串联式混合动力拖拉机驱动系设计

针对传统拖拉机存在变速器结构复杂、传动效率低、高油耗、高排放等问题,提出一种基于犁耕工况下串联式混合动力拖拉机驱动系设计方法,包括确定传动方案、匹配牵引电动机和主能源功率参数及设计变速器挡位和辅助能源参数等。基于提出的设计方法,以东方红1804拖拉机为研究对象,对其串联混合动力驱动系主要参数进行了设计计算,分析了其牵引性能,结果表明:混合动力拖拉机特性曲线在有效牵引力范围内完全覆盖原拖拉机的工作特性场,且牵引效率较高;发动机同机械传动装置解耦,等效燃油消耗率平均降低了2.64%;变速器结构得到较大简化,传动效率较高;变速器速比设置合理,可满足拖拉机不同作业工况下对负载的需求,同时实现了无级变速。该研究为混合动力拖拉机能量管理策略、换挡规律及控制系统的设计提供了理论依据。     

油电混合机械液压式拖拉机动力系统节能性

针对大马力拖拉机在道路运输与田间作业过程中由于工况复杂、作业环境恶劣导致油耗高、节能效果差的问题,该研究采用油电混合动力匹配液压机械无级变速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）的方式,设计了一种油电混合-机液复合拖拉机动力系统,探讨了该系统的驱动模式与传动方式的实现原理并得到液压机械无级变速器的调速曲线;建立了动力系统的数学模型。为实现动力系统最佳性能,制定了整车控制架构,在此基础上提出HMCVT经济性速比控制策略、基于规则的工作模式划分策略和基于自适应等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。为验证所提控制策略的可行性,在SimulationX仿真软件中建立系统动力学仿真模型,并基于测功机搭建试验台架进行测试,分别对拖拉机在犁耕、收获和运输3个典型工况下进行仿真与试验。结果表明,所设计的控制策略能够兼顾混合动力源的最佳扭矩分配与电池电量平衡,且动力系统能保持较高的系统效率（40%以上）,犁耕、收获和运输3个工况下油耗仿真值（2.59、6.56和1.69 L）与试验值（2.72、6.80和1.77 L）的误差均不超过5%,模型可靠。与德国农业协会公布的相近功率动力换挡拖拉机和无级变速拖拉机油耗数据相对比,本文所提的控制策略在3种工况下节油9%～20%。研究结果可为多工况作业条件下降低拖拉机能耗提供解决方案。     

拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱换段品质分析

拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱具有多个工作区段,带载换段时容易产生冲击甚至引起动力中断,是该类变速箱研发过程中迫切需要解决的问题。目前该领域研究较少,为了揭示各因素对链式金属带功率分流无级变速拖拉机换段品质的影响规律及作用机理,本研究对其换段过程进行了仿真研究。首先,阐述了所研究拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱的传动原理,分别从无级调速特性、牵引特性、PTO功率和燃油经济性等方面对其可行性进行了计算分析;其次,构建了链式金属带功率分流无级变速箱换段液压系统的动力学模型并进行了试验验证,以此为基础,进一步构建了变速箱及拖拉机整机换段动力学模型;最后,给出了换段品质的3项评价指标,并对各因素对换段品质的影响规律及机理进行了仿真研究。仿真结果表明:该变速箱的传动特性与传统机械换挡变速箱相当,但燃油经济性优于传统机械换挡变速箱(低速重载工况下小时油耗降低约0.3 kg/h)和传统金属带无级变速箱(系统比油耗降低约20 g/(kW·h))。此外,较低的发动机转速(1 200 r/min)、适中的充油压力(5 MPa)、较高的充油流量(10 L/min)、理想换段点前换段(提前约0.2 s)与重叠时序换段(重叠约0.2 s)均可改善换段品质,而变速箱输出轴转动惯量、拖拉机质量以及负载等因素对换段品质的影响较为复杂,各项指标对其换段品质的评价并不统一,在拖拉机设计阶段需要综合考虑。链式金属带功率分流无级变速箱非常适合中小功率拖拉机传动,不仅经济,而且换段品质具有可控性,具有继续研究的价值,该研究结果可为中小功率无级变速拖拉机传动系统的设计提供理论支撑。     

混合动力拖拉机动力耦合装置的研制

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。     

拖拉机双离合器自动变速器换挡品质评价指标

针对双离合器自动变速器拖拉机在田间高负载作业工况下进行换挡时,原换挡品质评价指标不能充分考察对性能的影响,提出了变速器输出转矩传递系数和变速器输出转矩2个评价指标。归纳了奇数挡和偶数挡离合器接合与分离时序对换挡品质影响规律,建立了拖拉机DCT换挡动力学模型和换挡品质仿真模型。以东方红1804拖拉机为研究对象,对其犁耕工况进行了仿真分析,结果表明:当离合器油压上升滞后时间分别为0、0.1及0.2 s时,对应的变速器最小输出转矩传递系数分别为0.42、0.36及0.12,变速器最小输出转矩分别为2 257、1 932及725 N·m,产生的动载荷逐渐增大,拖拉机动力性变差;提出的2个换挡品质评价指标可较好地对换挡过程中产生的动载荷和拖拉机动力性进行评价,对原换挡品质评价指标进行了补充,完善了拖拉机DCT换挡品质评价体系。该研究为拖拉机双离合器自动变速器换挡控制策略制定提供了理论依据。     

电动拖拉机田间巡航作业驱动转矩管理模型

针对电动拖拉机整机控制中与驱动转矩相关且通用性较强的功能环节,在驱动系统上层搭建了一种通用型的驱动转矩管理控制模型。以满足田间作业需求、提升作业质量为目标,将输入信号标定为期望作业车速,并进一步转化为电机目标转速。根据实际转速与目标转速的偏差,计算电机目标输出转矩,以使电机需求功率与作业负载相平衡。进一步考虑巡航作业过程中驱动转矩变化引起的整机冲击度、当前转速下电机可用最大转矩以及驱动系统过温、电池放电欠压的影响,依次搭建了针对目标输出转矩的斜坡限制、基于转速的转矩容量限制和极端工况下的比例减载限制模型。搭建了包括电池、驱动电机以及整机纵向动力学在内的电动拖拉机模型。基于驱动转矩管理模型设计了目标控制器,并搭建了dSPACE硬件在环测试平台,分别对转矩管理模型中的各个参数进行了标定,并对牵引作业工况下驱动系统的输出特性进行了测试,结果表明:在牵引作业时,实际车速可平稳跟踪期望作业车速,跟踪误差主要取决于驱动轮的滑转程度,当期望车速改变时,实际车速按标定斜率向期望值平缓过渡;作业过程中,模型输出转矩始终处于电机转矩容量范围以内,且转矩变化率不超过35N·m/s,与未经斜坡限制处理的原始目标转矩相比,转矩变化趋于缓和;当电池输出电压低于欠压报警阈值时,驱动转矩管理模型根据电池欠压程度将模型输出转矩比例缩减10%～27%,确保电池输出电压不低于停机阈值。所搭建的驱动转矩管理模型可为电动拖拉机整机控制器的设计提供技术参考。     

车辆分矩式混合动力系统储能特性

为了提高采用分矩式液压机械传动商用车的燃油经济性,论证该系统应用混合动力驱动的可行性,该文研究分矩式混合动力系统制动能量回收条件和特性,基于功率分流分析法,在Matlab中建立流量分析模型,分析了调速范围内的分流工况、循环工况下的驱动功率流和制动功率流特性,并建立了制动能量回馈过程的转速、流量和转矩约束条件方程,得出了不同工况的制动能量回收特性。获得了不同工况条件下,可满足制动能量回收条件的液压元件相对变量率控制区间。为了验证理论分析结论,搭建了试验台,对分流工况和循环工况制动能量回收特性进行了试验台架验证。研究结果表明：分矩汇速式液压机械传动系统循环工况制动能量回收能力有限,分流工况高效制动能量回收效率较高,应用多段式方案制动能量回收潜力高约60%。研究结果可为制定合理的控制策略和评估系统的综合节油潜力提供参考。     

拖拉机驾驶室悬置参数的优化与车内次声的控制

该文建立了拖拉机整机系统７个自由度的数学模型，推导了驾驶室质心振动的频响函数和振动响应的功率谱密度的计算公式，提出了一种驾驶室悬置参数的优化设计方法，并通过整机试验对优化结果进行了验证，通过实施该优化结果，使拖拉机驾驶室内的耳旁次声由原来的１０６．３ｄＢ降低到１０２．４ｄＢ．     

电磁耦合强混合动力车技术研究

混合动力车的节油和减排效果应明显,开发强混合动力车是最现实的解决方案。基于动力伺服概念,以直接电磁耦合技术,选择机械功率透过式双电机方案,开发了动力伺服油电强混合动力系统,同时对整车动力系统结构、工作原理以及整车控制策略进行了分析。运用Matlab/Simulink建立整车模型,对发动机、电动机以及双转子发电机的输出转矩进行了仿真分析,在电机试验台架上对电机的外特性以及工作效率进行了相关试验。研究结果表明：输出转矩仿真值能很好的满足循环工况需求,且电机输出效率高,可达86%,满足混合动力车设计要求。上述研究对今后电磁耦合油电强混合动力车的整车标定匹配工作具有参考作用。     

犁耕和旋耕作业发动机载荷的统计特性

了解发动机载荷动态特性是对发动机及机组系统进行动态性能分析和动态匹配的前提。该文根据对田间试验和土槽试验数据的各种统计检验,总结了犁耕和旋耕作业时发动机载荷阻转矩的一些基本的统计特性。证实了犁耕作业发动机的载荷可以认为是平稳的正态分布的随机载荷,其功率谱曲线的谱峰在低于2Hz处;旋耕作业发动机的载荷是兼有随机成分和周期成分的动态载荷,其中周期谐波的基频为刀轴转速,随机成分一部分能量集中于基频以内,部分分布于较宽频率范围。在常用的速度范围内,犁耕发动机载荷以及旋耕发动机载荷的低频随机成分的功率谱均可以采用一种单峰谱函数拟合     

基于拖拉机整机效率最大化的液压机械无级变速规律

为了实现对拖拉机多段液压机械无级变速传动(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)在任意稳定行驶速度和许可牵引负载下经济性最佳的控制,该文对拖拉机经济性最佳的无级变速规律进行了研究。根据拖拉机能量传递的特点,考虑HMCVT在不同传动比下存在效率差异的特征,把研究拖拉机的经济性最佳转化为对整车效率最大的研究。在分析整机传动系统效率特性的基础上,针对效率最大的目标函数和约束条件,求解了整车效率数值,结果表明在任意目标车速和牵引负载下,优化后拖拉机整车效率在35%~40%之间,并得出了效率最大时HMCVT最佳传动比、发动机转速和转矩,确定了基于整车效率最大的拖拉机HMCVT传动变速原理。研究表明:基于整车效率最大化原则能够实现拖拉机在任意车速和牵引负载下的整车经济性最佳,根据整车效率最大化确定的拖拉机多段HMCVT经济性最佳无级变速规律,为下一步制定装备多段HMCVT的拖拉机的经济性最佳控制策略提供参考。     

基于DF2204无级变速拖拉机的农机无人驾驶系统研制

针对农机无人化作业需求,该研究基于DF2204无级变速拖拉机和机器人操作系统（Robot Operating System,ROS）,研发了一种适于田间作业的农机无人驾驶自主作业系统。系统由控制、规划、安全和总线通信等模块组成。对DF2204无级变速拖拉机进行硬件改造与集成,设计满足农机无人驾驶要求的控制器局域网（Controller Area Network,CAN）总线协议和ROS与CAN总线通信的消息结构,包括5类控制帧和2类状态帧;设计了基于比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation,PID）控制器的横向跟踪与纵向速度控制算法。在北京密云试验田开展田间小麦播种实际作业试验。试验结果表明,消息结构满足50 Hz通信负载,横向跟踪平均绝对误差为2.96 cm,纵向速度平均绝对误差0.19 m/s。研究结果可为无级变速拖拉机的无人化升级改造提供参考,提高农机智能化水平和作业效率。     

提高燃油经济性的拖拉机变速控制策略

为实现对液压机械无级变速拖拉机的最佳燃油经济性控制,分析发动机及液压机械无级变速器(hydro-mechanical continuously variable transmission, HMCVT)对拖拉机燃油经济性的影响,研究拖拉机最佳燃油经济性无级变速控制策略,该文针对发动机和HMCVT二元调节无级变速拖拉机,分析了发动机燃油消耗率和变速器的效率变化特性,提出了以发动机有效燃油消耗率g_e与HMCVT传动效率η_b的比值g_e/η_b为指标的最佳燃油经济性无级变速控制策略及拖拉机负载反馈控制原理。采用参数循环算法,求算出拖拉机在负载特性场内任意工作点下的最佳发动机转速、转矩、HMCVT的最佳变速比,保证了二元协同调节下拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略的工程实现。计算结果显示:最佳变速比的分布呈现梯田状,平台部分的最佳变速比对应HMCVT纯机械传动时的工作状态,此时HMCVT处于传动效率最高点,并且在变速器传动效率高于0.92的工作区,最佳变速比的分布比例高达72.84%。相比较一元调节下分别以g_e、g_e/η_b为指标、二元调节下以g_e为指标的3种变速控制策略,明显降低了拖拉机燃油消耗率。牵引功率范围内,当拖拉机在某一目标车速下稳定工作时,在基于g_e/η_b最小化的二元调节变速控制策略调控下,拖拉机更可能在较低油耗状态下工作。表明以g_e/η_b为指标的二元调节拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略能够提高拖拉机在任意工况下的燃油经济性。     

拖拉机液力机械式无级变速器的研究

提出了一种新的组合式无级变速传动方案——液力机械综合式无级变速传动,由综合式液力变矩器、链无级变速器、减速齿轮组及相应的操纵控制机构组成。用该传动方案改进设计拖拉机的传动系,设计出了具有良好性能的液力机械式无级变速器。通过液力变矩器可自动无级变速变扭以适应外界变工况作业;通过链无级变速器和负载换档可实现由驾驶员控制的无级变速,因而整车能实现可控自动无级变速,在外界负荷频繁变化条件下发动机始终工作在标定工况附近     

基于实际作业工况的拖拉机能效评价

为深入了解拖拉机实际作业的能效情况,该研究提出基于实际作业工况的拖拉机能效评价方法,对拖拉机整体能效进行全面度量。基于距离最短分区原理,通过K-means聚类与成对比较矩阵方法进行拖拉机发动机常用工况点提取;通过对186台162 kW的拖拉机能效分析,提出拖拉机能效等级划分标准,确定能效限值和各级能效比限值,并对不同作业环节的平均能效进行分析。研究结果显示:拖拉机发动机实际8工况点和ISO稳态8工况点区别较大;不同拖拉机能效差异较大,50%的拖拉机能效值分布在3.20～3.65 (kW·h)/kg区间;162 kW拖拉机实际能效合格限值为3.07 (kW·h)/kg;拖拉机不同作业环节的平均能效值差异大,旋耕作业的平均能效值最高,行走模式最低。研究结果可为发动机节能减排技术升级提供数据基础,也可为农机节能考核、与绿色化作业水平挂钩的应用补贴方法研究等提供参考。     

Power and labour requirements in soil tillage — A theoretical approach

Data from the literature and from IMAG research concerning soil type, tool type and tractor performance were analysed and introduced into the model developed for the calculation of power requirement and task time for soil tillage. The differences in soil type with respect to tool resistance are characterized by well-known (specific) ploughing resistance data. The net energy demand (specific work) of drawn and p.t.o.-powered soil tillage implements is derived from these data on the basis of cutting or stirring intensity and acceleration impacted on the soil particles.The losses in power transmission of four-wheeled tractors are related to field conditions. Mechanical power losses inside the tractor and inside the implement (gearbox, etc.) are also included in the calculated overall efficiency. Taking into account efficiency, depth and speed, the calculated net specific work is converted to gross tractor engine power demand per m working width, which is the basis for selecting the optimal tractor-tool combination.For several tractor-implement combinations on several soil types, task times were calculated in relation to plot sizes, ranging from 0.5 to 12 ha. The formulae used are also applicable to other situations.     

小四轮拖拉机附加驱动叶轮的研究

附加驱动叶轮是为提高8.8～11 kW小四轮拖拉机旱地犁耕作业时附着性能而研制的。对驱动叶轮的几个主要参数的确定进行了探讨，并在休闲地中进行了牵引性能对比试验。结果表明，附加驱动叶轮后拖拉机的牵引功率提高了19.3%，牵引效率提高了19.4%，滑转率在20%以下时，挂钩牵引力达4 000 N，完全满足土壤比阻在56 kPa以下的旱地深耕需要，为小型轮式拖拉机广泛用于农田作业提供了一条新的途径。