基于AVL CRUISE的棉田聯(lián)合整地機(jī)動力傳動系統(tǒng)匹配研究

劉國強(qiáng) 邱緒云 宋裕民 尚冉琦

摘要：針對棉田的工作環(huán)境和作業(yè)需求，對聯(lián)合整地機(jī)動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行匹配研究，從而提高其傳動效率。根據(jù)棉田實際作業(yè)需要，初步確定整車設(shè)計性能要求，制定動力傳統(tǒng)系統(tǒng)布置方案，并通過給定的整車參數(shù)及要求的性能目標(biāo)，進(jìn)行科學(xué)的理論計算。使用AVL CRUISE仿真軟件建立仿真模型和任務(wù)，進(jìn)行動力性能仿真，通過分析仿真結(jié)果，驗證初始擬定的動力匹配方案的合理性。

關(guān)鍵詞：CRUISE軟件;動力匹配;仿真分析

中圖分類號：S210.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0008-03

0? 引言

在當(dāng)今，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械水平不斷提高的同時，出現(xiàn)了耕地減少、能源危機(jī)和作業(yè)成本明顯提高的問題。我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平整體也較低，主要是以單個小型農(nóng)機(jī)具為主，多次進(jìn)地進(jìn)行翻、耕、耙、起等多項作業(yè)。目前我國大多個體農(nóng)戶的耕地面積還是較小、農(nóng)業(yè)技術(shù)水平較低、經(jīng)濟(jì)實力較低，大功率的拖拉機(jī)仍不能得到大范圍的使用。棉田中作業(yè)車輛的作用就顯得尤為重要，本文以一種棉田聯(lián)合整地機(jī)為研究對象，對車輛進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計，以達(dá)到棉田作業(yè)的使用性能要求。首先根據(jù)棉田的實際作業(yè)環(huán)境，擬定車輛的基本性能要求;再確定動力傳動系統(tǒng)方案，并進(jìn)行相關(guān)的理論計算。結(jié)合實際工作需求對發(fā)動機(jī)、變速箱和減速機(jī)進(jìn)行參數(shù)匹配。最后使用AVL CRUISE軟件建模仿真，驗證理論計算的合理性，最終確定棉田聯(lián)合整地機(jī)的動力傳動系統(tǒng)匹配方案。

1? 車輛性能要求及動力系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 車輛性能要求

根據(jù)有關(guān)資料顯示，棉田的選址通常首先選擇平原，其次為高原和丘陵。因此，聯(lián)合整地機(jī)的工作環(huán)境可以總結(jié)為：地勢較為平坦、以土路為主、需要一定的爬坡度。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先動力輸出軸將車輛的發(fā)動機(jī)動力輸出，經(jīng)萬向節(jié)傳遞給變速箱動力輸入軸，再經(jīng)由變速箱的錐齒輪變速，由變速箱輸出軸輸出動力，經(jīng)過變速箱再驅(qū)動深松鏟進(jìn)行整地作業(yè)。

據(jù)此初步擬定棉田聯(lián)合整地機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)棉田作業(yè)特點，聯(lián)合整地機(jī)需要滿足以下三個設(shè)計要求：最高車速不小于20km/h，最大爬坡度不小于35%，0-30加速時間不超過22s，最大牽引力不小于5500N。

1.2 動力系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)棉田作業(yè)環(huán)境的需求，需要精確控制車輛的行進(jìn)速度。綜合考慮當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、車輛的作業(yè)需求，選擇柴油機(jī)驅(qū)動的動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案比較合理。如簡圖2所示，發(fā)動機(jī)連接兩檔變速箱，變速箱將發(fā)動機(jī)動力傳至減速機(jī)，通過減速機(jī)的減速、增加轉(zhuǎn)矩，最終將發(fā)動機(jī)的動力傳至驅(qū)動輪，帶動聯(lián)合整地機(jī)工作。

2? 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的初步確定

2.1 發(fā)動機(jī)性能參數(shù)確定

2.1.1 發(fā)動機(jī)最大功率的確定

①最高車速時的發(fā)動機(jī)功率計算。

對于棉田聯(lián)合整地機(jī)而言，因為在果園內(nèi)作業(yè)，考慮到棉田地勢的特性，車輛常規(guī)行駛速度可能會低于最高車速。更重要的是棉田聯(lián)合整地機(jī)需要具備一定的爬坡能力，以適應(yīng)棉田特殊地況，滿足所需的性能要求。從這幾個方面分析，車輛要有一定的后備功率，綜上所述，根據(jù)車輛的最高車速，確定發(fā)動機(jī)的額定功率。

（1）

式中：Pe1—發(fā)動機(jī)最大功率，W;η—傳動系機(jī)械效率;Cd—為空氣阻力系數(shù);A—為車輛迎風(fēng)面積，m2;νmax—車輛的最高車速，m/s。

②最大爬坡度時的發(fā)動機(jī)功率計算。

棉田整地機(jī)在工作中，若坡度角為α?xí)r的車速為να，則此時的發(fā)動機(jī)功率值為：

（2）

式中：α—工作中的坡度角。

③整地機(jī)工作時的發(fā)動機(jī)功率計算。

作業(yè)機(jī)具在車輛牽引作業(yè)過程中，發(fā)動機(jī)功率一部分用以驅(qū)動整地刀具旋轉(zhuǎn)，一部分用以牽引整機(jī)前進(jìn)。根據(jù)功率計算公式，有刀片切削土體時消耗的功率：

（3）

（4）

（5）

式中：P1sd—單個刀片切土功耗，W;Vs—刀尖切土線速度，m/s;S1—單片刀面與土壤接觸面積，m2;l—深松刀螺旋布置螺距，m;γs—松土容重，N/m3;μ1—土壤與鋼的摩擦系數(shù)。

2.1.2 發(fā)動機(jī)最大扭矩及對應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍的確定

同樣，在爬坡的工況時，發(fā)動機(jī)需要在爬坡瞬間輸出充足的扭矩，來完成爬坡工作。棉田整地機(jī)所選配的發(fā)動機(jī)的最大扭矩需要滿足的表達(dá)式為：

（6）

式中：η—車輛傳動系統(tǒng)效率;αmax—為車輛爬坡的最大坡度角;imax—為車輛爬坡的最大坡度值;r0—為減速器的傳動比。

為保證設(shè)計的棉田整地機(jī)能在常規(guī)速度下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速由車輛行駛的常規(guī)速度進(jìn)行確定：

（7）

發(fā)動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速由下面的公式確定：

（8）

式中：ne—為發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min;ig—為變速器的傳動比;io—為減速機(jī)的減速比;ve—為車輛行駛的常規(guī)速度，km/h;r—為車輪半徑，m。

按照以上公式，帶入數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行發(fā)動機(jī)參數(shù)的計算。得出發(fā)動機(jī)參數(shù)理論算值：額定功率122kW，額定扭矩286N·m，綜上所述，結(jié)合市面上供應(yīng)商產(chǎn)品信息，初步選定發(fā)動機(jī)性能參數(shù)。

2.2 傳動比計算

傳動機(jī)構(gòu)的作用：按照總的傳動比將發(fā)動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行縮小，轉(zhuǎn)化成車輛所需的車速;并且，根據(jù)總傳動比把發(fā)動機(jī)輸出的扭矩進(jìn)行擴(kuò)大，傳遞到驅(qū)動車輪上。所以，傳動系統(tǒng)的作用，是整個動力匹配中至關(guān)重要的一環(huán)。

①通過車輛最高車速確定最小傳動比范圍：

（9）

②通過車輛實際工作最大爬坡度確定最大傳動比范圍：

（10）

在設(shè)計棉田聯(lián)合整地機(jī)傳動系時，為了保證車輛在松軟地面上行駛時的附著力，應(yīng)保證在低速下車輛的穩(wěn)定行駛，則最大傳動比同時應(yīng)滿足：

（11）

3? 基于CRUISE的整車動力性經(jīng)濟(jì)性仿真

3.1 CRUISE仿真軟件概述

應(yīng)用于車輛動力系統(tǒng)仿真分析的CRUISE軟件，能實現(xiàn)不同種類型的車輛動力系統(tǒng)模擬的構(gòu)建和仿真。AVL CRUISE軟件在同種仿真軟件中，在模型搭建界面有著模塊化的特點，因此在車輛、發(fā)動機(jī)行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用。AVL CRUISE軟件中設(shè)有各種自定義的汽車模塊：車身模塊、發(fā)動機(jī)模塊、變速器模塊等。用戶可以按照制定設(shè)計方案的需求，能建立各種不同車輛模型。AVL CRUISE軟件在對用戶建立的仿真任務(wù)進(jìn)行仿真時，通過模擬駕駛員的真實反應(yīng)，使其仿真的結(jié)果更符合實際情況。仿真過程實時顯示控制過程，人性化智能處理模式。

3.2 整車仿真模型建立

在進(jìn)行仿真工作之前，需要在軟件中建立合理的仿真模型。依照本文中所確定的動力系統(tǒng)布置方案，建立起相應(yīng)的整車模型，同時將車輛的參數(shù)輸入各個模塊。模型的搭建包括：車身模型的搭建、驅(qū)動系統(tǒng)的搭建、控制系統(tǒng)的搭建等。并且要將各個模塊連接起來，使之成為一個系統(tǒng)，進(jìn)行聯(lián)合工作。本文所搭建的模型如圖3所示。

3.3 主要計算任務(wù)的設(shè)置

3.3.1 爬坡度仿真任務(wù)的建立

棉田聯(lián)合整地機(jī)的動力匹配性能對車輛的爬坡性能具有一定要求，為了檢驗車輛在仿真情況下的爬坡度能否能達(dá)到設(shè)計要求，進(jìn)行爬坡度仿真。

3.3.2 穩(wěn)態(tài)行駛性能任務(wù)的建立

將車輛載荷設(shè)置為滿載狀態(tài)。聯(lián)合整地機(jī)在棉田工作時，需要考慮車輛的穩(wěn)定行駛狀態(tài)，利用軟件計算各檔最高車速。

3.3.3 全負(fù)荷加速任務(wù)的建立

車輛的加速能力表現(xiàn)為從加速開始到加速結(jié)束過程，穩(wěn)定在設(shè)定速度下的全部時間作為評價指標(biāo)，通常包括原地起步到常用車速加速時間。車輛由車速為零開始，在適時條件下?lián)Q擋，達(dá)到最大的整車加速度，車輛由零加速至指定車速的時間。

3.3.4 最大牽引力仿真任務(wù)的建立

最大牽引力，能夠反映出驅(qū)動力矩的大小，進(jìn)而反映出車輛的動力性能。對于棉田聯(lián)合整地機(jī)來說，最大牽引力不能過大，剩余的驅(qū)動力矩會剩余過多，使得能量剩余，造成額外的浪費(fèi)。同時，最大牽引力不能太小，會使得驅(qū)動力矩不足，從而影響作業(yè)車輛的正常行駛和爬坡能力。因此，要求車輛最大牽引力稍大于理論計算，并且有少量剩余。

4? 仿真結(jié)果分析與驗證

當(dāng)AVL CRUISE軟件在對任務(wù)進(jìn)行仿真時，監(jiān)測控制系統(tǒng)可以在界面下方實現(xiàn)實時顯示仿真界面，同時顯示仿真的進(jìn)度、車輛的行駛速度、發(fā)動機(jī)輸出的扭矩等參數(shù)。待仿真進(jìn)程完成后，取得仿真結(jié)果，再進(jìn)行科學(xué)分析。

4.1 各檔爬坡度仿真結(jié)果分析與驗證

車輛爬坡度仿真結(jié)果如圖4所示，當(dāng)車速達(dá)到4km/h時，達(dá)到一檔最大爬坡度42.89%，并且隨著車速的增加爬坡度不斷下降。

4.2 各檔最高車速仿真結(jié)果分析與驗證

車輛最高車速曲線如圖5所示，軟件的result報告顯示，一檔的最高速度達(dá)到9.82km/h，二擋的最高速度能達(dá)到24.2 km/h左右，最高速度大于20km/h，符合設(shè)計要求。

4.3 全負(fù)荷加速仿真結(jié)果分析與驗證

如圖6所示，在0-19km/h階段，車速變化相對迅速;當(dāng)速度大于20km/h時，發(fā)動機(jī)達(dá)到最大功率，車速變化逐漸趨于平緩。得到Cruise軟件的result結(jié)果，找到該車具體的全負(fù)荷加速任務(wù)結(jié)果，車輛由靜止加速至20km/h所需時間為16.20s，符合設(shè)計要求。

4.4 最大牽引力仿真結(jié)果分析與驗證

如圖7所示，車輛掛入一檔隨著速度的增加車輛牽引力不斷增加，當(dāng)車速到達(dá)9.4km/h時牽引力達(dá)到最大值6125N，之后隨著車速的增加最大牽引力逐漸減小。

綜上所述，現(xiàn)將車輛仿真值與理論值對比：車輛各檔最大爬坡度仿真值42.89%，理論值35%;車輛各檔最高車速仿真值24.2km/h，理論值20km/h;車輛全負(fù)荷加速仿真值16.2s，理論值20s;車輛最大牽引力仿真值6125N，理論值5500N。通過對比可以得到，擬定的動力匹配方案符合設(shè)計要求。

5? 結(jié)論

根據(jù)棉田作業(yè)的性能要求，確定動力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，再進(jìn)行理論計算。最后使用AVL CRUISE對設(shè)計動力傳動系統(tǒng)動力性能進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果達(dá)到，設(shè)計的動力傳動系統(tǒng)方案符合設(shè)計要求。棉田聯(lián)合整地機(jī)動力匹配方案：采用柴油發(fā)動機(jī)機(jī)驅(qū)動，發(fā)動機(jī)額定功率122kW，額定扭矩286N·m;采用兩檔變速箱，一檔傳動比11.5，二擋傳動比28.6。

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