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独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：驶匙会 j o 伽年月厂口日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子 杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文 被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全 文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入 中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登1 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 歉会指导教师签名_ 歪七二白 指导教师签名：罗t 句 弘伽年f 月如日护i9 年占月。r 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着能源的日益紧张，以及人们对于环境的要求越来越高，电动拖 拉机势必将成为农用机械的一大生力军。尤其是由于越来越多的人们开 始关注食品安全，呼吁健康、绿色食品，因而设施农业得到了广泛发展。 本论文研究的履带式电动拖拉机就是专门针对在设施大棚这种封闭的特 殊环境下进行农耕作业的机械装备，它具有经济、高效、无排放污染和 噪声小等优点。 通过分析和研究为数不多的国内外关于电动拖拉机研究的文献，并 结合对现有电动拖拉机动力传动系统的研究，确定了履带式电动拖拉机 动力传动系统方案，采用锂离子电池作为动力源、由永磁无刷直流电动 机提供驱动动力。通过对传动系统各部件参数的匹配分析，得到了传动 系统的基本参数。结合配套厂家提供的零部件的外形尺寸资料，使用 p r o e 建立了履带式电动拖拉机整机三维模型；并采用整车性能仿真软件 c r u i s e 建立了整机仿真模型，对整机的动力性和经济性进行了仿真分 析，验证了各部件匹配的合理性。同时，为验证履带式电动拖拉机在设 施大棚内能够正常作业，采用r e c u r d y n 动力学仿真软件进行了转向特 性的仿真分析。 根据三维模型，生成各零部件工程图，进行样机的试制。在样机制 造完成后，进行了犁耕、旋耕、田问转移等多种工况下的试作业试验， 验证了电动拖拉机具备完成相关作业的能力；其中主要针对p t o 输出功 率和最大牵引功率进行了较为细致的试验研究，并与理论计算所得值做 了详细的对比分析。同时，通过转向特性试验，得到了履带式电动拖拉 机的最小转弯半径，验证了其在设施大棚内使用的可行性。通过比较试 验和仿真的结果，验证了仿真模型的正确性。 经过仿真分析和样机试验知，在犁耕挡位- t 作时的作业速度范围较 t 设施大棚电动拖拉机设计与分析 窄，需要进行适当的优化。在保证足够牵引力的前提下，力求该挡位下 一次充满电可持续作业时间最长。采用m a t a l a b 优化工具箱对犁耕挡 位的总传动比进行了优化，优化后并再次进行了整机性能仿真，由仿真 结果知电动拖拉机的各项性能指标均有所提升，验证了优化的合理性， 为将来批量生产提供了理论数据支持。 关键词：履带式电动拖拉机；动力传动系统；牵引性能；转向特性；传 动比优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es h o r t a g eo ft h ee n e r g ys o u r c e s ，a n dt h em o r er i g o r o u so nt h e e n v i r o n m e n to ft h er e s i d e n to nt h ee a r t h ，e l e c t r i ct r a c t o rw i l lb et h em a i n c h a r a c t e ro ft h ea g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y e s p e c i a l l y , m o r ea n dm o r ep e o p l e s t a r tp a y i n gm o r ea t t e n t i o nt of o o ds a f e t y , c a l l i n gf o rh e a l t h ，g r e e nf o o d ， f a c i l i t ya g r i c u l t u r eh a sb e e np o p u l a r i nt h i sp a p e r , t h ec r a w l e rb e l te l e c t r i c t r a c t o rr e s e a r c h e di sd e s i g n e ds p e c i f i c a l l yf o rg r e e n h o u s ef a c i l i t i e st od o a g r i c u l t u r a lw o r k i th a st h ea d v a n t a g e so fe c o n o m i c ，e f f i c i e n t ，n op o l l u t i o n a n dn on o i s ea n ds oo n t h r o u g ha n a l y s i sa n ds t u d yo ft h ev e r yf e wd o c u m e n t sa b o u te l e c t r i c t r a c t o rb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n dt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fe l e c t r i ct r a c t o r p o w e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m t h e t r a c t o r s p o w e r t r a i ns y s t e mh a sb e e n d e c i d e d ，u s i n g l i t h i u mi o nb a t t e r ya n dp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd c m o t o la n dg o tt h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h em a i nc o m p o n e n t st h r o u g ht h e r e a s o n a b l em a t c h i n ga n a l y s i so fa l lo ft h ep o w e r t r a i np a r t s ；a c c o r d i n gt ot h e s p e c i f i cs h a p es i z eo f t h ev a r i o u sc o m p o n e n t ss u p p l i e db ye a c hm a n u f a c t u r e r , a n de s t a b l i s h e dt h e3 dm o d e lo ft h ec r a w l e rb e l te l e c t r i ct r a c t o rb yu s i n gt h e s o f t w a r ep r o e t h e ne s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lb yt h ef u l l v e h i c l e s o f t w a r ec r u i s e ，g o tt h ed y n a m i c a lp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y , a n d v a l i d a t e dt h er a t i o n a l i t yo ft h em a t c h i n go ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，i no r d e rt ov a l i d a t et h es t e e r i n ga b i l i t yo ft h ec r a w l e rb e l te l e c t r i c t r a c t o ri ng r e e n h o u s ef a c i l i t i e sd i dt h es t e e r i n gp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nb y t h ed y n a m i c ss o f t w a r er e c u r d y n a c c o r d i n gt ot h e3 dm o d e l ，d r e w t h ee n g i n e e r i n gd r a w i n g ，a n de n t e r e d i n t ot h ew o r k s h o pt od ot h em a n u f a c t u r eo ft h ep r o t o t y p e d i dt h et r i a l w o r k i n g t e s ta f t e rt h e c o m p l e t i o n o ft h e p r o t o t y p e ，i n c l u d i n g t h r e e c o n d i t i o n s p l o u g h i n g ，r o t a r y , t r a n s f e r r i n gf r o m o n ef a r m l a n dt oa n o t h e ro n e ； 1 1 1 设施大棚电动拖拉机设计与分析 e n s u r et h et r a c t o rc a nf i n i s ht h er e l e v a n tj o b e s p e c i a l l yd i dt h ep t ot e s ta n d t r a c t i o np o w e rt e s t ，a n dh a dad e t a i l e dc o m p a r i s o nb e t w e e nt e s ta n d t h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，g o tt h es m a l l e s ts t e e r i n gr a d i u s t h r o u g ht h es t e e r i n gt e s t ，v a l i d a t e dt h ef e a s i b i f i t yo ft h ee l e c t r i ct r a c t o rc a n w o r ka tt h eg r e e nh o u s e t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i sa n dp r o t o t y p et e s t ，t h ee l e c t r i ct r a c t o rh a s n a r r o wv e l o c i t yr a n g ew h e ni ti si np l o u g h i n g ，n e e dt ob eo p t i m i z e d t h ea i m i st oo b t a i nt h el o n g e s tw o r k i n gt i m eo nt h ep r e m i s eo f e n o u g ht r a c t i o nf o r c e u s i n gm a t a l a bo p t i m i z a t i o n t o o l b o xt od oo p t i m i z a t i o no ft h et o t a l t r a n s m i s s i o nr a t i o ，a n dt h e n d i dt h ef u l l v e h i c l ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n a g a i n ，t h er e s u l t sp r o v e dt h a tv a r i o u sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so fe l e c t r i c t r a c t o rw e r ei m p r o v e d ，v e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yo fo p t i m i z a t i o na n d p r o v i d e d t h e o r e t i c a ld a t as u p p o r tf o rf u t u r eb a t c h p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：t h ec r a w l e re l e c t r i c t r a c t o r ；p o w e r t r a i ns y s t e m ；t r a c t i v e p e r f o r m a n c e ；s t e e r i n gp e r f o r m a n c e ；g e a rr a t i oo p t i m i z a t i o n 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景1 1 2 电动拖拉机的国内外研究现状2 1 2 1 国外电动拖拉机的研究现状2 1 2 2 国内电动拖拉机的研究现状3 1 _ 3 电动拖拉机的动力传动系统研究现状4 1 3 1 电动拖拉机动力传动系统简介4 1 3 2 电动拖拉机的动力传动系统结构形式4 1 4 本课题研究的目的及意义一5 1 5 本课题研究的内容6 1 6 本章小结6 第二章电动拖拉机总体设计7 2 1 电动拖拉机结构方案确定一7 2 1 1 电动拖拉机动力传动系统结构分析7 2 1 - 2 电动拖拉机行走机构分析8 2 1 1 3 电动拖拉机结构方案一8 2 2 履带式拖拉机动力学模型1 2 2 2 。1 田间转移工况1 2 2 2 2 犁耕作业工况1 3 2 2 3 旋耕作业工况1 4 2 3 电动拖拉机动力传动系统主要部件的参数匹配1 6 2 3 1 履带选型及参数匹配1 6 2 3 。2 驱动电机的选择及参数匹配1 7 2 3 3 动力电池的选择及参数匹配1 9 2 3 4 电动拖拉机传动箱的参数匹配2 1 2 4 本章小结2 2 第三章电动拖拉机整机性能仿真2 3 3 1 整机性能评价指标2 3 3 2 仿真软件c r u i s e 简介2 4 3 2 1c r u i s e 软件的功能2 5 3 2 2c r u i s e 软件的仿真流程2 5 v 设施大棚电动拖拉机设计与分析 3 3 整机模型的建立2 5 3 3 1 整机模块2 6 3 t 3 2 动力电池模块2 7 3 _ 3 3 驱动电机模块2 9 3 3 4 传动箱模块3 0 3 3 5 差速器模块3 1 3 3 6 车轮模块3 2 3 4 仿真任务的建立3 2 3 5 犁耕工况仿真结果分析3 3 3 6 旋耕工况仿真结果分析3 5 3 7 田间转移工况仿真结果分析3 6 3 8 本章小结3 7 第四章履带式电动拖拉机转向性能仿真。3 8 4 1 履带拖拉机的转向原理3 8 4 1 1 理论转向分析3 8 4 1 2 实际转向分析3 9 4 1 3 履带的地面转向阻力矩4 0 4 2 履带拖拉机转向方式4 2 4 2 1 转向方式分类4 2 4 2 2 单边制动转向4 3 4 3 履带式电动拖拉机r e c u r d y n 仿真模型的建立4 4 4 3 1r e c u r d y n 动力学软件简介4 4 4 3 2 仿真模型的建立4 4 4 3 3 履带子系统模型的建立4 5 4 4 转向特性分析4 6 4 - 4 1 转向半径分析4 6 4 4 2 驱动轮扭矩分析4 8 4 5 本章小结4 9 第五章整机性能试验。5 0 5 1 试验目的5 0 5 2 试验内容及方法5 0 5 2 1 最高车速试验5 0 5 2 2 动力输出轴试验5 1 5 2 3 最大牵引功率试验5 2 v t 江苏大学硕士学位论文 5 2 4 最小转弯半径试验5 2 5 2 5 持续作业时问试验5 3 5 3 试验结果分析5 3 5 3 1 最高车速试验结果分析5 3 5 3 2 动力输出轴试验结果分析5 4 5 3 3 最大牵引功率试验结果分析5 4 5 3 4 最小转弯半径试验结果分析5 4 5 3 5 持续作业时间试验结果分析5 4 5 4 本章小结5 4 第六章动力传动系统传动比优化。5 s 6 1 优化方法5 5 6 1 1m a t l a b 优化工具箱简介5 5 6 1 2 优化用函数血1 i i c o n 5 5 6 2 优化模型的建立5 7 6 2 1 目标函数的确定。5 7 6 2 2 约束条件的建立5 8 6 2 3 设计变量的确定5 9 6 2 4 电动机效率的拟合表达式5 9 6 3 优化前、后仿真结果对比分析6 1 6 4 本章小结6 3 第七章总结与展望。6 4 7 1 总结6 4 7 2 工作展望6 5 参考文献6 6 致谢6 9 攻读硕士学位期间研究成果7 0 v 江苏大学硕士学位论文 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 随着国民经济的发展，诸如温室大棚类的增收型设施农业在我国农村也得到了 迅速发展，规模较大的地方有山东寿光和苏州临湖等地。与大田相比，设施大棚中 的农作物对生长环境的要求更高，除了要求土壤平整、表层松软外；由于设施环境 相对封闭，因此作业机具还不能产生空气污染【1 】。设施农业已成为我国农业经济的 重要组成部分，正逐步变成促进农村经济发展的新兴支柱产业。但是，我国温室大 棚的科技水平和技术含量与发达国家还存在较大差距，有许多待于改进和提高的地 方。同时，现有农机具等诸多因素也都严重制约了温室大棚的进一步发展。鉴于温 室大棚作业环境狭小，国内的农业机械厂已经制造出了一些小型耕作机械，如：重 庆合盛、广西蓝天、山东华兴、北京多利、北京福兴等，它们多由传统的内燃机提 供动力。 但是，传统农业机械装备有以下几个方面的缺点： ( 1 ) 污染比较严重，对大棚内绿色农作物的质量影响较大。工作时会产生c o 、 s 0 2 、n o x 等危害人体及大棚环境的有害物质2 | 。此外，传统耕作机械的噪声大，不 利于操作人员的身心健康害。 ( 2 ) 传统的耕耘机械多为手扶式，操作人员劳动强度大，容易疲劳，从而导致 生产效率降低。 ( 3 ) 传统农业机械装备多采用轮式行走机构，路面适应能力差； 履带式电动拖拉机与传统的内燃机装备相比，拥有以下优点： ( a ) 作为纯电动拖拉机，其能源来源范围广。能够用于发电的能源很多，如： 风能、水能、太阳能、核能、煤炭等；从而减少了石油资源的使用量。 ( b ) 能源利用率高。据统计传统内燃机的有效效率一般为3 0 ，而纯电动车辆 使用的电动机有效效率一般不低于7 5 。另外，电费相对于燃油价格来说，非常低， 大大降低了农作物的生产成本，提高了经济效益。 ( c ) 一定程度上可以认为是零污染，无须担心环境保护问题。传动系统为纯电 力驱动，不再排放任何有害气体，且电动机的噪声小。 设施大棚电动拖拉机设计与分析 ( d ) 采用履带式行走机构，对地面的适应性强。其接地面积大，接地压力小， 在松软路面上的通过性更好3 】。 1 2 电动拖拉机的国内外研究现状 1 2 1 国外电动拖拉机的研究现状 纵观电动拖拉机的发展历史，国外在这方面的研究远早于国内；自其出现至今 经历了两个阶段，即电网电源阶段和车载电源阶段。 早在1 9 1 2 年，德国西门子公司就制造出了一台电动旋耕机【4 1 ，其电动机功率为 3 7 k w 。该旋耕机所需要的电能来自于电网电源，靠一根长长的电缆连接到电源上。 1 9 4 5 年，由于第二次世界大战，能源严重缺乏，德国b u n g a r t z 公司生产出了 t 6 p f e r 和b u n g a r t z u l e 两款电动拖拉机。 调速，由于t o p f e r 在前后都装配有农具， 转弯5 1 。 这两款拖拉机均装配有变速箱可进行有级 可以实现两个方向作业，到达地头时无需 电动拖拉机的研究与发展在2 0 世纪4 0 年代后期进入了一个小高潮，但它们的 动力源均为电网电源。如：1 9 4 9 年俄国出现了一款装配有6 5 0 m 长的电缆线，功率 约为3 7 k w 的电动拖拉机【4 1 。作业范围受电缆长度的影响较大，需要降压装置以便 远距离输电，实际操作起来非常麻烦。但不容忽视的是，它们为车载电源电动拖拉 机的研制奠定了技术基础。 上世纪7 0 年代能源危机和石油短缺，为了更好的应对此种情况，许多发达国家 纷纷开始了电动拖拉机的研究。从那时起，电动拖拉机的电源形式开始由电网电源 变成了车载电源。 美国a l l i s c h a l m e r s 公司于1 9 5 9 年11 月1 5 日推出了第一辆车载电源电动拖拉 机 5 j 。整机所需要的电能来自于1 0 0 8 块单体燃料电池；动力由1 5 k w 的电动机提供， 来驱动传动系统，带动拖拉机车轮转动，保证拖拉机的正常工作。但该电动拖拉机 无专门的调速装置，而是通过改变工作电池的个数来实现，因此实际操作来比较复 杂，且不方便。 美国g e n e r a le l e c t r i c 公司在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初推出了e l e c t r a k 系列 电动拖拉机。其采用3 6 v 的电池作为动力源，使用的电机功率范围为6 1 2 k w 。开 发的最初目的主要是用于修剪草坪，但也可挂接铧式犁、旋耕机、前端装载机、自 2 江苏大学硕士学位论文 卸挂车、叉式升降机等。一定程度上来说，通用公司将电动拖拉机的研发推到了那 一时期的巅峰，其中一些现在还有应用。后来美国的n e wi d e a 、w h e e lh o r s e 、j o h n d e e r 、j a c o b s e n 、j c p e n n e y 、k u b o t a 等公司也都开始了电动拖拉机的研制，他们的 驱动系统大都由单一电机和有级调速装置组成。 除了上述美国公司外，1 9 9 5 年意大利的b o d r i a 和2 0 0 1 年日本的a r j h a mw 都 各自研制出了一台手扶电动拖拉机 4 1 。加拿大的e l e c t r i ct r a c t o r 公司在1 9 9 8 年到2 0 0 2 年期间生产了e l e c t r i co x 系列电动拖拉机。该系列电动拖拉机采用玻璃纤维构架， 动力源为6 个8 v 电池，电机功率为1 6 k w 18 k w ，由脚踏板进行无级调速，采用“双 电机齿轮箱”结构来驱动后轮。从2 0 0 3 年至2 0 1 0 年6 月，f l y i n gb e e t 社团将 a l l i s c h a l m e r sg 型内燃机拖拉机改装为中耕作业的电动拖拉机，共推出了四代产品， 功率在2 1 2 马力之间。 1 2 2 国内电动拖拉机的研究现状 国内研究电动拖拉机等作业机械的人比较少，主要以南京农业大学的高辉松为 代表，他的主要研究成果有：电动拖拉机传动系设计理论与方法研究、电动拖拉 机发展及其关键技术、电动拖拉机驱动力与传动效率特性试验、基于a d v i s o r 的电动拖拉机仿真系统开发与应用和基于a d v i s o r 的电动拖拉机驱动系统仿 真等【6 | ，并且成功研发出一台6 挡轮式电动拖拉机。 另外，2 0 1 2 年中国一拖与美国通用公司开始合作研发电动拖拉机，由通用电气 公司提供技术支持，研发的电动拖拉机主要应用于庭院中的草坪、轻负荷农田等领 域。 关于温室大棚用电动作业机械的研究，目前主要有西北农林科技大学的卢毅， 他所做的主要工作是对遥控式微型电动拖拉机进行了试验研究，具体内容有蓄电池 输出特性、电机控制器的效率、样机牵引效率等。但该款遥控式样机采用的是存在 铅污染且重量较大的铅酸蓄电池，以及对路面破坏性较大的金属履带。除了电动拖 拉机的研究外，南农大的高辉松还研制了一款额定功率为4 k w 、重量为1 3 5 k g 专门 应用于温室大棚的电动微耕机，利用大棚内的供电设施来获得电能。他对电动微耕 机所用电动机的调速特性和效率特性进行了研究，以及在大棚内进行了实地试验作 业。 我国“十二五”规划明确提出，“提高设施装备水平，提升产业发展质量，促进 设施大棚电动拖拉机设计与分析 设施农业可持续发展。”针对现有小型耕作机械的缺陷。因此，研发一种零污染、适 用于温室作业的小型电动拖拉机是非常必要的。 1 3电动拖拉机的动力传动系统研究现状 动力传动系统是电动拖拉机的核心，其结构及参数决定着电动拖拉机的动力性 和经济性。它主要由蓄电池、电机、机械传动装置以及功率转换器和电子控制器等 部分组成。 1 3 1电动拖拉机动力传动系统简介 目前纯电动拖拉机的研发方式主要有两种：一种是在传统拖拉机的基础之上进 行改造，由蓄电池作为动力源，用电动机代替发动机；另一种是全新设计。不管哪 种开发方式，电动拖拉机都要有驱动系统、能源系统和辅助子系统。其中驱动系统 是通过电机将电能转化为机械能，再由机械传动装置带动车轮滚动；蓄电池为整个 系统提供能量；辅助子系统的设计是为了提高整机的操纵性和乘坐舒适性。电动机、 蓄电池组和机械传动装置等的参数是满足整机性能的关键，同时它们的结构也决定 了整个传动系的布置形式。 1 3 2 电动拖拉机的动力传动系统结构形式 要保证纯电动拖拉机能够良好运行，满足各作业工况的使用要求，其传动系统 的设计应具有以下功能： ( 1 ) 减速增扭，保证电动拖拉机具备足够大的牵引力，以满足电动拖拉机的作 业需求。并且动力传动系中各部件的安装要科学、合理，以降低行驶过程中传动系 统产生的噪声。 ( 2 ) 动力传递过程中能量损失要少；传动效率要高。保证电动拖拉机较高的牵 引效率。 ( 3 ) 保证电动拖拉机具备良好的变速能力，操纵平顺，动力结合过程平稳、冲 击小。两侧车轮具有良好的差速能力，电动拖拉机具备良好的直线行驶能力和转弯 性能等。 与传统的燃油拖拉机相比，由于蓄电池是通过柔性的电线传递能量，结构布置 彳i 受机械件刚性连接的限制；又因为不同类型的电动机，其结构、质量、尺寸等差 4 江苏大学硕士学位论文 别很大。因此，电动拖拉机的结构形式具有多样性。目前，电动拖拉机的动力传动 系统的结构形式大致分为四种5 | ，如图1 1 所示： 图1 1 电动拖拉机动力传动系统主要结构形式 f i 9 1 1t h el a y o u to f t h ee l e c t r i ct r a c t o rp o w e r t r a i n 1 一电机：2 一离合器一变速箱：3 一驱动桥；4 一减速器；5 一减速一差速器：6 一轮毂电机 ( a ) 传统型结构，由电动机代替传统拖拉机中的发动机作为原动机，将动力电 池中的电能转化为车轮转动所需要的机械能来驱动拖拉机运动。 ( b ) 电动机一驱动桥组合式，取消了离合器和变速箱，电动机安装在驱动桥上， 电动机输出的动力经过减速器的减速增扭后直接传递给驱动桥，即缩短了动力传动 的距离，又节省了空间。 ( c ) 电动机一驱动桥整体式，与电动机一驱动桥组合式类似，所不同的是电动 机和驱动轴直接相连，直接实现变速和差速。 ( d ) 轮毂电机分散驱动式，将电机装在驱动轮内，变成一个整体直接驱动拖拉 机运转。目前国内已有一些公司开始研发轮毂电机，只不过大部分都用于电动汽车 上，如2 0 1 1 年上海车展展出的瑞麒x 1 增程电动车就采用了此种技术。 1 4 本课题研究的目的及意义 设施大棚履带式电动拖拉机作为一种新型农用耕作机械。它使用电能作为能源， 消除了设施大棚内柴油机的噪声及排气污染，操作方便是适应狭小空间设施的新型 设施农业装备，有利于大棚内农作物的生长，对于提高农作物的质量意义重大，是 解决现有农业机械所消耗化石能源和和降低设施内柴油机空气污染问题的有效途径 之一。 电动拖拉机是技术密集型产品，它的研制和批量生产必将促进机械、电子及农 机具部件等相关配套行业的技术进步和产品升级换代，极大地提高设施农业机械的 设施大棚电动拖拉机设计与分析 自动化和智能化水平，对促进我国设施农业向规模化、高效、低耗、环保方向的发 展具有重要意义。 1 5 本课题研究的内容 本论文是以江苏省产学研前瞻性联合研究项目一“设施栽培小型电动耕作技术 及装备研发c x ( 1 2 13 0 2 9 ”为背景，进行了如下工作： ( 1 ) 根据设计目标，进行动力传动系统主要部件如电池、驱动电机、传动箱等 的参数匹配设计和选型。 ( 2 ) 运用p r o e 软件建立履带式电动拖拉机的三维数字模型。 ( 3 ) 使用c r u i s e 软件建立整机性能仿真模型，进行整机动力性和经济性能仿真 分析。 ( 4 ) 建 广r e c u r d y n 履带动力学模型，进行了整机转向性能的仿真分析。 ( 5 ) 进行样机的整机性能试验，与仿真试验的结果进行对比分析。 ( 6 ) 在整机性能分析的基础上，对传动系统的传动比进行优化设计。 1 6 本章小结 本章主要阐述了本课题研究的背景、目的及意义；分析了电动拖拉机的国内外 研究现状及现有电动拖拉机的动力传动系统，提出了本论文研究的主要内容。 江苏大学硕士学位论文 第二章电动拖拉机总体设计 2 1 电动拖拉机结构方案确定 2 1 1电动拖拉机动力传动系统结构分析 目前电动拖拉机的动力传动系统结构布置大体分为传统型结构、电动机一驱动 桥组合式、电动机一驱动桥整体式和轮毂电机分散驱动式四种，每一种结构形式各 具不同特尉刀。 ( 1 ) 传统型结构 该结构与传统拖拉机的动力传动系统布置形式类似8 1 ，采用电动机取代发动机。 通过离合器来切断或接通驱动电机的动力传递；驾驶员根据实际作业工况，通过变 速器的挡位切换，在拖拉机需要大的牵引力时，换入低速挡，以获得低转速、大转 矩保证拖拉机具备良好的牵引能力；在运输工况或田问转移时，换入高速挡，保证 拖拉机能够获得较高的车速，以适应快速运输或转移的需要。由于电动机本身可以 通过调整电流大小来调速，而且电动机的正反转可以实现倒挡的功能，因此变速器 的结构可以稍做适当的简化，挡位数可以在满足作业工况要求的前提下，尽量减少。 这种结构形式发展比较早，技术比较成熟。大部分现有电动拖拉机的动力传动系统 都采用此种结构。 ( 2 ) 电动机一驱动桥组合式 该结构形式无离合器和变速器，传动系统主要由驱动电机、主减速器和差速器 构成，三个部件的转轴相互平行，一起组合成一个驱动整体。此种形式的电动拖拉 机无可选挡位，通过主减速器来改变电动机的输出转矩。虽然安装容易、结构紧凑， 传动效率高，但对电动机的要求也高。在进行犁耕、旋耕等作业时，需要较大的转 矩，以保证电动拖拉机能够良好的完成作业。 ( 3 ) 电动机一驱动桥整体式 该种布置形式是将电动机、固定速比减速器以及差速器集成为一个整体，通过 两根半轴与驱动车轮相连；与发动机后置、后轮驱动的汽车的布置形式类似。通过 控制电动机转速的大小，来实现驱动轮的变速和差速转换，结构紧凑，传动效率较 高。但对电动机调速和转矩调节范围要求比较高，控制系统复杂且难以实现。 设施大棚电动拖拉机设计与分析 ( 4 ) 轮毂电机分散驱动式 此种结构是将轮毂式电机直接装在后轮内，目前常用的轮毂式电机有两种：一 种是将外转子直接安装在车轮的轮缘上的外转子、内定子形式，通常为低速电动机， 最高转速范围为1 0 0 0 1 5 0 0 r m i n ，没有任何减速装置，电机转速即为车轮的转速。 二是内转子、外定子结构，装配有固定速比的减速器，电机的转速可高达1 0 0 0 0 r m i n ， 随着行星齿轮减速器结构的不断优化，在功率密度方面相比低速外转子式更具竞争 力。轮毂电机分散驱动式传动系统结构可大大缩短动力传递途径，增大拖拉机整体 布局的有效空间；但对电机的强度和控制精度要求较高。不过，随着轮毂电机技术 的发展，将会被越来越多的厂家采用。 2 1 2 电动拖拉机行走机构分析 电动拖拉机的行走机构与传统拖拉机一样，大体分为轮式行走机构和履带行走 机构两种。行走机构作为拖拉机底盘的一部分，轮式拖拉机行走机构主要包括前桥、 后桥和车轮等；履带式拖拉机的行走机构一般由履带机架及履带行走部分等组成。 轮式行走机构一般含有四个车轮，根据驱动形式不同轮式拖拉机可以分为后轮 驱动式和四轮驱动式两种。轮式行走机构具有结构简单、维护容易、对拖拉机整体 结构布置限制小、速度快、操作灵活、设计理论和技术相对成熟及路面破坏性小等 优点 9 。缺点是：轮胎容易发生变形，拖拉机的牵引性能受轮胎气压等因素的影响 较大；轮胎的接地面积小，接地压力大，在软路面上的沉陷量大，导致拖拉机在软 路面上行走和作业困难。 履带式行走机构较轮式行走机构复杂，广泛用于二r ：程机械、拖拉机等野外作业 车辆，一般设计时沿整机纵向中心对称布置【1 0 。根据履带结构形式的不同，履带拖 拉机分为普通履带式、宽履带式和窄履带式三种。履带式行走机构的优点有：接地 面积大，接地压力约为轮式拖拉机的一半，具有良好的平地通过性和越障能力，对 松软路面的适应性好；牵引能力大，适于繁重作业；侧向稳定性和操纵稳定性好， 对于坡地作业的适应性好1 1 。缺点是：金属履带的地面破环性大；结构复杂；制造 成本和维修费用较高。 2 1 3 电动拖拉机结构方案 ( 1 ) 传动系统结构方案 为适应温室大棚狭小空间内的作业环境，结合现有电动拖拉机的传动系统结构， r 江苏大学硕士学位论文 最终确定了本论文研究的电动拖拉机传动系统的结构方案，如图2 1 所示。采用履 带式行走机构，在传统型结构形式的基础之上取消离合器、保留变速装置( 传动箱 总成) ，总体结构形式为动力电池前置、后轮驱动。 图2 1 传动系统结构布置图 f i 9 2 1t h ea r r a n g e m e n to f t h ep o w e r t r a i ns y s t e m 本论文研究的履带式电动拖拉机主要包括履带1 ，车架1 0 ，电子油门踏板机构6 ， 转向、制动一体式操纵杆系5 ，驱动电机7 ，动力电池2 ，变速箱1 2 ，驱动轴1 l ， 驱动电机控制器4 ，辅助电源3 ，辅助电源充电器1 4 ，提升电机8 ，提升电机控制器 1 3 和提升器9 等。车架用于所有底盘附件的安装，由用于支撑动力电池箱，驱动电 机及变速箱的副车架与履带机架整合焊接而成。 驱动电机在驱动电机控制器控制下，根据履带式电动拖拉机的作业工况要求， 来控制驱动电机的输入。电能通过驱动电机控制器的调节后输送给驱动电机，驱动 电机将动力电池的电能转化为机械能直接传递给变速箱，而后由变速箱将动力分别 传递给驱动轴和后动力输出轴。传递给驱动轴的动力带动履带行走系中的驱动轮转 动，来实现拖拉机的行走；传递给动力输出轴的动力用来带动旋耕机具进行旋耕作 业。 根据电动拖拉机不同的作业工况，提升电机转速由提升电机控制器来控制，提 升电机将动力电池的电能转化为机械能传递给和其直接相连的提升器，由提升器来 实现后悬挂装置( 包括农机具) 的升、降或满足一定的耕深要求。具体动力电池能 源传递路线如图2 2 。 设施大棚电动拖拉机设计与分析 图2 2 电动拖拉机动力传递路线 f i 9 2 2t h ep o w e rd e l i v e rr o u t eo f t h ee l e c t r i ct r a c t o r ( 2 ) 电动拖拉机的整机方案 本论文研究的履带式电动拖拉机总体结构大致可以分为：车架、动力传动系统、 提升装置、车身覆盖件及后悬挂部分等四大部分1 2 】。采用了纯电动动力传动系统， 所有作业工况需要的动力均由驱动电机提供；同时采用了纯电动提升装置，由提升 电机控制器、提升电机和提升