一種增程式果園管理車輛的設計與分析

李世沖，張 弛，彭立強，宋久欣，張一波

（河北科技大學 機械工程學院，河北 石家莊 050018）

目前，我國水果種植大多集中在丘陵山地和大棚中，這類地區地貌類型多，地面崎嶇不平，而且空間狹窄，無法滿足大型農機進入果園輔助工作的條件，生產效率和能源利用率很低。近年來，隨著社會的發展，經濟水平的提高，山地和大棚果樹的種植規模越來越大。像河北省和河南省等省份，土地平闊，果園多位于平川地區，或大棚種植，園內果樹株行距近，大型機械不能靈活轉位[1]。貴州省、云南省等省份果園多位于山地、丘陵地區、受地形不平整、地塊面積小限制，傳統大型機械作業效率低，急需小型的并且續航時間足夠的管理機械。在中國制造2025 的背景及國家提出促進農業機械現代化的熱潮下，研發一款增程式果園車輛符合農業發展的趨勢和中國“雙碳政策”的實施。

本設計方案主要對增程式果園管理車輛的工作原理進行設計分析，對整體結構進行了三維建模。在對種植地區的實地考察的基礎上，通過相關計算，對電動機、增程器、電池等進行選型，確定電動機、增程器的功率，基于Matlab/Simulink 對動力系統進行虛擬建模和仿真，以期讓該方案設計具有更好的燃油經濟性和低排放性。

1 動力系統的選型計算

圖1為傳統燃油果園車輛驅動系統結構方案。該系統由燃油機（通常為汽油機和柴油機）作為動力源提供動力到變速箱變速箱，變速箱將動力分配給行走機構和工作裝置[2]。

圖1 傳統燃油車輛Fig.1 Conventional fuel vehicles

現有的果園管理車輛有一大部分是傳統燃油驅動方式，工作環境大都是在負荷工況下和低速狀態下，燃油經濟性非常差，對環境造成很大污染。雖然純電動汽車目前在國內新能源汽車占據了主流地位，但由于受電池的能量密度、充電速率、電池安全性、電池制造成本、電池體積和質量等技術難題均沒有太大的突破，尤其是在農業中這種需要高負荷，長周期的工作狀態中，純電動車尚不能滿足農業生產要求[3]。

1.1 增程式系統方案

增程式電動車輛，即串聯混合動力汽車，該種車輛主要由驅動電機傳輸動力。經變速箱到達行走機構驅使車輛行進。其中蓄電池（動力電池）作為車輛的主要動力單元，增程器作為輔助動力單元[4]。圖中發動機和發電機就是組成增程器的主要器件，增程器中的原動機有很多種類型，包括傳統內燃機-發電機型、燃料電池型、微型燃氣輪機型等。而本課題選用的增程器為傳統內燃機-發電機型，此種類型的增程器繼承和結合了傳統內燃機的成熟技術，不論是在混合氣體的形成、內燃機的特性、燃燒的效率都是有很大優勢，因此得到了廣泛的關注。

由于電池的能量存儲有限，充電時間相比較加注燃料來說慢了，這一直是限制全球電動汽車發展的重要因素之一。考慮到柴油機在冬季不利于點火的問題，在這里選擇內燃機為汽油機的增程器類型[5]。

綜上所述，經過實地考察確定果園管理車輛工作時的平均功率大約在6 kW。

該增程器具有噪音低、體積小、安置方便、節油性能更好等優點，具體參數見表1。

表1 增程器參數Tab.1 Range extender parameters

1.2 驅動電機選型與計算

除了增程器的選擇，驅動電機的選擇也是重中之重，要充分考慮工作環境、工作狀態、工作時間的不同，選擇性能最匹配的驅動電機才能使得車輛發揮更好的性能。

1.2.1 驅動電機功率的確定

根據設計要求和實地考察為整車選取的設計參數見表2。

表2 整車參數表Tab.2 Vehicle parameters

電動機的運行功率越大，其動力性就越好，但是對變速箱的設計要求和制作更高，電動機的外形和重量也會變大。所以要根據田間車輛的最大爬坡角度、最大行駛阻力、最大行駛速度以及最大加速度進行參數設計[6]。

式中：ηT——傳動效率；ua——最高車速，km；f——滾動阻力系數；CD——迎風阻力系數；A——迎風面積，m2；G——整車重力，N。

教學方式，從本質上說，并不僅僅是一個方法手段問題，它是教學理念的實際貫徹，是教學原則的具體落實[7]。游泳項目的學習，“會”和“不會”間存在較為明顯的區分，這更能夠激發學生的學習動機和興趣，加之游泳項目對參與者個體帶來了獨特的身心體驗和感受，使得游泳教學呈現出別具一格的教學特色，教師也面臨多樣化的教學方式選擇，如“浮沉呼吸法”、“表象訓練法”、“目標分解法”、“舉一反三法”、“平行連貫法”、“目標分解法”、“自主合作法”等等。教學有法，但無定法，多元化的游泳項目教學方式，旨在激發學生的學習主動性和積極性，提高游泳課堂教學效果，具體運用，還需教師在教學實踐中有效遴選并綜合運用。

根據最大爬坡角度，確定電動機功率：

式中：ui——車輛行駛速度，km/h；i——坡度，°。

根據最高加速度，確定電動機功率：

式中：δ——車輛行駛旋轉質量的換算系數，取1.02。

所以，電動機的峰值功率：

電動機的額定功率：

通過車輛對性能的需要，將設定好的性能指標代到上述公式可以獲得相應的性能參數。根據車輛工作要求，最高行駛速度設為Vmax=30 km/h ，代入式（1）中，可以得到結果Pv=1.75 kW；爬坡車速10 km/h，爬坡度27°；代入式（2）中，可以得到結果Pi=7.4 kW；根據車輛最大加速度，車輛0～30 km/h需要7 s；代入式（3）中，可以得到結果Pa=51.721 kW；將以上數據代入式（4）中，得到峰值功率Pmax=57 kW；將峰值功率代入式5中，可以得到額定功率Pe=28 kW。

綜上所述的動力性參數，可以得到驅動電機動機峰值功率為57 kW。同時驅動電機額定電壓決定了電動機的參數。通過上文確定的額定功率值，可以初步估計電動機的額定電壓50～80 V。

1.2.2 驅動電機類型的選擇

常見的電動機類型有直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等，這些電機根據各自不同的特點應用在不同的場所和工況下，其性能參數對比見表3。

表3 電機性能對照表Tab.3 Comparison table of motor performance

通過分析，本設計采用的開關磁阻電動機，其參數如表4所示。

表4 電動機參數表Tab.4 Motor parameter table

1.3 電池種類的選擇

常見蓄電池性能比較見表5[7-9]。

表5 常見蓄電池的性能比較Tab.5 Performance comparison of common batteries

通常蓄電池的能量儲存決定了車輛工作續航能力，但是隨著儲存能量的增多，電池組的體積和重量也會增多，這樣就對汽車性能產生了影響，所以需要設計合適的蓄電池參數和重量。結合上述數據及各個電池的特點，本方案中采用鋰電池作為增程式果園管理車的能量來源之一。

1.4 蓄電池參數的確定

本文增程式多功能果園管理車按照純電模式下，以工作速度3.6 km/h，工作裝置功率3.8 kW，工作5 h，SOC 的最高值為90%，最低閾值30%，使用量60%。電池參數計算如下。

將鋰電池單體電壓設定為3.2 V，選取100 個單體進行串聯。鋰電池容量為：20.46 kW·h÷320 V=64 Ah，鋰電池容量確定為65 Ah。

綜上所述，可確定電池參數見表6。

表6 電池參數表Tab.6 Battery parameter table

2 車輛總體方案設計

增程式果園車輛由車架、變速箱、驅動電機、蓄電池、汽油機、發電機、輪胎等組成。體積小，質量輕，發電機功率大，擁有良好的對外輸出能力。在車輛尾部采用通用的三點懸掛裝置，可以實現工作裝置的模塊化應用，可以加裝多種作業工具，從而實現了一機多用。本設計用CATIA 三維軟件對車輛進行了建模[10]。

2.1 車架的設計

車架是車輛的主體框架，幾乎所有的汽車零件都要安放在車架。在本設計中，變速箱、增程器、驅動電機、蓄電池、前懸掛都要和車架相連，車架的結構必須滿足各個部件的安裝。車架的結構設計是一個車輛的關鍵部分見圖3。

圖3 車架上板Fig.3 Upper plate of frame

此車架采用15MnVN 材料。15MnVN 有較好的抗拉強度，屈服極限比較大，尤其是在山地果園這種崎嶇不平的路面上，可以適應在工作時來自路面的顛簸。

2.2 轉向機構的設計

該設計方案，選擇步進電機為轉向動力源，步進電機控制器選用支持WiFi 連接的微控制器。藍牙無線手柄上遙感電位器的擺動角度作為發生信號，通過無線接收轉換成脈沖數，輸入到步進電機產生角位移，步進電機輸出軸直接與蝸輪蝸桿減速器的蝸桿相連，減速之后經過轉向橫拉桿作用在轉向臂使得車輪轉動[11]。轉向控制裝置見圖4。

圖4 轉向控制裝置Fig.4 Steering control device

2.3 總體三維裝配

見圖5 為車輛的整體裝配設計，該車輛的尾部采用三點懸掛裝置，可以與旋耕裝置、施肥裝置、除草裝置、開溝裝置等多種工作裝置相連接，三點懸掛裝置被廣泛的應用在農業機械車輛中[12]。在車架的上方安裝了增程器、發電機、蓄電池、驅動電機和變速箱等裝置，燃油機帶動發電機給蓄電池供電，蓄電池連接驅動電機通過變速箱中的減速機構將動力分別傳遞到后輪和旋耕裝置上，以此驅動車輛行走工作[13]。

圖5 整車裝配設計Fig.5 Vehicle assembly design

增程器、電池、驅動電機是該車輛的核心動力部件，它們之間的運轉需要根據不同工況來確定，動力系統之間控制策略的好壞對車輛的功率輸出、油耗、排放性能都起著決定性作用[14]。

3 結語

本文根據果園管理車輛的設計要求，并且對轉向系統加以改造，對增程器、發電機、驅動電機、蓄電池等進行了計算和選型，最后在三維軟件CATIA 中建立了車輛的模型，進行裝配。此方案設計可以實現增程式動力的傳輸，可以實現耕地等果園作業，在純電動工況中，增程器停止運轉，噪音分貝極大降低。并且可以在增程器運轉發電過程中，增程器可以維持在一個節能的運轉工況中，極大地提高了能源轉換效率，為果園農業機械的發展提供了一種可參考的設計方案。