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 471003；2.中國一拖集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471004）

電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

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 471003；2.中國一拖集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471004）

針對傳統(tǒng)拖拉機(jī)存在高油耗、高排放、變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，提出了一種電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方法，對牽引電動機(jī)、變速器以及動力電池組等驅(qū)動系統(tǒng)主要部件進(jìn)行了設(shè)計選型。以邢臺XT120小型拖拉機(jī)為研究對象，設(shè)計了其驅(qū)動系統(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)計的電動拖拉機(jī)不需要頻繁換擋，降低了駕駛?cè)藛T的勞動強(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)時間達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

電動拖拉機(jī)；驅(qū)動系統(tǒng)；設(shè)計方法；牽引特性

0 引言

近年來，隨著石油資源日益枯竭，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題不斷加劇，各國都開始制定相關(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)。中國也大力提倡發(fā)展“綠色農(nóng)機(jī)”，《全國農(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］。

電動拖拉機(jī)作為一種新型農(nóng)用動力機(jī)械，具有污染小、噪聲低、效率高、操作方便等優(yōu)點［2］，對減輕環(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。

國外對電動拖拉機(jī)的研究起步較早。1995年，文獻(xiàn)［3］研制了電動手扶拖拉機(jī)，并對其特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［4－5］在柴油拖拉機(jī)的基礎(chǔ)上改裝了電動拖拉機(jī)，對電動拖拉機(jī)的能量消耗及牽引特性進(jìn)行了研究。國內(nèi)目前對電動拖拉機(jī)的研究剛剛起步。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松［6］對電動拖拉機(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］開發(fā)了一種可遙控控制的微型履帶電動拖拉機(jī)。2012年，中國一拖集團(tuán)與美國通用公司正式簽訂了電動拖拉機(jī)項目合作協(xié)議，目前正在加緊研發(fā)過程中［8］。但總體來看，針對電動拖拉機(jī)的理論研究相對較少，進(jìn)一步研究電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計理論，對于加快電動拖拉機(jī)產(chǎn)業(yè)化具有一定的意義。

本文提出了一種電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方法，并以邢臺XT120小型拖拉機(jī)為研究對象進(jìn)行了計算分析，以期為電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供理論依據(jù)。

圖1 電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳動流程圖

1 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

1.1 傳動流程

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

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)。由于電動拖拉機(jī)行駛速度較低，忽略空氣阻力的影響，考慮各個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)動力，N；FT為牽引阻力，N；Ff為滾動阻力，N。

FT的計算公式為：

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

拖拉機(jī)的額定牽引力FTN通常由犁耕作業(yè)時的平均牽引阻力FT來確定［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%的儲備牽引能力［13］，因此電動拖拉機(jī)的額定牽引力FTN確定為：

1.3 牽引電動機(jī)功率

電動拖拉機(jī)的牽引力由牽引電動機(jī)提供，牽引電動機(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。利用低速時恒轉(zhuǎn)矩特性，結(jié)合拖拉機(jī)作業(yè)時的速度和牽引力需求，得出牽引電動機(jī)的功率應(yīng)滿足：

式中：PTN為牽引電動機(jī)額定功率，kW；VT為拖拉機(jī)犁耕作業(yè)時的速度，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，電動拖拉機(jī)的牽引效率除受傳動系統(tǒng)的傳動效率、驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)效率和滾動效率的影響外，還受牽引電動機(jī)和控制器的效率影響［14］，即：

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

1.4 變速器設(shè)計

圖2 變速器傳動路線示意圖

電動拖拉機(jī)相比于傳統(tǒng)拖拉機(jī)，其調(diào)速范圍更寬，倒擋可以通過牽引電動機(jī)反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。針對這些特點，本文對電動拖拉機(jī)的變速器進(jìn)行了簡化設(shè)計，將其擋位簡化為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個擋位。變速器的傳動路線如圖2所示。圖2中，I軸為輸入軸，O軸為驅(qū)動力輸出軸，M軸為中間軸，A、B為同步器，具體傳動路線為：

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)荷率時的重載模式、80%負(fù)荷率時的中載模式及55%負(fù)荷率時的輕載模式，每一種工作模式對應(yīng)每一種擋的速比。

將電動拖拉機(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)揮牽引電動機(jī)低速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩的特點，計算得出Ⅰ擋的速比為：

式中：i1為變速器Ⅰ擋的速比；r為驅(qū)動輪的滾動半徑，m；ne為牽引電動機(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)計計算，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 動力電池組設(shè)計

動力電池組作為電動拖拉機(jī)唯一的儲能裝置，應(yīng)同時滿足最大功率和總能量兩個方面的需求。

（Ⅰ）功率需求

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

（Ⅱ）能量需求

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

動力電池組的電池數(shù)目n取n1和n2的較大值。

1.6 質(zhì)量參數(shù)設(shè)計

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

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

2 設(shè)計計算實例

以邢臺XT120小型拖拉機(jī)為研究對象，對其驅(qū)動系統(tǒng)各部件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計計算與分析。

2.1 主要參數(shù)設(shè)計

該款拖拉機(jī)的配套農(nóng)具為雙鏵犁，耕深為16 cm，單個犁寬為20 cm，土壤比阻取5 N／cm2。由式（2）和式（3）計算得出額定牽引力取值范圍為3 520～3 840 N，對電池質(zhì)量、滾動阻力以及功率儲備等影響因素進(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）計算得到的電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具體參數(shù)。

表1 電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

拖拉機(jī)的牽引特性是評價拖拉機(jī)的整體性能和驅(qū)動系統(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，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，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，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)以及運輸作業(yè)的需求，且在同一擋位下充分發(fā)揮了牽引電動機(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的勞動強(qiáng)度。

圖4為電動拖拉機(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始逐漸增大，而是先保持一個定值，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)牽引電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下時，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)牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速后，牽引力逐漸減小，牽引功率也隨之而減小。電動拖拉機(jī)牽引功率的最大值為3.67 kW，對應(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：電動拖拉機(jī)以最大的牽引力進(jìn)行犁耕作業(yè)時，滑轉(zhuǎn)損失的功率較大；以3 165 N的牽引力作業(yè)時，滑轉(zhuǎn)率相對較小，牽引力相對較大，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)時間是電動拖拉機(jī)一個重要的評價指標(biāo)。圖5為電動拖拉機(jī)連續(xù)作業(yè)時間與負(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)時間隨著行駛速度的增大而減小；不同負(fù)荷率下，最短連續(xù)作業(yè)時間均達(dá)到了額定作業(yè)時間（4 h）的預(yù)期目標(biāo)，這是由牽引電動機(jī)高速范圍內(nèi)恒功率的特性決定的；最長連續(xù)作業(yè)時間為55%負(fù)荷率下的13.8 h，對應(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）提出了一種電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案，給出了驅(qū)動系統(tǒng)各主要部件參數(shù)設(shè)計計算方法。

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

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

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S219.4

A

1672－6871（2015）05－0078－04

國家“十二五”科技支撐計劃基金項目（2014BAD08B04）；河南省重點科技攻關(guān)計劃基金項目（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理論與控制技術(shù)方面的研究.

2015－01－29

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃基金項目（2011BAD20B10）

作者簡介：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)品開發(fā).

收稿日期：2015－04－01