電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周志立，夏先文，徐立友，2

（1.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471004）

電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周志立1，夏先文1，徐立友1，2

（1.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471004）

針對(duì)傳統(tǒng)拖拉機(jī)存在高油耗、高排放、變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，提出了一種電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)、變速器以及動(dòng)力電池組等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。以邢臺(tái)XT120小型拖拉機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)，繪制了速度特性曲線、牽引功率特性曲線以及連續(xù)作業(yè)時(shí)間與負(fù)荷率、行駛速度的關(guān)系曲線。研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的電動(dòng)拖拉機(jī)不需要頻繁換擋，降低了駕駛?cè)藛T的勞動(dòng)強(qiáng)度；在有效牽引力范圍內(nèi)，可以充分發(fā)揮其作業(yè)能力；連續(xù)作業(yè)時(shí)間達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

電動(dòng)拖拉機(jī)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)方法；牽引特性

0 引言

近年來(lái)，隨著石油資源日益枯竭，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題不斷加劇，各國(guó)都開(kāi)始制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，促進(jìn)節(jié)能減排和新能源車輛的研發(fā)。中國(guó)也大力提倡發(fā)展“綠色農(nóng)機(jī)”，《全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出，加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，將增產(chǎn)增效型、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)機(jī)化技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展方向［1］。

電動(dòng)拖拉機(jī)作為一種新型農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械，具有污染小、噪聲低、效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)［2］，對(duì)減輕環(huán)境污染、緩解能源危機(jī)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

國(guó)外對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究起步較早。1995年，文獻(xiàn)［3］研制了電動(dòng)手扶拖拉機(jī)，并對(duì)其特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［4－5］在柴油拖拉機(jī)的基礎(chǔ)上改裝了電動(dòng)拖拉機(jī)，對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的能量消耗及牽引特性進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)目前對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究剛剛起步。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松［6］對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)各部件的匹配方法進(jìn)行了研究。西北農(nóng)林科技大學(xué)的盧毅［7］開(kāi)發(fā)了一種可遙控控制的微型履帶電動(dòng)拖拉機(jī)。2012年，中國(guó)一拖集團(tuán)與美國(guó)通用公司正式簽訂了電動(dòng)拖拉機(jī)項(xiàng)目合作協(xié)議，目前正在加緊研發(fā)過(guò)程中［8］。但總體來(lái)看，針對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的理論研究相對(duì)較少，進(jìn)一步研究電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，對(duì)于加快電動(dòng)拖拉機(jī)產(chǎn)業(yè)化具有一定的意義。

本文提出了一種電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并以邢臺(tái)XT120小型拖拉機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行了計(jì)算分析，以期為電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

圖1 電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)流程圖

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)流程

圖1為本文所采用電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)流程圖。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池組、控制器、牽引電動(dòng)機(jī)、變速器和驅(qū)動(dòng)橋等組成［9］。動(dòng)力電池組作為唯一的能源供給裝置，本文選用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組，其壽命長(zhǎng)、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)、質(zhì)量輕、環(huán)保，是電動(dòng)拖拉機(jī)儲(chǔ)能裝置的最佳選擇［10］。牽引電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其性能直接決定了電動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力性能。選取永磁同步電機(jī)作為牽引電動(dòng)機(jī)，其具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)［11］，可以滿足電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)特殊的動(dòng)力需求。

1.2 額定牽引力

拖拉機(jī)的典型工況是帶牽引農(nóng)具在水平田地里穩(wěn)定作業(yè)。由于電動(dòng)拖拉機(jī)行駛速度較低，忽略空氣阻力的影響，考慮各個(gè)力在水平方向的平衡，可得到總的牽引平衡方程式為：

式中：Fq為驅(qū)動(dòng)力，N；FT為牽引阻力，N；Ff為滾動(dòng)阻力，N。

FT的計(jì)算公式為：

式中：Z為犁鏵個(gè)數(shù)；k為土壤比阻，N／cm2；hk為耕深，cm；bl為單個(gè)犁鏵寬度，cm。

拖拉機(jī)的額定牽引力FTN通常由犁耕作業(yè)時(shí)的平均牽引阻力FT來(lái)確定［12］。拖拉機(jī)的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，工作條件、農(nóng)具等經(jīng)常改變，考慮到這些阻力變化的因素，應(yīng)保留10%～20%的儲(chǔ)備牽引能力［13］，因此電動(dòng)拖拉機(jī)的額定牽引力FTN確定為：

1.3 牽引電動(dòng)機(jī)功率

電動(dòng)拖拉機(jī)的牽引力由牽引電動(dòng)機(jī)提供，牽引電動(dòng)機(jī)具有在低速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩，在高速范圍內(nèi)恒功率的特性。利用低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩特性，結(jié)合拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)的速度和牽引力需求，得出牽引電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)滿足：

式中：PTN為牽引電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；VT為拖拉機(jī)犁耕作業(yè)時(shí)的速度，km／h；ηT為拖拉機(jī)的牽引效率。

與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)相比，電動(dòng)拖拉機(jī)的牽引效率除受傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率、驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)效率和滾動(dòng)效率的影響外，還受牽引電動(dòng)機(jī)和控制器的效率影響［14］，即：

式中：ηmc為牽引電動(dòng)機(jī)和控制器的效率；ηm為傳動(dòng)效率；ηδ為滑轉(zhuǎn)效率，ηδ＝1－δ，δ為滑轉(zhuǎn)率；ηf為滾動(dòng)效率，ηf＝FT／Fq。

1.4 變速器設(shè)計(jì)

圖2 變速器傳動(dòng)路線示意圖

電動(dòng)拖拉機(jī)相比于傳統(tǒng)拖拉機(jī)，其調(diào)速范圍更寬，倒擋可以通過(guò)牽引電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這些特點(diǎn)，本文對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的變速器進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將其擋位簡(jiǎn)化為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)擋位。變速器的傳動(dòng)路線如圖2所示。圖2中，I軸為輸入軸，O軸為驅(qū)動(dòng)力輸出軸，M軸為中間軸，A、B為同步器，具體傳動(dòng)路線為：

根據(jù)拖拉機(jī)的負(fù)荷率將其工作模式分為以下3種［15］：100%負(fù)荷率時(shí)的重載模式、80%負(fù)荷率時(shí)的中載模式及55%負(fù)荷率時(shí)的輕載模式，每一種工作模式對(duì)應(yīng)每一種擋的速比。

將電動(dòng)拖拉機(jī)以額定牽引力進(jìn)行犁耕作業(yè)定義為其100%的負(fù)荷率，充分發(fā)揮牽引電動(dòng)機(jī)低速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，計(jì)算得出Ⅰ擋的速比為：

式中：i1為變速器Ⅰ擋的速比；r為驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑，m；ne為牽引電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r／m in；ig為主減速器速比；V為犁耕作業(yè)時(shí)的行駛速度，km／h，一般為4～6 km／h。

據(jù)此初定：

以初定的速比作為參考，進(jìn)行變速器具體參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，最終確定的速比與初定速比的誤差應(yīng)保證在5%范圍內(nèi)。

1.5 動(dòng)力電池組設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池組作為電動(dòng)拖拉機(jī)唯一的儲(chǔ)能裝置，應(yīng)同時(shí)滿足最大功率和總能量?jī)蓚€(gè)方面的需求。

（Ⅰ）功率需求

式中：n1為動(dòng)力電池組按功率需求計(jì)算所需的電池個(gè)數(shù)；PTM為牽引電動(dòng)機(jī)的最大功率，kW；Pb為單個(gè)蓄電池的最大輸出功率，kW。

（Ⅱ）能量需求

式中：n2為動(dòng)力電池組按能量需求計(jì)算所需的電池個(gè)數(shù)；Pl為附屬電器件功率，kW；TN為額定作業(yè)時(shí)間，h，一般定為4 h。

動(dòng)力電池組的電池?cái)?shù)目n取n1和n2的較大值。

1.6 質(zhì)量參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)拖拉機(jī)的最大使用質(zhì)量Gsmax應(yīng)使所設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)在滑轉(zhuǎn)率不超過(guò)規(guī)定值的情況下發(fā)揮出額定牽引力［12］，即：

式中：f為滾動(dòng)阻力因數(shù)；φδ為滑轉(zhuǎn)率是規(guī)定值時(shí)的附著因數(shù)；λ為質(zhì)量分配因數(shù)。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

以邢臺(tái)XT120小型拖拉機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析。

2.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

該款拖拉機(jī)的配套農(nóng)具為雙鏵犁，耕深為16 cm，單個(gè)犁寬為20 cm，土壤比阻取5 N／cm2。由式（2）和式（3）計(jì)算得出額定牽引力取值范圍為3 520～3 840 N，對(duì)電池質(zhì)量、滾動(dòng)阻力以及功率儲(chǔ)備等影響因素進(jìn)行綜合考慮，選取額定牽引力為3 840 N。表1為根據(jù)式（4）～式（11）計(jì)算得到的電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體參數(shù)。

表1 電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

拖拉機(jī)的牽引特性是評(píng)價(jià)拖拉機(jī)的整體性能和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件參數(shù)間匹配合理程度的重要指標(biāo)。圖3為電動(dòng)拖拉機(jī)行駛速度與牽引力的關(guān)系曲線。由圖3可知：當(dāng)拖拉機(jī)Ⅰ擋（即負(fù)荷率為100%）作業(yè)時(shí)，最大牽引力為3 840 N，車速為4.5 km／h；當(dāng)拖拉機(jī)Ⅱ擋（即負(fù)荷率為80%）作業(yè)時(shí)，最大牽引力下的車速為5.7 km／h；當(dāng)拖拉機(jī)Ⅲ擋（即負(fù)荷率為55%）作業(yè)時(shí)，最大牽引力下的車速為8.2 km／h。牽引力和行駛速度的數(shù)值均滿足拖拉機(jī)進(jìn)行犁耕作業(yè)以及運(yùn)輸作業(yè)的需求，且在同一擋位下充分發(fā)揮了牽引電動(dòng)機(jī)低速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩和高速范圍內(nèi)恒功率的特性，不需要頻繁換擋，降低了駕駛?cè)藛T的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖4為電動(dòng)拖拉機(jī)的牽引功率與牽引力的關(guān)系曲線。由于牽引電動(dòng)機(jī)具有低速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩、高速范圍內(nèi)恒功率的特性，電動(dòng)拖拉機(jī)牽引功率的特性與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)不同，其在某一擋位的牽引力不是由零開(kāi)始逐漸增大，而是先保持一個(gè)定值，而后逐漸減小，牽引功率則是先增大后減小。以Ⅱ擋下的牽引功率為例，當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，牽引力保持2 577 N不變，牽引功率隨著拖拉機(jī)速度的增大而直線上升；當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后，牽引力逐漸減小，牽引功率也隨之而減小。電動(dòng)拖拉機(jī)牽引功率的最大值為3.67 kW，對(duì)應(yīng)的牽引力為3 165 N，并不是最大牽引力3 840 N。其原因在于：電動(dòng)拖拉機(jī)以最大的牽引力進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)，滑轉(zhuǎn)損失的功率較大；以3 165 N的牽引力作業(yè)時(shí)，滑轉(zhuǎn)率相對(duì)較小，牽引力相對(duì)較大，兩者綜合作用，故可以取得最大的牽引功率，充分發(fā)揮電動(dòng)拖拉機(jī)的作業(yè)能力。

圖3 行駛速度與牽引力的關(guān)系

圖4 牽引功率與牽引力的關(guān)系

圖5 連續(xù)作業(yè)時(shí)間與負(fù)荷率、行駛速度的關(guān)系

1次充電后連續(xù)作業(yè)時(shí)間是電動(dòng)拖拉機(jī)一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖5為電動(dòng)拖拉機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)間與負(fù)荷率、行駛速度的關(guān)系曲線。由圖5可以看出：同一負(fù)荷率下，連續(xù)作業(yè)時(shí)間隨著行駛速度的增大而減??；不同負(fù)荷率下，最短連續(xù)作業(yè)時(shí)間均達(dá)到了額定作業(yè)時(shí)間（4 h）的預(yù)期目標(biāo)，這是由牽引電動(dòng)機(jī)高速范圍內(nèi)恒功率的特性決定的；最長(zhǎng)連續(xù)作業(yè)時(shí)間為55%負(fù)荷率下的13.8 h，對(duì)應(yīng)的行駛速度為2.7 km／h。在相同的行駛速度下，連續(xù)作業(yè)時(shí)間隨著負(fù)荷率的增大而減小。

3 結(jié)論

（1）提出了一種電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各主要部件參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

（2）電動(dòng)拖拉機(jī)變速器結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，不需要頻繁換擋，降低了駕駛?cè)藛T的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）電動(dòng)拖拉機(jī)1次充電后連續(xù)作業(yè)的時(shí)間達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠滿足正常作業(yè)需求。

［1］ 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃（2011－2015年）［N］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化導(dǎo)報(bào)，2011－09－12（1）.

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S219.4

A

1672－6871（2015）05－0078－04

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃基金項(xiàng)目（2014BAD08B04）；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃基金項(xiàng)目（142102210424）

周志立（1957－），男，河南偃師人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事車輛新型傳動(dòng)理論與控制技術(shù)方面的研究.

2015－01－29

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃基金項(xiàng)目（2011BAD20B10）

作者簡(jiǎn)介：師清翔（1957－），男，河南孟州人，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要從事玉米、小麥、水稻等谷物聯(lián)合收割機(jī)的研究和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā).

收稿日期：2015－04－01