并联混合动力拖拉机传动系参数设计及性能分析

周志立，倪　倩，徐立友,2

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.中国一拖集团有限公司，河南 洛阳 471004)



并联混合动力拖拉机传动系参数设计及性能分析

周志立1，倪倩1，徐立友1,2

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.中国一拖集团有限公司，河南 洛阳 471004)

针对大功率轮式拖拉机存在的档位过多、操作复杂和牵引效率低等问题，基于拖拉机工作特点、并联混合动力传动系统原理和拖拉机犁耕工况下的负载特性，对132 kW并联混合动力拖拉机的动力系统、耦合系统和传动系统等相关参数进行了合理匹配设计。结合给定的输出特性目标及控制方案，对并联混合动力拖拉机的理论牵引特性进行分析，并与东方红-1804大功率轮式拖拉机对比。对比结果表明：并联式混合动力拖拉机的牵引效率特性、滑转率特性、动力输出功率特性、牵引功率特性和行驶速度特性等理论牵引特性的各项指标均有一定的改善，牵引性能更优越。其动力性和经济性得到提高，并减少了档位数量，有利于传动系统的结构简化和操控。

并联混合动力；拖拉机；负载特性；理论牵引特性；传动系

0　引言

近年来，中国农业机械尤其是大功率轮式拖拉机保有量持续增加，农业机械化程度不断提高。然而，日趋紧张的能源问题逐步限制了农业机械化进程。随着各大公司及高校对混合动力系统的深入研究，混合动力系统技术逐步走向成熟，柴油-电力混合技术也迅速发展。混合动力系统在客车[1]、工程机械[2]和履带式车辆[3]上的应用相继展开，为混合动力拖拉机的研究奠定了理论基础。

目前，国内外众多学者已展开了对混合动力拖拉机的研究并取得了一定的成果[4-5]。文献[6-8]对混合动力拖拉机的动力耦合装置和动力特性进行了深入研究，并根据混合动力拖拉机传动原理和工作特性，提出了一种串联式混合动力拖拉机传动系统的设计理论、设计方法、动力性和经济性的评价指标。文献[9-12]详细分析了串联式与并联式混合动力拖拉机的能量管理策略，并提出了串联式混合动力拖拉机驱动系统的设计方法，同时，对适合混合动力拖拉机的试验台架进行了搭建设计和性能分析，为混合动力拖拉机及其试验台的设计开发提供了平台。对混合动力拖拉机的研究，可以有效缓解能源消耗和环境污染的巨大压力，对于促进社会经济的持续发展和提高农业机械化水平有着深远意义。

中国广泛采用的东方红系列大功率轮式拖拉机普遍存在档位过多、操作困难和牵引效率低等问题。本文以东方红-1804大功率轮式拖拉机为研究对象，根据其工作特点和混合动力传动原理，提出了并联混合动力拖拉机的整体耦合及传动方案。基于拖拉机犁耕工况下的负载特性，对混合动力拖拉机的动力系统、耦合方案和传动系统的具体参数进行了匹配设计，并对其理论牵引特性的多个指标进行了具体分析，以改善其理论牵引特性。

1　并联混合动力拖拉机方案设计

1.1并联混合动力拖拉机整体方案

并联混合动力拖拉机是一个由发动机直接向驱动轮供给机械动力的驱动系，电机通过机械耦合装置辅助配合共同提供动力。机械耦合包括转矩耦合和转速耦合。转矩耦合中，耦合装置将发动机和电动机的转矩相加在一起，并将总转矩传递给驱动轮，两转矩可以独立控制。转速耦合中，机械耦合装置将发动机和电动机的转速相加在一起，而转矩被耦合在一起，不能独立控制。

1.发动机；2.动力电池组；3.电力变换器；4.电动机及耦合装置；5.电控机械式自动变速箱；6.分动器；7.后驱动桥；8.前驱动桥。图1　单轴前置转矩耦合并联混合动力拖拉机结构图

混合动力拖拉机可选择多种结构，根据输入轴的不同可分为单轴式、两轴式和分离轴式，根据传动耦合装置的位置不同可分为前传动装置耦合与后传动装置耦合。同时，发动机和电动机的传动装置各自可选用多档传动或者单档传动，再进行相互组合，而形成多种不同的传动方案。大功率轮式拖拉机属于低速大转矩机械，变速箱档位较多，底盘结构复杂。本文并联混合动力拖拉机采用单轴前置转矩耦合装置，具体方案如图1所示。

1.2机械转矩耦合装置方案

对于耦合装置排档方案的选择[13]，发动机及电动机传动装置均采用多档时，结构过于复杂化，增加了控制系统的难度。发动机多档及电动机单档时，可以克服发动机转速转矩特性的缺陷，但是结构较复杂，不易操控。发动机单档及电动机多档，属于不适宜的设计。发动机及电动机传动装置均采用单档时，整体结构与控制较为简单，虽然受最大牵引力的限制，但合理匹配设计发动机、电动机和蓄电池组的额定功率及传动装置的相关参数时，能得到较好的牵引性能和传动效率。故本文采用单档发动机及电动机传动装置，转矩耦合配置如图2所示。图2中：T1、T2和T3分别为发动机、电动机和转矩耦合装置的转矩，N·m;n1、n2和n3分别为发动机、电动机和转矩耦合装置的转速，r/min。

图2　转矩耦合配置图

本文采用三端口、两自由度的机械配置方案，端口1为单向的输入，端口2和端口3为双向的输入或输出。输入输出是指能量流入流出耦合配置机构。在混合动力拖拉机应用中，端口1通过传动装置连接到发动机；端口2通过传动装置连接到电动机轴；端口3通过传动系统连接到驱动轮。

在稳态运行状况下，对转矩耦合器而言(忽略损耗)，其输入功率始终等于其输出功率。设端口2电动机输入功率处于驱动状况，那么转矩耦合配置功率平衡为：

T3n3=T1n1+T2n2；

(1)

T3=T1i1+T2i2，

(2)

其中：i1和i2分别为发动机和电动机输入转矩耦合器的传动比，是转矩耦合器的结构参数；T3为载荷转矩，N·m；T1和T2分别为发动机和电动机的驱动转矩，两者可独立控制，N·m。但是由于式(1)的约束，转速n1、n2和n3相互关联在一起，不能独立控制，其关联式为：

(3)

2　动力系统匹配设计

2.1额定牵引力的确定

额定牵引力是指在水平地段具有适耕湿度的土壤茬地上，拖拉机以基本犁耕速度和驱动轮滑转率在规定值或发动机于标定工况工作时，所能发出的最大牵引力(取两者中的较小值)。犁耕是农业拖拉机最基本而又繁重的作业，牵引力的确定，首先应满足犁耕的使用要求，犁耕作业所需的拖拉机牵引力：

FT=zblhkk,

(4)

其中：FT为犁耕所需的拖拉机牵引力，kN；z为犁铧数，根据选型的农机具，z=6；bl为单体犁铧宽度，bl=0.35 m；hk为耕深，hk=0.25 m；k为土壤比阻，k取7 N/cm2。根据式(4)计算得FT=36.75 kN。

通常计算的农机具牵引力是一个平均值。实际上由于作业对象、环境、工艺过程和作业种类等因素随时间和地点经常变化，拖拉机的牵引阻力是随时间而变化的变值。许多试验表明：牵引阻力连续不断地变化，尽管很复杂，但是为了方便研究，可以近似地用正弦曲线来表示牵引阻力随时间而变化的曲线函数，即负载特性曲线。用方程表示为[13]：

RT=FT+FT×0.5ϑRsin(mt)，

(5)

其中：RT为犁耕所需实际牵引力，为平均牵引力与动态牵引力之和，kN；ϑR为牵引阻力不均率，ϑR取0.2～0.4；m为农机具阻力变化的频率；t为时间，s。

额定牵引力为：

FTN=RTmax=(1.1～1.2)FT，

(6)

其中：FTN为额定牵引力，kN；RTmax为犁耕所需实际牵引力的最大值，kN。

2.2动力系统功率匹配设计

在传统拖拉机设计时，以额定牵引力来确定发动机功率。考虑到拖拉机作业的复杂与多变，在设计并联混合动力拖拉机时，为满足发动机单独驱动负荷需求，发动机功率的选取与传统拖拉机一致。即并联混合动力拖拉机动力系统中，发动机额定功率为：

(7)

其中：Pe为发动机额定功率，kW；FTN为额定牵引力，一般取最大值,即1.2FT，kN；vl为基本耕作档理论速度，其取值一般为6～10 km/h，基于多方面因素并参考相关资料，vl取8 km/h；ηδ为滑转效率，旱地拖拉机取0.8；ηT为牵引效率，四轮驱动拖拉机取0.7；ηu为柴油机功率储备因数，取0.85。根据式(7)可得Pe=131.856 kW。电动机额定功率为：

(8)

其中：Pmotor为电动机额定功率，kW ；ηmotor为电动机功率储备因数，与发动机储备因数一致。

如此，电动机的额定功率就可以满足作业中不同幅度的载荷波动需求。此外，电动机低速大转矩的特点能够有效地改善拖拉机的冷启动性能。

综上所述，选取立式增压中冷直喷柴油发动机，型号为SC8D215G2，其标定功率为132 kW，额定转速为 2 200 r/min。选取的电动机为三相异步电动机，型号为Y200L2-6，其额定功率为22 kW，转速为980 r/min，转速比为3，功率因数为0.8，额定电流为37.7 A，额定电压为380 V。

根据所选发动机与电动机的参数及试验数据，得到其外特性曲线，如图3所示。由图3a可知：发动机的输出转矩随转速的提高先增加后减小，在1 400 r/min达到最大值；输出功率随转速的提高逐渐变大，在2 200 r/min时达到最大值。由图3b可知：转速在0～1 000 r/min时，电动机恒转矩输出，输出功率随转速线性递增；转速大于1 000 r/min后，电动机恒功率输出，输出转矩逐步减小；转速大于 3 000 r/min后，电动机输出功率和输出转矩大幅度减小。

图3　选取的发动机和电动机的外特性曲线

2.3转矩耦合传动比的确定

转矩耦合器的结构参数设计要求发动机在额定转速工作时，电动机转速接近恒定功率输出的最大速度。以保证调速过程中电动机保持恒定功率输出，可得：

(9)

其中：n1max、n2max和n3max分别为发动机、电动机和耦合装置在发动机定转速下的输出转速，r/min。选定n3max=2 200 r/min,那么i1=1.0，i2=1.3，由式(2)和式(3)可得：

T3=T1×1.0+T2×1.3；

(10)

(11)

2.4耦合系统输出特性设计

并联混合动力拖拉机耦合系统输出特性的设计目标(以某档位为例)如图4所示。图4中:Po为耦合系统功率；Pe为发动机功率；Pm为电动机功率。曲线AB段，发动机在额定转速下单独驱动，耦合系统输出功率与发动机输出功率相等，随牵引力增大而增大；当牵引力达到BE位置，发动机处于额定工作状态；牵引力继续增大，进入混合驱动状态，协调控制发动机-电动机，保持耦合系统输出功率不变，且与发动机额定功率一致，直到达到最大牵引力为止，如曲线BC段。

图4给出了两种方案，以实现耦合系统输出特性的设计目标。图4a为发动机最大油门控制方案：BE临界点后，发动机速度下降，发动机处于油门最大状态，电动机自适应调节(即曲线EF)以实现耦合系统输出功率不变。图4b为电动机额定输出控制方案：BE临界点后，发动机速度下降，电动机处于额定功率状态(即曲线EF)，恒功率输出；发动机也处于恒定功率输出状态，实现耦合系统输出功率不变。

图4　耦合系统输出特性设计方案(以某档位为例)

3　理论速度与传动比设计匹配

参考目前拖拉机各种作业工况的速度范围，依据设计的混合动力拖拉机耦合系统输出特性[13]，匹配计算变速箱传动比及其理论速度。对于缓行和作业挡位来说，主要依据作业要求确定其速度，进而确定变速器传动比；对于运输挡来说，主要依据道路条件确定其速度和传动比。本文共设计8个前进档位，其中，运输档位2个，作业档位2个，缓行档位4个。对应的变速箱传动比依次增加，理论速度依次递减，具体数值见表1。

表1　混合动力拖拉机变速箱传动比及其理论速度

4　理论牵引特性分析

4.1牵引效率特性及滑转率特性

传统拖拉机的牵引效率为拖拉机的牵引功率和相应的发动机功率的比值，根据混合动力拖拉机的动力系统原理，同理，定义其牵引效率为其牵引功率和动力耦合机构的输出功率的比值[13]。根据设计的混合动力拖拉机动力系统的相关参数、牵引效率影响因素的变化规律及绘制拖拉机理论牵引特性曲线的方法，利用MATLAB编程绘制混合动力拖拉机和东方红-1804拖拉机(传统拖拉机)牵引效率特性和滑转率特性的曲线对比图，如图5所示。图5中：传统拖拉机和混合动力拖拉机的最大牵引效率相同，但传统拖拉机对应的驱动力更小。当牵引效率小于最大牵引效率时，相同的驱动力下，传统拖拉机的牵引效率略大；当牵引效率大于最大牵引效率时，则相反。随着驱动力的增加，相同的驱动力下，传统拖拉机的滑转率更大。综上可知：混合动力拖拉机的牵引效率特性优于传统拖拉机，即混合动力拖拉机的牵引性能更好。

图5　两种拖拉机牵引效率特性和滑转率特性对比图

4.2动力输出功率特性

图6　两种拖拉机动力输出功率特性对比图

拖拉机最理想的工作状态是发动机处于额定工作状态，恒功率输出。传统拖拉机不断地增加前进的档位就是为了使拖拉机的输出接近理想状态，逐步减小未利用的理论牵引功率范围。图6为两种拖拉机的动力输出功率特性对比图。

在缓行和爬行档位工作时，拖拉机的动力主要用于动力输出轴输出或者爬坡，具体牵引特性不明显，暂不考虑。本文只分析了运输与田间作业档位的动力输出功率特性，其中，混合动力拖拉机的动力输出功率指动力耦合机构输出端的功率，即发动机和电机功率之和。由图6可知：混合动力拖拉机的前进档位更少，当输出相同的牵引力时，混合动力拖拉机的动力输出功率更大，且其未利用功率区域更小，说明混合动力拖拉机的动力系统输出功率特性更好，牵引性能更优越。

4.3牵引功率特性

根据牵引效率和理想的额定输出功率就可以得到拖拉机的理论牵引功率范围。现代拖拉机设计研究的一个重要课题便是不断增大理论牵引功率的利用范围，目前有两种研究思路：一种是动力(负载)换档变速箱，方法是增加速度档位，如中国一拖生产的“东方红”动力换档重型拖拉机；另一种是采用液压机械无级变速装置，方法是实现拖拉机的无极变速，如文献[14]的Vario系统、文献[15]的S-matic/Eccom传动系、文献[16]的IVT无级变速系统以及文献[17]的液压机械无级变速器。图7对比分析了并联混合动力拖拉机和传统拖拉机的牵引功率特性。

由图7可知：混合动力拖拉机的牵引功率输出略大于传统拖拉机的牵引功率，并且基本实现了一定范围内理想牵引功率的充分利用，为增大理论牵引功率的利用范围提供了新思路；同时随着牵引力的增加，混合动力拖拉机动力系统的牵引功率变化更平稳，说明混合动力拖拉机动力系统牵引特性较传统拖拉机有较大的改善。

4.4行驶速度特性

在牵引特性中，随牵引力的变化，各档运动速度的变化规律由发动机的调速特性、传动比和滑转率决定。在某档位下，空行时拖拉机速度最高；随牵引力增加，滑转率增大，拖拉机速度降低；当牵引力大于拖拉机额定负荷时，发动机超负荷转速下降，滑转率也逐步增大，拖拉机速度明显下降；在较低档位时，由于附着力不足，滑转率急剧增加，拖拉机速度显著降低，直到熄火或完全滑转为止。图8对比分析了传统拖拉机和混合动力拖拉机的行驶速度特性。

图7 两种拖拉机牵引功率特性对比图图8 两种拖拉机行驶速度特性对比图

从图8可以看出：设计的混合动力拖拉机行驶速度对传统拖拉机实现了较好的包络，而且实现了档位间行驶速度的合理衔接，换档过程将会更加便利。混合动力拖拉机具有较好的运动速度曲线，主要是由于电功率的输入，减缓了拖拉机在超负荷时速度下降的程度，实现了更合理的调速过程，具有更好的速度输出特性。

5　结论

(1)与传统拖拉机相比，本文设计的并联混合动力拖拉机的牵引效率特性、滑转率特性、动力输出功率特性、牵引功率特性和行驶速度特性等理论牵引特性的各项指标均有一定的改善，优于传统拖拉机，并且减少了档位数量，有益于传动系统的结构简化和操控。

(2)耦合系统的输出特性目标可以通过不同的控制方案实现，在一定程度上能够提高动力性和经济性，并在一定范围内实现了对牵引功率的充分利用。

(3)电动机低速大扭矩的特性可以弥补发动机转速-转矩特性的缺点，有效地改善拖拉机的冷启动性能。

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国家“十二五”科技支撑计划基金项目(2014BAD08B04);河南省基础与前沿技术研究基金项目(152300410080);中国博士后科学基金项目(2015M582212)；河南科技大学青年自然科学基金项目(2014QN017,2015QN001)

周志立(1957-),男,河南偃师人,教授,博士,博士生导师,主要从事车辆新型传动理论与控制技术等方面的研究.

2016-03-20

1672-6871(2016)06-0009-07

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.003

S219.032.1

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