并聯混合動力拖拉機傳動系參數設計及性能分析

周志立，倪　倩，徐立友,2

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，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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并聯混合動力拖拉機傳動系參數設計及性能分析

周志立1，倪倩1，徐立友1,2

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，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、操作復雜和牽引效率低等問題，基于拖拉機工作特點、并聯混合動力傳動系統原理和拖拉機犁耕工況下的負載特性，對132 kW并聯混合動力拖拉機的動力系統、耦合系統和傳動系統等相關參數進行了合理匹配設計。結合給定的輸出特性目標及控制方案，對并聯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。對比結果表明：并聯式混合動力拖拉機的牽引效率特性、滑轉率特性、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，牽引性能更優越。其動力性和經濟性得到提高，并減少了檔位數量，有利于傳動系統的結構簡化和操控。

并聯混合動力；拖拉機；負載特性；理論牽引特性；傳動系

0　引言

近年來，中國農業機械尤其是大功率輪式拖拉機保有量持續增加，農業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業機械化進程。隨著各大公司及高校對混合動力系統的深入研究，混合動力系統技術逐步走向成熟，柴油-電力混合技術也迅速發展。混合動力系統在客車[1]、工程機械[2]和履帶式車輛[3]上的應用相繼展開，為混合動力拖拉機的研究奠定了理論基礎。

目前，國內外眾多學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，并根據混合動力拖拉機傳動原理和工作特性，提出了一種串聯式混合動力拖拉機傳動系統的設計理論、設計方法、動力性和經濟性的評價指標。文獻[9-12]詳細分析了串聯式與并聯式混合動力拖拉機的能量管理策略，并提出了串聯式混合動力拖拉機驅動系統的設計方法，同時，對適合混合動力拖拉機的試驗臺架進行了搭建設計和性能分析，為混合動力拖拉機及其試驗臺的設計開發提供了平臺。對混合動力拖拉機的研究，可以有效緩解能源消耗和環境污染的巨大壓力，對于促進社會經濟的持續發展和提高農業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，根據其工作特點和混合動力傳動原理，提出了并聯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、耦合方案和傳動系統的具體參數進行了匹配設計，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　并聯混合動力拖拉機方案設計

1.1并聯混合動力拖拉機整體方案

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

1.發動機；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.后驅動橋；8.前驅動橋。圖1　單軸前置轉矩耦合并聯混合動力拖拉機結構圖

混合動力拖拉機可選擇多種結構，根據輸入軸的不同可分為單軸式、兩軸式和分離軸式，根據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矩機械，變速箱檔位較多，底盤結構復雜。本文并聯混合動力拖拉機采用單軸前置轉矩耦合裝置，具體方案如圖1所示。

1.2機械轉矩耦合裝置方案

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

圖2　轉矩耦合配置圖

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。在混合動力拖拉機應用中，端口1通過傳動裝置連接到發動機；端口2通過傳動裝置連接到電動機軸；端口3通過傳動系統連接到驅動輪。

在穩態運行狀況下，對轉矩耦合器而言(忽略損耗)，其輸入功率始終等于其輸出功率。設端口2電動機輸入功率處于驅動狀況，那么轉矩耦合配置功率平衡為：

T3n3=T1n1+T2n2；

(1)

T3=T1i1+T2i2，

(2)

其中：i1和i2分別為發動機和電動機輸入轉矩耦合器的傳動比，是轉矩耦合器的結構參數；T3為載荷轉矩，N·m；T1和T2分別為發動機和電動機的驅動轉矩，兩者可獨立控制，N·m。但是由于式(1)的約束，轉速n1、n2和n3相互關聯在一起，不能獨立控制，其關聯式為：

(3)

2　動力系統匹配設計

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動輪滑轉率在規定值或發動機于標定工況工作時，所能發出的最大牽引力(取兩者中的較小值)。犁耕是農業拖拉機最基本而又繁重的作業，牽引力的確定，首先應滿足犁耕的使用要求，犁耕作業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，根據選型的農機具，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。根據式(4)計算得FT=36.75 kN。

通常計算的農機具牽引力是一個平均值。實際上由于作業對象、環境、工藝過程和作業種類等因素隨時間和地點經常變化，拖拉機的牽引阻力是隨時間而變化的變值。許多試驗表明：牽引阻力連續不斷地變化，盡管很復雜，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，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牽引力之和，kN；?R為牽引阻力不均率，?R取0.2～0.4；m為農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動力系統功率匹配設計

在傳統拖拉機設計時，以額定牽引力來確定發動機功率。考慮到拖拉機作業的復雜與多變，在設計并聯混合動力拖拉機時，為滿足發動機單獨驅動負荷需求，發動機功率的選取與傳統拖拉機一致。即并聯混合動力拖拉機動力系統中，發動機額定功率為：

(7)

其中：Pe為發動機額定功率，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資料，vl取8 km/h；ηδ為滑轉效率，旱地拖拉機取0.8；ηT為牽引效率，四輪驅動拖拉機取0.7；ηu為柴油機功率儲備因數，取0.85。根據式(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，與發動機儲備因數一致。

如此，電動機的額定功率就可以滿足作業中不同幅度的載荷波動需求。此外，電動機低速大轉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動機，型號為SC8D215G2，其標定功率為132 kW，額定轉速為 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，轉速為980 r/min，轉速比為3，功率因數為0.8，額定電流為37.7 A，額定電壓為380 V。

根據所選發動機與電動機的參數及試驗數據，得到其外特性曲線，如圖3所示。由圖3a可知：發動機的輸出轉矩隨轉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：轉速在0～1 000 r/min時，電動機恒轉矩輸出，輸出功率隨轉速線性遞增；轉速大于1 000 r/min后，電動機恒功率輸出，輸出轉矩逐步減小；轉速大于 3 000 r/min后，電動機輸出功率和輸出轉矩大幅度減小。

圖3　選取的發動機和電動機的外特性曲線

2.3轉矩耦合傳動比的確定

轉矩耦合器的結構參數設計要求發動機在額定轉速工作時，電動機轉速接近恒定功率輸出的最大速度。以保證調速過程中電動機保持恒定功率輸出，可得：

(9)

其中：n1max、n2max和n3max分別為發動機、電動機和耦合裝置在發動機定轉速下的輸出轉速，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耦合系統輸出特性設計

并聯混合動力拖拉機耦合系統輸出特性的設計目標(以某檔位為例)如圖4所示。圖4中:Po為耦合系統功率；Pe為發動機功率；Pm為電動機功率。曲線AB段，發動機在額定轉速下單獨驅動，耦合系統輸出功率與發動機輸出功率相等，隨牽引力增大而增大；當牽引力達到BE位置，發動機處于額定工作狀態；牽引力繼續增大，進入混合驅動狀態，協調控制發動機-電動機，保持耦合系統輸出功率不變，且與發動機額定功率一致，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，以實現耦合系統輸出特性的設計目標。圖4a為發動機最大油門控制方案：BE臨界點后，發動機速度下降，發動機處于油門最大狀態，電動機自適應調節(即曲線EF)以實現耦合系統輸出功率不變。圖4b為電動機額定輸出控制方案：BE臨界點后，發動機速度下降，電動機處于額定功率狀態(即曲線EF)，恒功率輸出；發動機也處于恒定功率輸出狀態，實現耦合系統輸出功率不變。

圖4　耦合系統輸出特性設計方案(以某檔位為例)

3　理論速度與傳動比設計匹配

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

傳統拖拉機的牽引效率為拖拉機的牽引功率和相應的發動機功率的比值，根據混合動力拖拉機的動力系統原理，同理，定義其牽引效率為其牽引功率和動力耦合機構的輸出功率的比值[13]。根據設計的混合動力拖拉機動力系統的相關參數、牽引效率影響因素的變化規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(傳統拖拉機)牽引效率特性和滑轉率特性的曲線對比圖，如圖5所示。圖5中：傳統拖拉機和混合動力拖拉機的最大牽引效率相同，但傳統拖拉機對應的驅動力更小。當牽引效率小于最大牽引效率時，相同的驅動力下，傳統拖拉機的牽引效率略大；當牽引效率大于最大牽引效率時，則相反。隨著驅動力的增加，相同的驅動力下，傳統拖拉機的滑轉率更大。綜上可知：混合動力拖拉機的牽引效率特性優于傳統拖拉機，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是發動機處于額定工作狀態，恒功率輸出。傳統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，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輸出端的功率，即發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，且其未利用功率區域更小，說明混合動力拖拉機的動力系統輸出功率特性更好，牽引性能更優越。

4.3牽引功率特性

根據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。現代拖拉機設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，方法是實現拖拉機的無極變速，如文獻[14]的Vario系統、文獻[15]的S-matic/Eccom傳動系、文獻[16]的IVT無級變速系統以及文獻[17]的液壓機械無級變速器。圖7對比分析了并聯混合動力拖拉機和傳統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拖拉機的牽引功率，并且基本實現了一定范圍內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的牽引功率變化更平穩，說明混合動力拖拉機動力系統牽引特性較傳統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律由發動機的調速特性、傳動比和滑轉率決定。在某檔位下，空行時拖拉機速度最高；隨牽引力增加，滑轉率增大，拖拉機速度降低；當牽引力大于拖拉機額定負荷時，發動機超負荷轉速下降，滑轉率也逐步增大，拖拉機速度明顯下降；在較低檔位時，由于附著力不足，滑轉率急劇增加，拖拉機速度顯著降低，直到熄火或完全滑轉為止。圖8對比分析了傳統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：設計的混合動力拖拉機行駛速度對傳統拖拉機實現了較好的包絡，而且實現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，實現了更合理的調速過程，具有更好的速度輸出特性。

5　結論

(1)與傳統拖拉機相比，本文設計的并聯混合動力拖拉機的牽引效率特性、滑轉率特性、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，優于傳統拖拉機，并且減少了檔位數量，有益于傳動系統的結構簡化和操控。

(2)耦合系統的輸出特性目標可以通過不同的控制方案實現，在一定程度上能夠提高動力性和經濟性，并在一定范圍內實現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動機轉速-轉矩特性的缺點，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);河南省基礎與前沿技術研究基金項目(152300410080);中國博士后科學基金項目(2015M582212)；河南科技大學青年自然科學基金項目(2014QN017,2015QN001)

周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導師,主要從事車輛新型傳動理論與控制技術等方面的研究.

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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