CN106080163B - 一种四轮驱动混合动力拖拉机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四轮驱动混合动力拖拉机，包括底盘和车轮，底盘包括油箱、发动机、分动器、发电机、动力输出轴、驱动电机、电耦合器、蓄电池组、蓄电池充电器和电机控制器，发动机和发电机为基本动力源，蓄电池组为辅助动力源；发动机和电动机间设有分动器，发动机的动力经分动器分别为动力输出轴和发电机提供动力并可独立控制两股动力流的开关与大小；四个驱动电机分别安在四个车轮内并驱动四个车轮，车轮与驱动电机通过传动系统传动；油箱同发动机通过油路连接，发动机与分动器、分动器与发电机及动力输出轴之间为机械连接。本发明具有低排放，使用范围广，故障点少等优点，地面附着性高，牵引性能好，操作简便。

Description

一种四轮驱动混合动力拖拉机
技术领域
本发明涉及一种拖拉机，尤其涉及一种混合动力拖拉机，属于农业机械技术领域。
背景技术
对于拖拉机而言，其作用主要体现在于：在农业上，用于田间耕作，牵引和驱动农具进行耕作；在工业和生活中，牵引和运输重型设备；尤其对于某些特殊场合，如极地科考，雪灾救援等路况恶劣的情况，作为能够良好适应路况并产生足够牵引力的运输和交通工具。目前，传统拖拉机多采用柴油机作为动力源，不仅排放恶劣，消耗石油资源，而且由于其牵引力要求较高，常常需有复杂的功率转换装置(变速箱，二级传动装置，差速器等等)来改变动力性从而达到工作要求，不仅研发和制造成本较高，而且大大增加了操作人员的培训成本；另外，传统拖拉机大多采用两轮驱动，这样并不能使所有质量落到驱动轮上面，整车质量对于地面附着力的提升利用率较低，从而最大附着力较小，使车轮较容易产生滑移，从而影响了最大牵引力。而拖拉机作为一种牵引车辆，应主要属于生产工具的范畴而不是交通工具的范畴，因此某些高转速发动机(如燃气轮机发动机)以及具有缓动态特性的发动机(如斯特林发动机)是可以根据情况进行选用的，但是传统拖拉机由于无法做到机械解耦，故无法使用那些外特性特殊的发动机。我国幅员辽阔，气候跨度大，地形丰富，因此无论从农业用途还是其他用途考虑，作为牵引机械的拖拉机应该具有较强的路况适应能力和较好的牵引性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够实现机械解耦、路况适应性好的混合动力拖拉机。
为解决这一技术问题，本发明提供了一种四轮驱动混合动力拖拉机，包括底盘和车轮，所述底盘包括油箱、发动机、分动器、发电机、动力输出轴、驱动电机、电耦合器、蓄电池组、蓄电池充电器和电机控制器，所述发动机和发电机为基本动力源，蓄电池组为辅助动力源；发动机和发电机之间设有分动器，发动机的动力经分动器分别为动力输出轴和发电机提供动力并可独立控制两股动力流的开关与大小；四个驱动电机分别安装在四个车轮内并分别驱动四个车轮，车轮与各自的驱动电机之间通过传动系统传动；所述油箱同发动机之间通过油路连接，发动机与分动器、以及分动器与发电机及动力输出轴之间为机械连接；所述电耦合器包括整流器和双向电力电子变换器；发电机的输出通过整流器连接到电力总线，蓄电池组作为双向能源，通过可控的双向电力电子变换器连接到电力总线，电力总线连接到电机控制器，所述电机控制器依靠C型两象限斩波器控制驱动电机的转速；当牵引功率大于发动机/发电机所能提供的功率时，蓄电池需要提供一部分功率以补偿不足部分；制动时，若制动功率大于驱动电机所能产生的制动功率时，采用混合制动模式，当制动功率小于驱动电机所能产生的制动功率时，仅采用再生制动模式；反之，若蓄电池的荷电状态低于设定荷电状态值，则发动机/发电机运行在全负荷状态，并驱动发电机给蓄电池组充电；若蓄电池的荷电状态处于满荷电状态时，则发动机/发电机提供牵引功率；发电机、蓄电池充电器以及再生制动时的驱动电机均可对蓄电池组进行充电、或通过墙插座由电网向蓄电池组充电。
所述发动机和分动器之间通过齿轮组一传动，分动器与动力输出轴和发电机之间通过齿轮组二传动。
所述车轮与各自的驱动电机之间的传动系统为一对具有高转速比的薄行星齿轮副。
所述车轮和各自的驱动电机之间的传动系统为摩擦型带传动，摩擦型带传动由大轮、小轮和皮带组成。
所述驱动电机为直流电机。
所述拖拉机还包括适应该拖拉机的转向前桥以及相应的转向轴和转向横拉杆。
有益效果：本发明由发电机和发动机联合作业，其中发电机产生整车牵引力，发动机为发电机提供稳固的电力并增大蓄电池组的续航能力，以及直接驱动位于拖拉机尾部的动力输出轴；由加速踏板通过一套齿轮连杆装置和电阻应变片调节电压调速，转矩调节范围广；相比二轮驱动拖拉机，本发明中附着力的产生对于整车质量的利用率明显较高；相比传统拖拉机，减少了变速箱的使用，大大降低了驾驶员的操作复杂度；相比于有机械传动参与的拖拉机而言，本发明大大降低了能量的机械损失和热损失，能源利用率高；此外本发明还具有低排放，使用范围广，故障点少等优点，可以广泛用于田间作业以及恶劣多变路况下牵引的四轮驱动，地面附着性高，牵引性能好，操作简便。
附图说明
图1为本发明的总成示意主视图；
图2为本发明的总成示意俯视图；
图3为本发明的总成示意左视图；
图4为本发明混合动力点驱动系组成结构图；
图5为本发明的控制示意图；
图6为本发明的控制流程图。
图中：1底盘、2车轮、3油箱、4发动机、5分动器、6发电机、7动力输出轴、8驱动电机、9电耦合装置、10蓄电池组、11蓄电池充电器、12电机控制器、13齿轮组一、14齿轮组二、15传动系统、16转向轴、17转向横拉杆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做具体描述。
图1所示为本发明的总成示意主视图。
图2所示为本发明的总成示意俯视图。
图3所述为本发明的总成示意左视图。
本发明包括底盘1和车轮2。
所述底盘1包括油箱3、发动机4、分动器5、发电机6、动力输出轴7、驱动电机8、电耦合器9、蓄电池组10、蓄电池充电器11和电机控制器12，适应本发明的驱动转向前桥；以及适应本发明部件以及整车质量分配的底盘布置和适应本发明的覆盖件。
所述发动机4和发电机6为基本动力源，蓄电池组10为辅助动力源。
所述发动机4和发电机6之间设有分动器5，发动机4的动力经分动器5分别为动力输出轴7和发电机6提供动力并可独立控制两股动力流的开关与大小；由于尺寸问题，连接分动器第一轴和发动机以及分动器第三轴和发电机的是两个传动齿轮组。
四个驱动电机8分别安装在四个车轮2内并分别驱动四个车轮2，车轮2与各自的驱动电机8之间通过传动系统15传动。
所述油箱3同发动机4之间通过油路连接，发动机4与分动器5、以及分动器5与发电机6及动力输出轴7之间为机械连接。
所述发动机4和分动器5之间通过齿轮组一13传动，分动器5与动力输出轴7和发电机6之间通过齿轮组二14传动。
为满足拖拉机工作时的离地高度的要求，本发明所述底盘1离地高度设计的较高，其底盘1离地高度高于其车轮2的中心高度，所述车轮2与各自的驱动电机8之间的传动系统15为一对具有高转速比的薄行星齿轮副，降低驱动电机转速，并增大驱动电机的扭矩。
当该混合动力拖拉机用于较“硬”的土地进行耕作或拖动较大负载时，为满足拖拉机工作时的离地高度的要求，所述底盘1离地高度高于其车轮2的中心高度，为防止过载情况导致电机“烧坏”，其车轮2和各自的驱动电机8之间的传动系统15为摩擦型带传动或同步带传动，摩擦型带传动由大轮、小轮和皮带组成，同步带传动由两个带轮和同步带组成。
所述拖拉机还包括适应该拖拉机的转向前桥以及相应的转向轴16和转向横拉杆17。
图4所示为本发明混合动力点驱动系组成结构图。
所述电耦合器9包括整流器和双向电力电子变换器。
发电机6的输出通过可控的电子变流器(整流器)连接到电力(DC)总线。
所述发动机4和发电机6组为基本动力源，蓄电池组10为辅助动力源，蓄电池组10作为双向能源，通过可控的双向电力电子变换器(DC-DC变换器)连接到电力(DC)总线。
电力总线连接到电机控制器12，驱动电机被控制为电动机或是发电机，并以正向或反向运转。
发电机6、蓄电池充电器11以及再生制动时的驱动电机8均可对蓄电池组10进行充电。
蓄电池充电器11通过墙插座由电网向蓄电池充电。
动力输出轴7可以调节转速。
所述驱动电机8为直流电机、他励或并励直流电机、或串励直流电机。
根据该混合动力拖拉机的主要用途选择驱动电机，由于是牵引用途，因此对牵引力的要求较高，所以选用直流电机(相比交流电机，直流电机具有较高的启动扭矩)；若本发明用于重视调速性能的场合，可选用他励或并励直流电机，可通过调节电枢回路的电阻来控制电机转速；若本发明用于大负荷过载或要求高启动转矩的情况时，可以选用串励直流电机。
本发明采用4WD动力形式，目的在于增大拖拉机的最大附着力，从而改善整车的附着性。
本发明采用四个驱动电机分别安装在四个车轮内分别驱动四个车轮，满足拖拉机传动系统的机械解耦，从而具有两个车轮的转速解耦，本发明的传动系统主要为机电相似性的电系统，这种结构具有相似的机械差速器功能，并有类似于传统牵引控制的辅助防滑功能，从而实现了每个车轮的转速和转矩都能独立控制的功能，可以大大提高车辆的驾驶性能，可以使该拖拉机在恶劣路况下具有较好的适应性，从而大大简化了驱动系；采用分电机驱动结构的另一个好处在于，解决了大马力驱动时电机尺寸较大的问题；可采用功率总和等于大功率电机功率的四个较小功率的电机，其尺寸也较小，便于整车装配的布局。
图5所示为本发明的控制示意图。
所示的电机控制器，主要依靠C型两象限斩波器，控制驱动电机转速。C型两象限斩波器主要靠控制占空比δ的值来对电机进行控制，根据可知，不仅可以通过调节δ的大小来控制电枢电流，还可以通过改变δ的大小，调节δV-E的正负来控制电枢电流的方向，从而控制电机的正转与反转。
图6所示为本发明的控制流程图。
为本发明的控制策略的目标在于满足由驾驶员给出的所需功率的指令，并同时保持蓄电池的荷电状态为高电平。发动机/发电机组为基本动力源，而蓄电池为辅助动力源。蓄电池高电平的荷电状态可以保证车辆在任何时刻的高性能。当牵引功率大于发动机/发电机所能提供的功率时，蓄电池需要提供一部分功率以补偿不足部分。当牵引功率小于发动机/发电机最佳运行区运行时所能提供的功率时，取决于蓄电池的荷电状态，若蓄电池的荷电状态低于设定荷电状态值，则发动机/发电机运行在全负荷状态，驱动电机与给蓄电池充电；若蓄电池的荷电状态处于满荷电状态时，则发动机/发电机提供牵引功率。制动时，若制动功率大于驱动电机所能产生的制动功率时，采用混合制动模式，驱动电机产生最大的制动功率(最大的再生制动功率)，机械制动系统产生剩余的制动效率。当制动功率小于驱动电机所能产生的制动功率时，仅采用再生制动模式。
本发明还包括工作台、驾驶室、前盖、保险杠、排气管、进气管和尾灯，各个部件的装配位置均在其车架上，车架形式采用边梁式车架；各个部件的装配位置如图1所示；满足各部件尺寸的覆盖件设计方案采用经验法设计，参考东方红X-804覆盖件的方案，并根据各部件的尺寸在座椅下地板，后围板，等部位进行了变动以适应电系统各个部件的尺寸的要求；对前盖进行了变动，以适应发动机尺寸的改变并扩大的驾驶员的视野；由于采用4WD形式，车轮传动机械解耦，整车底盘可以适当提高以适应较高作物的中耕作业要求。
本发明的工作原理：
驾驶员通过踩加速踏板，发动机4运转，其转速由加速踏板控制；动力经传动齿轮组传到分动器5，经由分动器5，动力分别分为两股动力流，一股驱动发电机6发电，一股驱动动力输出轴7；驾驶员可以通过设在驾驶室地板的动力输出轴档杆和动力接合杆分别对动力输出轴7进行调速以及控制动力是否传入发电机6；当驾驶员挂上动力接合杆，动力驱动发电机6发电，发电机6输出交流电，经整流器变为直流电；蓄电池组10根据整车控制器的控制进行充放电，充放电时，与整车电路经过DC-DC转换器相连通；电流进入电机控制器12从而根据设定的控制策略与电路规则分别将电流分向四个驱动电机8，通过控制其电枢电流的大小控制各个车轮2的转速。
本发明由发电机和发动机联合作业，其中发电机产生整车牵引力，发动机为发电机提供稳固的电力并增大蓄电池组的续航能力，以及直接驱动位于拖拉机尾部的动力输出轴；由加速踏板通过一套齿轮连杆装置和电阻应变片调节电压调速，转矩调节范围广；相比二轮驱动拖拉机，本发明中附着力的产生对于整车质量的利用率明显较高；相比传统拖拉机，减少了变速箱的使用，大大降低了驾驶员的操作复杂度；相比于有机械传动参与的拖拉机而言，本发明大大降低了能量的机械损失和热损失，能源利用率高；此外本发明还具有低排放，使用范围广，故障点少等优点，可以广泛用于田间作业以及恶劣多变路况下牵引的四轮驱动，地面附着性高，牵引性能好，操作简便。
以上已以较佳实施例公布本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种四轮驱动混合动力拖拉机，包括底盘(1)和车轮(2)，其特征在于：所述底盘(1)包括油箱(3)、发动机(4)、分动器(5)、发电机(6)、动力输出轴(7)、驱动电机(8)、电耦合器(9)、蓄电池组(10)、蓄电池充电器(11)和电机控制器(12)，所述发动机(4)和发电机(6)为基本动力源，蓄电池组(10)为辅助动力源；发动机(4)和发电机(6)之间设有分动器(5)，发动机(4)的动力经分动器(5)分别为动力输出轴(7)和发电机(6)提供动力并可独立控制两股动力流的开关与大小；四个驱动电机(8)分别安装在四个车轮(2)内并分别驱动四个车轮(2)，车轮(2)与各自的驱动电机(8)之间通过传动系统(15)传动；所述底盘(1)离地高度高于其车轮(2)的中心高度，所述油箱(3)同发动机(4)之间通过油路连接，发动机(4)与分动器(5)、以及分动器(5)与发电机(6)及动力输出轴(7)之间为机械连接；所述电耦合器(9)包括整流器和双向电力电子变换器；发电机(6)的输出通过整流器连接到电力总线，蓄电池组(10)作为双向能源，通过可控的双向电力电子变换器连接到电力总线，电力总线连接到电机控制器(12)，所述电机控制器(12)依靠C型两象限斩波器控制驱动电机(8)的转速；当牵引功率大于发动机/发电机所能提供的功率时，蓄电池需要提供一部分功率以补偿不足部分；制动时，若制动功率大于驱动电机所能产生的制动功率时，采用混合制动模式，当制动功率小于驱动电机所能产生的制动功率时，仅采用再生制动模式；反之，若蓄电池的荷电状态低于设定荷电状态值，则发动机/发电机运行在全负荷状态，并驱动发电机(6)给蓄电池组(10)充电；若蓄电池的荷电状态处于满荷电状态时，则发动机/发电机提供牵引功率；发电机(6)、蓄电池充电器(11)以及再生制动时的驱动电机(8)均可对蓄电池组(10)进行充电、或通过墙插座由电网向蓄电池组(10)充电。
2.根据权利要求1所述的四轮驱动混合动力拖拉机，其特征在于：所述发动机(4)和分动器(5)之间通过齿轮组一(13)传动，分动器(5)与动力输出轴(7)和发电机(6)之间通过齿轮组二(14)传动。
3.根据权利要求1所述的四轮驱动混合动力拖拉机，其特征在于：所述车轮(2)与各自的驱动电机(8)之间的传动系统(15)为一对具有高转速比的薄行星齿轮副。
4.根据权利要求1所述的四轮驱动混合动力拖拉机，其特征在于：所述车轮(2)和各自的驱动电机(8)之间的传动系统(15)为摩擦型带传动，摩擦型带传动由大轮、小轮和皮带组成。
5.根据权利要求1所述的四轮驱动混合动力拖拉机，其特征在于：所述驱动电机(8)为直流电机。
6.根据权利要求1-5任一项所述的四轮驱动混合动力拖拉机，其特征在于：所述拖拉机还包括适应该拖拉机的转向前桥以及相应的转向轴(16)和转向横拉杆(17)。
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