CN109050195A - 丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明技术方案公开了丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构及其调整方法，包括后驱动桥、连接于后驱动桥一端的半轴套管、安装于半轴套管上的摆动调整执行机构以及与半轴套管连接的末端传动机构，末端传动机构相对于与半轴套管连接的一端安装拖拉机的车轮，摆动调整执行机构驱动末端传动机构做顺时针或逆时针转动以实现车轮的中轴线相对于后驱动桥的轴线的升高或降低并实现拖拉机横向姿态调整；本发明技术方案直接通过摆动调整执行机构对拖拉机对应的车轮进行实时控制调整，解决了姿态控制器同时控制多个液压缸导致四轮受载不均匀的问题；通过一个液压泵，两个比例电磁阀和两个马达实现对拖拉机整车车身横向姿态调整，结构简单，大幅度的节省了成本。

Description

丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构及其调整方法

技术领域

本发明涉及车辆姿态调整技术领域，尤其是涉及一种丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构及其调整方法。

背景技术

丘陵山地地区地形复杂且坡地较多，这使得普通的农业机械设备在丘陵山地工作时会出现很多类似于翻车、侧倾等严重的事故。我国目前应用于丘陵山地地区作业的拖拉机对于姿态调整方面缺乏先进的技术，丘陵山地拖拉机姿态平稳性严重影响丘陵山地农业发展。虽然在工程机械上姿态调整方面已经做的很好，但是应用于农业设备上又回出现机构庞大或机构过于复杂难以应用的各种问题。因此，本发明提出一种丘陵山地拖拉机姿态调整装置及控制方法，能够使得拖拉机在丘陵山地作业时保持横向姿态平稳、作业安全，防止发生翻车等事故。

经对现有技术的文献检索并没有发现在丘陵山地拖拉机方面有关姿态调整主动控制的文献。在丘陵山地农机装备姿态调整方面，中国专利 CN106938597A：一种丘陵山地拖拉机车身姿态调整装置及调整方法公开了一种丘陵山地拖拉机车身姿态调整装置及调整方法，该调整装置通过信息采集单元将传感器检测到的车辆姿态信息发送给姿态控制器，姿态控制器控制电控液压阀的开闭实现对相应的姿态调整液压缸的控制，进而实现对车身姿态的自调整。但是该专利存在以下不足：

1、采用多液压缸，多连杆，结构复杂。

2、姿态控制器同时控制多个液压缸的运动，调节困难，且容易导致四轮受载不均匀。

3、此姿态调整控制为开环控制，不具备实时性。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术的拖拉机机身姿态调整方法的结构过于复杂、多个液压缸的调节困难易导致四轮受载不均匀、控制方法不具备实时性。

为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其中，包括拖拉机车身下方的后驱动桥、连接于所述后驱动桥一端的半轴套管、安装于所述半轴套管上的摆动调整执行机构以及与所述半轴套管连接的末端传动机构，所述末端传动机构相对于与所述半轴套管连接的一端安装拖拉机的车轮，所述摆动调整执行机构驱动所述末端传动机构做顺时针或逆时针转动以实现所述车轮的中轴线相对于所述后驱动桥的轴线的升高或降低并实现拖拉机横向姿态调整。

可选的，所述半轴套管包括左半轴套管和右半轴套管，所述摆动调整执行机构包括左摆动调整执行机构和右摆动调整执行机构，所述车轮包括左车轮和右车轮，所述后驱动桥的两端分别连接所述左半轴套管和所述右半轴套管，所述左半轴套管向左依次安装所述左摆动调整执行机构和所述左车轮，所述右半轴套管向右依次安装所述右摆动调整执行机构和所述右车轮。

可选的，所述左、右摆动调整执行机构均包括依次连接的液压泵、比例电磁阀和液压马达，所述液压马达与所述末端传动结构连接并控制其进行顺时针或逆时针转动。

可选的，所述比例电磁阀包括左电磁阀和右电磁阀，所述液压马达包括左马达和右马达，所述左摆动调整执行机构和所述右摆动调整执行机构分别连接所述左电磁阀、所述左马达以及所述右电磁阀、所述右马达，所述左电磁阀、所述左马达与所述右电磁阀、所述右马达的工作状态相反。

可选的，所述比例电磁阀为三位四通比例电磁阀。

可选的，还包括控制电路，其中，该控制电路包括电源模块、与所述电源模块连接的主控芯片以及与所述主控芯片连接的两个比例电磁阀控制模块，两所述比例电磁阀控制模块分别连接所述左电磁阀和所述右电磁阀，所述主控芯片控制所述比例电磁阀控制模块对所述左电磁阀和/或所述右电磁阀输出固定大小频率的电流和颤振以控制所述左电磁阀和/或所述右电磁阀的左电磁铁和/或右电磁铁的位置，从而控制所述左马达或所述右马达的旋转方向。

可选的，还包括倾角传感器、两个角度传感器和RS485通信模块，所述倾角传感器和两个所述角度传感器分别安装在所述车身以及所述左、右车轮上并通过所述RS485通信模块与所述主控芯片通信连接，所述倾角传感器用于采集所述车身的横向倾角，所述角度传感器用于采集所述车轮的中轴线相对于所述后驱动桥的轴线的摆动角度。

可选的，所述倾角传感器、所述角度传感器采集的横向倾角、摆动角度数据通过所述RS485通信模块发送至所述主控芯片，所述主控芯片处理该数据并向所述比例电磁阀控制模块发送控制指令。

为解决上述的技术问题，本发明技术方案还提供一种如上述任一所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构的调整方法，其中，所述方法如下：

当所述车身横向倾角与水平0°的差值绝对值大于3°时，所述主控芯片控制所述比例电磁阀控制模块向所述左电磁阀和所述右电磁阀中的相对的两个电磁铁中通入电流，从而提高或降低所述右车轮，并降低或提高所述左车轮，使得所述车身横向倾角与水平0°的差值绝对值小于3°。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明技术方案直接通过摆动调整执行机构对拖拉机对应的车轮进行实时控制调整，解决了现有技术的姿态控制器同时控制多个液压缸导致四轮受载不均匀的问题。本发明技术方案进通过一个液压泵，两个比例电磁阀和两个马达实现对拖拉机整车车身横向姿态调整，结构简单，大幅度的节省了成本。

附图说明

图1为本发明实施例中丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构的结构示意图；

图2为本发明实施例中摆动调整执行机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构的控制电路示意图；

图4为本发明实施例中拖拉机在一档工作模式中车轮与后驱动桥的侧视图；

图5为本发明实施例中拖拉机在二档工作模式中车轮与后驱动桥的侧视图；

图6为本发明实施例中拖拉机在二档工作模式中车轮与后驱动桥的另一个角度侧视图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1至图3所示，示出了一种实施例的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其中，包括拖拉机车身60下方的后驱动桥1，连接于后驱动桥 1一端的半轴套管21、22，安装于半轴套管21、22上的摆动调整执行机构 31、32以及与半轴套管21、22连接的末端传动机构41、42，末端传动机构 41、42相对于与半轴套管21、22连接的一端安装拖拉机的车轮51、52，摆动调整执行机构31、32驱动末端传动机构41、42做顺时针或逆时针转动以实现车轮51、52的中轴线相对于后驱动桥1的轴线的升高或降低并实现拖拉机横向姿态调整。

本实施例中，半轴套管包括左半轴套管21和右半轴套管22，摆动调整执行机构包括左摆动调整执行机构31和右摆动调整执行机构32，车轮包括左车轮51和右车轮521，后驱动桥1的两端分别连接左半轴套管21和右半轴套管22，左半轴套管21向左依次安装左摆动调整执行机构31和左车轮51，右半轴套管22向右依次安装右摆动调整执行机32和右车轮52。

本实施例中，左、右摆动调整执行机构31、32均包括依次连接的液压泵 100、比例电磁阀和液压马达，液压马达与末端传动结构连接并控制其进行顺时针或逆时针转动。

本实施例中，比例电磁阀包括左电磁阀200和右电磁阀400，液压马达包括左马达300和右马达500，左摆动调整执行机构31和右摆动调整执行机构32分别连接左电磁阀200、左马达300以及右电磁阀400、右马达500，左电磁阀200、左马达300与右电磁阀400、右马达500的工作状态相反。

本实施例中，比例电磁阀为三位四通比例电磁阀。

本实施例中，还包括控制电路，该控制电路包括电源模块1000、与电源模块1000连接的主控芯片2000以及与主控芯片2000连接的两个比例电磁阀控制模块6000，两比例电磁阀控制模块6000分别连接左电磁阀200和右电磁阀400，主控芯片2000控制比例电磁阀控制模块6000对左电磁阀200和/ 或右电磁阀400输出固定大小频率的电流和颤振以控制左电磁阀200和/或右电磁阀400的左电磁铁和/或右电磁铁的位置，从而控制左马达300或右马达 500的旋转方向。

本实施例中，还包括倾角传感器3000、两个角度传感器4000和RS485 通信模块5000，倾角传感器3000和两个角度传感器4000分别安装在车身60 以及左、右车轮上并通过RS485通信模块5000与主控芯片2000通信连接，倾角传感器3000用于采集车身的横向倾角，角度传感器4000用于采集车轮的中轴线相对于后驱动桥1的轴线的摆动角度。

本实施例中，倾角传感器3000、角度传感器4000采集的横向倾角、摆动角度数据通过RS485通信模块5000发送至主控芯片2000，主控芯片2000 处理该数据并向比例电磁阀控制模块6000发送控制指令。

本实施例中还公开了一种如上述任一的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构的调整方法，其中，方法如下：

当车身横向倾角与水平0°的差值绝对值大于3°时，主控芯片控制比例电磁阀控制模块向左电磁阀和右电磁阀中的相对的两个电磁铁中通入电流，从而提高或降低右车轮，并降低或提高左车轮，使得车身横向倾角与水平0 °的差值绝对值小于3°。

通过以下说明进一步的认识本发明的特性及功能。

结合附图1至附图6，本实施例的技术方案如下：

如图1所示，本实施例的丘陵山地拖拉机姿态横向调整装置包括后驱动桥1，末端传动机构41、42，左右摆动调整执行机构31、32。后驱动桥1与末端传动机构41、42主要用于动力传输，使得拖拉机发动机(未示出)运转可以传输动力给后车轮51、52，带动后车轮转动。左右摆动调整执行机构包括左摆动调整执行机构31与右侧摆动调整执行机构32，该机构可以使两后车轮相对后桥进行摆动，使三者不在一个轴线上，如图1所示，当在图1斜坡上进行驾驶时，当左右摆动调整执行机构使两个后车轮处于图1所示位置，此时后驱动桥1与末端传动机构41、42保证了发动机动力传输到车轮51、52，保证拖拉机正常行驶，同时左右摆动调整执行机构使后桥水平，从而保证拖拉机姿态水平。

左右摆动调整执行机构组成简图如图2所示，由液压泵100、两个三位四通比例电磁阀200、400以及两个液压马达300、500组成。其中液压泵100提供液压力，两个比例电磁阀200、400受电控系统控制，从而调整左右两马达300、500转动角度，左右两马达转动分别控制左右两车轮的摆动。

以左马达300为例，当电控系统向左马达300所对应的左比例电磁阀 200的左电磁铁201通电时，比例电磁阀左侧位置开启，如图2所示，此时液压油从液压泵中流出，经过比例电磁阀1口与3口流入左液压马达，液压油从4口和2口回油路。由此可带动液压马达顺时针转动。而当电控系统向左马达所对应的比例电磁阀右侧比例电磁铁通电时，比例电磁阀右侧位置开启，如图2所示，此时液压油从液压泵100中流出，经过比例电磁阀2口与4口流入左液压马达，液压油从3口和1口回油路。由此可带动液压马达逆时针转动。左马达的转动带动左后车轮转动。

电控系统如图3所示，包括主控制芯片2000MCU、比例电磁阀模块 6000、RS485通信模块5000、电源模块1000。主控制芯片2000采用ST 公司STM32F407ZGT6，该芯片使用Cortex-M4内核，内部具有RS485等通讯功能，资源丰富。控制器电源模块1000所需输入电压为12V，内部具有12V转5V模块以及5V转3.3V模块，可为电控系统提供3.3V、5V和 12V三种电压。比例阀控制模块6000使用英飞凌公司TLE82453芯片，MCU 的7个IO口分别与TLE82453的EN、RESN、CS、FALUT、MOSI、MISO、SCK 引脚相连，其中EN、RESN、CS、FALUT引脚主要用于对TLE82453芯片进行启动、复位、片选、错误检测。MOSI、MISO、SCK用于主控芯片与TLE82453进行SPI通信，通过对主控制芯片编程，使主控制芯片2000通过SPI通信的方式向TLE82453(即比例电磁阀控制模块6000)发送控制指令，控制其输出固定大小频率的PWM电流和颤振。本实施例中使用该模块控制两个比例电磁阀(四个比例电磁铁)电流，可编程控制电流范围为0-1.5V，比例电磁阀供电电压12V。RS485模块5000负责主控芯片2000MCU与外部倾角传感器3000进行RS485通信，倾角传感器3000安装在车身上，用于得到车身横向倾角，两个角度传感器4000安装在车轮51、52处，用于分别测量两个车轮相对于后桥轴线摆动角度，然后通过RS485通信发送给 MCU进行处理。

本实施例的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构的控制方法如下，该控制方法结合图4、5、6进行说明。

本实施例的丘陵山地拖拉机典型工况有两种，分别是1在平坦路面上作业、2在地形高低起伏的丘陵山地作业。工作模式分为二个档位：1档为姿态初始锁止档，2档为姿态调整档。

以下分别介绍二种档位控制算法。

1档：姿态初始锁止档，用于工况1，如图4所示。从图中可观察到两车轮51、52处于同一轴线上，该轴线与后驱动桥1的轴线水平夹角α为-30°(即车轮51、52的轴心B和后驱动桥1的轴心A所在水平方向上的夹角)，阈值为2.5°。该档位要求保持图中状态不动，但是由于左右摆动机构是由液压系统控制，液压系统有泄漏，所以在丘陵山地拖拉机进行重负载荷情况下，车轮角度会有所变化，可能不满足保持-30°不动。以左车轮为例，如图2，当电控系统不给比例电磁阀电流时，比例电磁阀处于中位截止状态，此时马达不转动。当电控系统给予左侧比例电磁阀的左端比例电磁铁一定电流时，此时液压油由1口流入比例阀中，然后流经 3口，带动左马达顺时针转动。有从4口经2口流回油箱子。当电控系统给予左侧比例电磁阀的右端端比例电磁铁一定电流时，将会带动左马达逆时针转动。电流大小与阀的开度正相关，阀的开度与马达转动角度正相关。控制流程如下(以左车轮为例)：

1、主控芯片2000接受左车轮角度传感器4000经RS485总线传回角度数据。

2、得到当前角度与-30°的差值，当差值绝对值大于2.5°时进行步骤3，否则跳过步骤3，电控系统停止向比例电磁阀输入电流。

3、进行闭环PID调整，如果差值大于0，说明此时左后车轮没摆到 -30°。将该差值乘以一定的KP、KI、KD参数，得到应输入电流值，该电流值大小为0-1.5A范围内，此时该电流通入左侧比例电磁阀左侧电磁铁。使得左车轮进一步摆动，摆到目标范围内。如果差值小于0，说明此时左后车轮没摆过-30°。将该差值乘以一定的KP、KI、KD参数，得到应输入电流值，该电流值大小为0-1.5A范围内，此时该电流通入左侧比例电磁阀右侧电磁铁。使得左车轮向回摆动，摆到目标范围内。

上述3个步骤不断循环执行。

2档：姿态初始调整档，用于工况2，如图5、6所示，在该档位工作模式下，首先要将两个车轮51、52调整到图5状态(即重合状态)，也就是后车轮轴线与后桥轴线水平(即夹角为0度)。若此时在平地上时，位于车身上的倾角传感器3000测得的车身横向角度应该为0。当倾角传感器检测车身横向角度不在±3°范围内，则开启第二步的调整模式。第二步调整模式要求左右两轮同步调整，与后驱动桥1轴线之间夹角角度相等(角度尽量相等，阈值为±3°)方向相反，范围是±90°。如图6所示即为调整是的极限位置(左车轮51轴心与后驱动桥1轴心所在水平面的夹角γ呈90°，右车轮52轴心与后驱动桥1轴心所在水平面的夹角β呈90°)。通过调整模式可以是的车身横向水平，使得车身上的倾角传感器横向角度在±3°范围内，控制流程如下：

第一步：初始化调平，使用工况1的控制策略，使得两车轮51、52 轴线与后驱动桥1轴线处于水平位置。

第二步：车身上倾角传感器3000数据经过RS485总线传输到主控制芯片2000上。当横向角度不在±3°范围内，开启第二步调整模式。该调整模式分为两个部分：一：左右两轮摆动角度相等方向相反部分。二：调整车身横向水平部分。

一：左右两轮摆动角度相等方向相反部分。该部分要求左右两轮摆动角度相等方向相反，阈值为±3°，策略如下：

1、控制器控制两个比例电磁阀驱动模块同时输出且输出相等电流作用于两个比例电磁阀相反的比例电磁铁上。这个控制过程在理论上保证了左右两轮摆动角度相等方向相反。

2、根据左右两轮上安装的角度传感器4000获取的角度数据，取绝对值相减。如果数值不在±3°阈值范围内，则以左轮为基准，若发现右侧通的电流过大或过小，使用闭环PID算法减小或加大右侧电流。若阈值在±3°范围内，则不使用PID。

二：调整车身横向水平部分，这部分要求保持车身横向水平，阈值为±3°，策略如下：

1、主控芯片2000接受倾角传感器3000经RS485总线传回角度数据。

2、得到当前车身横向角度与0°的差值。当差值在±3°时跳过步骤 3，电控系统停止向比例电磁阀输入电流，否则进入步骤3闭环调整阶段。

3、进行闭环PID调整，如果差值大于0，说明此时车身向左倾斜，应使左车轮升高，右车轮降低。将该差值乘以一定的KP、KI、KD参数，得到应输入电流值，该电流值大小为0-1.5A范围内，此时启用部分一左右两轮摆动角度相等方向相反部分程序。在左轮比例电磁阀左侧比例电磁铁和右轮比例电磁阀右侧比例电磁贴中通入电流，从而提高左轮降低右轮，使车身横向水平。如果差值小于0，说明此时车身向左倾斜，应使右车轮升高，左车轮降低。将该差值乘以一定的KP、KI、KD参数，得到应输入电流值，该电流值大小为0-1.5A范围内，此时启用部分一左右两轮摆动角度相等方向相反部分程序。在左轮比例电磁阀右侧比例电磁铁和右轮比例电磁阀左侧比例电磁贴中通入电流，从而提高右轮降低左轮，使车身横向水平。

上述3个步骤不断循环执行。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，包括拖拉机车身下方的后驱动桥、连接于所述后驱动桥一端的半轴套管、安装于所述半轴套管上的摆动调整执行机构以及与所述半轴套管连接的末端传动机构，所述末端传动机构相对于与所述半轴套管连接的一端安装拖拉机的车轮，所述摆动调整执行机构驱动所述末端传动机构做顺时针或逆时针转动以实现所述车轮的中轴线相对于所述后驱动桥的轴线的升高或降低并实现拖拉机横向姿态调整。

2.根据权利要求1所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，所述半轴套管包括左半轴套管和右半轴套管，所述摆动调整执行机构包括左摆动调整执行机构和右摆动调整执行机构，所述车轮包括左车轮和右车轮，所述后驱动桥的两端分别连接所述左半轴套管和所述右半轴套管，所述左半轴套管向左依次安装所述左摆动调整执行机构和所述左车轮，所述右半轴套管向右依次安装所述右摆动调整执行机构和所述右车轮。

3.根据权利要求1所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，所述左、右摆动调整执行机构均包括依次连接的液压泵、比例电磁阀和液压马达，所述液压马达与所述末端传动结构连接并控制其进行顺时针或逆时针转动。

4.根据权利要求3所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，所述比例电磁阀包括左电磁阀和右电磁阀，所述液压马达包括左马达和右马达，所述左摆动调整执行机构和所述右摆动调整执行机构分别连接所述左电磁阀、所述左马达以及所述右电磁阀、所述右马达，所述左电磁阀、所述左马达与所述右电磁阀、所述右马达的工作状态相反。

5.根据权利要求4所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，所述比例电磁阀为三位四通比例电磁阀。

6.根据权利要求5所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，还包括控制电路，其特征在于，该控制电路包括电源模块、与所述电源模块连接的主控芯片以及与所述主控芯片连接的两个比例电磁阀控制模块，两所述比例电磁阀控制模块分别连接所述左电磁阀和所述右电磁阀，所述主控芯片控制所述比例电磁阀控制模块对所述左电磁阀和/或所述右电磁阀输出固定大小频率的电流和颤振以控制所述左电磁阀和/或所述右电磁阀的左电磁铁和/或右电磁铁的位置，从而控制所述左马达或所述右马达的旋转方向。

7.根据权利要求6所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，还包括倾角传感器、两个角度传感器和RS485通信模块，所述倾角传感器和两个所述角度传感器分别安装在所述车身以及所述左、右车轮上并通过所述RS485通信模块与所述主控芯片通信连接，所述倾角传感器用于采集所述车身的横向倾角，所述角度传感器用于采集所述车轮的中轴线相对于所述后驱动桥的轴线的摆动角度。

8.根据权利要求7所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构，其特征在于，所述倾角传感器、所述角度传感器采集的横向倾角、摆动角度数据通过所述RS485通信模块发送至所述主控芯片，所述主控芯片处理该数据并向所述比例电磁阀控制模块发送控制指令。

9.一种如权利要求1-8中任一所述的丘陵山地拖拉机横向姿态调整机构的调整方法，其特征在于，所述方法如下：

当所述车身横向倾角与水平0°的差值绝对值大于3°时，所述主控芯片控制所述比例电磁阀控制模块向所述左电磁阀和所述右电磁阀中的相对的两个电磁铁中通入电流，从而提高或降低所述右车轮，并降低或提高所述左车轮，使得所述车身横向倾角与水平0°的差值绝对值小于3°。