基于拖拉機動力傳動系統參數匹配的仿真與實驗

蔣冬冬，許良元，2?，嚴詩友，楊 洋,2，陳黎卿,2，周 潔,2

（1.安徽農業大學工學院，合肥230036；2.安徽省智能農機裝備工程實驗室，合肥230036）

目前我國拖拉機的發展呈現出專業化和細分化的趨勢，這樣大大提高了生產效率，但與此同時也導致了許多問題的出現，例如：為了提高拖拉機柴油機的熱效率，柴油機開發設計部門專注于提高柴油機汽缸內的燃油利用率，汽車底盤的研發設計部門則傾向于采用減少傳動系統機械損失的方式來提高傳動系的性能[1-4]。上述研發拖拉機的模式雖然提高了各個部件的性能，但是卻忽略了各個部件之間相互匹配的重要性，性能優越的柴油機如果與動力傳動系統不能合理匹配的話，便不能充分發揮整個拖拉機的性能。合理匹配柴油機和動力傳動系統不僅可以提高拖拉機的最高車速，還可以改善拖拉機的加速性能等[5-7]。

在上述背景下，以國家重大課題為依據，為避免整機性能實驗的諸多弊端，使用了高效、可靠的整車動力學特征分析方法即基于AVL Cruise仿真軟件，搭建目標車輛的仿真模型，對目標車輛在道路行駛時的最高車速、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深松機作業時原地起步加速至6km/h的特性進行仿真分析和實驗研究，為研究拖拉機的動力參數匹配提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 整車基本參數

拖拉機的動力傳動系統主要由柴油機和傳動系統組成，其余和整車基本性能相關的重要參數及設計要求見表1。

表1 整車基本性能參數

1.2 傳動系速比的匹配

拖拉機的傳動速比至關重要，因為拖拉機的很多性能均受其影響[8]。傳動速比的匹配主要是通過計算確定變速器和主減速器速比[9]。車輛傳動系速比參數由整車性能的需求決定，一方面傳動系的最小傳動比直接決定了拖拉機整車的最高車速，另一方面整車的最大爬坡度影響著傳動系的最大傳動比[10,11]。

1.2.1 最小傳動比的確定

拖拉機的最高車速和柴油機的最高轉速共同決定了拖拉機的最小傳動比，見公式（1）：

式中：柴油機轉速最大值用ne表示，r/min；車速最大值用umax表示，km/h；總傳動比用∑i表示；車輪滾動半徑用r表示，m，其值可由公式（2）來確定：

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

1.2.2 最大傳動比的確定

最大傳動比主要取決于最大爬坡度，因此和最大爬坡度、附著率、拖拉機最低穩定車速等因素有很大關系[12]。爬坡時的空氣阻力不計，大功率拖拉機的最大驅動力為

式中：整車重量用G表示，N；主減速器速比用io表示；變速箱每個檔位的速比用igi表示；傳動效率用ηt表示；柴油機最大轉矩用Ttqmax表示，N·m。

將拖拉機相應參數代入公式（1）（4）中可得imax≤102.114，imin≥8.533。本文設計的拖拉機傳動系統變速箱共有8個檔位，從市場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（1）式計算得出各個檔位的傳動比。

1.3 柴油機匹配

拖拉機柴油機的功率匹配和選擇主要是對額定功率選擇[13]。本文從最高車速這一角度對柴油機各項參數進行確定。當拖拉機以最高車速行駛時，驅動力和行駛阻力達到平衡，其加速度為零，柴油機此時的功率至少為[14-15]

式中：整車質量用G表示，N;滾動阻力系數用f表示;設計的車速最大值用umax表示，m/s;風阻系數用CD表示;迎風面積用A表示，m2；傳動效率用ηt表示。當最高車速為36km/h，傳動效率為92%時，將其余相關參數帶入公式（5）中，計算可得功率至少為52.6KW。結合實際條件，選擇東方紅-LX754拖拉機為研究對象，其柴油機具體參數如表2所示，柴油機萬有特性實驗數據三維MAP圖如圖1所示。

1.4 拖拉機整車模型的搭建

圖2為在Cruise中搭建的東方紅-LX754拖拉機仿真模型，Cruise軟件中沒有農機具模塊，故本文采用軟件中Flange，General Map，Function模塊來模擬深松機模型，其中General Map模塊的輸出特性如圖3所示，最終用機械連接和信號連接將各個模塊連接起來，即完成懸掛深松機的拖拉機動力學仿真模型的建立。

表2 柴油機性能參數

圖1 柴油機萬有特性三維MAP圖

1.5 實驗驗證

對拖拉機道路行駛及農田作業進行實車試驗，保證模型建立的正確性。以東方紅-LX754拖拉機在安徽農業大學機電院機械實驗場完成了試驗，所采用的試驗儀器為CTM-8W五輪儀，使用時按住五輪儀支架一側的鎖止螺絲，將傳感器支架打開，將其固定在拖拉機的底盤尾部，將信號線連接到測試主機后面的OES接口，在進行原地起步加速實驗時將加速踏板傳感器套在被測拖拉機的加速踏板上，另一端連接到測試主機的加速接口，同時將實驗數據通過RS232標準串口輸出至筆記本電腦，利用串口調節助手采集實驗數據。試驗條件如下：氣溫為30℃，氣壓為101 kPa，田間實驗和道路實驗分別如圖4、5所示。

1.5.1 道路最高車速試驗

首先用卷尺在水平干燥的混凝土路面測量出1000m的距離，在起點處、距起點800m處和終點處分別放置一標桿，800m用于拖拉機加速區段，200m用于拖拉機最高車速實驗區段，往返兩次，取其平均值。

1.5.2 道路原地起步加速實驗

將加速踏板開關套在加速踏板上，啟動拖拉機，踩下加速踏板，通過操作換擋操縱桿，使拖拉機從0km/h加速至最高車速。

圖2 田間作業的拖拉機仿真模型

圖3 General Map圖

圖4 田間深松實驗

圖5 普通道路實驗

1.5.3 道路滑行試驗

空載拖拉機以穩定的20km/h的速度行駛，在進入測試路段的同時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驗

拖拉機懸掛深松機在田間作業和其空載在道路行駛時的路況差異性較大，致使測量拖拉機田間作業和道路行駛的加速性能數據有所不同。拖拉機在道路行駛進入測量路段時，測出拖拉機各個檔位的最大加速度；拖拉機匹配深松機在田間作業時，測出拖拉機以一檔油門全開從0km/h加速至6km/h的工作速度的加速特性數據。

2 結果與分析

2.1 道路行駛仿真結果分析

拖拉機在水平路面上以各個檔位行駛，根據表3仿真結果可知其能達到的最大速度為35.05km/h。圖6為拖拉機原地起步加速至最大車速特性曲線圖，從中可知其加速時間為15.2s，此時拖拉機行駛了118.2m，期間隨著車速的不斷增加，拖拉機檔位隨之增加，相應的拖拉機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

根據圖7可知，拖拉機各個檔位的加速度隨著檔位的升高在逐漸降低，1擋行駛時出現最大加速度，其值為3.32m/s2，對應的車速為7km/h。根據圖8可知，由于拖拉機所受風阻在不斷減小，所以拖拉機速度的變化先急后緩，相應的滑行距離隨時間的變化為先快速增加，后緩慢增加，最終拖拉機經過33.4s停下，滑行距離為37.2m。

圖8 空擋滑行特性曲線

2.2 農田工作仿真結果分析

在農田作業過程中，拖拉機匹配農機具加速至特定速度后，穩定行駛完成田間作業。根據《GB T 24675.2-2009保護性耕作機械深松機》，本文中拖拉機匹配深松機在田間進行深度為30cm的深松工作，拖拉機以1檔油門全開從0km/h加速至6km/h工作速度的特性曲線如圖9所示，從中可知拖拉機加速至6km/h所用時間為8.1s，期間行駛距離為7.3m。

圖9 加速特性曲線

2.3 數據分析

將拖拉機道路工況和田間工況的實驗值和仿真值分別記錄在表4和表5中，通過對比分析所得數據發現：實驗值和仿真值均存在一定的相對誤差，其中相對誤差最大值為12.3%，鑒于仿真模型計算過程部分簡化和實驗儀器及操作的誤差，認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驗值對比

表5 田間工況下仿真值與實驗值對比

3 討論

本文根據實際需求通過初步計算確定拖拉機動力傳動系統的參數范圍，據此選擇東方紅-LX754的動力傳動系統為研究對象，分別對拖拉機在道路空載行駛和田間懸掛深松機作業兩種工況進行仿真分析和實驗驗證，整理分析數據得出以下結論：

①拖拉機在道路空載行駛時，最高車速仿真值為35.05km/h，實驗值為32.1km/h，相對誤差9.2%；最大加速度仿真值為3.32m/s2，實驗值為3.14m/s2，相對誤差為5.7%；原地起步加速至最高車速所需時間和行駛距離的仿真值分別為15.2s和118.2m，對應的實驗值分別為17.5s和109.3m，對應的相對誤差分別為12.3%和8.1%；以20km/h初速度空擋無制動的道路滑行距離仿真值為37.2m，實驗值為35.8m，相對誤差為3.9%。

②拖拉機在田間懸掛深松機作業時，1檔原地起步油門全開加速至工作速度6km/h所需時間和行駛距離的仿真值分別為8.1s和7.3m，對應的實驗值分別為9s和8.3m，對應的相對誤差為10%和12%。

③Cruise中建立的拖拉機模型是合理的，能夠作為研究拖拉機動力傳動系統的重要輔助手段，可有效縮短拖拉機研發周期，提高研發工作效率。