不同转向模式下具有姿态调整方法的轮式拖拉机侧向稳定性

《Agriculture》：Lateral Stability of Wheeled Tractor with Attitude Adjustment Method in Different Steering Modes

　　

拖拉机翻车是一个持续存在的世界性难题，目前尚无根本性解决方案。调整拖拉机的姿态或构型可增强其在复杂地形条件下的机动性，从而防止翻车。为此，本研究提出一种通过抵消上坡侧与下坡侧高度差来调整拖拉机姿态的姿态调整方法。针对前轮转向、四轮转向和铰接车身转向三种模式建立了运动学模型，并建立了描述姿态变化对拖拉机转向失稳影响的转向数学模型。该方法通过分析轮胎接触力来预测转向稳定性。在考虑转向半径的条件下，推导了临界坡度角和临界转向速度，并用于预测失稳状态。考虑拖拉机姿态，研究人员在姿态调整和水平姿态两种条件下进行了仿真。结果表明，姿态调整是增强拖拉机转向稳定性以避免翻倾的有效方法。此外，所建立的模型为防止拖拉机转向过程中的侧向翻倾提供了理论参考和优化方向。

轮式拖拉机翻车事故是全球农业作业中导致人员伤亡的主要原因之一，侧向翻倾约占翻车事故的70%。在横向坡道上作业时，拖拉机更易发生侧翻。传统的翻车保护结构（ROPS）属于被动安全措施，虽能降低伤亡率，但不能主动防止翻车。已有动力学模型多基于质心（COG）几何位置，或忽略轮胎载荷变化、回正力矩等因素，且很少在转向模型中考虑主动姿态调整。因此，研究人员提出一种通过抵消上坡侧与下坡侧高度差来调整拖拉机姿态的姿态调整方法，并针对前轮转向、四轮转向和铰接车身转向三种模式建立侧坡转向稳定性模型。该研究发表于《Agriculture》。研究人员通过分析轮胎接触力而非仅利用质心几何位置来预测转向稳定性，推导了临界失稳角和临界转向速度，并以转向半径为约束预测失稳状态。仿真表明，姿态调整可显著提高拖拉机转向过程中的侧向稳定性，避免翻倾；所建模型为拖拉机转向时防止侧向翻倾提供了理论参考与优化方向。

在关键技术方法上，研究人员采用刚体假设建立拖拉机侧坡转向模型，忽略轮胎非线性，分别推导前轮、四轮和铰接车身转向模式下的侧向离心力分量F_y；通过轮胎接地点力平衡和力矩平衡得到轮胎法向力，进而求解侧滑与侧翻临界条件；利用MATLAB 2021对五征集团（Wuzheng Group, Rizhao, Shandong, China）的拖拉机样机参数进行数值仿真，并在样机上开展姿态调整与行驶试验，验证了调整机构可实现最大15°坡地上的水平作业。

5.1 姿态调整机构
该拖拉机由主动后桥、被动前桥和车身组成。后桥两侧通过回转轴承和末端传动机构实现高度调节；前桥采用左右对称四杆机构被动跟随，保证四轮始终接地。样机试验表明，通过主动控制后桥摆角可实现最大15°坡地上的水平作业。

5.2 临界失稳角
仿真中分别设定转向半径为6 m和12 m、速度0~20 km/h，将下坡侧质心高度h_d和上坡侧质心高度h_u表示为后桥姿态调整角的函数，代入临界失稳角公式。结果表明，临界失稳角随调整角增大而增大，随转向速度增大而减小；转向半径越小，临界失稳角越低。当调整角从0°增加到80°时，临界失稳角可提高20%以上。

5.3 临界转向速度
仿真中设定转向半径为6 m和12 m、坡度角0~15°，将两侧质心高度代入临界转向速度公式。结果表明，临界转向速度随调整角增大而增大，随坡度角增大而减小；