混合動力拖拉機 驅(qū)動系統(tǒng) 設(shè)計技術(shù)規(guī)范VIP

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T/CAAMMXXXX—202X/T/NJXXXX—202X

混合動力拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范

TechnicalspecificationfordesignofHybridTractorPowertrainSystem

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

發(fā)布

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混合動力拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了規(guī)定混合動力拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)的術(shù)語和定義、范圍、一般要求、設(shè)計規(guī)范等內(nèi)容。

本文件適用于混合動力拖拉機。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期的對應(yīng)版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文

件。

GB/T6960.2拖拉機術(shù)語第2部分：傳動系

GB/T1147.2中小功率內(nèi)燃機第2部分：試驗方法

JB/T9827拖拉機傳動箱技術(shù)條件

JB/T6697機動車及內(nèi)燃機電氣設(shè)備基本技術(shù)條件

GB/T24643拖拉機機組田間作業(yè)耗油量

HJ1014非道路柴油移動機械污染物排放控制技術(shù)要求

GB16151農(nóng)業(yè)機械運行安全技術(shù)條件

GB/T24648拖拉機可靠性考核

3串聯(lián)混合動力拖拉機驅(qū)動系設(shè)計與計算方法

3.1驅(qū)動系設(shè)計

3.1.1傳動方案

圖1為本文所采用串聯(lián)式混合動力拖拉機驅(qū)動系傳動方案，主要由發(fā)動機、發(fā)電機、蓄電池、電耦

合裝置、牽引電動機、電動機控制器、變速器和后橋等組成。圖2為驅(qū)動系統(tǒng)功率流示意圖，柴油機/發(fā)

電機作為主能源，蓄電池組作為輔助能源，2路功率流通過由整流器及DC-DC變換器組成的電耦合裝

置進行匯流。拖拉機動力總成由能源系統(tǒng)提供電能，通過電機控制器調(diào)整牽引電動機的輸出特性，控制

其正向或反向運轉(zhuǎn)。拖拉機工作時，根據(jù)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2014年12運行模式及控制策略調(diào)整其能源方

案；不工作時，通過充電器由電網(wǎng)向蓄電池組進行充電。

1.發(fā)動機Engine2.發(fā)電機Generator3.電力耦合器Electriccoupler4.蓄電池組Storagebattery5.電機

控制器Motorcontroller6.牽引電動機Tractionmotor7.變速器Gearbox8.中央傳動Centraltransmission

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圖1串聯(lián)混合動力拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.1Structureofserieshybridelectrictractor

圖2串聯(lián)混合動力拖拉機功率流

Fig.2Powerflowofserieshybridelectrictractor

3.1.2額定牽引力

拖拉機工作時，其驅(qū)動力需克服拖拉機本身滾動阻力以及其他行駛阻力，才能進行作業(yè)。如圖3所

示，拖拉機作業(yè)時其驅(qū)動力與各種阻力的平衡關(guān)系為：

=++++(1)

????????????

式中：為驅(qū)動力，；為耕作阻力，????????????????????????????；????????為滾動阻????????????????????力，；為坡度阻力，；為空

氣阻力，????????????；為加速阻力，????????????????。????????????????????????????????????????????????????

拖拉機額定牽引力，通常由其主要配套農(nóng)機具在常用工作條件下的平均牽引阻力（耕作阻力）

????????????????????????

來確定，考慮其工作條件及農(nóng)具性能變化所引起的阻力變化因素，應(yīng)留有10%～20%的儲備。在農(nóng)業(yè)

????????????

生產(chǎn)中，犁耕是最基本且負(fù)載較大的作業(yè)，額定牽引力的確定，首先應(yīng)滿足犁耕工況的要求。拖拉機犁

????????

耕牽引力為：

=?(2)

????????????

式中：為犁鏵個數(shù)；為單個犁鏵寬度，cm；為耕深，cm；為土壤比阻，/。

???????????????????????????????????

拖拉機額定牽引力為：2

?????????????????????????????????????

=(1.1~1.2)(3)

????????????????????????

注：為拖拉機前軸到重心距離，m；為后軸到重心距離，m；為后軸到農(nóng)具理論受力點距離，m；

為重心高度，m；為前輪半徑，m；為后輪半徑，m。

????????????

Note:aisthedistancebetweentractor’sfrontaxleanditsbarycenter,m;bisthedistancebetweentractor’s

?????????????????

rearaxleanditsbarycenter,m;cisthedistancesbetweentractor’srearaxleandimplement’sforcebearingpoint,

m;histheheightofbarycenter,m;Rfistheradiusoffrontwheel,m;Rristheradiusofrearwheel,m.

圖3拖拉機牽引機組作業(yè)受力示意圖

Fig.3Sketchofwheeledtractorworkingwithimplement

3.1.3牽引電動機功率

串聯(lián)混合動力拖拉機牽引功率應(yīng)滿足額定牽引力的要求。牽引電動機在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩特

性，在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有恒功率特性。針對串聯(lián)混合動力拖拉機，利用其牽引電動機低轉(zhuǎn)速時的恒轉(zhuǎn)矩

特性，以拖拉機進行犁耕作業(yè)時的最大設(shè)定速度作為確定牽引電動機恒轉(zhuǎn)矩工況最大轉(zhuǎn)速的設(shè)定依據(jù)。牽

引電動機功率應(yīng)滿足拖拉機犁耕作業(yè)時所需的額定牽引力，即：

3.6(4)

=

????????????????????

式中：為牽引電動機功率，；為拖拉機耕作速度，????????????/；為牽引效率。

????????

由式（4）計算出牽引電動機的功率，在產(chǎn)品目錄上選擇合適的電動機，其額定功率應(yīng)滿足：

?????????????????????????????????????????

????????????????????

(5)

?????????????????????

3.1.4發(fā)動機/發(fā)電機功率

發(fā)動機/發(fā)電機組是混合動力拖拉機主要供能單元，其在拖拉機正常工作時不僅需要產(chǎn)生供給牽引電

動機的功率，還需產(chǎn)生附加功率以承載非牽引、連續(xù)的輔助功率，如機載GPS、照明設(shè)備、車內(nèi)負(fù)載、

通信設(shè)備、電子系統(tǒng)以及輔助設(shè)備（如風(fēng)冷風(fēng)扇等）所需的功率，估算這部分功率需求為3～15。同

時發(fā)動機/發(fā)電機組還需提供驅(qū)動液壓懸掛裝置的功率，并需要在蓄電池組的SOC（stateofcharge）降低時

????????

根據(jù)控制策略對其進行充電。因此發(fā)動機/發(fā)電機的額定功率設(shè)計值為：

()(6)

=????????

????????

????+????????+3～15

式中：為輸電效率；為驅(qū)動液壓懸掛裝置所需????????????功率，????????；為懸掛系統(tǒng)效率。

3.1.5變速器排擋設(shè)置

????????????????????????????????

按照拖拉機用途不同，將其工作方式分為作業(yè)模式和行駛模式2種。當(dāng)拖拉機處于作業(yè)模式時，利

用牽引電動機低轉(zhuǎn)速時的恒轉(zhuǎn)矩特性進行工作；當(dāng)拖拉機處于行駛模式時，利用牽引電動機高轉(zhuǎn)速時的

恒功率特性進行工作，使其具有較大的車速變化范圍。因此，應(yīng)根據(jù)拖拉機不同工況下的負(fù)荷大小進行

變速器排擋設(shè)置。根據(jù)拖拉機負(fù)荷率的不同，其作業(yè)模式分為3種：100%負(fù)荷率時的重載模式、85%負(fù)

荷率時的中載模式、70%負(fù)荷率時的輕載模式。本文所述裝機對象設(shè)置4個排擋，即按照拖拉機作業(yè)模式

不同的3個作業(yè)模式擋和一個以55%負(fù)荷率為設(shè)定值的行駛模式擋。在牽引電動機達到額定轉(zhuǎn)速時有：

.

=100%=(7)

36?????1?????1

1????????T

?????????.????

=85%=(8)

36?????2?????2

2????????T

?????????.????

=70%=

(9)

36?????3?????3

3????????T

?????????.????

=55%=(10)

36?????4?????4

4????????

式中：為各擋負(fù)荷，；????為各擋負(fù)載阻力，?????????T；為各擋行駛速度，/。

由于拖拉機行駛速度變化較緩，可假設(shè)在各擋位下工作時的拖拉機均以一擋（本文定義為基本工作擋）

????1～????4????????????1～????4????????????1～????4?????????

時的額定轉(zhuǎn)速作為參照值，那么在某一時刻，電動機輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與功率之間存在下列關(guān)系：

(11)

=9550

????????

式中：為擋時變速器輸出端的最大轉(zhuǎn)矩，????????N·m；為電動機輸出功率，kW；為一擋額定轉(zhuǎn)

????1

速，r/min。

????????????????????????1

則第n擋傳動比in為：

=(12)

????1

式中：ξ為配比系數(shù)。????????????

????????

3.1.6能量存儲裝置功率和能量設(shè)計

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鑒于拖拉機實際作業(yè)時會出現(xiàn)負(fù)載突變，為了保證混合動力拖拉機正常作業(yè)，本文使用蓄電池組補

充負(fù)載突變所需的峰值功率，可表示為：(13)

????????????=

????????

式中：為某擋位標(biāo)定負(fù)荷率下的輸入功率，????????????kW；?????????為負(fù)載突變時所需牽引功率，????kW。

?????????????????

對于本文所述混合動力拖拉機而言，其蓄電池的功率為：

????????????????????(14)

15%

????????

取鋰電池的比能量/比功率為0.1h，可得鋰電池組的能量容量為：

???????????????????????????????????

=0.1(15)

3.1.7質(zhì)量參數(shù)設(shè)計

????????????????

最大使用質(zhì)量應(yīng)使所設(shè)計的拖拉機在所屬工況下工作時，滑轉(zhuǎn)率不超過規(guī)定值的情況下發(fā)揮

出額定牽引力，即：

????????????????????

=(16)

????????????

式中：為滑轉(zhuǎn)率為規(guī)定值時的附著系數(shù)；????????????????????為動態(tài)質(zhì)量分配系數(shù)；為滾動阻力系數(shù)。在對發(fā)電