混合动力拖拉机动力耦合装置的研制 邓晓亭

1、混合动力拖拉机动力耦合装置的研制 邓晓亭       摘 要：近年来，农用车辆特别是拖拉机对环境和资源造成的压力逐年增大，开展节能环保拖拉机特别是混合动力拖拉机的研发已成为迫在眉睫的重要课题，而动力耦合装置是混合动力拖拉机的核心。该文根据拖拉机工作特性和传动特性要求，对混合动力拖拉机动力耦合装置传动比、特征参数和齿数匹配等进行了设计。根据传动载荷需求和制造工艺要求进行了结构设计和强度校核，研制了适用于并联式混合动力拖拉机的动力耦合装置。在自行搭建的混合动力拖拉机试验台上对该耦合装置进行了测试。试验结果表明，该装置能

2、够满足拖拉机工作状态下的工作特性要求，输出端转速对动力源的转速变化很敏感，实时变化性能优，而输出端转矩对动力源转速变化不敏感。该耦合装置的研制为混合动力拖拉机的研发提供了基础。    关键词：拖拉机，环保，结构设计，动力耦合装置，试验0 引 言 环境污染和资源消耗是当今世界面临的重要问题。    而农用车辆对环境和资源造成的压力逐年增加，开展新型节能拖拉机的研发已成为迫在眉睫的重要课题。优于传统驱动系统和纯电动驱动系统的混合动力驱动系统（hybrid electric

3、0;powertrain）是最具实用价值、有良好节能环保效果且在短期内易于实现的驱动技术。动力耦合装置是混合动力驱动系统的核心，因此开展适用于混合动力拖拉机动力耦合装置的研究对农用车辆向节能环保方向发展具有重要现实意义。    国内外对于动力耦合装置的研究主要集中在混合动力汽车方面。Yang 等对混合动力汽车双电机用行星轮系动力耦合功率分流系统进行了理论和仿真研究，论证了该动力耦合装置适用于双模驱动系统中1。KIM 等根据 4节点杠杆模型原理，对混合动力汽车用动力耦合装置从传动比和传动效率方面对汇流、分流和混流系统进行了理论

4、分析和比较，设计了 2 种汇流和混流式双模驱动系统理论模型2。HAN 等将混合动力驱动系统应用到货车上，利用 advisor 软件分别建立了传统驱动系统、串联驱动系统和并联驱动系统，通过配置不同的电机，对各种驱动系统进行了经济性和加速特性比较以及循环工况损失路程比较3。日本丰田公司研发的混联式动力耦合装置THS，成功应用在 prius 车上，并实现产业化发展4-10。    高建平等对混合动力汽车动力耦合装置从机电耦合角度进行分类和分析，比较了各类耦合器的优劣11。崔星和项昌乐对混合动

5、力汽车用单行星排机电混合无级变速动力耦合器装置的分汇流系统进行了研究，并从使用性能角度对该装置各工作模式的结构进行了优化选择12。朱福堂等对应用于动力耦合装置的行星齿轮机构进行了方案设计及优选，并提出了评价指标和评价方法13。何耀华等分别设计了各自的功率分流耦合机构，并对其工作特性进行了分析14-18。但上述对于混合动力汽车动力耦合装置的研究均处于理论分析和仿真研究阶段，没有进行实质性研发。    本文针对拖拉机的工作和动力特性设计并研制适用于混合动力拖拉机的动力耦合装置，对该装置进行方案设计和结构设计，并进行试验研究，为混合动力拖拉机其他类型耦合器的开

6、发和进一步控制提供基础。    1 传动方案设计混合动力拖拉机主要用于农田作业和道路运输19-20。其中，农田作业包括重载（例如：犁耕作业）、中载（例如：联合收获作业）和轻载（例如：播种作业）等，行驶速度一般较慢，分别为510、34.4 和59 km/h。作用在驱动轮上的转矩随作业工况的不同而不同，重载最大、中载适中、轻载最小。道路运输有满载、半载和空载之分，行驶速度一般较快，分为低速和高速行驶，低速1520km/h，高速2230 km/h。作用在驱动轮上的转矩随运输载荷的不同而不同，满载运输时最大，但仍远小于农田

7、作业轻载时的驱动转矩。    无论拖拉机工作在哪种工况，都要求驱动转矩基本保持恒定，转速可在工作要求范围内变化。因此设计要求动力耦合装置的输出转矩基本保持不变，输出转速根据工况要求在一定范围内进行变化。    本文选择行星轮系式转速耦合器作为混合动力拖拉机的动力耦合装置，其与转矩耦合器、功率耦合器和混合耦合器相比，具有2 个动力源输出转速相互独立，输出转矩互成比例，动力源转速可以控制，转矩不可控制的特点，能够满足混合动力拖拉机对传动系统的要求。当拖拉机的行驶速度需要改变时，可通过控制策略，根据混合动力模式

8、下发动机万有特性曲线要求，适当改变发动机和电动机转速或在维持发动机转速不变时，适当改变电动机转速，从而使发动机工作在最经济油耗区，提高其燃油经济性，降低排放。    图1 为所设计的混合动力拖拉机动力耦合装置原理图。    该装置由发动机、制动器1、一级斜齿轮传动、单排行星差动轮系传动、一级定轴直齿轮传动、制动器2、电动机、皮带轮传动和变速箱组成。一级斜齿轮传动为变速传动，由齿轮对1、2 和3、4 组成。其中1、3 为双联齿轮，靠拨叉拨动换挡。齿轮对1、2 的传动比

9、为1，用于增大输出转矩，齿轮对3、4 的传动比为0.36，用于发动机单独工作时，提高其输出转速。单排行星差动轮系传动由太阳轮 a、3 个行星轮 g、齿圈 b 和行星架 H 组成。其作用是利用差动轮系的 2 自由度，将发动机和电动机的动力进行匹配耦合，实现混合驱动。发动机端制动器 1 和电动机端制动器 2 配合工作，实现发动机或电动机单独驱动。一级定轴直齿轮传动由直齿轮 5、6 组成，传动比为 1，其作用是将电动机的动力传至齿圈

10、，并且不消耗电动机的输入转矩。工作时，发动机的动力经过一级斜齿轮传动至单排行星差动轮系的太阳轮a，电动机的动力经一级定轴直齿轮传动至单排行星差动轮系的外齿圈b，动力由单排行星差动轮系的行星架 H输出，通过皮带轮传动传至变速箱。    注：为发动机；为制动器1；为一级斜齿轮传动；为单排行星差动轮系传动；为一级定轴直齿轮传动；为制动器2；为电动机；为皮带轮传动；为变速箱。1、2、3、4、5、6分别为齿轮编号；a、b、g、H分别为太阳轮、外齿圈、行星轮和行星架编号；、分别为发动机端联接轴、太阳轮轴、电动机端联接轴和行星架轴编号。  

11、;  图 1 混合动力拖拉机动力耦合装置原理图Fig.1 Principle scheme of power coupling for hybrid electrictractor该动力耦合装置设计为并联式，可以实现发动机与电动机同时工作（包括同向工作和反向工作），也可以实现发动机或电动机单独工作。发动机端和电动机端各设有一个制动装置，用于切换动力。当发动机或电动机单独工作时，通过制动装置将电动机或发动机锁死，实现单独工作。当拖拉机进行犁耕或重载运输等作业时，用混合动力模式，

12、在保证驱动转矩不变的情况下，通过改变电动机的转速来改变发动机的转速，使发动机工作在最经济油耗区。当进行收获或半载运输等作业时，可采用发动机单独工作模式或混合动力模式，能够实现高速运输作业。当进行播种或轻载运输等作业时，可采用电动机单独工作模式，达到高效节能和零污染的目的。    2 理论计算与结构设计2.1 传动比计算发动机采用时风 ZS1100 型单缸机，额定转速为2 200 r/min，额定功率 12.1 kW。电动机采用 XQ-5-8 型串励直流电动

13、机，额定转速为 1 500 r/min，最大转速为3 200 r/min，额定功率5 kW，最大功率11 kW。用HM-6080型电机控制器对串励直流电动机进行控制后，电动机转速范围控制在 5002 000 r/min。    根据国家标准和混合动力拖拉机性能特点，特别是电池的放电特性及一次充电使用时间，混合动力拖拉机不同模式下的行使速度要求如下：混合动力模式下，最高行驶速度 40 km/h；发动机单独工作模式下，最高行驶速度 

14、;40 km/h；电动机单独工作模式下，最高行驶速度 30 km/h。    2.3 结构设计图 2 为所研制的混合动力拖拉机动力耦合装置。    共有 4 根轴  、，分别是发动机端联接轴、太阳轮轴、电动机端联接轴和行星架轴。轴设计成花键阶梯轴，用于安装花键槽孔式双联齿轮 1、3，通过花键槽滑动换档。轴两端各装一个深沟球轴承，支撑轴及轴上零部件。轴设计成 10 段阶梯轴，齿轮4

15、0;为轴上齿轮，齿轮 2 从轴左端装入，阶梯轴末端通过平键联接单排行星差动轮系的太阳轮。轴左端安装一个深沟球轴承。轴是安装直齿轮 6 的阶梯轴，齿轮 6 与轴通过花键联接。轴两端各装一个深沟球轴承，支撑轴及轴上零部件。轴（行星架轴）设计成台阶式，直径最大部分的一端平均分布 3 个支承轴，用于支撑 3 个行星轮。另一端是阶梯轴，与箱体联接部分装有一个深沟球轴承，轴端用平键联接皮带盘。    在一级斜齿轮传动中 1、2、3、4 齿轮设计成斜

16、齿轮，承载能力大、啮合平稳、冲击小且噪声小。考虑到单排差动行星轮系中各齿轮间的装配条件及加工工艺，将太阳轮、行星轮、外齿圈及一级直齿轮传动中齿轮5、6 设计成直齿轮。综合考虑整个传动结构，将外齿圈设计成内外齿型式，内齿与 3 个行星轮啮合，外齿为直齿轮 5，与轴上直齿轮 6 啮合。整个动力耦合装置中最重要的部分是齿圈和轴上的支撑问题。在齿圈旁边内外齿中间部分设计了固定支座，与齿圈做成一体，用于放置大轴承，支撑整个外齿圈，同时与轴左端轴承配合，支撑轴及轴上齿轮。    注：、分别为发动机端联接轴、

17、太阳轮轴、电动机端联接轴和行星架轴编号。    图 2 混合动力拖拉机动力耦合装置Fig.2 Power coupling of hybrid electric tractor3 试验结果与分析将图 2 所示动力耦合装置在自行设计的混合动力拖拉机试验台上进行台架试验，试验台结构设计如图 3 所示。该试验台是以小四轮拖拉机为平台，在此基础上进行设计改进后得到的，主要由发动机、电动机及其控制器、蓄电池组、动力耦合装置、制动装置、离

18、合器、制动器、变速箱差速器集成（简称变速箱）、驱动桥和驱动轮等部件，电流电压传感器、转矩转速传感器、油耗传感器和磁粉制动器及其控制器等各类传感器以及联轴器等各类连接装置和数据采集卡及其控制器等采集控制装置构成。    据混合动力拖拉机作业工况，在驱动轮上加载转矩，设加载转矩为 600 N·m。保持发动机油门开度不变，用电动机控制踏板调节电动机转速，采用 JC2C 型转矩转速传感器测量发动机、电动机和驱动轮的转矩转速变化情况。    图 4 为动力

19、耦合装置输出转速和输出转矩的测试结果。调节电动机控制踏板，使得电动机工作在 531、716和 917 r/min 时，驱动轮转速和转矩随发动机转速和电动机转速的变化曲线图。从图 4a 可以看出，当电动机转速或发动机转速保持不变时，驱动轮转速随着发动机转速或电动机转速的增大而增大，且随电动机转速变化更为敏感。当电动机工作在 531 r/min，发动机转速从 1 376 r/min 增加到2 171 r/min 时（转速变化 795

20、0;r/min），驱动轮转速从114.1 r/min 增加到 150.5 r/min。而当发动机工作在1 376 r/min，电动机转速从 531 r/min 增加到 917 r/min 时（转速变化 386 r/min），驱动轮转速从 114.1 r/min 增加到151.3 r/min。    从图 4b 可以看出，当保持驱动轮加载转矩 600

21、N·m不变时，驱动轮转矩随电动机转速和发动机转速增大而稍有增大，但变化范围较小。随着电动机转速增大，驱动轮转矩变化范围为 10.9429.6 N·m。随着发动机转速增大，驱动轮转矩变化范围为 49.756.1 N·m。驱动轮转矩变化范围与加载转矩 600 N·m 相比较，最大误差为8.3%。这与混合动力拖拉机试验台中磁粉制动器工作状态、动力源转速增大后牵引效率变化以及试验环境等条件有关。综合考虑各类影响因素，可视为驱动轮转矩处于几乎不变状态，混合动力拖拉机工作状态稳定。 &#

22、160;  4 结 论1）根据拖拉机在不同工况下的转矩和转速要求，设计了由一级变速斜齿轮传动、一级定轴直齿轮传动和单排行星差动轮系传动组成的混合动力拖拉机动力耦合装置传动方案，并对其传动比、特征参数、齿数匹配进行了设计计算。    2）根据传动载荷需求和制造工艺要求对动力耦合装置进行了结构设计，确定该动力耦合装置为 4 根轴，分别对各齿轮和各轴进行了强度校核。校核结果表明，各齿轮和各轴均满足强度要求。在此基础上，研制了适用于并联式混合动力拖拉机的动力耦合装置。   

23、 3）在自行搭建的混合动力拖拉机试验台上对该动力源耦合装置进行了台架试验。试验结果表明，该动力耦合装置工作稳定可靠。驱动轮转速随着动力源转速的变化而变化，实时性能优，且随电动机转速变化更为敏感。    驱动轮转矩随动力源转速变化较小，能够满足混合动力拖拉机在各工况工作状态下的转矩要求。    参 考 文 献1 Yang H, Kim B, Park Y, et al. Analysis of planetary gearhybrid powertrain system part 2: output split systemJ.International Journal of Automotive Tech