1、 本科生毕业论文（设计）开题报告题 目:并联式混合动力拖拉机动力耦合变速装置的设计研究 姓 名: 陆梦欢 学 院: 工学院 专 业: 车辆工程 班 级: 车辆 122 学 号: 30312214 指 导教师: 邓晓亭 职称: 讲师 2016 年 3 月 5 日南京农业大学教务处制本课题的意义、国内外研究概况、应用前景等（列出主要参考文献）1.本课题的意义我国是世界农业大国,农业是我国的传统和基础产业。近年来,随着国民经济的快速发展和国家各项农机补贴政策的出台,使得农用车辆的使用量和保有量显著增加。由于农用车辆(如拖拉机)的工作特性主要是从事工作环境较为恶劣的农田作业,其耗油量大且排放性能差，从
2、而引起相关的资源紧张，环境恶化等问题日益加剧 1。拖拉机作业环境恶劣多变，动力系统能量利用率差，尾气排放中含有大量 CO、碳氧化合物、碳氢化合物、氮氧化合物等污染物，已成为主要环境污染源之一。拖拉机作为农业生产发展的重要工具，已成为能源消耗和环境污染的罪魁祸首，因而此开展节能环保型农用车辆的研究，尤其是拖拉机，对缓解能源消耗和环境污染压力有很重要的意义 2。拖拉机在农业生产活动中占据着举足轻重的地位，不仅能够装备农机具进行犁地、耙地、除草、喷洒农药等大多数田间作业，而且可以牵引挂车在田间公路完成各种运输任务，是农业生产活动中主要的动力机械之一。随着农业机械化的快速发展，农用机械车辆，特别是拖拉
3、机对环境和资源造成的压力也在逐年增加。与汽车相比，拖拉机的工作环境较为复杂，在土壤路面行驶受滑移率影响较大，在不同作业条件下，行驶速度和需求转矩大大不同，驱动系统结构较复杂且控制难度较大。混合动力拖拉机需要辅带不同的农机具进行农业生产作业，犁耕作业时，拖拉机机组的需求转矩最大，电动拖拉机受到电池技术的短板限制，无法保持长时间进行生产作业。通过借鉴混合动力汽车的先进技术，将其应用到拖拉机上，是解决目前传统拖拉机所带来的一系列问题有效方法。随着混合动力系统技术的不断发展完善，各种新技术也在不断的更新。目前混合动力技术已经成熟运用在汽车，客车及矿用车上，不久的将来混合动力技术也会在拖拉机上实现 3。
4、为了提高拖拉机的生产率、经济性和使用方便性,必须增加变速箱的排档数和扩大变速范围。目前,六档以上的变速箱己在新生产的拖拉机上占绝大多数 4,但拖拉机的档位相对较多，而目前对于动力耦合装置的研究较少，单独设置动力耦合装置再加上变速箱，会使拖拉机结构复杂，布置难度加大，因此研究混合动力拖拉机的动力耦合变速装置，能够对混合动力拖拉机产业化发展提供基础。并联式混合动力拖拉机变速箱与动力耦合装置的合理整合设计，能使拖拉机结构紧凑，能提高拖拉机动力性、燃油经济性、作业效率及操作自动化水平，这对我国的农业机械化的发展有着重要的意义。2.国内外研究概况2.1 国外研究状况20 世纪 90 年代以来，由于相关技
5、术的提高和环境问题的严峻性，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力汽车。日本丰田汽车公司于 1997 年底，就推出的 Prius 混合动力汽车，是全世界最早批量化生产的混合动力汽车 5。在 2004 年，丰田在巴黎车展上展出了更高性能的混合动力车的原型车 Prius GT。丰田公司宣称，混合动力技术的技术寿命将与发动机一样长，并将在丰田旗下的车型中更大范围地采用混合动力技术。丰田汽车所使用的是 THS 行星齿轮动力耦合装置，如图 1-1 所示。发动机行星架相连，发电机与太阳轮相连，电动机与齿圈相连，通过转速耦合的方式，对整车输出转矩。图 1-1丰田 prius动力耦合装置日本另一家汽
6、车公司一本田公司也推出了本田 insight 混合动力汽车，油耗达到3.3L/km,也是世界上排放最低的车辆之一，并将此技术移植到 CIVIC 与 ACCORD 车上进行批量生产。insight 采用的是转矩耦合的方式，通过一根动力输出轴将发动机、电机和变速箱结合在一起，实现两动力源的动力叠加，如图 1-2 所示 6。图 1-2 本田 insight动力耦合装置在欧洲，各大汽车厂商在市场的推动下也陆续推出了自己研制的混合动力车型，法国雷诺公司推出 VERT和 Hymme的混合动力车型，SPA 汽车集团也陆续推出了两款混合动力车型，分别是贝灵格和 RSAXA。混合动力汽车的发展，使得汽车的油耗不
7、断降低，欧洲的各大企业都在向着百公里 3升油耗的方向努力。2.2国内研究发展概况随着“十五”国家高新技术研究发展计划（863 计划）将混合动力新能源汽车列入重大专项后，国内的各大型汽车公司都在进行混合动力项的研发，并且很多都是多企业间的强强合作 7。2006年，东风汽车公司生产的混合动力公交车被批准上市，开创了国内混合发展的先河，成为第一家发布新能源混合动力汽车的企业。该车配备康明斯电控柴油机、镍氢动力电池组和风冷式电机为主要部件，采用并联方式驱动，较传统汽车燃油消耗降低 28%，并保证了良好的动力性能。东风汽车公司研发的一款混合动力汽车结构如图 1-3所示，将动力耦合装置设计在变速器一轴与离
8、合器输出轴之间，电机通过动力耦合装置的常啮合齿轮与变速箱相连，通过转矩耦合方式与发动机共同输出动力。图 1-3 东风混合动力系统而高校中南京农业大学的学者们根据拖拉机在不同工况下的转矩和转速要求，设计了由一级变速斜齿轮传动、一级定轴直齿轮传动和单排行星差动轮系传动组成的混合动力拖拉机动力耦合装置传动方案，并对其传动比、特征参数、齿数匹配进行了设计计算。概图 1-4。他们在自行搭建的混合动力拖拉机试验台上对该动力源耦合装置进行了台架试验。试验结果表明，该动力耦合装置工作稳定可靠。驱动轮转速随着动力源转速的变化而变化，实时性能优，且随电动机转速变化更为敏感。驱动轮转矩随动力源转速变化较小，能够满足
9、混合动力拖拉机在各工况工作状态下的转矩要求 8。图 1-4混合动力拖拉机动力耦合装置原理图3.应用前景并联式混合动力系统较传统动力系统，增加了电机、动力耦合机构及蓄电池；通常发动机工作在满负荷(中等转速)下燃油经济性较好，电动机可以通过平衡发动机负载，可使其工作在高效区。当车辆外界负载较小时，传统动力系统发动机的燃油经济性较差，而并联式混合动力系统可以关闭发动机而仅用电动机驱动车辆或者控制发动机工作在一定功率的高效区，其输出动力一边驱动车辆，一边给蓄电池充电。当车辆外界载荷较大时，需求功率较大，可以协调控制电机和发动机工作，控制电机输出，使发动机工作在高负荷率、稳定、高效区 9。一般的混合动力
10、拖拉机，是动力耦合装置和变速器分开,为独立的结构,其缺点是联接传动机构零件多,空间布置及系统装配困难。而动力耦合变速装置由于是在机械式变速箱的基础上改进所得,其结构简单,改动小,投入小,不但集动力合成,变速功能于一体,而且减少了过渡传动零件,结构紧凑,减少了整体空间尺寸和整体的质量。系统均为机构传动,传动效率高,其箱体的零件主要为齿轮和轴,加工成本低 10。参考文献:1邓晓亭。混合动力拖拉机动力特性的研究D. 南京：南京农业大学，2012：3-4.2Mousazadeh H, Keyhani ALife-cycle assessment of a Solar Assist Plug-in Hy
11、brid electric Tractor (SAPHT)in comparison with a conventional tractorJ. Energy Conversion and Management，52 (2011)：170017103王春光。并联式混合动力拖拉机能量管理策略研究D. 洛阳：河南科技大学，2014:1-2.4高辉松,朱思洪,贺亮,邓晓亭,朱永刚,朱星星。拖拉机动力换挡变速箱和无级变速箱发展现状与趋势J. 机械传动, 2012,36(8):119-123.5 TOYOTA Motor Corporation.Development of electric motor
12、s for the toyota hybrid vehicle“prius“R.The16th International Electric Vehicle Symposium and Exposition,Beijing,china,1999.6严威。并联式混合动力汽车动力偶合装置研究D. 武汉：武汉理工大学，2012:3-5.7Tony Markel.Plug-in Hybrid Electric Energy Vehicles.National Renewable Energy laboratory 2006.5.8.8邓晓亭，朱思洪，钱忠祥，张莹。混合动力拖拉机动力耦合装置的研制J.农
13、业工程学报,2012，28（16）：30-33.9时辉。混合动力拖拉机动力系统设计研究D. 洛阳：河南科技大学，2014：13-14.10钱皓。并联式混合动力客车自动变速耦合箱的 Simulink 与 Adams 的联合仿真D. 武汉：武汉理工大学，2007:1-2.研究的目标、内容和拟解决的关键问题4.研究的目标根据并联式混合动力拖拉机的工作特性和传动特性，研究适用于并联式混合动力拖拉机的动力耦合装置类型。结合拖拉机的速度要求，设计研究动力耦合变速装置，建立其三维模型。在此基础上，对动力耦合变速装置进行仿真研究，并对其输出特性进行研究。5.研究的内容本课题以某种混合动力拖拉机为研究对象，对混
14、合动力拖拉机的变速箱和动力耦合装置设计理论及参数匹配进行研究。主要内容有：（1）根据并联式混合动力拖拉机工作特性要求，确定动力耦合装置类型。（2）结合拖拉机速度要求，设计动力耦合变速装置的传动原理图。（3）结合所设计的传动原理图，设计计算其传动比要求。（4）确定齿轮参数，并进行强度校核。（5）建立动力耦合变速装置的三维模型。（6) 运用动力学仿真软件仿真分析动力耦合变速装置的工作过程。6.拟解决的关键问题（1）根据混合动力拖拉机工作特性和速度特性要求，采用行星轮系设计混合动力拖拉机耦合变速装置，研究并设计其传动原理和传动方案。 （2）合理计算并选择耦合变速装置中各参数，且对其参数进行合理匹配。
15、研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析7.研究方法针对步骤（1）(2)（3） （4） （5） ，研究方法主要是文献分析法：通过对中国学术期刊网、万方数据资源系统等中文数据库及外文数据库的检索，收集有关资料，并对收集到的材料进行归纳分析，为论文作铺垫。针对步骤（2） （3） ，研究方法可以是数学计算法：分析提前给定的拖拉机参数，运用公式进行相关计算，得出设计所需的重要数据。针对步骤（4） （5） ，研究方法可以是实验研究法：利用相关模拟仿真软件，对设计好的三维模型进行仿真，得到所需的模拟结果。8.技术路线文献分析确定动力耦合装置类型设计动力传递原理图设计计算行星差动轮系传动比与变速箱传动比计算
16、各齿轮参数设计发动机端离合器和传动轴 设计电动机端离合器和传动轴建立 3D 模型发动机单独工作 电动机单独工作仿真分析都工作9.实验方案课题的目的就是要设计出一种能实现变速和动力耦合两个功能的装置，同时要设计出它的三维图。因为课题主要涉及到的都是理论计算，所以实验环节并没有多少，更多的是在最后动力模拟仿真阶段要分步进行模拟仿真实验：1. 导入动力耦合变速装置三维图。2. 恒转速驱动模拟3. 恒扭矩驱动模拟4. 分析仿真结果10.可行性分析（1）国内外专家学者对于混合动力拖拉机的并联式动力耦合装置设计计算、分析等也进行过各种研究，我们可以借鉴学习，确定出动力耦合装置。根据混合动力拖拉机所要求的转
17、速转矩，参考相关行星差动轮方面的书籍，积极创新，设计出混合动力传递原理图，传动比。再用书本上的相关公式，计算出齿轮参数。之后自己构建3D模型，并仿真分析。（2）国内外虽然对动力耦合装置研究颇多，但动力耦合装置与变速箱的整合很少被提及应用。（3）本人就读的是车辆工程专业，学习了较多机械设计，机械原理书籍，以及对汽车方面的专业知识也是有一定的掌握。11.特色或创新之处 基于拖拉机工作特性和牵引特性，设计出一套适用于并联式混合动力拖拉机的动力耦合变速装置。国内外对于动力耦合装置的研究主要集中在混合动力汽车方面，很少用于拖拉机方面，也并未将动力耦合装置和变速箱整合起来。目前我国拖拉机大多仍为传统式驱动系统，排放大，污染严重，应用混合动力拖拉机是未来的发展趋势，而将其中并联式动力耦合装置与行星齿轮系的变速箱整合在一起，更是节省了空间，使得结构紧凑。12.研究计划及预期进展（1）12.12 日3.4 日，翻译外文资料一篇，选题，撰写开题报告，准备开题答辩。（2）3.4 日3.10 日，查阅相关资料、论文，分析动力传输的路线图。（3）3.10 日3.25 日，查阅相关论文、沟通导师，确定传动比，对齿轮的各参数进行设计计算，并进行强度校核。（4）3.26 日5.10 日，学习三维软件和仿真软件，绘出动力耦合装置及变速箱，并进行仿真分析。（5）5.10 日6 月 1日，撰写毕业论文，准备毕业答辩。
