李明生，葉 進(jìn)，王留步，楊 仕，曾百功，柳 劍

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

以內(nèi)燃機(jī)為動力的傳統(tǒng)車輛面臨著能源枯竭和環(huán)境污染兩大難題，為保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境、保持社會的可持續(xù)發(fā)展，世界各國開始尋求開發(fā)低排放、綜合利用能源的新型車輛，純電動車輛日漸成為研究的熱點[1]。

丘陵山地運(yùn)輸機(jī)械是一種介于汽車和拖拉機(jī)之間的運(yùn)輸機(jī)械，適于短距離、載重不大的緩坡作業(yè)，對于提高丘陵山地機(jī)械化水平、降低勞動強(qiáng)度具有重要意義。目前，國內(nèi)丘陵山地運(yùn)輸機(jī)械仍以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)作為動力源，如新疆機(jī)械研究院研制的LG-1型多功能果園作業(yè)機(jī)[2]、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的多用型的果園作業(yè)平臺[3]、浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院研制的小型化履帶式手扶田間作業(yè)機(jī)[4]，以及西北農(nóng)林科技大學(xué)研制的液壓驅(qū)動型多功能果園作業(yè)機(jī)[5]等。

隨著電機(jī)技術(shù)尤其是低速大扭矩電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和日趨成熟，電動農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展具備了堅實的基礎(chǔ)條件。為解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)帶來的問題，設(shè)計了一款小型純電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車，對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計選型，并進(jìn)行了仿真和實車試驗驗證。

1 總體設(shè)計

設(shè)計小型純電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車主要由動力電池、驅(qū)動電機(jī)、機(jī)械傳動系統(tǒng)及車廂等構(gòu)成，如圖1所示。動力電池為整體提供能量，機(jī)械傳動系統(tǒng)將驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳輸?shù)津?qū)動軸，進(jìn)而帶動驅(qū)動輪驅(qū)動履帶行駛。使用驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行調(diào)速以簡化機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，同時驅(qū)動電機(jī)能帶載啟動以省去傳統(tǒng)車輛的離合器，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

圖1 田間轉(zhuǎn)運(yùn)車整車布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of the field transfer vehicle

電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車整車模型如圖2所示。直線行駛時，轉(zhuǎn)動加速把手，霍爾元件把加速把手轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換成控制信號，該信號被控制器所接受，進(jìn)而控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)行駛速度的調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)向時，差速器與左、右制動系統(tǒng)共同作用，通過抱死左側(cè)驅(qū)動輪或右側(cè)驅(qū)動輪來實現(xiàn)左轉(zhuǎn)向或右轉(zhuǎn)向；兩側(cè)驅(qū)動輪同時抱死來實現(xiàn)整車制動。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 可擴(kuò)展式車廂設(shè)計

根據(jù)果園運(yùn)輸車的工作要求，設(shè)計車廂為可擴(kuò)展式，如圖3所示。在正常工作狀態(tài)下，車廂設(shè)計為可容納4個標(biāo)準(zhǔn)果框；當(dāng)需要增加裝載量時，車廂向外擴(kuò)展，可容納6個標(biāo)準(zhǔn)果框。標(biāo)準(zhǔn)果筐長寬高為530mm×390mm×230mm，以此為基準(zhǔn)，設(shè)計田間轉(zhuǎn)運(yùn)車的總體參數(shù)如表1所示。

圖2 電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車整車模型Fig.2 Model of the field transfer vehicle

圖3 可擴(kuò)展式車廂Fig.3 Extendable carriage表1 田間轉(zhuǎn)運(yùn)車基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the field transfer vehicle

名稱單位參數(shù)值長×寬×高mm2160×910×1240整備質(zhì)量kg250最大載重kg300最大續(xù)航里程km30前后軸距mm1200驅(qū)動輪半徑mm100履帶接地長度mm920低速擋最大爬坡度(°)25高速/低速km/h4.5/2.0

2.2 驅(qū)動電機(jī)性能參數(shù)計算及選型

驅(qū)動電機(jī)除滿足整車動力性能和經(jīng)濟(jì)性能要求外，還需適應(yīng)車輛行駛時的變速和頻繁啟停要求[6]。因此，所選用的驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有以下特性：大啟動力矩、強(qiáng)短時過載能力、寬調(diào)速范圍、高能量轉(zhuǎn)換效率和快速響應(yīng)。

1)驅(qū)動電機(jī)最大功率計算。驅(qū)動電機(jī)的最大功率應(yīng)同時滿足田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在滿載最高車速和最大坡度爬坡工況下的功率需求。田間轉(zhuǎn)運(yùn)車所需功率計算公式為

(1)

式中ηt—系數(shù)，ηt=0.92；

ηLv—系數(shù)，ηLv=0.90；

v—行駛速度(m/s)。

牽引力FK計算公式為

FK=mgfcosα+jmg+mgsinα

(2)

式中m—滿載時人機(jī)物總質(zhì)量(kg)，m=625;

g—重力加速度(N/kg)，g=9.8；

f—履帶滾動阻力系數(shù)，f=0.06；

α—坡度(°)；

j—慣性阻力系數(shù)，j=0.01。

當(dāng)田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在平直路面以最高車速vm=4.2km/h行駛時，坡度α=0°，此時所需功率P1為

(3)

當(dāng)田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在低速vi=2.0km/h行駛，坡度α=25°，此時所需功率P2為

(4)

綜上可得，所選用驅(qū)動電機(jī)功率應(yīng)不低于2.0kW。

2)驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速選擇。按照轉(zhuǎn)速范圍分類，驅(qū)動電機(jī)可以分為低速電動機(jī)、中速電動機(jī)和高速電動機(jī)。其中，低速電機(jī)按轉(zhuǎn)速分4級，如表2所示。

表2 低速電機(jī)轉(zhuǎn)速等級Table 2 Speed level of low speed motor

電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車行駛速度較低，為簡化傳動系統(tǒng)，選用10級低速電機(jī)。

3)驅(qū)動電機(jī)選型。常見的驅(qū)動電機(jī)有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等[7]。永磁無刷直流電機(jī)保持了有刷直流電機(jī)優(yōu)良控制特性且克服了其弊端，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速平滑、啟動力矩大、效率高、免維護(hù)及壽命長等優(yōu)點。為此，選擇永磁無刷直流電機(jī)作為田間轉(zhuǎn)運(yùn)車的驅(qū)動電機(jī)，其基本參數(shù)如表3所示。

表3 驅(qū)動電機(jī)基本參數(shù)Table 3 The driving motor basic parameters

2.3 動力電池計算及選型

本文使用等速法，即根據(jù)田間轉(zhuǎn)運(yùn)車半載等速vb=3.6km/h行駛時的續(xù)航里程計算動力電池組的容量，此時田間轉(zhuǎn)運(yùn)車總質(zhì)量mh=475kg。

1)動力電池功率計算。根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的額定電壓，確定電池組電壓為72V。根據(jù)式(4)，考慮電池放電效率ηd1、驅(qū)動電機(jī)及控制器的運(yùn)行效率ηd2均為90%，計算所需動力電池的功率Pl為

(5)

2)動力電池容量計算。根據(jù)續(xù)航里程，計算所需動力電池組的總?cè)萘緾為

(6)

式中L—續(xù)航里程(km)，L=30；

U—動力電池組電壓(V)，U=72；

ηmc—動力電池放電深度(%)，ηmc=90。

3)動力電池選型。目前，電動車輛上常用的動力電池主要有鉛酸電池、鎳基電池、鋰基電池和超級電容等類型[8]。鉛酸電池技術(shù)較為成熟、制造成本低、性能穩(wěn)定、性價比高，適用于大功率起動，能以3～5倍甚至10倍的倍率放電。為此，選擇6-EVF-32鉛酸電池為動力電池，其參數(shù)和連接方式如表4所示。

表4 動力電池參數(shù)Table 4 Power batteries parameters

2.4 傳動系統(tǒng)傳動比計算

傳動系統(tǒng)的最小傳動比imin是變速器高擋傳動比和主減速器傳動比的乘積，由驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和田間轉(zhuǎn)運(yùn)車最高車速決定；傳動系統(tǒng)的最大傳動比imax是變速器的低擋傳動比與主減速器傳動比的乘積，由驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和田間轉(zhuǎn)運(yùn)車最大爬坡度決定。

1)最大傳動比計算。根據(jù)最大爬坡度和路面附著情況計算田間轉(zhuǎn)運(yùn)車的最大傳動比為

(7)

式中T—驅(qū)動電機(jī)額定扭矩(N·m)，T=38.2。

2)最小傳動比計算。根據(jù)最高車速和驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速計算田間轉(zhuǎn)運(yùn)車的最小傳動比，則有

(8)

式中nmax—驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速(r/min)，nmax=600。

最終確定電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車各擋傳動比和車速如表5所示。

表5 各擋傳動比、車速Table 5 The transmission ratio and vehicle speed

3 性能仿真試驗

在Cruise仿真軟件中對田間轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)行建模，模型各子模塊包括整車模塊、車輪模塊、電池模塊、制動器模塊、驅(qū)動電機(jī)模塊、差速器模塊、主減速器模塊、變速器模塊、駕駛室模塊、防滑模塊、法蘭模塊、函數(shù)模塊、在線監(jiān)控模塊、常量模塊，以及各控制器模塊等。

3.1 最高車速仿真

將上文所述有關(guān)設(shè)計參數(shù)輸入到所建立的Cruise模型中，仿真得到電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車最高車速如圖4所示。

圖4 加速時間及最高車速仿真Fig.4 The acceleration time and maximum speed

仿真結(jié)果顯示：田間轉(zhuǎn)運(yùn)車的最高車速為4.54km/h，略低于理論最高車速4.60km/h。這是由于理論計算最高車速時并未考慮驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出問題，驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩時，其轉(zhuǎn)速要低于空載轉(zhuǎn)速，因此實際最高車速要低于理論最高車速。

3.2 最大爬坡度仿真

仿真得到電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車最大爬坡度，如圖5所示。

圖5 最大爬坡性能仿真Fig.5 The results of climbing performance

仿真結(jié)果顯示：電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在滿載時低速擋最大爬坡度為116.66%(49.40°)；滿載時高速擋最大爬坡度值為50%(26.57°)，均滿足25°的最大爬坡度要求。

3.3 最大續(xù)航里程仿真

設(shè)置電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車半載，以常用車速3.6km/h等速行駛，動力電池SOC開始值設(shè)置為95%，剩余值設(shè)置為5%。仿真結(jié)果顯示：電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車一次充電續(xù)航里程為30.72km，滿足設(shè)計要求。

4 實車試驗

為檢驗所設(shè)計電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車的性能，于2017年12月在西南大學(xué)國家與地方聯(lián)合共建智能傳動重點實驗室的試驗平臺對其進(jìn)行測試，如圖6所示。

圖6 電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車性能試驗Fig.6 Performance test of electric field transporter

4.1 最高車速試驗

根據(jù)《載重型電動三輪車通用技術(shù)條件》試驗方法，在試驗區(qū)域設(shè)置50m的測試區(qū)間，田間轉(zhuǎn)運(yùn)車以最高車速通過測試區(qū)間，用秒表記錄田間轉(zhuǎn)運(yùn)車通過測試區(qū)域的時間，測量4次，分別得到田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在在空載、半載、滿載等3種載荷狀態(tài)下的最高車速，如表6所示。

表6 田間轉(zhuǎn)運(yùn)車最高車速Table 6 Maximum speeds of field transporter km/h

由表6可知：電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在不同載荷下的最高車速均大于4.38km/h，滿足設(shè)計要求。隨著載荷增大，驅(qū)動電機(jī)需要輸出更大的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速降低，電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車最高車速降低。

4.2 爬坡性能試驗

在25°標(biāo)準(zhǔn)試驗坡道上，分4次測試低速擋下電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在空載、半載和滿載時通過10m坡道的時間，如表7所示。

表7 田間轉(zhuǎn)運(yùn)車爬坡時間Table 7 Climbing time of the field transporter s

由表7可知：電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在各載荷下均能滿足25°爬坡度要求；隨著載荷增大，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車的爬坡時間增加。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種小型純電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車，進(jìn)行了整體方案設(shè)計，通過理論計算對關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型。在Cruise中建立所設(shè)計的純電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車模型并進(jìn)行性能仿真分析，仿真結(jié)果表明：最高車速為4.54km/h；滿載時低速擋最大爬坡度為49.40°，高速擋最大爬坡度值為26.57°；半載以常用車速3.6km/h等速行駛時的最大續(xù)航里程為30.72km。實車試驗表明：電動田間轉(zhuǎn)運(yùn)車在不同載荷下的最高車速均大于4.38km/h，能滿足不同載荷下的25°爬坡度要求。