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混合动力拖拉机传动系统设计理论与方法

农业机械学报 2012年第8期43卷 24-31,36页

作者：邓晓亭朱思洪高辉松张莹南京农业大学工学院南京210031

根据混合动力传动系统原理和拖拉机工作特性和传动特性要求,设计了一种并联式混合动力拖拉机传动系统。在对混合动力拖拉机牵引特性理论分析的基础上,提出了混合动力拖拉机动力性和经济性评价指标及其计算公式。并对其动力传动系统各部... 详细信息

根据混合动力传动系统原理和拖拉机工作特性和传动特性要求,设计了一种并联式混合动力拖拉机传动系统。在对混合动力拖拉机牵引特性理论分析的基础上,提出了混合动力拖拉机动力性和经济性评价指标及其计算公式。并对其动力传动系统各部件主要参数的设计计算进行了探讨,提出了混合动力拖拉机传动系统的设计理论和计算方法。以某混合动力拖拉机为研究对象,通过计算分析了不同挡位下,发动机分别提供60%和40%负荷时的驱动力和爬坡度,以及混合动力拖拉机犁耕作业稳定工作1 h的等效能耗随发动机和电动机转速的变化关系,并对犁耕作业时的理论计算结果进行了仿真验证。结果表明,各挡驱动力和爬坡度与发动机提供的负荷呈正比,而转速匹配范围随发动机负荷的增大而减小。犁耕作业时,理论计算结果与仿真分析结果的最大误差不超过4%,理论计算结果可靠;且在某一挡位下,等效能耗随发动机和电动机转速的增高而增高。对混合动力拖拉机与同功率燃油拖拉机进行了仿真比较分析,发现混合动力拖拉机在犁耕作业下,最高可节能24%。

关键词：混合动力拖拉机传动系统评价指标设计理论计算方法

双流耦合构型混合动力拖拉机旋耕工况控制策略研究

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农业机械学报 2023年

作者：窦海石魏洪乾艾强张幽彤北京理工大学机械与车辆学院

大功率拖拉机作业时载荷冲击会造成发动机的输出转矩大范围波动，为减小载荷冲击对拖拉机动力单元的影响，提出以发动机和双电机为动力源的拖拉机双流耦合动力系统构型，以减小载荷冲击引起的动力传动系统换挡频次。基于Haar小波分解提... 详细信息

大功率拖拉机作业时载荷冲击会造成发动机的输出转矩大范围波动，为减小载荷冲击对拖拉机动力单元的影响，提出以发动机和双电机为动力源的拖拉机双流耦合动力系统构型，以减小载荷冲击引起的动力传动系统换挡频次。基于Haar小波分解提出了基于功率预测的转矩分配策略：首先记录拖拉机的作业参数，基于径向基神经网络对拖拉机旋耕作业时的功率需求进行预测，由Haar小波变换确定高频和低频转矩需求值的范围，并分别由电机和发动机提供。最后，通过硬件在环试验对提出的动态转矩分配进行了可行性验证，测试结果表明：提出的基于神经网络功率需求预测模型对行驶端和动力输出端 (Power take-off，PTO)的功率进行预测，实际值和预测值的均方根误差分别占最大功率的7.6%和7.9%；提出的转矩分配策略能够应对拖拉机旋耕时的载荷波动。发动机的转矩波动与传统构型相比减小35.0%，有效地降低了发动机的转矩波动范围，缓解了拖拉机作业时载荷冲击对发动机的影响。

关键词：混合动力拖拉机双流耦合构型功率预测转矩分配 Haar小波变换

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混合动力拖拉机的动态特性研究

混合动力拖拉机的动态特性研究

作者：左田甜南京农业大学

学位级别：硕士

混合动力拖拉机(Hybrid electric tractor,简称HET)是指同时装备两种动力源-热动力(传统的柴油机,本文采用的是ZS1100型柴油机)与电力源(电池和电动机,本文采用的是铅酸蓄电池和串励直流电动机)。通过在拖拉机上使用电动机,使得动力系... 详细信息

混合动力拖拉机(Hybrid electric tractor,简称HET)是指同时装备两种动力源-热动力(传统的柴油机,本文采用的是ZS1100型柴油机)与电力源(电池和电动机,本文采用的是铅酸蓄电池和串励直流电动机)。通过在拖拉机上使用电动机,使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控,而使发动机保持在综合性能最佳的区域内工作,从而降低油耗与排放。本文分析了本课题所采用的动力耦合装置的结构,对其进行运动学分析,动力学分析,计算其动能和广义力,最后根据拉格朗日方程建立动力耦合装置系统的动力学微分方程;在此基础上,建立了混合动力拖拉机的仿真模型,详细分析了该样机的动态特性;最后搭建了混合动力拖拉机试验台,研究了混合动力拖拉机的动态性能。所完成的主要工作归纳如下： 1、探讨采用差动行星轮系作为混合动力拖拉机耦合装置的原因,阐述了差动行星轮系本身具有的优点。分析本课题采用的耦合装置(差动行星轮系)的转速特性、转矩特性。针对本课题采用的混合动力耦合装置,首先对其系统进行运动学分析,然后进行动力学分析,计算其动能和广义力,最后根据拉格朗日方程建立系统的微分方程,为后续工作提供了理论参考。 2.借助多学科领域系统动力学仿真平台SimulationX,开发了混合动力拖拉机的仿真模型。在发动机单独驱动、电动机单独驱动及混合动力驱动的三种工作模式下,对犁耕和道路运输作业工况下的起步、换挡、加减速及载荷突变等典型动态工况进行仿真研究。研究结果表明： (1)三种不同的驱动模式下,起步瞬间,电动机转速随着电动机电压的增大而增大,驱动轮转速随电动机转速的增大而增大;电动机转矩、电动机电流、驱动轮转矩变化趋势相同,在起步瞬间产生波动,随后趋于恒定。这是由于电动机转矩、电动机电流和驱动轮转矩都是与加载转矩成正比,取决于加载转矩的大小。 (2)在加减速过程中,发动机的转矩、电动机的转矩、电动机的电流及驱动轮的转矩变化规律是一致的,与外加载荷的大小成正比。驱动轮的转速随发动机转速的增大而增大。电机的转速在发动机转速变化过程中基本保持恒定。 (3)三种不同的驱动模式下换挡过程中,发动机的转矩、电动机的转矩、电动机的电流变化规律是一致的,随着档位的变化而变化,与发动机和电动机的转速变化情况无关。在换档过程中,发动机的转速近似恒定,在换档瞬间存在很大的波动,这是由于在换档瞬间需要克服系统的惯性阻力。发动机输出转矩随档位的升高而增大,驱动轮转速随档位的升高而增大,驱动轮转矩基本恒定,是由外加负载决定的。发动机和驱动轮转矩换档瞬间波产生了很大的波动,这是由于在换档过程中要克服内部转矩。 3.搭建混合动力拖拉机的试验台,并开发了以LabVIEW为基础的测控系统。对试验台进行总体设计,并选取了试验台重要组成部分的参数,进行试验台架的搭建,调试。对滤波器、采样频率、转速补偿、初始相位差、发动机档位、传感器的频率相位差测试进行了设置,并分别保存为子模块,方便调用和调试。 4.混合动力拖拉机动态特性试验研究。试验研究了不同驱动模式(发动机单独驱动、电动机单独驱动、混合动力)下,发动机、电动机、驱动轮在起步、换档、加减速、加减载等典型工况下的转矩转速及蓄电池和电动机的电压、电流的变化过程。研究表明： (1)在三种模式下的起步过程中,电动机的转速在起步瞬间迅速下降,转矩基本保持不变,电机的电压电流在起步瞬间迅速增大,蓄电池的电流也随其变化,蓄电池的电压在起步瞬间略有下降,起步对发动机的转矩转速影响很小 (2)发动机单独驱动模式下,换档过程中发动机的转速基本保持恒定,发动机的转矩随着档位的增大而增大,驱动轮的转速随档位的增大而增大,其转矩速在档位变换过程中保持恒定。混合动力驱动模式下发动机的转速在换档瞬间发生了很大的波动;电动机的转速随着档位的升高而下降;驱动轮的转速随着档位的升高而增大;发动机、电动机及驱动轮的转矩基本保持不变。电源的电压随档位的升高而下降,电机的电压随档位的升高而升高。电动机单独驱动模式下换档规律和混合动力模式下相同。 (3)当档位不变,发动机转速先增大后减小时,其转矩有相同的变化趋势;,电动机的转速随发动机转速的增大而减小,其转矩基本保持不变;蓄电池和电机的电压基本保持不变,电源、电机电流随发动机转速的增大而减小,与电机的转速变化规律一致。通过本课题的研究,为后续开展混合动力拖拉机的特性试验和控制奠定了坚实的基础,为后续研究动态特性,冲击度提供理论依据和技术支持,对节能减排拖拉机的进一步研发具有重要的理论意义和实用价值。

关键词：混合动力拖拉机动力耦合装置 SimulationX仿真动态特性试验研究

双流耦合构型混合动力拖拉机旋耕工况控制策略研究

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农业机械学报 2024年第2期55卷 393-400,414页

作者：窦海石魏洪乾艾强张幽彤北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学长三角研究院(嘉兴) 嘉兴314001

大功率拖拉机作业时载荷冲击会造成发动机的输出转矩大范围波动,为减小载荷冲击对拖拉机动力单元的影响,提出以发动机和双电机为动力源的拖拉机双流耦合动力系统构型,以减小载荷冲击引起的动力传动系统换挡频次。基于Haar小波分解提出... 详细信息

大功率拖拉机作业时载荷冲击会造成发动机的输出转矩大范围波动,为减小载荷冲击对拖拉机动力单元的影响,提出以发动机和双电机为动力源的拖拉机双流耦合动力系统构型,以减小载荷冲击引起的动力传动系统换挡频次。基于Haar小波分解提出了基于功率预测的转矩分配策略,首先记录拖拉机的作业参数,基于径向基神经网络对拖拉机旋耕作业时的功率需求进行预测,由Haar小波变换确定高频和低频转矩需求值的范围,并分别由电机和发动机提供。最后,通过硬件在环试验对提出的动态转矩分配进行了可行性验证,测试结果表明:提出的基于神经网络功率需求预测模型对行驶端和动力输出端(Power take-off,PTO)的功率进行预测,实际值和预测值均方根误差分别占最大功率的7.6%和7.9%;提出的转矩分配策略能够应对拖拉机旋耕时的载荷波动。发动机转矩波动与传统构型相比减小35.0%,有效地缩小了发动机转矩波动范围,缓解了拖拉机作业时载荷冲击对发动机的影响。

关键词：混合动力拖拉机双流耦合构型功率预测转矩分配 Haar小波变换

融合工况预测的混合动力拖拉机自适应能量管理策略

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西安交通大学学报 2023年第12期57卷 201-210页

作者：朱镇曾令新林勇刚陈龙邹荣蔡英凤江苏大学汽车工程研究院江苏镇江212013 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310027 江苏大学机械工程学院江苏镇江212013

针对传统等效燃油消耗最小策略(ECMS)下等效因子取值固定和工况适应性差的问题,提出了一种融合拖拉机工况预测的自适应等效燃油消耗最小策略(PA-ECMS)。以搭载混合动力液压机械无级变速动力总成的大马力拖拉机为研究对象,将ECMS策略应... 详细信息

针对传统等效燃油消耗最小策略(ECMS)下等效因子取值固定和工况适应性差的问题,提出了一种融合拖拉机工况预测的自适应等效燃油消耗最小策略(PA-ECMS)。以搭载混合动力液压机械无级变速动力总成的大马力拖拉机为研究对象,将ECMS策略应用于混合动力拖拉机的动力分配。首先,基于径向基(RBF)神经网络,建立了拖拉机工况预测模型,通过历史工况预测未来一段时间的工况信息;接着,结合电池荷电状态(SOC)反馈和预测的工况信息,对等效因子进行自适应调整;最后,在PA-ECMS策略框架下,对混合动力拖拉机的功率进行优化分配。仿真结果表明:与固定等效因子的ECMS策略和仅基于SOC反馈的自适应等效燃油消耗最小策略(A-ECMS)相比,采用所提策略时拖拉机在犁耕工况下的油耗分别降低了6.30%和2.55%,且具有更好的电量维持性能。

关键词：混合动力拖拉机等效燃油消耗最小策略等效因子神经网络工况预测

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新型混合动力拖拉机高压配电系统设计

拖拉机与农用运输车 2023年第6期50卷 50-52页

作者：薛占坡刘孟楠赵心杨志波郭富强智能农业动力装备全国重点实验室河南洛阳471039 洛阳拖拉机研究所有限公司河南洛阳471039

基于农机领域的新能源技术开发,结合混合动力拖拉机、纯电动拖拉机以及电动割草机等机型的高压动力系统的设计,对新型混合动力拖拉机的高压配电系统进行设计研究,主要从整机的高压电气架构、系统安全、功能需求等方面进行探究。

关键词：混合动力拖拉机高压系统

串联式柴电混合动力拖拉机加载试验台的设计与试验

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串联式柴电混合动力拖拉机加载试验台的设计与试验

作者：雷意南京农业大学

学位级别：硕士

在面临能源短缺,环境污染以及气候异常的全球大背景下,我国作为传统的农业大国,节能又环保的拖拉机的研发对于减小环境破坏,实现能源可持续发展具有十分重要的意义。电动拖拉机和混合动力拖拉机作为节能环保农用车辆中的佼佼者,也将势... 详细信息

在面临能源短缺,环境污染以及气候异常的全球大背景下,我国作为传统的农业大国,节能又环保的拖拉机的研发对于减小环境破坏,实现能源可持续发展具有十分重要的意义。电动拖拉机和混合动力拖拉机作为节能环保农用车辆中的佼佼者,也将势必成为未来拖拉机发展的趋势之一。鉴于电动拖拉机受限于电池技术的发展,短时间内很难突破,混合动力拖拉机无疑是当下既满足农业发展需求,又符合节能环保主题的最佳选择。本文针对计算机仿真平台构造模型难度大,且可靠性未知,而实车试验平台开发周期长、成本高昂的特点,提出了一种多功能的串联式混合动力拖拉机加载试验平台的设计搭建方案。在进行混合动力拖拉机试验台的总体设计时,针对试验台所需实现的功能,采用模块化思想,将实验台划分为驾驶员操作、发动机测试、电源、轮毂电机控制及测试、模拟加载以及数据采集六大模块,进而设计构建试验台的结构模型,根据结构模型搭建整体台架,完成试验台的实际布局。其中,重点对模拟加载模块即加载试验平台做了一系列试验研究。同时为了实现试验台的测试功能,设计了试验台的测控方案,发动机作为动力源,通过发电机和控制器可带动电机部分实现模拟工况试验,电池组可单独也可配合发电部分同时驱动电机部分实现作业功能,所测信号通过数据采集卡反馈上位机,用户可以根据需要进行控制,达到调节优化的目的。针对所设计搭建的混合动力拖拉机模拟加载平台,在对转矩转速传感器、电流电压传感器、磁粉制动器等主要设备进行标定以及对轮毂电机负载特性的预备试验完成后,分别进行了道路运输、犁耕和突加载荷等三种典型拖拉机工况的模拟加载试验,结果如下:(1)在该试验中,轮毂电机的输出外特性曲线近似为双曲线,并且轮毂电机的转速随着其转矩的增大而降低,其输出功率随着转速增大而下降,效率则随着转速的增加而上升。轮毂电机能够独立驱动,且拥有较大的调速范围和过载能力,以及减速增矩的特性,满足大型拖拉机田间作业的要求。(2)在进行匀速道路运输作业时,驱动扭矩恒定,而在加速或减速作业行驶时,驱动扭矩为了克服惯性力而增大或减小;当匀速犁耕作业时,不同的田间条件,输出扭矩也有较大差别,与道路运输时相比,转矩明显增大,说明混合动力拖拉机各部件的转矩时随着外部载荷的增大而增大的。(3)基于PID控制的混合动力拖拉机加载系统相比没有经过控制优化的加载系统,输出响应精度明显提高,响应时间明显缩短。通过本课题的试验研究,可以为后续混合动力拖拉机驱动系统及控制系统的设计开发提供理论依据和技术支持,并且为实车试验提供重要参考。

关键词：混合动力拖拉机轮毂电机测控系统模拟加载 PID控制

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串联式混合动力拖拉机试验台的研究与开发

串联式混合动力拖拉机试验台的研究与开发

作者：王兵南京农业大学

学位级别：硕士

我国作为一个农业大国,传统拖拉机对环境和资源造成的压力正逐步增加,大力发展电动拖拉机或混合动力拖拉机将成为解决该问题的有效途径之一。鉴于纯电动拖拉机所需的动力电池难以短时间内研制出来,混合动力拖拉机则成为了目前阶段的最... 详细信息

我国作为一个农业大国,传统拖拉机对环境和资源造成的压力正逐步增加,大力发展电动拖拉机或混合动力拖拉机将成为解决该问题的有效途径之一。鉴于纯电动拖拉机所需的动力电池难以短时间内研制出来,混合动力拖拉机则成为了目前阶段的最佳选择。混合动力拖拉机在研制过程中需要解决一系列的关键技术问题,例如电力驱动、能量存储与管理、动力参数匹配等。混合动力拖拉机试验台的研发恰恰为解决这些难题提供了一个具有现实意义的平台。本文在进行混合动力拖拉机试验台总体设计时,遵循了模块化的设计思想。根据试验台的功能要求,将其划分为驾驶员输入模块、发动机测试模块、电源模块、电动机控制及其测试模块、负载模拟模块和数据采集等六大主要模块。本文首先对发动机测试模块、电源模块和数据采集模块进行了研究和设计。发动机测试模块主要由36kW柴油机、转速转矩传感器和油耗传感器组成,该模块主要用于测试发动机在发电工作下的负荷工作特性,实现能耗的监测;电源模块主要由发电机、电源控制柜及电阻箱、蓄电池和电流电压传感器组成。该模块的功能一方面是为试验台的试验提供电能,另一方面用于蓄电池工作时的性能监测;数据采集模块主要基于LabVIEW软件平台和相关数据采集设备,进行虚拟测控系统的开发。该模块主要用于采集各类传感器的测试信号,同时对信号进行必要的转换、滤波和运算,并实时输出测试结果。本文还探讨了混合动力车辆的仿真技术,并在SimulationX软件平台中建立了混合动力拖拉机零部件及整车仿真模型,建立了混合动力拖拉机运输作业循环测试工况和犁耕作业循环测试工况,对两种循环工况下的混合动力拖拉机的动力性能进行了仿真研究。得出的结论有:（1）混合动力拖拉机的输出扭矩会随着外部负载的增加而增加,且输出扭矩的变化趋势与外部载荷的变化趋势大致相同;（2）蓄电池输出电流的大小与外部负载有很大关系,负载越大,输出电流越大。蓄电池SOC下降曲线基本成直线,且外部负载越大,下降速度越快,即SOC的变化曲线的斜率越大。（3）当蓄电池的电量下降到预期设定的下限时,发动机会介入工作,且发动机的工作转速基本不变。在发动机介入工作的一瞬间,蓄电池的输出电流会有瞬间的突变。通过本课题的研究,以期为串联式混合动力拖拉机或其他类型的混合动力车辆的试验台的研究及开发提供理论基础和技术支持。

关键词：混合动力拖拉机试验台模块化设计 SimulationX

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新型混合动力拖拉机驱动系统设计及仿真

新型混合动力拖拉机驱动系统设计及仿真

作者：王小冰南京农业大学

学位级别：硕士

在全球能源短缺、环境污染的背景下,节能拖拉机的研发对于降低环境污染、逐步实现能源可持续发展有着重要意义。受限于电池技术的发展水平,纯电动拖拉机的研发仍然存在较大的难度,混合动力拖拉机则突破了电池技术的制约,设计新型混合动... 详细信息

在全球能源短缺、环境污染的背景下,节能拖拉机的研发对于降低环境污染、逐步实现能源可持续发展有着重要意义。受限于电池技术的发展水平,纯电动拖拉机的研发仍然存在较大的难度,混合动力拖拉机则突破了电池技术的制约,设计新型混合动力拖拉机驱动系统不仅能够很好地满足市场要求,而且还符合可持续发展的理念。本文针对新型混合动力拖拉机,提出四种驱动系统的设计方案,并对每种驱动系统方案的优缺点进行探讨和分析。经过对比研究,选择采用发动机经分动箱驱动后动力输出、双轮毂电机驱动车轮的驱动系统方案。针对所选混合动力拖拉机驱动系统方案,提出动力性能评价指标和经济性能评价指标;建立了该驱动系统中的发动机、发电机、蓄电池和轮毂电机的理论模型,并对其进行参数匹配设计。在此基础上,针对其关键传动部件——分动箱和轮边减速器进行传动比设计和齿轮参数设计。针对新型混合动力拖拉机驱动系统,借助软件SimulationX分别建立相关零部件的模型和整车模型,并针对其动力性能和经济性能进行仿真研究。结果表明:(1)拖拉机最大牵引力为14400N,能够很好的满足拖拉机的牵引要求。(2)拖拉机的最大爬坡度为34度,速度为7 km/h。(3)拖拉机在40 km/h、20 km/h和7 km/h的设定速度下的加速时间分别为6s、2.5s和2s。(4)在锂电池的荷电状态(SOC)范围设置为20%～80%时,拖拉机电池在高速、中速、犁耕和旋耕作业时工作时间分别为1.5 h、0.6 h、0.5 h 和 1.25 h。针对所设计的新型混合动力拖拉机驱动系统,搭建试验平台并进行相关试验,结果如下:(1)该试验中轮毂电机的输出特性曲线近似为双曲线,随着轮毂电机转速增高,其转矩降低。该轮毂电机的输出功率随着转速的增加而下降,其效率则随着转速的增加而上升。轮毂电机拥有较大的调速范围和低转速输出较大的转矩的特性,能够满足拖拉机的动力性能要求。(2)当发动机处于额定转速的时候:其空载状态下的转矩损失约为14N·m,其能量损耗在2.2kW左右;随着负载的增加,发动机的功率增加,其油耗降低,当其功率为额定功率36kW时,油耗率最低为224g/(kW·h),燃油经济性最好。通过本课题的研究,为后续混合动力拖拉机驱动系统以及整机的研发提供理论依据和技术支持。

关键词：混合动力拖拉机后动力输出分动箱轮毂电机 SimulationX