馮應(yīng)超

上汽通用五菱股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化程度越來越高。日本在90 年代率先推出世界上第一架主要用于噴灑農(nóng)藥植保無人機(jī)，之后植保無人機(jī)服務(wù)農(nóng)業(yè)在日本、美國等發(fā)達(dá)國家得到了快速發(fā)展。本世紀(jì)初植保無人機(jī)從日本傳入我國，當(dāng)時(shí)是以油動(dòng)飛機(jī)做植保器械為主，逐步到電動(dòng)無人植保機(jī)出現(xiàn)，專業(yè)的農(nóng)用電動(dòng)無人植保機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以幫助農(nóng)民更方便、更快捷的實(shí)現(xiàn)噴藥、施肥、授粉等工作。為了解決在無人植保機(jī)實(shí)際應(yīng)用中的不便之處，提供應(yīng)用效率，改善工作環(huán)境，目前主機(jī)廠已開始研究一種車輛既能滿足農(nóng)資、農(nóng)具的運(yùn)輸，又能夠給無人植保機(jī)電池的快速充電，以便無人植保機(jī)使用完一組電池后快速更好另一組已提前充好的電池，這就要求傳統(tǒng)車輛必須具備快速充電功能。在小型皮卡車輛搭載無人植保機(jī)，通過改進(jìn)其發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)，使車輛既具備正常傳統(tǒng)的12V 小發(fā)電機(jī)給車輛電器供電的電池充電外，還額外增加一個(gè)大功率發(fā)電機(jī)，專門用于給無人機(jī)電池快速充電。本文以某款發(fā)動(dòng)機(jī)搭載充電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)作為研究分析對(duì)象，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

2 整車增加快速充電功能分析

整車增加一套快速充電系統(tǒng)，通常把發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件改為雙發(fā)電機(jī)，通過將大功率發(fā)電機(jī)（即專門用于給無人機(jī)電池充電的發(fā)電機(jī)，文中以下稱為充電機(jī)）和逆變系統(tǒng)集成到整車發(fā)動(dòng)機(jī)上，如圖1。使用皮帶將充電機(jī)的皮帶輪和發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸皮帶連接，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)充電機(jī)來發(fā)電，給電池快速充電。在整車行駛時(shí)充電機(jī)不發(fā)電，充電機(jī)的轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，皮帶輪空轉(zhuǎn)，要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要在充電機(jī)皮帶輪或者發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪上設(shè)計(jì)電磁離合器控制。通過電磁離合器皮帶輪的閉合，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)工作啟動(dòng)與停止。整車配無人植保機(jī)主要用于田間地頭，用兩組電池，一邊使用，一邊充電，交換時(shí)間約15 分鐘。

圖1 車輛配置充電系統(tǒng)

3 發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系布置方案及分析

發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)的布置是設(shè)計(jì)中極其關(guān)鍵的一項(xiàng)工作。依據(jù)各附件模型在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍合理的布置各附件，需關(guān)注各帶輪直徑、速比、皮帶包角和皮帶跨度。

如圖2 為某車輛搭載充電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)布置圖，由12V 發(fā)電機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、自動(dòng)張緊輪、曲軸皮帶輪、發(fā)電機(jī)&水泵&壓縮機(jī)皮帶組成了車輛常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)，由充電機(jī)、電池離合器皮帶輪、曲軸皮帶輪、充電機(jī)皮帶組成了發(fā)動(dòng)機(jī)帶充電系統(tǒng)的前端附件系統(tǒng)。電磁離合器也可以集成在曲軸皮帶輪上，在同樣摩擦系數(shù)條件下，電磁離合器皮帶輪直徑越大，其能傳遞的扭矩就越大。選擇離合器皮帶輪直徑的大小也會(huì)影響傳動(dòng)比（即曲軸皮帶輪和充電機(jī)皮帶輪的比值），曲軸皮帶輪直徑一定的情況下，充電機(jī)皮帶輪直徑越小，傳動(dòng)比越高、充電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，充電效率越高，所以需要綜合考慮電磁離合器皮帶輪直徑和傳動(dòng)比，合理選擇。本文把電磁離合器集成在充電機(jī)的方案來進(jìn)行研究分析。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件布置示意圖

4 充電機(jī)電磁離合器的選用

4.1 離合器扭矩的選擇

離合器選擇最重要的因素是扭矩，由于不同機(jī)械特性的要求不同，受負(fù)載、慣量、頻率、轉(zhuǎn)速、時(shí)間等因素影響，必須充分地考慮適當(dāng)大的安全系數(shù)。根據(jù)充電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速功率關(guān)系，如圖3，選擇離合器傳遞扭矩安全系數(shù)1.75,經(jīng)過計(jì)算，得出離合器傳遞扭矩必須大于41.2N.m。

圖3 充電機(jī)輸入扭矩與轉(zhuǎn)速曲線

4.2 電磁離合器的組成和工作原理

干式單片電磁離合器的電磁線圈總成安裝在充電機(jī)端蓋上不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子靠軸承和卡簧保持在電磁線圈上面，轉(zhuǎn)子的外部即為帶輪總成。吸盤總成裝在充電機(jī)主軸的端頭，結(jié)構(gòu)組成，如圖4。離合器另一端經(jīng)充電機(jī)繼電器與電源相連。當(dāng)接通發(fā)電模式開關(guān)時(shí)，充電機(jī)繼電器接通，充電機(jī)的電磁線圈通電，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，使充電機(jī)的電磁離合器從動(dòng)盤和自由轉(zhuǎn)動(dòng)的帶輪吸合，從而驅(qū)動(dòng)充電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，充電機(jī)開始工作，給電池發(fā)電。充電機(jī)繼電器斷電時(shí)，切斷了電磁離合器線圈的電流，磁場(chǎng)就消失，此時(shí)靠彈簧作用把從動(dòng)盤和帶輪分開，使充電機(jī)停止工作。

圖4 電磁離合器主要組成部件

4.3 電磁離合器吸盤的選擇

電磁離合器常用的吸盤主要有兩種：1、橡膠型吸盤,橡膠型吸盤可細(xì)分全橡膠型和三點(diǎn)橡膠型，圖5，其成本比彈簧型吸盤的高，但吸合的噪聲小，NVH 性能好。2、彈簧型吸盤，彈簧型吸盤可細(xì)分為環(huán)形彈簧型和條形彈簧型，如圖6。

圖5 橡膠型吸盤

圖6 橡膠型吸盤

本文選擇一款條形彈簧型吸盤的電磁離合器來進(jìn)行分析，其主要參數(shù)如表1：

表1

5 前端附件系統(tǒng)仿真計(jì)算分析

利用SimDrive3D 軟件校核發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)的靜態(tài)布局參數(shù)以及及動(dòng)態(tài)參數(shù)，首先要把發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、充電機(jī)、壓縮機(jī)、張緊輪、皮帶等靜態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)，靜態(tài)參數(shù)比如曲軸角振動(dòng)數(shù)據(jù)、曲軸皮帶輪直徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，各附件相對(duì)與曲軸皮帶輪的坐標(biāo)，各附件的轉(zhuǎn)速-功率-扭矩?cái)?shù)據(jù)、皮帶輪有效直徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、皮帶型號(hào)規(guī)格、皮帶厚度、節(jié)距、皮帶寬度、線繩材料、節(jié)線至皮帶背面距離、長度公差、皮帶縱向剛度、剪切模量、背包剪切模量、徑向剛度、張緊力系數(shù)、每楔單位長度質(zhì)量、彎曲剛度等，動(dòng)態(tài)參數(shù)，包括各皮帶輪載荷,各皮帶股固有頻率,各負(fù)載輪打滑率,皮帶股的橫向振動(dòng)，然后建立仿真計(jì)算模型（如圖7）進(jìn)行計(jì)算。最終得出仿真結(jié)果，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，（如圖8）。

圖7 建立仿真計(jì)算模型分析

圖8 仿真計(jì)算分析結(jié)果-傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)

5.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)仿真結(jié)果

5.2 充電機(jī)系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果：

皮帶最大張緊力是在1057N，小于皮帶設(shè)計(jì)要求≤1250N(≤50N/rib)；最大打滑率2.18%，小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)≤3%；皮帶最大抖動(dòng)8.37%，小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)≤10%

5.3 仿真結(jié)果小結(jié)：

從仿真結(jié)果看，發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（系統(tǒng)要求：1、皮帶打滑率＜3%，2、最大皮帶抖動(dòng)＜皮帶跨距的10%,3、張緊輪擺幅<5)。

6 系統(tǒng)測(cè)試及驗(yàn)證

6.1 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)進(jìn)行整車動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試曲軸角振動(dòng)數(shù)據(jù)、皮帶張緊力、皮帶打滑率、皮帶抖動(dòng)和張緊輪擺動(dòng)角度，系統(tǒng)NVH 噪音等，所有數(shù)據(jù)均需滿足附件系統(tǒng)6.3 中的要求。

6.2 測(cè)試結(jié)果，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果-傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)（如表2）,充電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果是充電機(jī)皮帶系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停，電磁離合器開閉已經(jīng)發(fā)電過程中功能正常，無異響，皮帶最大打滑率1.98，皮帶抖動(dòng)最大6.5%,均小于附件系統(tǒng)6.3 中的設(shè)計(jì)要求。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果-傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)

通過以上測(cè)試及驗(yàn)證可進(jìn)一步確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)布置可行性，仿真分析的有效性以及附件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

7 結(jié)束語

搭載雙發(fā)電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)有了新的要求，本文總結(jié)了相關(guān)設(shè)計(jì)要求，并提出了相應(yīng)的開發(fā)和驗(yàn)證流程,對(duì)于農(nóng)用車輛增加充電系統(tǒng)、匹配開發(fā)無人植保機(jī)而進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。