一種大馬力拖拉機傳動裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種大馬力拖拉機傳動裝置，包括前橋、后橋、齒輪分動箱、機電復合傳動系統、動力輸出傳動箱，所述機電復合傳動系統包括發動機、一號電機、二號電機、功率分配器、行星減速器和功率集合件，功率集合件通過外嚙合齒輪與齒輪分動箱的輸入軸連接，齒輪分動箱的后輸出軸與后橋連接，前輸出軸與前橋連接，所述發動機的輸出軸依次通過彈性聯軸器、一號電機、功率分配器，再通過離合器與動力輸出傳動箱相連接，本發明所述的傳動裝置將發動機功率在輸入端進行分流，在輸出端匯合于車輪驅動軸上，通過適宜的控制策略，可實現無級變速和兩種功率流的復合驅動，具有傳動結構簡單，占用空間小，傳動效率高，排放低，油耗低，易操作的優點。
【專利說明】
一種大馬力拖拉機傳動裝置
技術領域
[0001]本發明屬于農業機械技術領域，具體涉及一種大馬力拖拉機傳動裝置。
【背景技術】
[0002]目前我國農業拖拉機特別是大馬力拖拉機的傳動裝置大多采用齒輪式的變速箱，在利用拖拉機耕田時，需要低的行駛速度和大的輸出扭矩，拖拉機在路面上運輸行駛時，需要相對高的行駛速度和小的輸出扭矩，為適應外界負荷和行程阻力的頻繁變動，變速箱需能夠適時的變更轉速和扭矩，這通常需要增加變速箱的換擋排數，必然使變速箱的結構復雜而笨重，而采用液壓栗加馬達的靜壓傳動方式雖可以實現平穩的無級變速，但存在傳動效率較低、元件造價成本高等問題，但純電動驅動存在續航時間短、充電不便等缺點，尤其對于大馬力拖拉機來說，大容量的蓄電池存在體積大、重量重、成本高等問題;而采用發動機、發電機、電動機、變速箱依次串聯設置的驅動系統可以應用在大馬力拖拉機上，但發動機發出的功率先由發電機轉為電能，再由電動機轉為機械能，整個傳動裝置存在兩次能量轉換，導致傳動裝置傳動效率不高，同時由于發動機與發電機直接連接，發電機轉速低且電機裝機功率大，同樣存在電機體積和重量大，整車空間布置困難，造價成本高等問題。
[0003]現在有的汽車生產廠家開始研制功率分流的變速箱，可簡化變速箱的結構，實現無級變速功能，豐田公司的Prius混合動力系統(THS)就是采用功率分匯流式的無級變速傳動裝置，并已成功應用于汽車領域，THS傳動裝置根據汽車的工況，有多種工作模式，系統控制復雜，其驅動系統主要滿足汽車對前進方向速度的控制需要，Prius汽車在倒車時，發動機關閉，采用蓄電池能量進行純電動倒車，這主要是由于倒車時，Prius的電動機(齒圈)反轉，如果發動機仍在工作，即行星架在正向旋轉，根據行星機構差動原理，會使發電機(太陽輪)正向旋轉的速度更快，超過允許的額定轉速，影響齒輪及軸承的使用壽命，故Prius倒車采用純電動模式，且倒車速度不易過快，可使行星機構的各個部件工作在限定轉速范圍內。
[0004]而拖拉機工況多變、作用種類繁多、工作環境惡劣，在前進方向和倒車方向都要精確控制拖拉機的行駛速度和輸出牽引力，對于拖拉機長時間倒車的工況，如果采用純電動模式，則需要非常大的蓄電池容量，導致整車布局困難，故Prius的THS傳動裝置是不適合在拖拉機上運用;此外Prius汽車在市區行駛時，會頻繁剎車和加速，制動能量回收可觀，另外對于汽車起步和倒車工況，均采用純電動方式行駛，故Prius汽車都配有一個較大容量蓄電池，而拖拉機常在田間工作，行駛速度低，制動能量回收有限，且拖拉機前進和后退均需對外輸出牽引力，因此需要對現有的傳動裝置進行改進。
【發明內容】
[0005]為解決上述問題，本發明公開了一種大馬力拖拉機傳動裝置，將發動機功率在輸入端進行分流，在輸出端匯合于車輪驅動軸上，使拖拉機在前進和后退時均利用發動機的功率進行驅動，通過適宜的控制策略，即可實現拖拉機在前進和后退方向上都有較寬的無級調速范圍和較大的牽引力，驅動裝置具有傳動機構結構簡單、操作簡便、傳動效率高等優點，同時可改善發動機的工作點，提高發動機的燃料經濟性和改善排放性。
[0006]為達到上述目的，本發明的技術方案如下:
一種大馬力拖拉機傳動裝置，其特征在于:包括前橋、后橋、齒輪分動箱、機電復合傳動系統、動力輸出傳動箱、彈性聯軸器，所述機電復合傳動系統包括發動機、一號電機、二號電機、功率分配器、行星減速器和功率集合件，所述功率分配器、行星減速器為齒輪結構，所述功率分配器有三個連接端，分別為行星齒輪的太陽輪一、齒圈一和行星架一，所述行星架一與發動機的輸出軸連接，齒圈一與一號電機輸入軸連接，太陽輪一與功率集合件連接，所述行星減速器有兩個副連接端和一個固定端，其第一副連接端對應為太陽輪二與二號電機的輸出軸連接，第二副連接端對應為齒圈二與功率集合件連接，固定端對應為行星架二且固定不動，功率集合件同時與功率分配器的太陽輪一和行星減速器的齒圈二相連接，功率集合件的輸出端通過外嗤合齒輪與齒輪分動箱的輸入軸相連接，齒輪分動箱的后輸出軸與后橋連接，前輸出軸與前橋連接，所述發動機的輸出軸依次通過彈性聯軸器、一號電機、功率分配器、功率集合件、行星減速器和二號電機，再通過離合器與動力輸出傳動箱相連接，所述發動機、一號電機、二號電機、功率分配器、行星減速器、功率集合件為同軸設置，所述動力輸出傳動箱另一端設有動力輸出軸。
[0007]作為本發明的一種改進，所述功率分配器為二自由度的單排行星齒輪。
[0008]作為本發明的一種改進，所述行星減速機為單自由度的單排行星齒輪。
[0009]作為本發明的一種改進，所述發動機為柴油機，所述一號電機為永磁同步發電機，所述二號電機為永磁同步電動機。
[0010]本發明的有益效果是:
本發明所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，采用功率分流后再匯合的傳動模式，由功率分配器將發動機功率進行分流:一部分流向電力傳動部分，另一部分流向機械傳動部分，兩部分功率最后匯合于車輪驅動軸上，共同驅動行走，通過控制系統的合理控制，使之能夠根據拖拉機的作業工況，把發動機的驅動功率合理分配為電功率和機械功率，使兩路傳動協同工作，在實現無級變速功能平穩實現的同時，可改善發動機的工作點，從而提高了拖拉機的作業效率及燃料經濟性，同時電機裝機功率小，易于電機在拖拉機上的結構布置和安裝，同時考慮到拖拉機存在前進和后退均需要工作的工況，對發電機與電動機進行了專門布置，使拖拉機在后退時，仍采用發動機功率進行電力驅動，保證拖拉機在倒車時仍可以無級調速并發揮出合適牽引力，確保拖拉機前進、后退方向可靠工作。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明的實施例示意圖。
[0012]圖2為本發明所述的功率分配器的結構示意圖。
[0013]圖3為本所述的行星減速器的結構示意圖。
[0014]圖4為本發明所述的拖拉機低速檔機電功率分配比。
[0015]圖5為本發明所述的拖拉機高速檔機電功率分配比。
[0016]圖6為本發明所述的拖拉機低速檔牽引力特性曲線。
[0017]圖7為本發明所述的拖拉機高速檔牽引力特性曲線。
[0018]圖8為本發明機電復合傳動系統倒車工況行星結構列線圖。
[0019]圖9為本發明所述的Prius汽車THS系統倒車工況行星機構列線圖。
[0020]附圖標記列表:
1、前橋，2、發動機，3、彈性聯軸器，4、發動機輸出軸，5、一號電機，6、功率分配器，7、功率集合件，8、行星減速器，9、二號電機，10、離合器，11、后橋，12、動力輸出傳動箱，13、動力輸出軸，14、后輸出軸，15、齒輪分動箱，16、前輸出軸，17、輸入軸，18、外嚙合齒輪，61、太陽輪一，62、行星齒輪一，63、齒圈一，64、行星架一，81、齒圈二，82、行星架二，83、行星齒輪二，84、太陽輪二。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】，進一步闡明本發明，應理解下述【具體實施方式】僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。需要說明的是，下面描述中使用的詞語“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附圖中的方向，詞語“內”和“外”分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。
[0022]如圖1所示，本發明所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，包含前橋1、后橋11、齒輪分動箱15、機電復合傳動系統、動力輸出傳動箱12，機電復合傳動系統包括發動機2、一號電機5、二號電機9、功率分配器6、行星減速器8和功率集合件7，一號電機5構造為發電機，二號電機9構造為電動機，在空間布局上，發動機2、一號電機5、二號電機9、功率分配器6、行星減速器8、功率集合件7為同軸布置，功率集合件7與輸入軸17之間通過外嚙合齒輪18傳動相連接，齒輪分動箱15的后輸出軸14與后橋11連接，前輸出軸16與前橋I連接，發動機的輸出軸4在經過彈性聯軸器3的連接作用后，依次穿過一號電機5、功率分配器6、功率集合件7、行星減速器8和二號電機9，再通過離合器10與拖拉機的動力輸出傳動箱12相連接，動力輸出傳動箱12另一端設有動力輸出軸13，通過調節動力輸出傳動箱12速比，可實現動力輸出軸13不同工作轉速的需求。
[0023]本發明所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，功率分配器6包含太陽輪一61、行星齒輪一62、齒圈一63和行星架一64三個連接端，如圖2所不:功率分配器6為兩自由度的單排行星齒輪機構，第一連接端為行星架一 64并與發動機的輸出軸4相連接;其第二連接端構造為行星齒輪的齒圈一 63并與一號電機5的輸入軸相連接;其第三連接端構造為太陽輪一 61并與功率集合件7連接，功率分配器6的作用是將發動機2的輸出功率分成電功率和機械功率兩部分，并對外輸出。
[0024]本發明所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，行星減速器8為單自由度的單排行星齒輪機構，包含齒圈二81，行星架二82，行星齒輪二83、和太陽輪二84，所述行星減速器8有兩個副連接端和一個固定端，如圖3所示:其第一副連接端為太陽輪二 84并與二號電機9的輸出軸相連接;其第二副連接端構造為齒圈二 81并與功率集合件7連接;其固定端為行星架二 82且固定不動。
[0025]功率集合件7同時與功率分配器6太陽輪一 61和行星減速器8的齒圈二 81相連接，功率集合件7的作用是將電功率和機械功率匯總，并傳送給拖拉機的后續傳動機構。
[0026]本發明所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，具體工作原理如下:發動機2輸出的功率經發動機輸出軸4首先進入功率分配器6，通過功率分配器6的分流作用將發動機2的功率(轉速和扭矩)進行分流:一部分發動機功率經過功率分配器的齒圈一63流向一號電機5，這部分為電力傳動，由齒圈一 63帶動一號電機5進行發電，發出的電功率經過電機模塊控制器后，輸出給二號電機9，由二號電機9對外旋轉做功，將電能變為機械能，輸出到行星減速器8的太陽輪二84上，再由齒圈二81輸出，另一部分的發動機功率流向功率分配器6的太陽輪一61，為機械傳動，兩部分的功率最后匯合于功率集合件7，并通過輸入軸17傳給后續的齒輪分動箱15，通過后輸出軸14和前輸出軸16將總功率分配給后橋11和前橋I，實現拖拉機的驅動行走，在齒輪分動箱15中使用高低速換擋同步器，可使拖拉機在I檔(低速擋)進行田間工作和Π檔(高速檔)進行運輸工作，通過電機模塊控制器的控制，可控制電力傳動的輸出轉速，從而使整個系統輸出端的轉速連續變化，實現無級變速功能平穩過渡，不會在變速過程中出現停頓現象。
[0027]根據拖拉機的作業工況，在電機控制系統的合理控制下，可使兩路傳動協同工作，使發動機的功率得到合理分配，拖拉機表現出優異的牽引特性，如圖4、5所示為電功率和機械功率在拖拉機不同行駛速度下的功率分配比例示意圖，圖6、7為拖拉機的牽引力特性曲線，以拖拉機I檔(低速擋，不超過20km/h)工作為例說明，拖拉機I檔工作區的前進車速為0-20km/h，拖拉機起步時，需要較大驅動力，發動機功率主要轉換為電功率，這充分利用電動機低速大扭矩的特性，進行大扭矩的電力驅動，發揮電力驅動的優勢；圖6所示在6km/h以下(這是拖拉機常用的犁耕工作速度)，拖拉機可發揮出最大牽引力，隨著拖拉機速度的不斷提高，所需驅動力減少，在電機控制系統的調節下，使電功率逐漸變小而機械功率逐漸變大，如圖4和圖6所示，在車速為6km/h時，電功率變為73%，機械功率變為27%，車速增加到15km/h時，電功率減少到27%，機械功率增加到73%，牽引力逐步減少，當達到最大車速20km/h時，僅為機械傳動，功率百分比平滑改變，既充分利用機械傳動效率高效的特點，同時牽引力也降為最小值，符合車輛行駛理論，拖拉機后退車速為O?-15km/h，后退時，發動機功率通過發電機變為電功率，使電動機反轉，機械傳動為無功功率，系統效率有下降，但仍可實現無級調速并發揮出較大牽引力，如圖6，保證了拖拉機可長時間處于后退工作狀態，圖5和圖7為拖拉機Π檔運輸區的功率分配比和牽引力特性曲線，其特征與I檔工作區類似，而且原理相同。
[0028]本發明對發電機(一號電機5)與電動機(二號電機9)的安裝位置進行了特殊布置，倒車時，可防止發電機轉速過高的問題，如圖8所示為本發明中的行星機構列線圖，通過電動機反轉，實現倒車工況，此時功率集合件7反轉，即功率分配器6的太陽輪一61反轉，而行星架(與發動機的輸出軸連接)只能正向旋轉，由于行星輪系的結構，3個零件轉速之間的關系總是為一條以傳動比為比例關系的直線，故發電機的齒圈會增速，但增加幅度不太，仍在可允許的轉速范圍內，故可實現由發動機功率驅動車輛倒車;而Prius汽車倒車時，如采用發動機功率進行驅動，則發電機的太陽輪轉速會超高，圖9為Prius汽車THS系統行星機構列線圖，圖中的虛線位置，發電機的太陽輪已超速，故Prius汽車倒車，采用純電動模式，使發動機停轉(行星架轉速為零)，且車速不易過快，才能使發電機的太陽輪轉速在允許轉速范圍之內，如圖9所示的實線位置，THS系統不適宜于拖拉機使用。
[0029]由于為機電復合驅動，因此該傳動方式下的電機裝機功率與串聯模式相比可減小，且電機為高速電機，通過提高電動機的轉速，可使電機的體積和重量得到明顯減少，因此采用該用驅動方式，易于實現電機在大馬力拖拉機上的結構布置和安裝。
[0030]本發明所述發動機2為柴油機，經濟性較好，故障少，保養容易，工作可靠，堅固耐用，壽命長，所述一號電機5采用永磁同步發電機，所述二號電機9采用永磁同步電動機，體積小，損耗低，效率高，節約能源。
[0031]本發明所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，采用功率分流后再匯合的傳動模式，由功率分配器將發動機功率進行分流:一部分流向電力傳動部分，另一部分流向機械傳動部分，兩部分功率最后匯合于車輪驅動軸上，共同驅動行走，通過控制系統的合理控制，使之能夠根據拖拉機的作業工況，把發動機的驅動功率合理分配為電功率和機械功率，使兩路傳動協同工作，在實現無級變速功能平穩實現的同時，可改善發動機的工作點，從而提高了拖拉機的作業效率及燃料經濟性，同時電機裝機功率小，易于電機在拖拉機上的結構布置和安裝，同時考慮到拖拉機存在前進和后退均需要工作的工況，對發電機與電動機進行了專門布置，使拖拉機在后退時，仍采用發動機功率進行電力驅動，保證拖拉機在倒車時仍可以無級調速并發揮出合適牽引力，確保拖拉機前進、后退方向可靠工作。
[0032]本發明所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，克服了以前拖拉機串聯設置的驅動系統傳動效率不高、電機裝機功率大、體積大的缺點，本發明所述的傳動裝置，將發動機功率在輸入端進行分流，在輸出端匯合于車輪驅動軸上，使拖拉機在前進和后退時均利用發動機的功率進行驅動，功率傳遞的綜合效率較高，既保證了傳動效率，又能夠減少安裝空間與設備重量，變速平穩，拖拉機在前進和后退方向上都有較寬的無級調速范圍和較大的牽引力，提高了工作效率。
[0033]上述實施例不以任何形式限制本發明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種大馬力拖拉機傳動裝置，其特征在于:包括前橋、后橋、齒輪分動箱、機電復合傳動系統、動力輸出傳動箱、彈性聯軸器，所述機電復合傳動系統包括發動機、一號電機、二號電機、功率分配器、行星減速器和功率集合件，所述功率分配器、行星減速器為齒輪結構，所述功率分配器有三個連接端，分別為行星齒輪機構的太陽輪一、齒圈一和行星架一，所述行星架一與發動機的輸出軸連接，齒圈一與一號電機輸入軸連接，太陽輪一與功率集合件連接，所述行星減速器有兩個副連接端和一個固定端，其第一副連接端對應為太陽輪二與二號電機的輸出軸連接，第二副連接端對應為齒圈二與功率集合件連接，固定端對應為行星架二且固定不動，功率集合件同時與功率分配器的太陽輪一和行星減速器的齒圈二相連接，功率集合件的輸出端通過外嚙合齒輪與齒輪分動箱的輸入軸相連接，齒輪分動箱的后輸出軸與后橋連接，前輸出軸與前橋連接，所述發動機的輸出軸依次通過彈性聯軸器、一號電機、功率分配器、功率集合件、行星減速器和二號電機，再通過離合器與動力輸出傳動箱相連接，所述發動機、一號電機、二號電機、功率分配器、行星減速器、功率集合件為同軸設置，所述動力輸出傳動箱另一端設有動力輸出軸。2.根據權利要求1所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，其特征在于:所述功率分配器為二自由度的單排行星齒輪。3.根據權利要求1所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，其特征在于:所述行星減速機為單自由度的單排行星齒輪。4.根據權利要求1所述的一種大馬力拖拉機傳動裝置，其特征在于:所述發動機為柴油機，所述一號電機為永磁同步發電機，所述二號電機為永磁同步電動機。
【文檔編號】B60K6/52GK105922857SQ201610324767
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】肖亨琳, 倪敏雄, 崔東進, 張榮其
【申請人】無錫開普機械有限公司