混合動(dòng)力拖拉機(jī)動(dòng)力特性的研究.pdf

1、近年來，農(nóng)用車輛對(duì)環(huán)境和資源造成的壓力逐年增加，開展新型節(jié)能拖拉機(jī)的研發(fā)已成為迫在眉睫的重要課題.而在我國(guó)，幾乎沒有關(guān)于混合動(dòng)力拖拉機(jī)方面的研究。因此，深入研究混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力耦合裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論以及混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)特性和能耗，對(duì)混合動(dòng)力拖拉機(jī)的研究與開發(fā)具有重要的意義.
　　 本文基于拖拉機(jī)的工作和傳動(dòng)特性要求，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并制造了適用于并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)的動(dòng)力耦合裝置，在此基

2、礎(chǔ)上，研制了一種單缸柴油機(jī)和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為輸入動(dòng)力的混合動(dòng)力拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).所完成的工作和取得的結(jié)論歸納如下:
　　 1、動(dòng)力耦合裝置的設(shè)計(jì)與仿真.通過分析各類動(dòng)力耦合裝置的原理和特點(diǎn)，結(jié)合拖拉機(jī)的工作和傳動(dòng)特性要求，從傳動(dòng)比、特征參數(shù)和齒數(shù)匹配等方面，研制了適用于并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)的行星差動(dòng)輪系式動(dòng)力耦合裝置.在SimulationX中建立了仿真模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作、電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作和混合動(dòng)力模式時(shí)的工作情況進(jìn)行了仿真研究

3、.結(jié)果表明，在各模式下，太陽輪、外齒圈和行星架三者間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系與行星差動(dòng)輪系間轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系均一致;在啟動(dòng)和停機(jī)瞬間，以及加速或減速過程中，行星差動(dòng)輪系會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部轉(zhuǎn)矩和功率損失;太陽輪和外齒圈的轉(zhuǎn)矩方向與起主要作用的發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向一致，而行星架轉(zhuǎn)矩方向相反.
　　 2、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究.根據(jù)混合動(dòng)力拖拉機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)為輸入動(dòng)力，動(dòng)力耦合裝置和變速葙協(xié)同調(diào)速的并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉

4、機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，提出了混合動(dòng)力拖拉機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算公式，并對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了探討，建立了傳動(dòng)系各部件理論模型，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)動(dòng)力匹配原則。以某型號(hào)混合動(dòng)力拖啦機(jī)為設(shè)計(jì)實(shí)例，計(jì)算分析了不同檔位和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下的驅(qū)動(dòng)力、爬坡度和發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配范圍、發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的總傳動(dòng)效率和犁耕作業(yè)下的等效能耗等.研究結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)力和爬坡度大小與發(fā)動(dòng)機(jī)提供的負(fù)荷成正比，與變速箱檔位的高低

5、成反比，而轉(zhuǎn)速匹配范圍隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大相應(yīng)減小，與檔位變化無關(guān).發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的總傳動(dòng)效率大于反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的總傳動(dòng)效率，在發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，總傳動(dòng)效率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大.檔位越低，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)動(dòng)力匹配范圍越大;且在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，等效能耗越低.在某一檔位下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，等效能耗逐漸增高.當(dāng)作業(yè)速度相同時(shí)，混合動(dòng)力拖拉機(jī)的等效能耗低于同功率燃油拖拉機(jī)

6、，其最高節(jié)能率可達(dá)24％.
　　 3、混合動(dòng)力拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)特性仿真研究.在SimulationX中對(duì)混合動(dòng)力拖拉機(jī)各部件分別進(jìn)行建模和參數(shù)設(shè)置，開發(fā)了混合動(dòng)力拖拉機(jī)仿真系統(tǒng).并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作、電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作和混合動(dòng)力模式工作三種工作模式下，進(jìn)行空載運(yùn)輸作業(yè)和播種作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究.研究結(jié)果表明，檔位和外部載荷一定時(shí)，混合動(dòng)力模式下行駛速度范圍最大，最大行駛速度最高;發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作模式次之，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作模式行駛速度范

7、圍最小，最大行駛速度最低.隨著檔位的增高，三種模式下的行駛速度均增大.三種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力耦合裝置中太陽輪、齒圈和行星架的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著擋位和外部載荷的增大而增大，且在勻速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)矩恒定，在加速或減速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生波動(dòng).驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩僅隨外部載荷的增大而增大，而與檔位無關(guān).當(dāng)檔住和外部載荷不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的小時(shí)燃油消耗量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大;蓄電池輸出功率爭(zhēng)電動(dòng)機(jī)輸入電壓隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，電動(dòng)機(jī)輸入電流幾乎保持不

8、變;1h等效能耗隨著發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大。隨著檔位和外部載荷的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的小時(shí)燃油消耗量、蓄電池輸出功率、電動(dòng)機(jī)輸入電壓和電流，以及1h等效能耗均增大.發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作模式時(shí)，其總傳動(dòng)效率隨著檔位和外部載荷的增大而增大.電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作模式時(shí)，其總傳動(dòng)效率和電動(dòng)機(jī)效率隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位和外部載荷的增大而增大，混合動(dòng)力模式工作時(shí)，總傳動(dòng)效率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位和外部載荷的增大而增大;電動(dòng)機(jī)效率隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位和外

9、部載荷的增大而增大.檔位一定時(shí)，行駛速度范圍在電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的等效能耗最低;而當(dāng)行駛速度范圍在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的范圍內(nèi)，混合動(dòng)力模式時(shí)的等效能耗較低，當(dāng)外部載荷不變，檔位增大時(shí)，各模式下的行駛速度均增大，其相應(yīng)的等效能耗增大.當(dāng)檔位不變，外部載荷增大時(shí)，在相同的行駛速度下，等效能耗增大.混合動(dòng)力模式時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，會(huì)出現(xiàn)相同行駛速度下，等效能耗的不同.說明在混合動(dòng)力模式下，混合動(dòng)力拖拉機(jī)

10、進(jìn)行某項(xiàng)作業(yè)時(shí)的動(dòng)力選擇范圍較大.
　　 4、混合動(dòng)力拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)建和測(cè)控系統(tǒng)開發(fā).基于模塊化思想構(gòu)建了混合動(dòng)力拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，在LabVIEW中開發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)所用傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。
　　 5、混合動(dòng)力拖拉機(jī)動(dòng)力特性試驗(yàn)研究.試驗(yàn)研究了混合動(dòng)力拖拉機(jī)的行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)功率配比、驅(qū)動(dòng)輪輸出功率、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)矩、蓄電池和電動(dòng)機(jī)輸出特性以及牽引效率、總傳動(dòng)效率和等效能耗等特性。研究結(jié)果

11、表明，當(dāng)檔位不變，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，行駛速度隨著加載轉(zhuǎn)矩變化幾乎保持不變。但隨著加載轉(zhuǎn)矩的增大，電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速匹配范圍均減小，相應(yīng)的行駛速度范圍減小.檔位一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪功率大小與加載轉(zhuǎn)矩成正比，加載轉(zhuǎn)矩越大，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)發(fā)揮的功率就越大，當(dāng)檔位和加載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線變化相似，隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大而略有減小;電動(dòng)機(jī)功率隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大;驅(qū)動(dòng)輪功率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)

12、和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大均增大，且隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化更為敏感.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率大于電動(dòng)機(jī)功率;隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，電動(dòng)機(jī)功率會(huì)大于發(fā)動(dòng)機(jī)功率.隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加載轉(zhuǎn)矩的增大，電動(dòng)機(jī)大于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍逐漸減小。檔位一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而略有戰(zhàn)小，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大幾乎保持不變.加載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩幾乎是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的2倍左右，加載轉(zhuǎn)矩越大越

13、明顯.加載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，蓄電池電壓隨著電動(dòng)機(jī)電壓的減小而增大，蓄電池電流隨著電動(dòng)機(jī)電壓的增大而增大.電動(dòng)機(jī)電壓一定時(shí)，蓄電池電壓隨著加載轉(zhuǎn)矩的增大而減小;加載轉(zhuǎn)矩越大，隨著電動(dòng)機(jī)電壓的增大，蓄電池壓降就越大;而蓄電池電流隨著加載轉(zhuǎn)矩的增大而增大，且電動(dòng)機(jī)電壓的控制范圍隨著加載轉(zhuǎn)矩的增大而減小;電動(dòng)機(jī)電流隨著加載轉(zhuǎn)矩的增大而增大.當(dāng)檔位不變時(shí)，牽引效率、總傳動(dòng)效率和等效能耗隨著加載轉(zhuǎn)矩的增大而增大。當(dāng)檔位和加載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，牽引效率、總傳動(dòng)效