基于AVL CRUISE的棉田聯合整地機動力傳動系統匹配研究

劉國強 邱緒云 宋裕民 尚冉琦

摘要：針對棉田的工作環境和作業需求，對聯合整地機動力傳動系統進行匹配研究，從而提高其傳動效率。根據棉田實際作業需要，初步確定整車設計性能要求，制定動力傳統系統布置方案，并通過給定的整車參數及要求的性能目標，進行科學的理論計算。使用AVL CRUISE仿真軟件建立仿真模型和任務，進行動力性能仿真，通過分析仿真結果，驗證初始擬定的動力匹配方案的合理性。

關鍵詞：CRUISE軟件;動力匹配;仿真分析

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

0? 引言

在當今，我國農業機械水平不斷提高的同時，出現了耕地減少、能源危機和作業成本明顯提高的問題。我國農業機械化水平整體也較低，主要是以單個小型農機具為主，多次進地進行翻、耕、耙、起等多項作業。目前我國大多個體農戶的耕地面積還是較小、農業技術水平較低、經濟實力較低，大功率的拖拉機仍不能得到大范圍的使用。棉田中作業車輛的作用就顯得尤為重要，本文以一種棉田聯合整地機為研究對象，對車輛進行動力傳動系統的設計，以達到棉田作業的使用性能要求。首先根據棉田的實際作業環境，擬定車輛的基本性能要求;再確定動力傳動系統方案，并進行相關的理論計算。結合實際工作需求對發動機、變速箱和減速機進行參數匹配。最后使用AVL CRUISE軟件建模仿真，驗證理論計算的合理性，最終確定棉田聯合整地機的動力傳動系統匹配方案。

1? 車輛性能要求及動力系統構建

1.1 車輛性能要求

根據有關資料顯示，棉田的選址通常首先選擇平原，其次為高原和丘陵。因此，聯合整地機的工作環境可以總結為：地勢較為平坦、以土路為主、需要一定的爬坡度。整體結構如圖1所示。

首先動力輸出軸將車輛的發動機動力輸出，經萬向節傳遞給變速箱動力輸入軸，再經由變速箱的錐齒輪變速，由變速箱輸出軸輸出動力，經過變速箱再驅動深松鏟進行整地作業。

據此初步擬定棉田聯合整地機基本參數如表1所示。

根據棉田作業特點，聯合整地機需要滿足以下三個設計要求：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 動力系統構建

根據棉田作業環境的需求，需要精確控制車輛的行進速度。綜合考慮當前技術的發展現狀、車輛的作業需求，選擇柴油機驅動的動力傳動系統結構方案比較合理。如簡圖2所示，發動機連接兩檔變速箱，變速箱將發動機動力傳至減速機，通過減速機的減速、增加轉矩，最終將發動機的動力傳至驅動輪，帶動聯合整地機工作。

2? 動力傳動系統參數的初步確定

2.1 發動機性能參數確定

2.1.1 發動機最大功率的確定

①最高車速時的發動機功率計算。

對于棉田聯合整地機而言，因為在果園內作業，考慮到棉田地勢的特性，車輛常規行駛速度可能會低于最高車速。更重要的是棉田聯合整地機需要具備一定的爬坡能力，以適應棉田特殊地況，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，根據車輛的最高車速，確定發動機的額定功率。

（1）

式中：Pe1—發動機最大功率，W;η—傳動系機械效率;Cd—為空氣阻力系數;A—為車輛迎風面積，m2;νmax—車輛的最高車速，m/s。

②最大爬坡度時的發動機功率計算。

棉田整地機在工作中，若坡度角為α時的車速為να，則此時的發動機功率值為：

（2）

式中：α—工作中的坡度角。

③整地機工作時的發動機功率計算。

作業機具在車輛牽引作業過程中，發動機功率一部分用以驅動整地刀具旋轉，一部分用以牽引整機前進。根據功率計算公式，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。

2.1.2 發動機最大扭矩及對應轉速范圍的確定

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

（6）

式中：η—車輛傳動系統效率;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。

為保證設計的棉田整地機能在常規速度下平穩運轉，發動機的額定轉速由車輛行駛的常規速度進行確定：

（7）

發動機的最高轉速由下面的公式確定：

（8）

式中：ne—為發動機額定轉速，r/min;ig—為變速器的傳動比;io—為減速機的減速比;ve—為車輛行駛的常規速度，km/h;r—為車輪半徑，m。

按照以上公式，帶入數據，即可進行發動機參數的計算。得出發動機參數理論算值：額定功率122kW，額定扭矩286N·m，綜上所述，結合市面上供應商產品信息，初步選定發動機性能參數。

2.2 傳動比計算

傳動機構的作用：按照總的傳動比將發動機輸出的轉速進行縮小，轉化成車輛所需的車速;并且，根據總傳動比把發動機輸出的扭矩進行擴大，傳遞到驅動車輪上。所以，傳動系統的作用，是整個動力匹配中至關重要的一環。

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）

在設計棉田聯合整地機傳動系時，為了保證車輛在松軟地面上行駛時的附著力，應保證在低速下車輛的穩定行駛，則最大傳動比同時應滿足：

（11）

3? 基于CRUISE的整車動力性經濟性仿真

3.1 CRUISE仿真軟件概述

應用于車輛動力系統仿真分析的CRUISE軟件，能實現不同種類型的車輛動力系統模擬的構建和仿真。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、發動機行業有著非常廣泛的應用。AVL CRUISE軟件中設有各種自定義的汽車模塊：車身模塊、發動機模塊、變速器模塊等。用戶可以按照制定設計方案的需求，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進行仿真時，通過模擬駕駛員的真實反應，使其仿真的結果更符合實際情況。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布置方案，建立起相應的整車模型，同時將車輛的參數輸入各個模塊。模型的搭建包括：車身模型的搭建、驅動系統的搭建、控制系統的搭建等。并且要將各個模塊連接起來，使之成為一個系統，進行聯合工作。本文所搭建的模型如圖3所示。

3.3 主要計算任務的設置

3.3.1 爬坡度仿真任務的建立

棉田聯合整地機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到設計要求，進行爬坡度仿真。

3.3.2 穩態行駛性能任務的建立

將車輛載荷設置為滿載狀態。聯合整地機在棉田工作時，需要考慮車輛的穩定行駛狀態，利用軟件計算各檔最高車速。

3.3.3 全負荷加速任務的建立

車輛的加速能力表現為從加速開始到加速結束過程，穩定在設定速度下的全部時間作為評價指標，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，在適時條件下換擋，達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的建立

最大牽引力，能夠反映出驅動力矩的大小，進而反映出車輛的動力性能。對于棉田聯合整地機來說，最大牽引力不能過大，剩余的驅動力矩會剩余過多，使得能量剩余，造成額外的浪費。同時，最大牽引力不能太小，會使得驅動力矩不足，從而影響作業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? 仿真結果分析與驗證

當AVL CRUISE軟件在對任務進行仿真時，監測控制系統可以在界面下方實現實時顯示仿真界面，同時顯示仿真的進度、車輛的行駛速度、發動機輸出的扭矩等參數。待仿真進程完成后，取得仿真結果，再進行科學分析。

4.1 各檔爬坡度仿真結果分析與驗證

車輛爬坡度仿真結果如圖4所示，當車速達到4km/h時，達到一檔最大爬坡度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，一檔的最高速度達到9.82km/h，二擋的最高速度能達到24.2 km/h左右，最高速度大于20km/h，符合設計要求。

4.3 全負荷加速仿真結果分析與驗證

如圖6所示，在0-19km/h階段，車速變化相對迅速;當速度大于20km/h時，發動機達到最大功率，車速變化逐漸趨于平緩。得到Cruise軟件的result結果，找到該車具體的全負荷加速任務結果，車輛由靜止加速至20km/h所需時間為16.20s，符合設計要求。

4.4 最大牽引力仿真結果分析與驗證

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，當車速到達9.4km/h時牽引力達到最大值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計要求。

5? 結論

根據棉田作業的性能要求，確定動力系統的關鍵參數，再進行理論計算。最后使用AVL CRUISE對設計動力傳動系統動力性能進行仿真，通過仿真結果達到，設計的動力傳動系統方案符合設計要求。棉田聯合整地機動力匹配方案：采用柴油發動機機驅動，發動機額定功率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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