基于拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配的仿真與實(shí)驗(yàn)

蔣冬冬，許良元，2?，嚴(yán)詩(shī)友，楊 洋,2，陳黎卿,2，周 潔,2

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥230036；2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室，合肥230036）

目前我國(guó)拖拉機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出專業(yè)化和細(xì)分化的趨勢(shì)，這樣大大提高了生產(chǎn)效率，但與此同時(shí)也導(dǎo)致了許多問(wèn)題的出現(xiàn)，例如：為了提高拖拉機(jī)柴油機(jī)的熱效率，柴油機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)部門專注于提高柴油機(jī)汽缸內(nèi)的燃油利用率，汽車底盤的研發(fā)設(shè)計(jì)部門則傾向于采用減少傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損失的方式來(lái)提高傳動(dòng)系的性能[1-4]。上述研發(fā)拖拉機(jī)的模式雖然提高了各個(gè)部件的性能，但是卻忽略了各個(gè)部件之間相互匹配的重要性，性能優(yōu)越的柴油機(jī)如果與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)不能合理匹配的話，便不能充分發(fā)揮整個(gè)拖拉機(jī)的性能。合理匹配柴油機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)不僅可以提高拖拉機(jī)的最高車速，還可以改善拖拉機(jī)的加速性能等[5-7]。

在上述背景下，以國(guó)家重大課題為依據(jù)，為避免整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的諸多弊端，使用了高效、可靠的整車動(dòng)力學(xué)特征分析方法即基于AVL Cruise仿真軟件，搭建目標(biāo)車輛的仿真模型，對(duì)目標(biāo)車輛在道路行駛時(shí)的最高車速、原地起步加速至最高車速、最大加速度、道路滑行特性和在田間匹配淮豐1LS-740深松機(jī)作業(yè)時(shí)原地起步加速至6km/h的特性進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，為研究拖拉機(jī)的動(dòng)力參數(shù)匹配提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 整車基本參數(shù)

拖拉機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由柴油機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，其余和整車基本性能相關(guān)的重要參數(shù)及設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1。

表1 整車基本性能參數(shù)

1.2 傳動(dòng)系速比的匹配

拖拉機(jī)的傳動(dòng)速比至關(guān)重要，因?yàn)橥侠瓩C(jī)的很多性能均受其影響[8]。傳動(dòng)速比的匹配主要是通過(guò)計(jì)算確定變速器和主減速器速比[9]。車輛傳動(dòng)系速比參數(shù)由整車性能的需求決定，一方面?zhèn)鲃?dòng)系的最小傳動(dòng)比直接決定了拖拉機(jī)整車的最高車速，另一方面整車的最大爬坡度影響著傳動(dòng)系的最大傳動(dòng)比[10,11]。

1.2.1 最小傳動(dòng)比的確定

拖拉機(jī)的最高車速和柴油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速共同決定了拖拉機(jī)的最小傳動(dòng)比，見(jiàn)公式（1）：

式中：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速最大值用ne表示，r/min；車速最大值用umax表示，km/h；總傳動(dòng)比用∑i表示；車輪滾動(dòng)半徑用r表示，m，其值可由公式（2）來(lái)確定：

式中：輪輞直徑用d表示，m；輪胎斷面寬度用b表示，m；輪胎變形系數(shù)用λ表示。

1.2.2 最大傳動(dòng)比的確定

最大傳動(dòng)比主要取決于最大爬坡度，因此和最大爬坡度、附著率、拖拉機(jī)最低穩(wěn)定車速等因素有很大關(guān)系[12]。爬坡時(shí)的空氣阻力不計(jì)，大功率拖拉機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力為

式中：整車重量用G表示，N；主減速器速比用io表示；變速箱每個(gè)檔位的速比用igi表示；傳動(dòng)效率用ηt表示；柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩用Ttqmax表示，N·m。

將拖拉機(jī)相應(yīng)參數(shù)代入公式（1）（4）中可得imax≤102.114，imin≥8.533。本文設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)變速箱共有8個(gè)檔位，從市場(chǎng)上已有的主減速器中尋找合適的減速器，確定i0=6.2為主減速器速比。再根據(jù)（1）式計(jì)算得出各個(gè)檔位的傳動(dòng)比。

1.3 柴油機(jī)匹配

拖拉機(jī)柴油機(jī)的功率匹配和選擇主要是對(duì)額定功率選擇[13]。本文從最高車速這一角度對(duì)柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確定。當(dāng)拖拉機(jī)以最高車速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力達(dá)到平衡，其加速度為零，柴油機(jī)此時(shí)的功率至少為[14-15]

式中：整車質(zhì)量用G表示，N;滾動(dòng)阻力系數(shù)用f表示;設(shè)計(jì)的車速最大值用umax表示，m/s;風(fēng)阻系數(shù)用CD表示;迎風(fēng)面積用A表示，m2；傳動(dòng)效率用ηt表示。當(dāng)最高車速為36km/h，傳動(dòng)效率為92%時(shí)，將其余相關(guān)參數(shù)帶入公式（5）中，計(jì)算可得功率至少為52.6KW。結(jié)合實(shí)際條件，選擇東方紅-LX754拖拉機(jī)為研究對(duì)象，其柴油機(jī)具體參數(shù)如表2所示，柴油機(jī)萬(wàn)有特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)三維MAP圖如圖1所示。

1.4 拖拉機(jī)整車模型的搭建

圖2為在Cruise中搭建的東方紅-LX754拖拉機(jī)仿真模型，Cruise軟件中沒(méi)有農(nóng)機(jī)具模塊，故本文采用軟件中Flange，General Map，F(xiàn)unction模塊來(lái)模擬深松機(jī)模型，其中General Map模塊的輸出特性如圖3所示，最終用機(jī)械連接和信號(hào)連接將各個(gè)模塊連接起來(lái)，即完成懸掛深松機(jī)的拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立。

表2 柴油機(jī)性能參數(shù)

圖1 柴油機(jī)萬(wàn)有特性三維MAP圖

1.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)拖拉機(jī)道路行駛及農(nóng)田作業(yè)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，保證模型建立的正確性。以東方紅-LX754拖拉機(jī)在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電院機(jī)械實(shí)驗(yàn)場(chǎng)完成了試驗(yàn)，所采用的試驗(yàn)儀器為CTM-8W五輪儀，使用時(shí)按住五輪儀支架一側(cè)的鎖止螺絲，將傳感器支架打開(kāi)，將其固定在拖拉機(jī)的底盤尾部，將信號(hào)線連接到測(cè)試主機(jī)后面的OES接口，在進(jìn)行原地起步加速實(shí)驗(yàn)時(shí)將加速踏板傳感器套在被測(cè)拖拉機(jī)的加速踏板上，另一端連接到測(cè)試主機(jī)的加速接口，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)串口輸出至筆記本電腦，利用串口調(diào)節(jié)助手采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)條件如下：氣溫為30℃，氣壓為101 kPa，田間實(shí)驗(yàn)和道路實(shí)驗(yàn)分別如圖4、5所示。

1.5.1 道路最高車速試驗(yàn)

首先用卷尺在水平干燥的混凝土路面測(cè)量出1000m的距離，在起點(diǎn)處、距起點(diǎn)800m處和終點(diǎn)處分別放置一標(biāo)桿，800m用于拖拉機(jī)加速區(qū)段，200m用于拖拉機(jī)最高車速實(shí)驗(yàn)區(qū)段，往返兩次，取其平均值。

1.5.2 道路原地起步加速實(shí)驗(yàn)

將加速踏板開(kāi)關(guān)套在加速踏板上，啟動(dòng)拖拉機(jī)，踩下加速踏板，通過(guò)操作換擋操縱桿，使拖拉機(jī)從0km/h加速至最高車速。

圖2 田間作業(yè)的拖拉機(jī)仿真模型

圖3 General Map圖

圖4 田間深松實(shí)驗(yàn)

圖5 普通道路實(shí)驗(yàn)

1.5.3 道路滑行試驗(yàn)

空載拖拉機(jī)以穩(wěn)定的20km/h的速度行駛，在進(jìn)入測(cè)試路段的同時(shí)將換擋操縱桿置于空擋直到車輛完全停止。

1.5.4 道路和田間加速性能實(shí)驗(yàn)

拖拉機(jī)懸掛深松機(jī)在田間作業(yè)和其空載在道路行駛時(shí)的路況差異性較大，致使測(cè)量拖拉機(jī)田間作業(yè)和道路行駛的加速性能數(shù)據(jù)有所不同。拖拉機(jī)在道路行駛進(jìn)入測(cè)量路段時(shí)，測(cè)出拖拉機(jī)各個(gè)檔位的最大加速度；拖拉機(jī)匹配深松機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，測(cè)出拖拉機(jī)以一檔油門全開(kāi)從0km/h加速至6km/h的工作速度的加速特性數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 道路行駛仿真結(jié)果分析

拖拉機(jī)在水平路面上以各個(gè)檔位行駛，根據(jù)表3仿真結(jié)果可知其能達(dá)到的最大速度為35.05km/h。圖6為拖拉機(jī)原地起步加速至最大車速特性曲線圖，從中可知其加速時(shí)間為15.2s，此時(shí)拖拉機(jī)行駛了118.2m，期間隨著車速的不斷增加，拖拉機(jī)檔位隨之增加，相應(yīng)的拖拉機(jī)加速度隨之不斷減小。圖7為加速度特性曲線。

表3 各檔位最大速度

圖6 原地起步加速特性曲線

圖7 加速度特性曲線

根據(jù)圖7可知，拖拉機(jī)各個(gè)檔位的加速度隨著檔位的升高在逐漸降低，1擋行駛時(shí)出現(xiàn)最大加速度，其值為3.32m/s2，對(duì)應(yīng)的車速為7km/h。根據(jù)圖8可知，由于拖拉機(jī)所受風(fēng)阻在不斷減小，所以拖拉機(jī)速度的變化先急后緩，相應(yīng)的滑行距離隨時(shí)間的變化為先快速增加，后緩慢增加，最終拖拉機(jī)經(jīng)過(guò)33.4s停下，滑行距離為37.2m。

圖8 空擋滑行特性曲線

2.2 農(nóng)田工作仿真結(jié)果分析

在農(nóng)田作業(yè)過(guò)程中，拖拉機(jī)匹配農(nóng)機(jī)具加速至特定速度后，穩(wěn)定行駛完成田間作業(yè)。根據(jù)《GB T 24675.2-2009保護(hù)性耕作機(jī)械深松機(jī)》，本文中拖拉機(jī)匹配深松機(jī)在田間進(jìn)行深度為30cm的深松工作，拖拉機(jī)以1檔油門全開(kāi)從0km/h加速至6km/h工作速度的特性曲線如圖9所示，從中可知拖拉機(jī)加速至6km/h所用時(shí)間為8.1s，期間行駛距離為7.3m。

圖9 加速特性曲線

2.3 數(shù)據(jù)分析

將拖拉機(jī)道路工況和田間工況的實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別記錄在表4和表5中，通過(guò)對(duì)比分析所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)值和仿真值均存在一定的相對(duì)誤差，其中相對(duì)誤差最大值為12.3%，鑒于仿真模型計(jì)算過(guò)程部分簡(jiǎn)化和實(shí)驗(yàn)儀器及操作的誤差，認(rèn)為仿真模型基本滿足研究要求。

表4 道路工況下仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

表5 田間工況下仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3 討論

本文根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)初步計(jì)算確定拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)范圍，據(jù)此選擇東方紅-LX754的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別對(duì)拖拉機(jī)在道路空載行駛和田間懸掛深松機(jī)作業(yè)兩種工況進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整理分析數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

①拖拉機(jī)在道路空載行駛時(shí)，最高車速仿真值為35.05km/h，實(shí)驗(yàn)值為32.1km/h，相對(duì)誤差9.2%；最大加速度仿真值為3.32m/s2，實(shí)驗(yàn)值為3.14m/s2，相對(duì)誤差為5.7%；原地起步加速至最高車速所需時(shí)間和行駛距離的仿真值分別為15.2s和118.2m，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值分別為17.5s和109.3m，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差分別為12.3%和8.1%；以20km/h初速度空擋無(wú)制動(dòng)的道路滑行距離仿真值為37.2m，實(shí)驗(yàn)值為35.8m，相對(duì)誤差為3.9%。

②拖拉機(jī)在田間懸掛深松機(jī)作業(yè)時(shí)，1檔原地起步油門全開(kāi)加速至工作速度6km/h所需時(shí)間和行駛距離的仿真值分別為8.1s和7.3m，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值分別為9s和8.3m，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差為10%和12%。

③Cruise中建立的拖拉機(jī)模型是合理的，能夠作為研究拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要輔助手段，可有效縮短拖拉機(jī)研發(fā)周期，提高研發(fā)工作效率。