基于AVL CRUISE的棉田联合整地机动力传动系统匹配研究

刘国强 邱绪云 宋裕民 尚冉琦

摘要：针对棉田的工作环境和作业需求，对联合整地机动力传动系统进行匹配研究，从而提高其传动效率。根据棉田实际作业需要，初步确定整车设计性能要求，制定动力传统系统布置方案，并通过给定的整车参数及要求的性能目标，进行科学的理论计算。使用AVL CRUISE仿真软件建立仿真模型和任务，进行动力性能仿真，通过分析仿真结果，验证初始拟定的动力匹配方案的合理性。

关键词：CRUISE软件;动力匹配;仿真分析

中图分类号：S210.6                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0008-03

0  引言

在当今，我國农业机械水平不断提高的同时，出现了耕地减少、能源危机和作业成本明显提高的问题。我国农业机械化水平整体也较低，主要是以单个小型农机具为主，多次进地进行翻、耕、耙、起等多项作业。目前我国大多个体农户的耕地面积还是较小、农业技术水平较低、经济实力较低，大功率的拖拉机仍不能得到大范围的使用。棉田中作业车辆的作用就显得尤为重要，本文以一种棉田联合整地机为研究对象，对车辆进行动力传动系统的设计，以达到棉田作业的使用性能要求。首先根据棉田的实际作业环境，拟定车辆的基本性能要求;再确定动力传动系统方案，并进行相关的理论计算。结合实际工作需求对发动机、变速箱和减速机进行参数匹配。最后使用AVL CRUISE软件建模仿真，验证理论计算的合理性，最终确定棉田联合整地机的动力传动系统匹配方案。

1  车辆性能要求及动力系统构建

1.1 车辆性能要求

根据有关资料显示，棉田的选址通常首先选择平原，其次为高原和丘陵。因此，联合整地机的工作环境可以总结为：地势较为平坦、以土路为主、需要一定的爬坡度。整体结构如图1所示。

首先动力输出轴将车辆的发动机动力输出，经万向节传递给变速箱动力输入轴，再经由变速箱的锥齿轮变速，由变速箱输出轴输出动力，经过变速箱再驱动深松铲进行整地作业。

据此初步拟定棉田联合整地机基本参数如表1所示。

根据棉田作业特点，联合整地机需要满足以下三个设计要求：最高车速不小于20km/h，最大爬坡度不小于35%，0-30加速时间不超过22s，最大牵引力不小于5500N。

1.2 动力系统构建

根据棉田作业环境的需求，需要精确控制车辆的行进速度。综合考虑当前技术的发展现状、车辆的作业需求，选择柴油机驱动的动力传动系统结构方案比较合理。如简图2所示，发动机连接两档变速箱，变速箱将发动机动力传至减速机，通过减速机的减速、增加转矩，最终将发动机的动力传至驱动轮，带动联合整地机工作。

2  动力传动系统参数的初步确定

2.1 发动机性能参数确定

2.1.1 发动机最大功率的确定

①最高车速时的发动机功率计算。

对于棉田联合整地机而言，因为在果园内作业，考虑到棉田地势的特性，车辆常规行驶速度可能会低于最高车速。更重要的是棉田联合整地机需要具备一定的爬坡能力，以适应棉田特殊地况，满足所需的性能要求。从这几个方面分析，车辆要有一定的后备功率，综上所述，根据车辆的最高车速，确定发动机的额定功率。

（1）

式中：Pe1—发动机最大功率，W;η—传动系机械效率;Cd—为空气阻力系数;A—为车辆迎风面积，m2;νmax—车辆的最高车速，m/s。

②最大爬坡度时的发动机功率计算。

棉田整地机在工作中，若坡度角为α时的车速为να，则此时的发动机功率值为：

（2）

式中：α—工作中的坡度角。

③整地机工作时的发动机功率计算。

作业机具在车辆牵引作业过程中，发动机功率一部分用以驱动整地刀具旋转，一部分用以牵引整机前进。根据功率计算公式，有刀片切削土体时消耗的功率：

（3）

（4）

（5）

式中：P1sd—单个刀片切土功耗，W;Vs—刀尖切土线速度，m/s;S1—单片刀面与土壤接触面积，m2;l—深松刀螺旋布置螺距，m;γs—松土容重，N/m3;μ1—土壤与钢的摩擦系数。

2.1.2 发动机最大扭矩及对应转速范围的确定

同样，在爬坡的工况时，发动机需要在爬坡瞬间输出充足的扭矩，来完成爬坡工作。棉田整地机所选配的发动机的最大扭矩需要满足的表达式为：

（6）

式中：η—车辆传动系统效率;αmax—为车辆爬坡的最大坡度角;imax—为车辆爬坡的最大坡度值;r0—为减速器的传动比。

为保证设计的棉田整地机能在常规速度下平稳运转，发动机的额定转速由车辆行驶的常规速度进行确定：

（7）

发动机的最高转速由下面的公式确定：

（8）

式中：ne—为发动机额定转速，r/min;ig—为变速器的传动比;io—为减速机的减速比;ve—为车辆行驶的常规速度，km/h;r—为车轮半径，m。

按照以上公式，带入数据，即可进行发动机参数的计算。得出发动机参数理论算值：额定功率122kW，额定扭矩286N·m，综上所述，结合市面上供应商产品信息，初步选定发动机性能参数。

2.2 传动比计算

传动机构的作用：按照总的传动比将发动机输出的转速进行缩小，转化成车辆所需的车速;并且，根据总传动比把发动机输出的扭矩进行扩大，传递到驱动车轮上。所以，传动系统的作用，是整个动力匹配中至关重要的一环。

①通过车辆最高车速确定最小传动比范围：

（9）

②通过车辆实际工作最大爬坡度确定最大传动比范围：

（10）

在设计棉田联合整地机传动系时，为了保证车辆在松软地面上行驶时的附着力，应保证在低速下车辆的稳定行驶，则最大传动比同时应满足：

（11）

3  基于CRUISE的整车动力性经济性仿真

3.1 CRUISE仿真软件概述

应用于车辆动力系统仿真分析的CRUISE软件，能实现不同种类型的车辆动力系统模拟的构建和仿真。AVL CRUISE软件在同种仿真软件中，在模型搭建界面有着模块化的特点，因此在车辆、发动机行业有着非常广泛的应用。AVL CRUISE软件中设有各种自定义的汽车模块：车身模块、发动机模块、变速器模块等。用户可以按照制定設计方案的需求，能建立各种不同车辆模型。AVL CRUISE软件在对用户建立的仿真任务进行仿真时，通过模拟驾驶员的真实反应，使其仿真的结果更符合实际情况。仿真过程实时显示控制过程，人性化智能处理模式。

3.2 整车仿真模型建立

在进行仿真工作之前，需要在软件中建立合理的仿真模型。依照本文中所确定的动力系统布置方案，建立起相应的整车模型，同时将车辆的参数输入各个模块。模型的搭建包括：车身模型的搭建、驱动系统的搭建、控制系统的搭建等。并且要将各个模块连接起来，使之成为一个系统，进行联合工作。本文所搭建的模型如图3所示。

3.3 主要计算任务的设置

3.3.1 爬坡度仿真任务的建立

棉田联合整地机的动力匹配性能对车辆的爬坡性能具有一定要求，为了检验车辆在仿真情况下的爬坡度能否能达到设计要求，进行爬坡度仿真。

3.3.2 稳态行驶性能任务的建立

将车辆载荷设置为满载状态。联合整地机在棉田工作时，需要考虑车辆的稳定行驶状态，利用软件计算各档最高车速。

3.3.3 全负荷加速任务的建立

车辆的加速能力表现为从加速开始到加速结束过程，稳定在设定速度下的全部时间作为评价指标，通常包括原地起步到常用车速加速时间。车辆由车速为零开始，在适时条件下换挡，达到最大的整车加速度，车辆由零加速至指定车速的时间。

3.3.4 最大牵引力仿真任务的建立

最大牵引力，能够反映出驱动力矩的大小，进而反映出车辆的动力性能。对于棉田联合整地机来说，最大牵引力不能过大，剩余的驱动力矩会剩余过多，使得能量剩余，造成额外的浪费。同时，最大牵引力不能太小，会使得驱动力矩不足，从而影响作业车辆的正常行驶和爬坡能力。因此，要求车辆最大牵引力稍大于理论计算，并且有少量剩余。

4  仿真结果分析与验证

当AVL CRUISE软件在对任务进行仿真时，监测控制系统可以在界面下方实现实时显示仿真界面，同时显示仿真的进度、车辆的行驶速度、发动机输出的扭矩等参数。待仿真进程完成后，取得仿真结果，再进行科学分析。

4.1 各档爬坡度仿真结果分析与验证

车辆爬坡度仿真结果如图4所示，当车速达到4km/h时，达到一档最大爬坡度42.89%，并且随着车速的增加爬坡度不断下降。

4.2 各档最高车速仿真结果分析与验证

车辆最高车速曲线如图5所示，软件的result报告显示，一档的最高速度达到9.82km/h，二挡的最高速度能达到24.2 km/h左右，最高速度大于20km/h，符合设计要求。

4.3 全负荷加速仿真结果分析与验证

如图6所示，在0-19km/h阶段，车速变化相对迅速;当速度大于20km/h时，发动机达到最大功率，车速变化逐渐趋于平缓。得到Cruise软件的result结果，找到该车具体的全负荷加速任务结果，车辆由静止加速至20km/h所需时间为16.20s，符合设计要求。

4.4 最大牵引力仿真结果分析与验证

如图7所示，车辆挂入一档随着速度的增加车辆牵引力不断增加，当车速到达9.4km/h时牵引力达到最大值6125N，之后随着车速的增加最大牵引力逐渐减小。

综上所述，现将车辆仿真值与理论值对比：车辆各档最大爬坡度仿真值42.89%，理论值35%;车辆各档最高车速仿真值24.2km/h，理论值20km/h;车辆全负荷加速仿真值16.2s，理论值20s;车辆最大牵引力仿真值6125N，理论值5500N。通过对比可以得到，拟定的动力匹配方案符合设计要求。

5  结论

根据棉田作业的性能要求，确定动力系统的关键参数，再进行理论计算。最后使用AVL CRUISE对设计动力传动系统动力性能进行仿真，通过仿真结果达到，设计的动力传动系统方案符合设计要求。棉田联合整地机动力匹配方案：采用柴油发动机机驱动，发动机额定功率122kW，额定扭矩286N·m;采用两档变速箱，一档传动比11.5，二挡传动比28.6。

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