拉机三自由度农具悬挂机构
技术领域
本发明涉及一种拖拉机三自由度农具悬挂机构。
背景技术
在中国，丘陵的国土面积占全国的43％以上，人口占全国的50％以上，耕地面积占全国的31.5％，粮食产量占全国的35.5％(2011年)，是中国重要的粮食、油料等农作物的生产基地，在中国农业生产中占有非常重要的地位。与中国广大平原地区较高农业机械化水平相比，丘陵山区农业机械化水平还很低，已成为中国全面实现农业机械化的瓶颈。丘陵地区农业机械化水平低的原因除了包括丘陵山区农机作业水平低，作业条件恶劣以外，更重要的原因是现有的农业机械缺乏对山区坡地作业的适应性。农机具作业缺乏对坡地的适应性，表现在车辆底盘难以保持水平、容易倾翻，严重影响操作人员安全；农具缺乏对坡地作业的仿形，导致作业质量差。为此，最近一些能够适应坡地作业的可调平的车辆底盘被提出，西北农业大学提出一种可调平底盘的小型履带式拖拉机，江苏大学提出一种底盘可调平的轮式拖拉机。当拖拉机的底盘具有坡地可调平功能时，拖拉机的悬挂机构需要控制农具的姿态，实现旋耕机或犁具对坡地的仿形作业，保证耕深的均匀性，避免农具作业时的偏牵引现象。为此，一些高校和研究院所分别在传统的三点悬挂机构进行改进，利用一个提升臂和提升杆控制对应的下拉杆位置，实现农具耕作深度和农具倾斜角度姿态控制。由于传统的三点悬挂杆件中，农具具有一个绕驱动桥转动的自由度和另一个自由度是农具绕竖直方向的横向摆动自由度，提升臂只能控制绕驱动桥转动的自由度(该自由度可以控制农具高度位置)，无法限制农具的横向摆动自由度；当农具在坡地作业时，农具重力会使农具产生横向摆动，从而导致农具耕作时的偏牵引现象，影响了拖拉机农具组的坡地作业直线行驶性和安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拖拉机三自由度农具悬挂机构，山地坡地作业时，可以通过调整农具悬挂机构来实现对挂接农具的高度、位置和姿态的调节，实现农具与坡地地形的仿形作业。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种拖拉机三自由度农具悬挂机构，包括拖拉机机体和农具挂接框，农具三点悬挂在所述农具挂接框上，所述拖拉机机体和所述农具挂接框之间通过左伸缩拉杆、右伸缩拉杆和下拉杆连接，所述左伸缩拉杆与所述拖拉机机体之间通过球副铰接，所述左伸缩拉杆与所述农具挂接框之间通过球副铰接，所述右伸缩拉杆与所述拖拉机机体之间通过球副铰接，所述右伸缩拉杆与所述农具挂接框之间球副铰接，所述下拉杆与所述拖拉机机体之间通过转动副连接，所述下拉杆与所述农具挂接框之间通过虎克铰连接，所述农具挂接框在所述虎克铰的作用下既能够实现沿平行于所述转动副的方向转动，又能够实现沿垂直于所述农具挂接框的平面方向转动。
上述方案中，所述虎克铰包括U形块、第一轴和第二轴，所述第一轴的两端对应安装在所述U形块的两臂上，所述第一轴的两端与所述U形块的两臂通过转动副连接，所述U形块的底板与所述下拉杆固定连接，所述第二轴的轴线与所述U形块的两臂平行，所述第一轴穿过所述第二轴，所述第一轴和所述第二轴之间转动副连接，所述第二轴与所述农具挂接框之间圆柱副连接。
上述方案中，所述左伸缩杆和所述右伸缩杆均包括前杆和后杆，所述前杆和所述后杆之间通过移动副连接，所述前杆与所述拖拉机机体之间通过球副铰接，所述后杆与所述农具挂接框之间通过球副铰接。
上述方案中，所述左伸缩拉杆和所述右伸缩杆上的移动副均为驱动运动副；所述下拉杆与所述拖拉机机体之间连接的转动副为驱动运动副。
上述方案中，所述的左伸缩拉杆、所述右伸缩拉杆和所述下拉杆在空间中不共线。
上述方案中，所述农具挂接框上设有三个悬挂点，所述农具悬挂在所述三个悬挂点上，实现农具的三点悬挂。
本发明的有益效果：1、通过调节左伸缩拉杆上、右伸缩拉杆上、下拉杆与拖拉机机体之间设置的驱动运动副，实现拖拉机对农具俯仰角度、侧倾角和高度位置的调节。2、有可用于底盘自动调平的拖拉机农具组在坡地的作业，通过农具位置和姿态的调节实现农具与坡地地形的仿形作业，提高耕作深度的横向均匀性。
附图说明
图1为一种拖拉机三自由度农具悬挂机构原理结构图。
图2为本发明装置中虎克铰的结构示意图。
图3为左(右)伸缩拉杆结构示意图。
图4为左(右)伸缩拉杆自由度分析图。
图5为下杆自由度分析图。
图6为本发明三自由度农具位置姿态调节原理图。
图7为一种拖拉机三自由度农具悬挂机构挂接旋耕机坡地仿形作业图、
图8为一种拖拉机三自由度农具悬挂机构挂接旋耕机运输图。
附图标记说明如下：1-拖拉机机体；2-左伸缩拉杆；3-右伸缩拉杆；4-下拉杆；5-农具挂接框；6-农具；7-第一轴；8-前杆；9-后杆；10-移动副；11-转动副；12-山地拖拉机；13-第二轴；14-液压马达；15-液压泵；16-虎克铰；17-第一手动换向阀；18-第二手动换向阀；19-第三手动换向阀；20-U形块。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
目前拖拉机与农具挂接一般采用三点挂接，农具挂接框上的三个悬挂点与农具挂节点联接，实现农具的三点悬挂。本发明提供的拖拉机三自由度农具悬挂机构，也是采用的现有的三点悬挂方式。
如图1所示，本发明的一种拖拉机三自由度农具悬挂机构，包括拖拉机机体1和农具挂接框5，所述农具挂接框5通过三点悬挂的方式挂接有农具6，所述拖拉机机体1和所述农具挂接框5之间通过左伸缩拉杆2、右伸缩拉杆3和下拉杆4连接，所述左伸缩拉杆2、所述右伸缩拉杆3和所述下拉杆4在空间中不共线。所述左伸缩拉杆2与所述拖拉机机体1之间通过球副铰接，所述左伸缩拉杆2与所述农具挂接框5之间通过球副铰接，所述右伸缩拉杆3与所述拖拉机机体1之间通过球副铰接，所述右伸缩拉杆3与所述农具挂接框5之间球副铰接，优选的，所述左伸缩杆2和所述右伸缩杆3均包括前杆8和后杆9，所述前杆8和所述后杆9之间通过移动副10连接，所述移动副10为驱动运动副，所述前杆8与所述拖拉机机体1之间通过球副铰接，所述后杆9与所述农具挂接框5之间通过球副铰接。所述下拉杆4与所述拖拉机机体1之间通过转动副11连接，所述转动副11也为驱动运动副，所述下拉杆4与所述农具挂接框5之间通过虎克铰16连接，如图2所示，所述虎克铰16包括U形块20、第一轴7和第二轴13，所述第一轴7的两端对应安装在所述U形块20的两臂上，所述第一轴7的两端与所述U形块20的两臂通过转动副连接，所述U形块20的底板与所述下拉杆4固定连接，所述第二轴13的轴线与所述U形块20的两臂平行，所述第一轴7穿过所述第二轴13，所述第一轴7和所述第二轴13之间转动副连接，所述第二轴13与所述农具挂接框5之间圆柱副连接。所述农具挂接框5在所述虎克铰16的作用下既能够实现沿平行于所述转动副11的方向转动，又能够实现沿垂直于所述农具挂接框5的平面方向转动。
如图3和图4所示，左伸缩拉杆2由前杆8通过移动副10联接后杆9，则农具挂接框5相对拖拉机机体1的自由度为：
Figure BDA0001644887600000031
其中：n是部件数量,部件为拖拉机机体1、左伸缩杆2的前杆8，左伸缩拉杆2的后杆9、农具挂接框5，因此，n＝4；g为运动副数量，运动副为2个球副S，1个移动副P,因此：g＝3；fi为各运动副的自由度,移动副为1个自由度，球副为3个自由度，因此：fi＝7；v为冗余自由度，由于左伸缩拉杆两端各有一个球副S，因此，左伸缩拉杆2有一个绕左伸缩拉杆2轴线转动的冗余自由度。综上诉述，在左伸缩拉杆2上，农具挂接框5相对拖拉机机体1具有的自由度f＝6。
右伸缩拉杆3与左伸缩拉杆2结构一样，同理，在右伸缩拉杆3上，农具挂接框5相对拖拉机机体1具有的自由度f＝6。
如图5所示，下拉杆4一端通过转动副11R联接拖拉机机体1，另一端通过虎克铰16连接农具挂接框5；在下拉杆4上，农具挂接框5相对拖拉机机体1具有3个自由度，这3个自由度分别是一个绕机体转动自由度n1(转动副11)，一个过虎克铰16铰接点与n1方向平行的转动自由度n2(转角β),一个过虎克铰16铰接点垂直于农具联接框5平面的转动自由度n3(转角α)。
如图6，AD表示左伸缩杆2，A点为机体铰接点，CF表示右伸缩杆3，CD点为机体的铰接点，BE表示下拉杆4，B点为机体联接点，D、F和E分别是AD,CF和BE与农具挂接框5的联接点，地面到拖拉机机体B点的高度hB，农具挂接框5上的E点距离地面位置高度为h。由于左伸缩拉杆2和右伸缩拉杆3各具有6个自由度，因此，农具挂接框5的位置h由转动自由度n1的转角θ确定，由此，农具高度位置h，可通过调节下拉杆转动副R转角θ实现。转动自由度n2的转角β决定农具的俯仰角姿态，自由度n3的转角α决定农具的侧倾角姿态；农具的转角β和转角α可通过调节左伸缩拉杆2的长度和右伸缩拉杆3的长度实现，通过调节左伸缩拉杆2的长度和右伸缩拉杆3的长度调节农具的转角β和转角α的原理分析如下：
在图6上以B为原点建立固定坐标系B-XYZ，y轴为B点转动副方向，z轴竖直向上，因此，x轴方向被确定。运动平面DEF为农具挂接框，以E点为原点建立动坐标系E-XYZ，x轴，y轴分别为U型副两个转动方向，显然z轴在平面DEF上。运动面DEF的姿态可通过相对E-xyz坐标系的y轴转动β角，然后绕x轴转动α角表示。运动平面DEF的位置可由E点在B-XYZ的位置坐标(XE,0,XE)表示。设D点、F点在坐标系E-XYZ中的坐标为(XD E,YD E,ZD E),XF E,YF E,ZF E)；B点转动副转角θ，AD长度为l1，BE长度为l2，CF长度为l3，FD长度为l4，ED长度为l5，FE长度为l6。在固定坐标系B-XYZ中，A点坐标为(XA,YA,ZA)；B点坐标为(XB,YB,ZB,1),C点坐标为(XC,YC,ZC,1)，D点坐标为(XD,YD,ZD,1)，E点坐标为(XE,YE,ZE,1)，F点坐标为(XF,YF,ZF,1)。
下拉杆4与B-XYZ中X轴的夹角θ和农具距离地面位置高度h，地面到拖拉机机体B点的高度hB的关系式为：
Figure BDA0001644887600000051
式(1)中：θ为下拉杆4与B-XYZ中X轴的夹角，h为地面到农具挂接框E点的高度，hB为地面到拉杆4与拖拉机机体铰接点B点的高度。
坐标系E-XYZ中X轴转动β的坐标变换矩阵为：
Figure BDA0001644887600000052
坐标系E-XYZ中X轴转动α的坐标变换矩阵为：
Figure BDA0001644887600000053
坐标系E-XYZ平移到坐标系B-XYZ的坐标变换矩阵为：
Figure BDA0001644887600000054
由此可得D点和F点在坐标系B-XYZ上的坐标为：
Figure BDA0001644887600000055
Figure BDA0001644887600000056
移动副AD长度l1、CF的长度l2可用下式求出：
Figure BDA0001644887600000057
Figure BDA0001644887600000058
根据式(1)反映了通过调节角度θ可调节农具挂接框5的目标高度位置为h，即农具位置可由角度θ调节的大小；根据式(2)-(8)看出，给定农具侧倾角目标为α，农具俯仰角目标为β后，可以得到左伸缩拉杆2长度l1，右伸缩拉杆3的长度l2，因此，只要调节左伸缩拉杆2的长度为l1，调节右伸缩拉杆3的长度为l2，可以获得农具挂接框5的侧倾角目标α，俯仰角目标β，即农具侧倾角α，农具俯仰角β可调。
一种拖拉机三自由度农具悬挂机构应用案例如下。
调节旋耕机在坡地仿形作业。如图7所示，本发明所述一种拖拉机三自由度农具悬挂机构安装在某种底盘自动调平的山地拖拉机12的机体上，农具6通过挂节点与农具挂接框5联接，农具6的位置和姿态取决于农具挂接框5的位置和姿态。左伸缩拉杆2采用双作用液压油缸，右伸缩拉杆3也采用双作用液压油缸，下拉杆4与山地拖拉机12联接的转动副11由液压马达14输出轴驱动。液压泵15安装在山地拖拉机12上，由拖拉机动力驱动。第三手动换向阀19可用来控制左伸缩拉杆2的长度，第二手动换向阀18用来控制右伸缩拉杆3的长度，第一手动换向阀17用来控制液压马达14输出轴的转角，进而调节下拉杆4相对山地拖拉机12的角度位置。当山地拖拉机12挂接旋耕机在坡地进行旋耕作业时，若坡地的倾斜角度为15°，此时可通过第三手动换向阀19调节左伸缩拉杆2的长度，通过第二手动换向阀18调节右伸缩拉杆3的长度，使农具挂接框5的侧倾角为15°，即旋耕机处于侧倾15°的姿态，满足旋耕机对坡地的仿形作业。
调节旋耕机的高度位置和运输通过角。如图7所述，本发明所述一种拖拉机三自由度农具悬挂机构安装在某种底盘自动调平的山地拖拉机12的机体上，农具6通过挂节点与农具挂接框5联接，农具6的位置和姿态取决于农具挂接框5的位置和姿态。左伸缩拉杆2采用双作用液压油缸，右伸缩拉杆3也采用双作用液压油缸，下拉杆4与山地拖拉机12联接的转动副11由液压马达14输出轴驱动。液压泵15安装在山地拖拉机12上，由拖拉机动力驱动。第三手动换向阀19可用来控制左伸缩拉杆2的长度，第二手动换向阀18用来控制右伸缩拉杆3的长度，第一手动换向阀17用来控制液压马达14输出轴的转角，进而调节下拉杆4相对山地拖拉机12的角度位置。当山地拖拉机12和旋耕机处于悬起和运输状态时，通过第一手动换向阀17调节下拉杆4与山地拖拉机12联接的转动副11的角度θ来调节旋耕机距离地面的高度h，增加农具的离地间隙；通过第三手动换向阀19调节左伸缩拉杆2的长度，通过第二手动换向阀18调节右伸缩拉杆3的长度，调节农具挂接框5及旋耕机的俯仰姿态角β，增加机组的通过离去角度；如图8所示。因而，增加了山地拖拉机12和旋耕机的路面通过性。

Claims (3)

1.一种拖拉机三自由度农具悬挂机构，包括拖拉机机体（1）和农具挂接框（5），所述农具挂接框（5）上悬挂有农具（6），其特征在于，所述拖拉机机体（1）和所述农具挂接框（5）之间通过左伸缩拉杆（2）、右伸缩拉杆（3）和下拉杆（4）连接，所述左伸缩拉杆（2）与所述拖拉机机体（1）之间通过球副铰接，所述左伸缩拉杆（2）与所述农具挂接框（5）之间通过球副铰接，所述右伸缩拉杆（3）与所述拖拉机机体（1）之间通过球副铰接，所述右伸缩拉杆（3）与所述农具挂接框（5）之间球副铰接，所述下拉杆（4）与所述拖拉机机体（1）之间通过转动副（11）连接，所述下拉杆（4）与所述农具挂接框（5）之间通过虎克铰（16）连接，所述农具挂接框（5）在所述虎克铰（16）的作用下既能够实现沿平行于所述转动副（11）的方向转动，又能够实现沿垂直于所述农具挂接框（5）的平面方向转动；所述虎克铰（16）包括U形块（20）、第一轴（7）和第二轴（13），所述第一轴（7）的两端对应安装在所述U形块（20）的两臂上，所述第一轴（7）的两端与所述U形块（20）的两臂通过转动副连接，所述U形块（20）的底板与所述下拉杆（4）固定连接，所述第二轴（13）的轴线与所述U形块（20）的两臂平行，所述第一轴（7）穿过所述第二轴（13），所述第一轴（7）和所述第二轴（13）之间转动副连接，所述第二轴（13）与所述农具挂接框（5）之间圆柱副连接；所述左伸缩拉杆（2）和所述右伸缩拉杆（3）均包括前杆（8）和后杆（9），所述前杆（8）和所述后杆（9）之间通过移动副（10）连接，所述前杆（8）与所述拖拉机机体（1）之间通过球副铰接，所述后杆（9）与所述农具挂接框（5）之间通过球副铰接；所述农具挂接框（5）上设有三个悬挂点，所述农具（6）悬挂在所述三个悬挂点上，实现农具的三点悬挂。
2.根据权利要求1所述的一种拖拉机三自由度农具悬挂机构，其特征在于，所述左伸缩拉杆（2）和所述右伸缩拉杆（3）上的移动副（10）均为驱动运动副；所述下拉杆（4）与所述拖拉机机体（1）之间连接的转动副（11）为驱动运动副。
3.根据权利要求1或2所述的一种拖拉机三自由度农具悬挂机构，其特征在于，所述的左伸缩拉杆（2）、所述右伸缩拉杆（3）和所述下拉杆（4）在空间中不共线。
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