周志立，倪　倩，徐立友,2

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中國一拖集團有限公司，河南 洛陽 471004)

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并聯(lián)混合動力拖拉機傳動系參數(shù)設(shè)計及性能分析

周志立1，倪倩1，徐立友1,2

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中國一拖集團有限公司，河南 洛陽 471004)

針對大功率輪式拖拉機存在的檔位過多、操作復(fù)雜和牽引效率低等問題，基于拖拉機工作特點、并聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)原理和拖拉機犁耕工況下的負載特性，對132 kW并聯(lián)混合動力拖拉機的動力系統(tǒng)、耦合系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)等相關(guān)參數(shù)進行了合理匹配設(shè)計。結(jié)合給定的輸出特性目標及控制方案，對并聯(lián)混合動力拖拉機的理論牽引特性進行分析，并與東方紅-1804大功率輪式拖拉機對比。對比結(jié)果表明：并聯(lián)式混合動力拖拉機的牽引效率特性、滑轉(zhuǎn)率特性、動力輸出功率特性、牽引功率特性和行駛速度特性等理論牽引特性的各項指標均有一定的改善，牽引性能更優(yōu)越。其動力性和經(jīng)濟性得到提高，并減少了檔位數(shù)量，有利于傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化和操控。

并聯(lián)混合動力；拖拉機；負載特性；理論牽引特性；傳動系

0　引言

近年來，中國農(nóng)業(yè)機械尤其是大功率輪式拖拉機保有量持續(xù)增加，農(nóng)業(yè)機械化程度不斷提高。然而，日趨緊張的能源問題逐步限制了農(nóng)業(yè)機械化進程。隨著各大公司及高校對混合動力系統(tǒng)的深入研究，混合動力系統(tǒng)技術(shù)逐步走向成熟，柴油-電力混合技術(shù)也迅速發(fā)展?；旌蟿恿ο到y(tǒng)在客車[1]、工程機械[2]和履帶式車輛[3]上的應(yīng)用相繼展開，為混合動力拖拉機的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者已展開了對混合動力拖拉機的研究并取得了一定的成果[4-5]。文獻[6-8]對混合動力拖拉機的動力耦合裝置和動力特性進行了深入研究，并根據(jù)混合動力拖拉機傳動原理和工作特性，提出了一種串聯(lián)式混合動力拖拉機傳動系統(tǒng)的設(shè)計理論、設(shè)計方法、動力性和經(jīng)濟性的評價指標。文獻[9-12]詳細分析了串聯(lián)式與并聯(lián)式混合動力拖拉機的能量管理策略，并提出了串聯(lián)式混合動力拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方法，同時，對適合混合動力拖拉機的試驗臺架進行了搭建設(shè)計和性能分析，為混合動力拖拉機及其試驗臺的設(shè)計開發(fā)提供了平臺。對混合動力拖拉機的研究，可以有效緩解能源消耗和環(huán)境污染的巨大壓力，對于促進社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和提高農(nóng)業(yè)機械化水平有著深遠意義。

中國廣泛采用的東方紅系列大功率輪式拖拉機普遍存在檔位過多、操作困難和牽引效率低等問題。本文以東方紅-1804大功率輪式拖拉機為研究對象，根據(jù)其工作特點和混合動力傳動原理，提出了并聯(lián)混合動力拖拉機的整體耦合及傳動方案。基于拖拉機犁耕工況下的負載特性，對混合動力拖拉機的動力系統(tǒng)、耦合方案和傳動系統(tǒng)的具體參數(shù)進行了匹配設(shè)計，并對其理論牽引特性的多個指標進行了具體分析，以改善其理論牽引特性。

1　并聯(lián)混合動力拖拉機方案設(shè)計

1.1并聯(lián)混合動力拖拉機整體方案

并聯(lián)混合動力拖拉機是一個由發(fā)動機直接向驅(qū)動輪供給機械動力的驅(qū)動系，電機通過機械耦合裝置輔助配合共同提供動力。機械耦合包括轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合。轉(zhuǎn)矩耦合中，耦合裝置將發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)矩相加在一起，并將總轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動輪，兩轉(zhuǎn)矩可以獨立控制。轉(zhuǎn)速耦合中，機械耦合裝置將發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)速相加在一起，而轉(zhuǎn)矩被耦合在一起，不能獨立控制。

1.發(fā)動機；2.動力電池組；3.電力變換器；4.電動機及耦合裝置；5.電控機械式自動變速箱；6.分動器；7.后驅(qū)動橋；8.前驅(qū)動橋。圖1　單軸前置轉(zhuǎn)矩耦合并聯(lián)混合動力拖拉機結(jié)構(gòu)圖

混合動力拖拉機可選擇多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)輸入軸的不同可分為單軸式、兩軸式和分離軸式，根據(jù)傳動耦合裝置的位置不同可分為前傳動裝置耦合與后傳動裝置耦合。同時，發(fā)動機和電動機的傳動裝置各自可選用多檔傳動或者單檔傳動，再進行相互組合，而形成多種不同的傳動方案。大功率輪式拖拉機屬于低速大轉(zhuǎn)矩機械，變速箱檔位較多，底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文并聯(lián)混合動力拖拉機采用單軸前置轉(zhuǎn)矩耦合裝置，具體方案如圖1所示。

1.2機械轉(zhuǎn)矩耦合裝置方案

對于耦合裝置排檔方案的選擇[13]，發(fā)動機及電動機傳動裝置均采用多檔時，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜化，增加了控制系統(tǒng)的難度。發(fā)動機多檔及電動機單檔時，可以克服發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性的缺陷，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易操控。發(fā)動機單檔及電動機多檔，屬于不適宜的設(shè)計。發(fā)動機及電動機傳動裝置均采用單檔時，整體結(jié)構(gòu)與控制較為簡單，雖然受最大牽引力的限制，但合理匹配設(shè)計發(fā)動機、電動機和蓄電池組的額定功率及傳動裝置的相關(guān)參數(shù)時，能得到較好的牽引性能和傳動效率。故本文采用單檔發(fā)動機及電動機傳動裝置，轉(zhuǎn)矩耦合配置如圖2所示。圖2中：T1、T2和T3分別為發(fā)動機、電動機和轉(zhuǎn)矩耦合裝置的轉(zhuǎn)矩，N·m;n1、n2和n3分別為發(fā)動機、電動機和轉(zhuǎn)矩耦合裝置的轉(zhuǎn)速，r/min。

圖2　轉(zhuǎn)矩耦合配置圖

本文采用三端口、兩自由度的機械配置方案，端口1為單向的輸入，端口2和端口3為雙向的輸入或輸出。輸入輸出是指能量流入流出耦合配置機構(gòu)。在混合動力拖拉機應(yīng)用中，端口1通過傳動裝置連接到發(fā)動機；端口2通過傳動裝置連接到電動機軸；端口3通過傳動系統(tǒng)連接到驅(qū)動輪。

在穩(wěn)態(tài)運行狀況下，對轉(zhuǎn)矩耦合器而言(忽略損耗)，其輸入功率始終等于其輸出功率。設(shè)端口2電動機輸入功率處于驅(qū)動狀況，那么轉(zhuǎn)矩耦合配置功率平衡為：

T3n3=T1n1+T2n2；

(1)

T3=T1i1+T2i2，

(2)

其中：i1和i2分別為發(fā)動機和電動機輸入轉(zhuǎn)矩耦合器的傳動比，是轉(zhuǎn)矩耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；T3為載荷轉(zhuǎn)矩，N·m；T1和T2分別為發(fā)動機和電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，兩者可獨立控制，N·m。但是由于式(1)的約束，轉(zhuǎn)速n1、n2和n3相互關(guān)聯(lián)在一起，不能獨立控制，其關(guān)聯(lián)式為：

(3)

2　動力系統(tǒng)匹配設(shè)計

2.1額定牽引力的確定

額定牽引力是指在水平地段具有適耕濕度的土壤茬地上，拖拉機以基本犁耕速度和驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率在規(guī)定值或發(fā)動機于標定工況工作時，所能發(fā)出的最大牽引力(取兩者中的較小值)。犁耕是農(nóng)業(yè)拖拉機最基本而又繁重的作業(yè)，牽引力的確定，首先應(yīng)滿足犁耕的使用要求，犁耕作業(yè)所需的拖拉機牽引力：

FT=zblhkk,

(4)

其中：FT為犁耕所需的拖拉機牽引力，kN；z為犁鏵數(shù)，根據(jù)選型的農(nóng)機具，z=6；bl為單體犁鏵寬度，bl=0.35 m；hk為耕深，hk=0.25 m；k為土壤比阻，k取7 N/cm2。根據(jù)式(4)計算得FT=36.75 kN。

通常計算的農(nóng)機具牽引力是一個平均值。實際上由于作業(yè)對象、環(huán)境、工藝過程和作業(yè)種類等因素隨時間和地點經(jīng)常變化，拖拉機的牽引阻力是隨時間而變化的變值。許多試驗表明：牽引阻力連續(xù)不斷地變化，盡管很復(fù)雜，但是為了方便研究，可以近似地用正弦曲線來表示牽引阻力隨時間而變化的曲線函數(shù)，即負載特性曲線。用方程表示為[13]：

RT=FT+FT×0.5?Rsin(mt)，

(5)

其中：RT為犁耕所需實際牽引力，為平均牽引力與動態(tài)牽引力之和，kN；?R為牽引阻力不均率，?R取0.2～0.4；m為農(nóng)機具阻力變化的頻率；t為時間，s。

額定牽引力為：

FTN=RTmax=(1.1～1.2)FT，

(6)

其中：FTN為額定牽引力，kN；RTmax為犁耕所需實際牽引力的最大值，kN。

2.2動力系統(tǒng)功率匹配設(shè)計

在傳統(tǒng)拖拉機設(shè)計時，以額定牽引力來確定發(fā)動機功率?？紤]到拖拉機作業(yè)的復(fù)雜與多變，在設(shè)計并聯(lián)混合動力拖拉機時，為滿足發(fā)動機單獨驅(qū)動負荷需求，發(fā)動機功率的選取與傳統(tǒng)拖拉機一致。即并聯(lián)混合動力拖拉機動力系統(tǒng)中，發(fā)動機額定功率為：

(7)

其中：Pe為發(fā)動機額定功率，kW；FTN為額定牽引力，一般取最大值,即1.2FT，kN；vl為基本耕作檔理論速度，其取值一般為6～10 km/h，基于多方面因素并參考相關(guān)資料，vl取8 km/h；ηδ為滑轉(zhuǎn)效率，旱地拖拉機取0.8；ηT為牽引效率，四輪驅(qū)動拖拉機取0.7；ηu為柴油機功率儲備因數(shù)，取0.85。根據(jù)式(7)可得Pe=131.856 kW。電動機額定功率為：

(8)

其中：Pmotor為電動機額定功率，kW ；ηmotor為電動機功率儲備因數(shù)，與發(fā)動機儲備因數(shù)一致。

如此，電動機的額定功率就可以滿足作業(yè)中不同幅度的載荷波動需求。此外，電動機低速大轉(zhuǎn)矩的特點能夠有效地改善拖拉機的冷啟動性能。

綜上所述，選取立式增壓中冷直噴柴油發(fā)動機，型號為SC8D215G2，其標定功率為132 kW，額定轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min。選取的電動機為三相異步電動機，型號為Y200L2-6，其額定功率為22 kW，轉(zhuǎn)速為980 r/min，轉(zhuǎn)速比為3，功率因數(shù)為0.8，額定電流為37.7 A，額定電壓為380 V。

根據(jù)所選發(fā)動機與電動機的參數(shù)及試驗數(shù)據(jù)，得到其外特性曲線，如圖3所示。由圖3a可知：發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的提高先增加后減小，在1 400 r/min達到最大值；輸出功率隨轉(zhuǎn)速的提高逐漸變大，在2 200 r/min時達到最大值。由圖3b可知：轉(zhuǎn)速在0～1 000 r/min時，電動機恒轉(zhuǎn)矩輸出，輸出功率隨轉(zhuǎn)速線性遞增；轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min后，電動機恒功率輸出，輸出轉(zhuǎn)矩逐步減小；轉(zhuǎn)速大于 3 000 r/min后，電動機輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩大幅度減小。

圖3　選取的發(fā)動機和電動機的外特性曲線

2.3轉(zhuǎn)矩耦合傳動比的確定

轉(zhuǎn)矩耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計要求發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速工作時，電動機轉(zhuǎn)速接近恒定功率輸出的最大速度。以保證調(diào)速過程中電動機保持恒定功率輸出，可得：

(9)

其中：n1max、n2max和n3max分別為發(fā)動機、電動機和耦合裝置在發(fā)動機定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)速，r/min。選定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耦合系統(tǒng)輸出特性設(shè)計

并聯(lián)混合動力拖拉機耦合系統(tǒng)輸出特性的設(shè)計目標(以某檔位為例)如圖4所示。圖4中:Po為耦合系統(tǒng)功率；Pe為發(fā)動機功率；Pm為電動機功率。曲線AB段，發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速下單獨驅(qū)動，耦合系統(tǒng)輸出功率與發(fā)動機輸出功率相等，隨牽引力增大而增大；當(dāng)牽引力達到BE位置，發(fā)動機處于額定工作狀態(tài)；牽引力繼續(xù)增大，進入混合驅(qū)動狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制發(fā)動機-電動機，保持耦合系統(tǒng)輸出功率不變，且與發(fā)動機額定功率一致，直到達到最大牽引力為止，如曲線BC段。

圖4給出了兩種方案，以實現(xiàn)耦合系統(tǒng)輸出特性的設(shè)計目標。圖4a為發(fā)動機最大油門控制方案：BE臨界點后，發(fā)動機速度下降，發(fā)動機處于油門最大狀態(tài)，電動機自適應(yīng)調(diào)節(jié)(即曲線EF)以實現(xiàn)耦合系統(tǒng)輸出功率不變。圖4b為電動機額定輸出控制方案：BE臨界點后，發(fā)動機速度下降，電動機處于額定功率狀態(tài)(即曲線EF)，恒功率輸出；發(fā)動機也處于恒定功率輸出狀態(tài)，實現(xiàn)耦合系統(tǒng)輸出功率不變。

圖4　耦合系統(tǒng)輸出特性設(shè)計方案(以某檔位為例)

3　理論速度與傳動比設(shè)計匹配

參考目前拖拉機各種作業(yè)工況的速度范圍，依據(jù)設(shè)計的混合動力拖拉機耦合系統(tǒng)輸出特性[13]，匹配計算變速箱傳動比及其理論速度。對于緩行和作業(yè)擋位來說，主要依據(jù)作業(yè)要求確定其速度，進而確定變速器傳動比；對于運輸擋來說，主要依據(jù)道路條件確定其速度和傳動比。本文共設(shè)計8個前進檔位，其中，運輸檔位2個，作業(yè)檔位2個，緩行檔位4個。對應(yīng)的變速箱傳動比依次增加，理論速度依次遞減，具體數(shù)值見表1。

表1　混合動力拖拉機變速箱傳動比及其理論速度

4　理論牽引特性分析

4.1牽引效率特性及滑轉(zhuǎn)率特性

傳統(tǒng)拖拉機的牽引效率為拖拉機的牽引功率和相應(yīng)的發(fā)動機功率的比值，根據(jù)混合動力拖拉機的動力系統(tǒng)原理，同理，定義其牽引效率為其牽引功率和動力耦合機構(gòu)的輸出功率的比值[13]。根據(jù)設(shè)計的混合動力拖拉機動力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)、牽引效率影響因素的變化規(guī)律及繪制拖拉機理論牽引特性曲線的方法，利用MATLAB編程繪制混合動力拖拉機和東方紅-1804拖拉機(傳統(tǒng)拖拉機)牽引效率特性和滑轉(zhuǎn)率特性的曲線對比圖，如圖5所示。圖5中：傳統(tǒng)拖拉機和混合動力拖拉機的最大牽引效率相同，但傳統(tǒng)拖拉機對應(yīng)的驅(qū)動力更小。當(dāng)牽引效率小于最大牽引效率時，相同的驅(qū)動力下，傳統(tǒng)拖拉機的牽引效率略大；當(dāng)牽引效率大于最大牽引效率時，則相反。隨著驅(qū)動力的增加，相同的驅(qū)動力下，傳統(tǒng)拖拉機的滑轉(zhuǎn)率更大。綜上可知：混合動力拖拉機的牽引效率特性優(yōu)于傳統(tǒng)拖拉機，即混合動力拖拉機的牽引性能更好。

圖5　兩種拖拉機牽引效率特性和滑轉(zhuǎn)率特性對比圖

4.2動力輸出功率特性

圖6　兩種拖拉機動力輸出功率特性對比圖

拖拉機最理想的工作狀態(tài)是發(fā)動機處于額定工作狀態(tài)，恒功率輸出。傳統(tǒng)拖拉機不斷地增加前進的檔位就是為了使拖拉機的輸出接近理想狀態(tài)，逐步減小未利用的理論牽引功率范圍。圖6為兩種拖拉機的動力輸出功率特性對比圖。

在緩行和爬行檔位工作時，拖拉機的動力主要用于動力輸出軸輸出或者爬坡，具體牽引特性不明顯，暫不考慮。本文只分析了運輸與田間作業(yè)檔位的動力輸出功率特性，其中，混合動力拖拉機的動力輸出功率指動力耦合機構(gòu)輸出端的功率，即發(fā)動機和電機功率之和。由圖6可知：混合動力拖拉機的前進檔位更少，當(dāng)輸出相同的牽引力時，混合動力拖拉機的動力輸出功率更大，且其未利用功率區(qū)域更小，說明混合動力拖拉機的動力系統(tǒng)輸出功率特性更好，牽引性能更優(yōu)越。

4.3牽引功率特性

根據(jù)牽引效率和理想的額定輸出功率就可以得到拖拉機的理論牽引功率范圍。現(xiàn)代拖拉機設(shè)計研究的一個重要課題便是不斷增大理論牽引功率的利用范圍，目前有兩種研究思路：一種是動力(負載)換檔變速箱，方法是增加速度檔位，如中國一拖生產(chǎn)的“東方紅”動力換檔重型拖拉機；另一種是采用液壓機械無級變速裝置，方法是實現(xiàn)拖拉機的無極變速，如文獻[14]的Vario系統(tǒng)、文獻[15]的S-matic/Eccom傳動系、文獻[16]的IVT無級變速系統(tǒng)以及文獻[17]的液壓機械無級變速器。圖7對比分析了并聯(lián)混合動力拖拉機和傳統(tǒng)拖拉機的牽引功率特性。

由圖7可知：混合動力拖拉機的牽引功率輸出略大于傳統(tǒng)拖拉機的牽引功率，并且基本實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)理想牽引功率的充分利用，為增大理論牽引功率的利用范圍提供了新思路；同時隨著牽引力的增加，混合動力拖拉機動力系統(tǒng)的牽引功率變化更平穩(wěn)，說明混合動力拖拉機動力系統(tǒng)牽引特性較傳統(tǒng)拖拉機有較大的改善。

4.4行駛速度特性

在牽引特性中，隨牽引力的變化，各檔運動速度的變化規(guī)律由發(fā)動機的調(diào)速特性、傳動比和滑轉(zhuǎn)率決定。在某檔位下，空行時拖拉機速度最高；隨牽引力增加，滑轉(zhuǎn)率增大，拖拉機速度降低；當(dāng)牽引力大于拖拉機額定負荷時，發(fā)動機超負荷轉(zhuǎn)速下降，滑轉(zhuǎn)率也逐步增大，拖拉機速度明顯下降；在較低檔位時，由于附著力不足，滑轉(zhuǎn)率急劇增加，拖拉機速度顯著降低，直到熄火或完全滑轉(zhuǎn)為止。圖8對比分析了傳統(tǒng)拖拉機和混合動力拖拉機的行駛速度特性。

圖7 兩種拖拉機牽引功率特性對比圖圖8 兩種拖拉機行駛速度特性對比圖

從圖8可以看出：設(shè)計的混合動力拖拉機行駛速度對傳統(tǒng)拖拉機實現(xiàn)了較好的包絡(luò)，而且實現(xiàn)了檔位間行駛速度的合理銜接，換檔過程將會更加便利。混合動力拖拉機具有較好的運動速度曲線，主要是由于電功率的輸入，減緩了拖拉機在超負荷時速度下降的程度，實現(xiàn)了更合理的調(diào)速過程，具有更好的速度輸出特性。

5　結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)拖拉機相比，本文設(shè)計的并聯(lián)混合動力拖拉機的牽引效率特性、滑轉(zhuǎn)率特性、動力輸出功率特性、牽引功率特性和行駛速度特性等理論牽引特性的各項指標均有一定的改善，優(yōu)于傳統(tǒng)拖拉機，并且減少了檔位數(shù)量，有益于傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化和操控。

(2)耦合系統(tǒng)的輸出特性目標可以通過不同的控制方案實現(xiàn)，在一定程度上能夠提高動力性和經(jīng)濟性，并在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了對牽引功率的充分利用。

(3)電動機低速大扭矩的特性可以彌補發(fā)動機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性的缺點，有效地改善拖拉機的冷啟動性能。

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國家“十二五”科技支撐計劃基金項目(2014BAD08B04);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究基金項目(152300410080);中國博士后科學(xué)基金項目(2015M582212)；河南科技大學(xué)青年自然科學(xué)基金項目(2014QN017,2015QN001)

周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事車輛新型傳動理論與控制技術(shù)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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