（车辆工程专业论文）联合收割机驱动桥综合性能试验台研究开发.pdf

1 一 c l a s s i f i e din d e x ： u d c ： j i | i 删帅| i y 18 0 2 8 6 9 d i s s e r l a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e er n g r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e7 r e s t b e df o r h a r v e s t e rd r i v i n ga x l e c a n d i d a t e ：w a n gr u i 6 m g s u p e r 、，i s o r ： p r o w a n gj i z h o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e d n g s p e c i a l t y ：a u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： d e c 2 0 0 9 u n i v e r s i 坶：q i n g d a ot e c l l n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 联合收割机驱动桥综合性能试验台研究开发 学位论文答辩日期：翻、i 上 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 越 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 联合收割机驱动桥简介1 1 2 驱动桥试验台及其国内外研究现状2 1 3 研究的意义3 1 4 研究的主要内容及创新点3 第二章驱动桥工作载荷的计算4 2 1 前言：4 2 1 1 论文研究的前提假定4 2 1 2 载荷计算的指标5 2 1 3 阻力的简化5 2 2 工作载荷极值的计算6 2 3 驱动桥正常工作载荷的计算6 2 3 1 土壤参数的测量7 2 3 2 两种工况下驱动桥工作载荷的计算7 2 4 驱动桥输出功率的计算1 5 2 5 本章小结。15 第三章试验台的总体方案1 6 3 1 试验项目16 3 2 系统的基本构成及实现方案1 6 3 3 系统实现的功能模块2 l 3 4 试验系统的工作流程及故障诊断方案2 2 3 5 本章小结2 3 第四章试验台的控制及其元件的选型2 4 4 1 交流电机及变频器的选择2 4 4 2 直流电机的选择2 4 4 2 1 直流电机功率的确定。2 4 4 2 2 电机选择及升速器传动比的确定2 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 3 惯性飞轮的设计2 9 4 4 电惯量控制2 9 4 4 1 电惯量控制的基本原理2 9 4 4 2 电惯量补偿控制算法3 0 4 5 直流电机转矩控制的基本原理。3 2 4 5 1 整流逆变电路分析。3 2 4 6 直流电机加载控制策略。3 4 4 6 1 系统的加载转矩控制模型3 5 4 6 2p i d 调节器和扰动前馈控制器的设计。3 7 4 7 电惯量转矩控制策略及输入补偿控制器的设计4 0 4 8 加载与电惯量系统的仿真4 2 4 8 1 仿真的目的和模型4 2 4 8 2 仿真条件设置4 3 4 8 3 仿真的结果及分析4 3 4 9 本章小结4 5 第五章试验台的软硬件实现。4 6 6 7 o 0 1 2 6 6 8 9 0 1 3 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 联合收割机驱动桥是收割机的关键总成，产品质量直接影响整车的寿命、动 力性、燃油经济性、制动性和平顺性。各收割机驱动桥中以h r 6 0 1 最为典型，其 结构复杂、传动要求高；该产品在使用过程中存在断轴、断齿、离合器烧蚀、变 速器振动噪声较大等系列问题，而目前企业对产品的检测还主要处于简单地磨合、 目测阶段，急需先进试验设备。本着技术先进、成本低、操作方便的原则，对试 验台做了以下四个方面的研究。 ( 1 ) 驱动桥工作载荷的计算。利用已知的滚动阻力系数范围计算了收割机极 限载荷。测量了收割机正常工作时的两种土壤的动力学参数，从土壤力学角度， 计算了驱动桥的常载载荷、重载载荷及输出功率。 ( 2 ) 电封闭加载的研究及实现。选用“两直一交 三台电机“t 型电封闭 的加载方式；给出了试验台的总体控制结构图和硬件布置图；对台架关键元件进 行了设计与选型。建立了控制对象的模型图；提出了反馈扰动前馈的加载控 制策略，仿真验证了其可行性。 ( 3 ) 电惯量模拟的研究。基于飞轮和电机联合模拟车辆机械惯性的架构，分 析了电机转矩控制的电惯量补偿算法；结合制动力的变化规律，提出反馈双 前馈( 扰动和输入) 的电惯量控制策略，仿真验证了其可行性。以振动最小原则设计 了惯性小飞轮。提出了电机向上向下双向的电惯量模拟思想，提高了台架兼容性。 ( 4 ) 虚拟测控技术在台架上的应用。阐述了基于m v i e w 的上位机与下位机 p l c 之间的通信；编制了人机交互界面。参照相关国家标准，制定了可由用户灵 活自定义的试验方案。 关键字：驱动桥；试验台；电封闭；电惯量： l a b v i e w 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t d r i v i n ga x l ei sa i li i i l p o n 习m ta s s 翎小l yo fh a r v e s t 瓯t h eq u a l n yo ft 1 1 ep r o d u c td e r e c t l y i m p a c t so nv e i l i c l e sl i f e - s p a i l ，血v i n gc a p a b i l i t y ，e c o n o i n i ci i l d e x ，b r a k ec 印a b i l i 劬a n d c o m f o r t a b i l 埘o ft h ew h o l em a c l l i n e a so n et ) ，p i c a lt y p eo f 曲诚培a x l e s ，h r 6 0 1 i so f c o m p l c xs t m 曲j r ec a l l i n gf o rac o i 衄a i l d 仃a i l s i i l i s s i o n 似l u i r 锄e i l t m l a l l y ，m a i l y 仃o u b l e so c c u ro nn l i sa ) 【l es u c h 嬲a x l e - b r e a k ，t e e m - b r e a l ( o ng e 鸩t o om u c hn o i s ee t c h o w e v t 1 1 ep r o d u c tc l l n 舶t l yc a i lb eo n l yc h e c k e db ys i m p l ym i l l i n gw i m m eh e l po f m a m l a ll o o l ( i n g 锄dl i s t e i 曲g am o r eu p d a t ee q u i p m e n ti sb a d l yn e e d e d b 弱e do n p r i n c i p l e so fa d v a n c e ，c o n v 谢c ea n dl o wc o s t ，t l l ef o l l o w i n gf o u rp o i n t sa r es t u d i c d ( 1 ) l 0 a dc a l c u l a t i o n t l l el i i i l i tl o a d sa r ec a l c u l a t e di nf a c i l i t yo fr 0 1 l i n gr e s i s t a i l c e i n d e x 1 w ot y p i c a ll ( i n d so fs o i la r es 锄p l e d 1 1 1 ea ) 【1 e so r d i n a d rl o a da n d1 1 i 曲l o a d 嬲 w e n 硒t l l e i rp o w e r sa r eg a i n e d 丘o mt h ep e r s p e c t i v eo fs o i lm e c h a i l i c s ( 2 ) s t u d yo np o w * c l o s el o a d i n gs y s t 锄a t ”m o d el o a d i n gs c h 锄ew i mt h r e e m o t o r s ，t 、od i r e c tm o t o rf o rl o a d i n g ，o n ea l t e n l a t o rf o rd v i n g ，i sa d o p t e d t h et e s t - b e d o v e r a nh 矾w a r es t l l l c t u r ea i l dm ec o n t r 0 1 1 i n gs y s t 锄l ，o u ta r es u p p l i e d m a n yc m c i a l p a r t so fm et e s t c r 盯es e l e c t e d o rd e s i g n e d t h ec o n t r o lo b j e c tm a m 锄a t i cm o d e li s e s t a b l i s h e d af e e d b a c ka i l dp e m u b a t i o nf c e d f i o 聊a r dc 0 m p o u i l dc o n 缸d lt a c t i c si s p r o p o s e da n ds i m u l a t e dt ob ef e a s i b l e ( 3 ) s t u d yo ne l e c t r i c i n e n i as y s t 锄b a s e do nn y w h e e la r l dm o t o ru i l i t c ds c h 锄e s ， m ee l e c t r i ci n e n i ac o m p e i l s a t i o na 1 9 0 r i t l l i l lf o rm o t o rt o q u e - c o n 们li sa n a l ) ，z e d r e f e 币n gt 0b r a k i n gf o r c er e g u l a r i t i e s ，af e e d b a c ka n dd o u b l ef e e d f o 刑a r dq e m 曲a t i o n p l u si n p u t ) c o m p o u n dc o 纳lt a c t i c sf o re l e c t r i ci n e r t i ai sp r o p o s e da n ds i i i l u l a t e dt 0b e f e 舔i b l e t h ef l y w h e e li sd e s i 铲e di np r i n c i p l eo fl o w e s tv i b r a t i o n a ni d e ao fd o u b l e d i r e c t i o ne l e c t r i ci n 酬as i m u l a t i o ni sp r o p o s e dt oe x p 柚d 廿1 et e s t e r sm a s sc 印a c i 够 ( 4 ) t h e 印p l i c a t i o no f 讥m l a it e s to n l et e s t - b e d c o m m l l i l j c a t i o nb e t v v e e n l a b 访e wi 1 1u p p e ru i l i ta 1 1 dp l c1 0 w e ru i l i ta r ee x p o u i l d e d t l l ei n t e 血c eo fl a b v i e wi s d e s i 盟e d v r e 巧c o n v e n j e n tl l s * d e f i n e dt e s tn o ws c h 锄e sa r e 、釉f k e do u ti na c c o r d a i l c e t or e l a t i v en a t i o n a lc r i t e r i a k e ) w o r d s ：埘v i n ga ) 【l e ：t 懿t - b e d ；p o w e r - c l o s i n g ；e l e c t r i c - i i l e r t i a ；l a b v i e w 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 联合收割机驱动桥简介 联合收割机一般采用前桥驱动，驱动桥为整体式，车重由收割机后桥和驱动 前桥的横梁及两个轮边减速器承担。联合收割机驱动桥中应用最多的一款便是 h r 6 0 1 驱动桥。本文立足企业需求以h r 6 0 1 驱动桥为例来对其试验台研究设计。 h r 6 0 1 较一般汽车上的非断开式驱动桥有较大的差别。首先，结构复杂。它由无 级变速器、离合器、变速箱、差速器、行车制动器、驻车制动器、左右半轴、半 轴套筒、轮边减速器及相应壳体构成，包含了福田谷神系列联合收割机行走传动 系中除初级减速皮带外的所有部件。它较一般意义上驱动桥复杂的多，且传动要 求较高，是收割机的关键总成。其次，它无驱动桥壳，在与车体的连接上与普通 驱动桥不同。图1 1 给出了驱动桥的结构及车载布置图。图中实线表示驱动桥，虚 线表示与之相连的周边部件。轮边减速器外端与车轮相连，内端固定在一个横梁 的两端，横梁上的两个轴夹通过提拉半轴套筒来保持半轴在传动中的位置精度， 变速箱壳体前端与横梁连接，后端吊装在车体上，车体前端两点压横梁上，后端 一点压在后轴上。整个驱动桥除轮边减速器外，悬浮于车体下方。图1 2 是放在简 易台架上的h r 6 0 1 驱动桥的主体部分实物图，包括无级变速器、离合器、变速箱 和制动器。 1 车轮2 轮边减速器3 横粱4 行车制动器5 半轴 6 万向节7 无级变速器8 离合器9 变速箱1 0 换 挡是杆1 1 驻车制动蕃1 2 发动机1 3 首级减速带轮 图1 1h r 6 0 l 驱动桥结构图 f i g 1 一ls 仃u c t u r eo f h r 6 0 ld r i 、，i i l gs ) ，s t 锄 图1 2 台架上的h r 6 0 1 驱动桥主体部分 f i g 1 21 1 1 e1 1 1 a i l lb o d yo f h r 6 0 1d r i v i n g 嘶g d e 青岛理工大学工学硕士学位论文 动力从发动机发出首先经传动比为2 皮带轮减速后传进入皮带式无级变速器、 再经传动轴到离合器、然后依次经由含差速器的变速箱、左右半轴、万向节、左 右轮边减速器、最后到左右驱动轮，实现发动机降速增扭。无级变速器是一级皮 带传动，传动比既可通过液压系统人为调节又可由车辆为适应载荷突变自动调节， 起到调速与过载保护的作用。在正常工作时，假定离合器和差速器都被锁死，地 面无大的颠簸，即万向节不起作用，则从动力传动角度驱动桥可认为由三个减速 环节和三个固定连接组成。 1 2 驱动桥试验台及其国内外研究现状 收割机驱动桥试验台应用于依据国家相关标准及企业标准试件开展各项室 内试验或相关研究。题中“综合 主要指“加载 和“制动 两个方面，是针对 当前国内许多企业还在使用“空载”的或“加载”与“制动分开的试验台而言。 有关驱动桥试验系统，近年来国外已进入了生产阶段，自动化程度比较高。 而国内对于高水准的车桥检测技术大都还处于科研阶段，许多车桥生产厂家对桥 总成质量的检测不够全面、准确，尤其是联合收割机驱动桥，大都还停留在简单 磨合的基础上，在一定程度上还依要靠操作者的感官和经验进行质量控制，自动 化水平低，检测精度差。 2 0 0 4 年，浙江大学、武汉理工大学和徐州美驰车桥有限公司联合设计开发的 “转毂式模拟路面驱动桥试验台通过了竣工验收。该试验台可以对单驱动桥 和贯通驱动桥进行综合性能和寿命测试。 济南西匡科技有限公司已生产出可以实现对汽车后桥的扭矩、转速、噪音、 制动性能、差速锁功能、转矩特性、轴承温度、疲劳特性等各项参数进行自动检 测的驱动桥检测试验台眩1 。 近年来吉林大学踟、浙江大学、合肥工业大学5 3 等高校也在进行着这方 面的研究。目前主要研究汽车驱动桥的疲劳测试；试验台的加载及计算机控制检 测；数据采集技术；电惯量技术等。 综上，国内在汽车驱动桥测试方面有了一定的理论与实产基础，技术水平也 在不断提高，但是还没有专门针对收割机驱动驱动桥的试验台及其研究。对于室 内试验大都还停留在简单的磨合、目测阶段。就普通汽车驱动桥试验台而言，在 电惯量加载、防干扰、测试的综合性、灵活性、精度等方面还有待于进一步研究。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 本课题在此基础上，针对联合收割机驱动桥进行专门的研究，并进一步推进车辆 驱动桥测试技术的发展。 1 3 研究的意义 h r 6 0 1 驱动桥较普通车桥，结构复杂、传动要求高，是收割机的关键总成。 其质量对整车的寿命、动力性、燃油经济性、制动性和平顺性有很大的影响，驱 动桥的试验研究对于整车和其自身的设计改进都具有重大意义。 h r 6 0 l 驱动桥是青岛市汽车零部件企业为联合收割机配套生产的关键总成。 该产品在使用过程中存在断轴、断齿、离合器烧蚀、变速器振动噪声较大等一系 列问题。而目前对产品的检测还主要是简单地磨合、目测，或投入巨大的人力财 力进行路试。简单地磨合和目测显然不能满足产品所需的试验要求；路试中，大 都一连好几天不能停车，不仅消耗能源还会影响试验人员的身体健康；路试的样 品容量也当有限。因此目前企业，急需相应的试验设备。h r 6 0 l 有载试验台可以 为产品的研究开发和设计改进提供重要手段。利用该试验台不仅可以检测产品的 工作性能，而且可以做磨合试验，缩短产品开发周期，完善产品开发环节，提高 产品质量。 目前，国内专门针对收割机驱动桥试验标准还很不完善，本文结合农用运输 车驱动桥及汽车驱动桥的国家标准，确定其试验条件、主要试验项目和测试参数。 本着技术先进、结构紧凑、。成本低、试验方便的原则，研制出自动程度高、灵活 实用、专门针对h r 6 0 1 联合收割机驱动桥综合性能试验台。此试验台也可用于和 h r 6 0 1 驱动桥几何尺寸相当的其它驱动桥的测试。 1 4 研究的主要内容及创新点 h r 6 0 l 驱动桥较普通驱动桥传动部件多，结构复杂，其要求的试验项目也较 普通轿多( 比如制动等) ，试验系统也相应地复杂。本文主要做了以下三点研究： ( 1 ) 驱动桥工作载荷的计算；( 2 ) 电惯量及电封闭加载系统的研究及实现；( 3 ) 虚拟测控技术在联合收割机驱动桥试验台上的应用。 本文创新点有以下两个：( 1 ) 提出了电机转矩控制的电惯量控制策略及加载 控制策略；( 2 ) 将电惯量、电封闭和虚拟测控等先进技术结合在一起，研制了新 型联合收割机驱动桥试验台。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 前言 第二章h r 6 0 1 驱动桥工作载荷的计算 2 1 1 论文研究的前提假定 ( 1 ) 本文对试验台系统进行的各项研究是以福田谷神3 0 9 8 车的数据为标准， 并考虑了其对其它重车型( 谷神6 1 5 0 ) 的适用性。h r 6 0 l 驱动桥应用于多种车型， 主要是大中型联合收割机，其中最有代表性的就是福田公司的谷神3 0 9 8 ，其外形 见图2 1 ，前桥驱动，后轮转向。 ( 2 ) 本文假定：收割机在正常工作时，离合器有足够大的结合转矩，差速器 被锁死，地面无大的颠簸，即万向节等效于杆，传动系惯性忽略。在此假定下， 从动力传动角度驱动桥可认为由三个纯减速环节( 无级变速、有级变速、边减) 和三个固定连接( 离合器、差速器、带万向节的左右半轴) 组成。此假定简化了 驱动桥的动力学结构，并在相当程度上符合实际情况。 图2 1 谷神3 0 9 8 收割机图 f i g 2 lp i c t u r eo f3 0 9 8 t e r 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 载荷计算的指标 试验的目的是要模拟其实际的工作状态，因此计算驱动桥的工作载荷便是试 验台研发的首要任务，也是进行其它方面研究的基础。具体地讲试验台的研发需 要知道驱动桥的以下载荷值。 ( 1 ) 极值：主要是极大值。指驱动桥在正常工作中偶然出现且持续时间不长 的载荷。它是车桥工作负荷的理论边界，是设计试验系统动力储备或过载能力的参 考值，以保证系统能够可靠、全面地模拟实际工况。 ( 2 ) 常规载荷：指驱动桥在一般工况下的工作载荷，不包括车轮陷入、打滑、 冲击等特殊工况，包括重载和轻载两个值。它是试验台设计的依据，也是开展磨 合、疲劳等试验的参考值。 需要指出，本文所提工作载荷是指驱动桥工作时由各种外部阻力引起的外载 荷，不含由磨擦、振动等引起的内部载荷，反应到试验台上是指加在轮边减速器 输出轴上的力矩值。 相对于在田间工作的时间，收割机在硬路面上行驶的时间要少得多，而且在 硬路面行驶时一般载荷较小，不会引起驱动桥的损伤。所以本文研究的载荷主要 指收割机在田间收割时的载荷，试验台要模拟的也是机车在田间工作时的状态。 2 1 3 阻力的简化 车辆行驶时会遇到四种阻力：滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。 谷神3 0 9 8 田间工作时的最高车速只有l ok i i 油，车速较低，空气阻力可忽略不计； 收割机工作的田间一般比较平坦，且车速较稳，坡度阻力和加速阻力也可以不计。 即以收割机低速、匀速、在平坦地面上行驶为条件，只考虑最主要的滚动阻力。 滚动阻力受土壤特性、垂直载荷、车轮尺寸、滑转率等诸多要素的影响，但 对于特定的匀速行驶的车辆则主要受土壤特性和车速的影响。收割机田间工作车 速一般为2 8h 汕，车速很低，它的改变对滑转率影响并不大。因此，在以上条 件下，可认为收割机的载荷由其工作地面的土壤特性唯一确定，即在确定地面上， “速变荷不变”。显然，上述结论只是在特定条件下近似地成立。它是下步载荷计 算和试验台加载系统控制方案制定的依据。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 工作载荷极值的计算， 3 0 9 8 收割机前轮驱动，后轮转向，车重5 t ，设计中要求作用在前驱动轮的垂 直载荷为8 0 车重。对于滚动阻力系数，不考虑车型、车速等因素的影响，可以查 出干地最小0 0 8 ，湿地最大0 3 ；3 0 9 8 收割机车轮半径0 6 9 1 m 。 由于车轮左右两侧对称，只要计算单侧的载荷即可得总载荷。若无特别说明， 本文所有与载荷相关的符号均表示单侧值。 后轮滚动阻力即为后轮对前轮的拉力，将其化简到前轮轮心并对前轮接地点 取矩，可得前轮驱动载荷 m = 町，+ z ，一f j j l ( 2 - 1 ) 式中形前轮承重；厂前轮滚动阻力系数；p _ 后轮对前轮的拉力；， 前轮动力学半径；这里粗略取车轮半径；j i l 前后轮心高度差。 仁附 ( 2 2 ) 式中形7 后轮的承重；厂后轮滚动阻力系数。 若认为厂= ，将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，并考虑到形+ 形= g ，可得 m = ( g r 形五) 厂 ( 2 - 3 ) 式中g 为半车重。 将3 0 9 8 数据代入式( 2 3 ) ，可得 极小载荷( 干地) 。= ( 2 5 0 0 9 8 o 6 9 1 5 0 0 9 8 o 3 0 6 ) o 0 8 = 1 2 3 k n m 极大载荷( 湿地) m 眦= ( 2 5 0 0 9 8 o 6 9 1 5 0 0 9 8 0 3 0 6 ) 0 3 = 4 6 3 k n m 以上计算只是在不考虑诸多相关因素的条件下进行的，实际上，3 0 9 8 车在滚 动阻力系数近似0 3 的湿地作业时，离合器已经开始打滑，正常工作的满载值肯 定小于此载荷。因此，4 6 埘m 只可作为理论上的极大值为系统设计提供参考， 实际工作中很少出现。 2 3 驱动桥正常工作载荷的计算 驱动桥常规载荷的计算，对驱动桥的设计及其加载试验有着不言而喻的意义。 常用计算轮式车辆外载荷的方法是利用车地滚动阻力系数及相应公式，滚动阻力 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 系数是公式中最为敏感的因数。然而滚动阻力系数跟土壤特性有关外，还受垂直 载荷、驱动力矩、滑转率、车轮尺寸等诸多要素的影响哺1 ，即在同样的土壤条件 下，对于不同的车辆，滚动阻力系数是不一样的。这里我们并不知道3 0 9 8 收割机 在各土壤条件下的滚动阻力系数。为了较为准确地计算其工作负荷，本文结合3 0 9 8 收割机自身的参数及现有条件，通过对其工作地面的测量分析，从土壤力学角度， 计算了驱动桥在两种典型土壤环境下的工作载荷。 2 3 1 土壤参数的测量 根据第一节分析的结论，由土壤状况所决定的载荷即可近似认为是其工作载 荷。凭借经验，分别在山东省青岛市开发区和城阳区选取了两块较典型田地，进 行了相关土壤力学参数的测量。开发区为稍硬偏砂的土壤，城阳区为松软的粘土。 根据经验，前者为收割机工作的重载工况( 下称工况2 ) ，后者为收割机工作的一 般工况，即常载工况( 下称工况1 ) 。用贝氏仪测得试验地土壤的承压及剪切特性 参数取均值后列于表2 1 ，表中湿度( w 脚) 、容重以用天平、量杯、烤箱等简单 仪器测得。 表2 1 收割机两种工作土壤的动力学参数 t a b l e2 - ld y n a 嘶cp a r a m e t e r so f m et 、) l ，os 叫so f w o r k e ds o i l sf o rh a r v e s t o r 土壤湿度 以 厄k c西 刀 工况 ( ) ( 鲥锄3 ) k n i i l - “+ 1 k n m 一“+ 2 ( k p a )( o ) 工况1 1 61 5 40 35 7 75 3 8 5 53 51 5 工况2 2 01 4 30 41 1 4 28 0 8 9 68 8 22 0 注：厅沉陷指数；丘土壤的粘聚变形模数：以t 壤的摩擦变形模数；c 粘 聚力；咖土壤摩擦角。 2 3 2 两种工况下驱动桥工作载荷的计算 驱动桥的工作载荷就是充气轮胎在松软地面上遇到的滚动阻力。它由三部分 构成：压实阻力、推土阻力和轮胎变形引起的弹滞损耗阻力。对于刚性轮，无弹 滞变形阻力哺 。随着土壤咯实度和轮胎充气压力的不同，轮胎将出现两种滚动情 况：若土壤很松软，轮胎充气压力只及胎体刚度产生的压力p c ( 与垂直载荷和轮 胎结构有关) 之和大于土壤对轮胎圆周最低点的支承压力，则充气轮胎像刚性轮 青岛理工大学工学硕士学位论文 胎一样滚动；反之，若土壤比较坚实，胎面接地部分被压成平面。所以，要确定 充气轮胎的压实阻力，首先要依据土壤特性和车辆本身的数据确定充气轮胎是按 刚性轮还是按弹性轮在土壤上滚动。 ( 1 ) 车轮性质的判定 能够使轮胎像刚性轮一样维持圆形的轮地之间的最大压力称之为临界压力。 临界压力啊 儿= 每+ 勺) 击南) 嘉 c 2 4 ) 其中卜单个车轮的承重，取满载值；d 车轮直径；6 车轮承载面宽度， 取断面宽。具体数值见表2 2 。 表2 2 谷神3 0 9 8 联合收割机车轮参数表 t a b l e2 - 2 矾e e lp a 均m e t e r sf o rg l l s h 饥3 0 9 8h a n 髑缸 轮胎 形刀b p i 只 三 规格( k g ) ( i 珈 1 1 )( n 1 1 1 1 )( k p a )( k p a )( n n ) 前轮 2 0 0 01 3 8 24 9 51 7 04 02 1 2 0 1 9 5 l 一2 4 后轮 5 0 07 7 02 5 82 4 0 3 5 1 9 3 0 1 0 0 0 1 5 桁衣z l 、z 一2 所珂胜明爹致代八公瓦( 2 4 ) ，得 工况1 前轮临界压力： 肋- = 黑棚8 5 5 。南c 而麓蓑麓，罴瑚，妞a 工况1 后轮临界压力： = 黑糊8 5 5 。，志畿声规妣 工况2 前轮临界压力： 胍= 谨+ s 0 8 南峦意麓嵩丽) 罴翊娥 工况2 后轮临界压力： = 谨+ s o s 卿，赤舞蒜篆高声划8 妞a j f l 盯，= 2 0 】k p a b 十j ) c = 17 m - 4 0 = 2 1o p 打，= 2 13 k p af 2 5 、 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 尸q = 1 7 2 l ( p a 尸= 1 8 5 l 【p a y = o尼= 形 尼，_ 矿 j _ ：胁= o 始= 疋口+ 凡d + 乞7 口一毋+ 砂 _ o - 取后轮为分离体，列刎= o ，可得：兄口嘶d 7 综合以上条件，整理得：膨= ( ，形号+ 凡夕d 一毋砌 ( 2 - 7 ) 式( 2 7 ) 中，几等于后轮土壤阻力毋7 ；形詈是定义上的前轮滚动阻力，即前轮 土壤阻力毋。另外，沉陷量z 0 相对于车轮半径一般都很小。可以证明，对于刚性 轮，当z o 较小时，差量，- j 是比，高级的无穷小。所以d 可用厂代替。于是式( 2 - 7 ) 表示为 膨= 只，一毋 ( 2 8 ) 式中r 前后轮土壤阻力之和。 图2 3 弹性前轮与土壤的相互作用 f i g 2 3m e c b a n j c a l 缸e r a c t i o n f o r f le 【a h l e 仟0 n t w h 削 对于弹性轮工况( 工况2 ) 同样可以推得式 ( 2 7 ) ，但此时，阻力作用点m 在轮胎与地面接 触的平面部分上( 如图2 3 所示) ，当z 0 较小时， 差量卜d 不再是比，高级的无穷小量，而是一个定 值：轮胎变形量艿。因此，此时d 不能用，代替。 对于弹性轮 彪= 只p 一万，) 一毋i j l ( 2 9 ) 可以看出，驱动桥载荷只与整车阻力和驱动轮半径及其与地面的接触情况有 关，与从动轮大小及其接地情况无直接关系。 弹性轮和刚性轮与土壤的接触界面的形状不同，计算阻力的方法也不同。下 面分别计算工况l 前后轮、工况2 后轮的阻力和工况2 前轮的阻力。然后依据以 上受力分析的结果分别计算两工况的载荷。 ( 3 ) 刚性轮沉陷量的计算 对于刚性轮，接地尺寸可以这样确定：胎面接地部分为圆弧，轮胎接地宽度 可近似取轮胎宽度，动力学半径近似取车轮半径，车轮陷入土壤的深度，即沉陷 青岛理工大学工学硕士学位论文 量乙按下式确定7 1 工况1 前后轮沉陷量分别为气。、z o 。： ( 2 1 0 ) ： 一一二兰兰塑坠竺：坠一一】志：3 5 c i i l 气l 2 o 而而丽蔽两丽万翥万面p 司5 锄 z f o l = c 丽而蒜器赢 工况2 后轮沉陷量为 z k ： 一一三兰婴墅f 1 志：2 o 锄 舵5 面面面丙蕊丽丽丽而，川。2 0 锄 ( 4 ) 刚性轮压实阻力的计算 车辆在松软地面上行驶时由于土壤被压实而产生的阻力称为压实阻力。 车辆将与车轮接触的土壤压缩至深度所需要的能量忉 e = 6 ，f 犯 ( 2 - 1 1 ) 式中6 接触宽度；，接触长度；g _ 壤在单位接触面积上的平均反力； z 车轮下陷量。 因为式( 2 1 2 ) 表示的能量消耗在轮胎滚过的接触面长度，上，故压实土壤的被动 阻力m 由剧求得，即 砒= 6 f g 龙 ( 2 - 1 3 ) 车轮静止沉陷量z 和单位面积压力g 之间的关系为忉 j g 2 后。z ”= ( 乞6 + 砖) z ” ( 2 1 4 ) 【j | = 包6 + 勺 将式( 2 1 4 ) 入式( 2 1 5 ) 得压实阻力 疋= ( 包+ 岷) 台) 2 舶) 将式( 2 1 0 ) 、表2 1 的相应参数及计算出的相应沉陷量代入公式( 2 1 6 ) ，得 工况l 前后轮压实阻力分别为c 。、c 。： 青岛理工大学工学硕士学位论文 毫。- ( 5 7 7 。+ 0 4 9 5 5 3 8 5 5 0 ) ( 箐) - 2 6 8 2 n 工况2 后轮压实阻力为 吖- ( 5 7 7 2 5 8 5 3 8 5 5 0 ) ( 箐) - 6 8 9 n 吖_ ( 1 1 4 2 2 5 8 8 0 8 9 6 0 ) ( 筹) - 6 5 8 n ( 5 ) 刚性轮推土阻力的计算 车辆在松软地面上行驶时，车轮前缘推移土壤而产生的阻力称为推土阻力。 m g b e k k e r 认为，车轮所受的推土阻力等于作用于垂直板上的最大土壤反作用 力n ( 见图2 。4 ) 们。 e = 6 ( z o 鹾声+ o 5 儿2 巧) ( 2 - 1 7 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 瓦l = o 2 5 8 ( j 5 0 0 o 0 2 0 1 1 8 8 + 0 5 o 0 2 0 2 1 5 4 0 2 1 8 3 ) = 2 1 6 n 工况2 ：= 2 0 。m 2 = 1 7 5 ，r 2 = 6 ； k p c 2 = ( 虬2 一留欢) c o s 2 唬= ( 1 7 5 一辔2 0 。) c o s 22 0 。= 1 5 1 ； b z = 畿+ 1 】c o s 2 纠蔷+ 1 ) c o s 2 2 她3 0 o ； 后轮推土阻力为 瓦2 = o 2 5 8 ( 8 8 2 0 0 0 2 1 5 1 + o 5 0 0 2 2 1 4 3 0 3 0 o ) = 6 8 9 n ( 6 ) 工况2 前轮阻力的计算 工况2 中驱动轮与土壤相互作用的模型如图2 3 ，已在上小节给出。车轮与土 壤界面由圆弧面和平面两部分组成。 匈牙利学者g k o i t u l a d i 提出弹性轮胎变形的经验公式嘲 护q 蒜( 1 5 1 0 - 3 6 + o 4 2 ) ( 2 - 1 8 ) 6 2 q 葛瓦_ 西研【1 5 1 0 。6 + o 4 2 j ( z 1 8 式中c 广与轮胎设计有关的参数，斜交轮胎c f - 1 1 5 ；卜轮胎宽度，锄；形 _ 车仑胎上的载荷，1 0 n ；卜轮胎直径，c m ；a 轮胎的充气压力( 1 0 0 l 【p a ) 。 依据式( 2 1 3 ) 工况2 前轮胎变形量为 渊m 砑器淼蚋州5 髑4 2 脚s 锄4 9 5 w 1 3 8 2u 。 1 7 0 呐 根据吉林工业大学汽车地面力学研究室提出的经验公式来计算接地宽度吲 6 = 岛( 1 一e 埘) = o 4 9 5 仃一2 7 1 8 吼7 m 0 4 8 户o 4 9 0 m ( 2 - 1 9 ) 式中b 厂轮胎宽度；卜经验系数，查得f = 9 7 7 ；r 自然对数的底，取2 7 1 8 ； 万轮胎变形量。 弹性轮沉陷量力： 纠东专于 协2 工况2 前轮沉陷量 z m ：【塑塑堂q 生希：3 4 c i i l z 2 【瓦函而丽再丽r 2 3 4 锄 由式( 2 7 ) ，可得工况2 前轮压实阻力为 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 ，。：= ( - t 4 2 。+ 。4 9 。8 。8 9 6 。) ( 旦罢薯筹) = 2 5 6 n 由式( 2 1 7 ) ，可得工况2 前轮推土阻力为 e 2 = o 4 9 ( 8 8 2 0 o 0 3 4 1 5 1 + 0 5 0 0 3 4 2 1 4 3 0 3 0 o ) = 2 2 3 l n 工况2 中轮胎发生变形，引起弹滞损失，将构成充气轮胎滚动时的弹滞损耗阻力e c = 哮蚴2 s 器瑚n 协2 ， 式中形一车轮承重 ，口为经验系数，此处“取为0 0 9 ，口取为o 7 。 由此可见，在以上参数下，轮胎变形阻力很小，完全可以忽略。 ( 7 ) 收割机两种工况下载荷的计算 收割机工作中行驶总阻力等于前后轮压实阻力、推土阻力和轮胎粘滞变形阻 力之和，作用在驱动轮轴上。依据式( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 工况1 ，负载转矩 l = 只，一毋j i l = ( e l + e l + 磊l + c 1 ) ，一( e l + c l ) = ( 2 1 6 + 6 8 9 + 7 3 0 + 2 6 8 2 ) o 6 9 l - ( 2 1 6 + 6 8 9 ) o 3 0 6 = 2 7 1 k n m 工况2 ，负载转矩 = 只一一万夕一毋 = ( 磊2 + 兄2 + c 27 + c 2 + e ) r ，一万夕一( e 2 + c 2 ) 五 = ( 6 8 9 + 2 2 3 l + 6 5 8 + 2 5 6 1 + 5 2 ) ( o 6 9 1 0 0 4 8 ) 一( 6 8 9 + 6 5 8 ) o 3 0 6 = 3 5 7 瑚n m 由以上计算可以看出，h r 6 0 1 驱动桥输出端常规载荷约为2 7 k n m ；最大载 荷约为3 6 k n m ，它可做为满载值用于试验系统的研发。 这里需要指出，由表2 2 中，前后轮距及前后轮宽，可算出前后轮辙部分重合， 即后轮有“二次通过 的成分。由于地面被轧实，沉陷量减小，二次通过要比一 次通过的阻力小很多，所以收割机正常工作时的总阻力要比以上计算值小些。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 驱动桥输出功率的计算 已知h r 6 0 1 驱动桥各挡传动比由发动机到车轮依次是： 初级皮带轮：2 ；无级变速：0 7 一1 2 6 ；变速箱：1 档2 9 2 9 ，2 档1 4 6 1 ，3 档7 2 9 ，4 档3 6 4 ，倒挡1 2 9 2 ：边减：5 4 2 。 车载发动机额定转速：2 l o or m i n ，额定功率：7 3 5 k w ( 大部分传给收获系统) 。 由以上数据可以算出收割机理论上最高车速为2 0 l ( 1 1 肌，合车轮转速8 r 删s ， 此时是在硬路上行驶。3 0 9 8 收割机在工况l 工作时( 常载) ，跑三档，理论车速最 高1 0k i l l 1 1 ，合车轮转速4 r a d s ，记作缈t 。工况2 多属收获期内降雨不久的潮湿 地面，降水加地面蒸发，造成谷物潮湿，收割机脱粒效率降低，脱粒收割系统所 占功耗比例增加，行走系统所占比例相应减少，再加上驱动桥负荷大，导致