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申请/专利权人：河南科技大学

摘要：本发明涉及传动设备领域，具体的说是一种混合动力拖拉机无级变速器。包括变速器输出轴、变速器输出轴、电气动力系统以及复合行星齿轮机构。本发明在满足拖拉机各种作业工况所需的牵引力、牵引功率和牵引速度的同时，可实现多段连续无级变速，同时可以实现两种不同的混合动力模式，以及负载驻车、制动能量回收、停车充电等特殊工作模式，满足拖拉机复杂工况的要求。变速范围宽，传动效率高，能实现拖拉机良好的燃油经济性和环保性，节能高效，同时可以使用功率较小的电动发电机实现多段连续无级变速，从而减小电动发电机的体积，使得传动结构更加紧凑。

主权项：1.一种混合动力拖拉机无级变速器，其特征在于：包括变速器输入轴（7）、变速器输出轴（21）、电气动力系统以及复合行星齿轮机构；电气动力系统包括第一电动发电机（3）和第二电动发电机（6），第一电动发电机（3）和第二电动发电机（6）均通过动力控制器（4）电连接在蓄电池（5）上；复合行星齿轮机构包括前太阳轮（33）、与前太阳轮（33）啮合的前行星轮（10）、后太阳轮（32）、与后太阳轮（32）啮合的后行星轮（11）、与前行星轮（10）和后行星轮（11）分别配合的公共行星架（12）以及与后行星轮（11）啮合连接的齿圈（9），前太阳轮（33）与变速器输入轴（7）的一端固定连接，变速器输入轴（7）的另一端与发动机（1）的输出轴固定连接，变速器输入轴（7）通过第一啮合齿轮副（2）与第一电动发电机（3）的工作轴传动连接，齿圈（9）通过第二啮合齿轮副（8）与第二电动发电机（6）的工作轴传动连接；在复合行星齿轮机构与变速器输出轴（21）之间还设有第一传动轴（29）、第二传动轴（15）、第三传动轴（24）以及第四传动轴（28），第一传动轴（29）与后太阳轮（32）固定且第一传动轴（29）通过第三啮合齿轮副（14）与第二传动轴（15）传动连接，在第二传动轴（15）上设有与第三啮合齿轮副（14）配合的第一离合器（13），第二传动轴（15）分别通过第四啮合齿轮副（16）和第五啮合齿轮副（18）与第三传动轴（24）传动连接，在第三传动轴（24）上设有与第四啮合齿轮副（16）和第五啮合齿轮副（18）配合的第一同步器（17），第四传动轴（28）通过第六啮合齿轮副（31）与公共行星架（12）传动连接，在第四传动轴（28）上设有与第六啮合齿轮副（31）配合的第二离合器（30），第四传动轴（28）分别通过第七啮合齿轮副（27）和第八啮合齿轮副（26）与第三传动轴（24）传动连接，在第三传动轴（24）上设有与第七啮合齿轮副（27）和第八啮合齿轮副（26）配合的第二同步器（25），第三传动轴（24）分别通过第九啮合齿轮副（23）和啮合齿轮组（19）与变速器输出轴（21）传动连接，啮合齿轮组（19）包括分别设置在第三传动轴（24）和变速器输出轴（21）上的两个相互间隔的传动齿轮以及分别与两个传动齿轮啮合连接的惰轮，在变速器输出轴（21）上还设有与第九啮合齿轮副（23）配合的第三离合器（22）以及与啮合齿轮组（19）配合的第四离合器（20）；还包括PTO输出轴（37），PTO输出轴（37）分别通过第十啮合齿轮副（36）和第十一啮合齿轮副（34）与变速器输入轴（7）传动连接，在PTO输出轴（37）上设有与第十啮合齿轮副（36）和第十一啮合齿轮副（34）配合的第三同步器（35）；变速器输入轴（7）、变速器输出轴（21）、第一传动轴（29）、第二传动轴（15）、第三传动轴（24）以及第四传动轴（28）相互平行分布。

全文数据：一种混合动力拖拉机无级变速器技术领域本发明涉及传动设备领域，具体的说是一种混合动力拖拉机无级变速器。背景技术拖拉机作为一种重要的农业机械，其作业项目多样复杂、作业环境恶劣多变，传统拖拉机电气动力系统作业时发动机工作点差，不能充分利用发动机功率，造成严重能源浪费和尾气排放。混合电气动力系统增加了电机，可以优化发动机工作区域，提高能量利用效率。混联式混合电气动力系统融合了串联式和并联式混合电气动力系统的优点，同时，混联式混合动力拖拉机摒弃传统拖拉机的缺点，延续传统拖拉机的优点，是实现拖拉机节能和环保的有效方法。目前混合动力拖拉机上的动力耦合装置主要采用一对固定速比的啮合齿轮副或单行星排齿轮，这两种结构存在速比范围小，变速不变矩的问题，因此还需要加装多挡变速器，使传动结构不太紧凑。发明内容本发明旨在提供一种混合动力拖拉机无级变速装置，扩大变速范围，传动效率高并使传动结构更加紧凑。为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种混合动力拖拉机无级变速装置，包括变速器输入轴、变速器输出轴、电气动力系统以及复合行星齿轮机构；电气动力系统包第一电动发电机和第二电动发电机，第一电动发电机和第二电动发电机均通过动力控制器电连接在蓄电池上；复合行星齿轮机构包括前太阳轮、与前太阳轮啮合的前行星轮、后太阳轮、与后太阳轮啮合的后行星轮、与前行星轮和后行星轮分别配合的公共行星架以及与后行星轮啮合连接的齿圈，前太阳轮与变速器输入轴的一端固定连接，变速器输入轴的另一端与发动机的输出轴固定连接，变速器输入轴通过第一啮合齿轮副与第一电动发电机的工作轴传动连接，齿圈通过第二啮合齿轮副与第二电动发电机的工作轴传动连接；在复合行星齿轮机构与变速器输出轴之间还设有第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴以及第四传动轴，第一传动轴与后太阳轮固定且第一传动轴通过第三啮合齿轮副与第二传动轴传动连接，在第二传动轴上设有与第三啮合齿轮副配合的第一离合器，第二传动轴分别通过第四啮合齿轮副和第五啮合齿轮副与第三传动轴传动连接，在第三传动轴上设有与第四啮合齿轮副和第五啮合齿轮副配合的第一同步器，第四传动轴通过第六啮合齿轮副与公共行星架传动连接，在第四传动轴上设有与第六啮合齿轮副配合的第二离合器，第四传动轴分别通过第七啮合齿轮副和第八啮合齿轮副与第三传动轴传动连接，在第三传动轴上设有与第七啮合齿轮副和第八啮合齿轮副配合的第二同步器，第三传动轴分别通过第九啮合齿轮副和啮合齿轮组与变速器输出轴传动连接，啮合齿轮组包括分别设置在第三传动轴和变速器输出轴上的两个相互间隔的传动齿轮以及分别与两个传动齿轮啮合连接的惰轮，在变速器输出轴上还设有与第九啮合齿轮副配合的第三离合器以及与啮合齿轮组配合的第四离合器。优选的，还包括PTO输出轴，PTO输出轴分别通过第十啮合齿轮副和第十一啮合齿轮副与变速器输入轴传动连接，在PTO输出轴上设有与第十啮合齿轮副和第十一啮合齿轮副配合的第三同步器。优选的，变速器输入轴、变速器输出轴、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴以及第四传动轴相互平行分布。有益效果本发明在满足拖拉机各种作业工况所需的牵引力、牵引功率和牵引速度的同时，可实现多段连续无级变速，同时可以实现两种不同的混合动力模式，以及负载驻车、制动能量回收、停车充电等特殊工作模式，满足拖拉机复杂工况的要求。变速范围宽，传动效率高，能实现拖拉机良好的燃油经济性和环保性，节能高效，同时可以使用功率较小的电动发电机实现多段无级变速，从而减小电动机的体积，使得传动结构更加紧凑。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的速比特性参考图；图3为本发明中发动机工作在额定工作点下变速器传动比和车速随电动发电机6转速变化特性参考图；图4为本发明的转矩特性参考图；图5为本发明在混合动力模式Ⅰ下拖拉机无级变速系统效率特性参考图；图6为本发明在混合动力模式Ⅱ下拖拉机无级变速系统效率特性参考图；图中标记：1、发动机，2、第一啮合齿轮副，3、第一电动发电机，4、动力控制器，5、蓄电池，6、第二电动发电机，7、变速器输入轴，8、第二啮合齿轮副，9、齿圈，10、前行星轮，11、后行星轮，12、公共行星架，13、第一离合器，14、第三啮合齿轮副，15、第二传动轴，16、第四啮合齿轮副，17、第一同步器，18、第五啮合齿轮副，19、啮合齿轮组，20、第四离合器，21、变速器输出轴，22、第三离合器，23、第九啮合齿轮副，24、第三传动轴，25、第二同步器，26、第八啮合齿轮副，27、第七啮合齿轮副，28、第四传动轴，29、第一传动轴，30、第二离合器，31、第六啮合齿轮副，32、后太阳轮，33、前太阳轮，34、第十一啮合齿轮副，35、第三同步器，36、第十啮合齿轮副，37、PTO输出轴。具体实施方式如图1所示，本发明的一种混合动力拖拉机无级变速器，包括电气动力系统、变速器输入轴7、变速器输出轴21以及复合行星齿轮机构，变速器输入轴7和变速器输出轴21相互平且端部均转动设置在变速装置的机壳上。电气动力系统包括第一电动发电机3以及第二电动发电机6，第一电动发电机3和第二电动发电机6均通过动力控制器4电连接在蓄电池5上。可通过动力控制器4的切换使蓄电池5给第一发电电动机或第二发电电动机供电以输出扭矩，也可通过动力控制器4切换使第一发电电动机和或第二发电电动机发电并充入蓄电池5中。复合行星齿轮机构包括前太阳轮33、与前太阳轮33啮合的前行星轮10、后太阳轮32、与后太阳轮32啮合的后行星轮11、与前行星轮10和后行星轮11分别配合的公共行星架13以及与后行星轮11啮合连接的齿圈9，前太阳轮33与变速器输入轴7的一端固定连接，变速器输入轴7的另一端与发动机1连接，变速器输入轴7通过第一啮合齿轮副2与第一电动发电机3的工作轴传动连接，齿圈9通过第二啮合齿轮副8与第二电动发电机6的工作轴传动连接。在复合行星齿轮机构与变速器输出轴21之间还设有与变速器输入轴7和变速器输出轴21分别平行的第一传动轴29、第二传动轴15、第三传动轴24以及第四传动轴28，并通过第一传动轴29、第二传动轴15、第三传动轴24以及第四传动轴28将动力传递至变速器输出轴21，从而驱动与变速器输出轴21相连的的拖拉机行进轮转动。第一传动轴29、第二传动轴15、第三传动轴24以及第四传动轴28的轴端均转动设置在变速装置的机壳上。第一传动轴29与后太阳轮32固定且第一传动轴29通过第三啮合齿轮副14与第二传动轴15传动连接，在第二传动轴15上设有与第三啮合齿轮副14配合的第一离合器13。第二传动轴15分别通过第四啮合齿轮副16和第五啮合齿轮副18与第三传动轴24传动连接，在第三传动轴24上设有与第四啮合齿轮副16和第五啮合齿轮副18配合的第一同步器17。第四传动轴28通过第六啮合齿轮副31与公共行星架13传动连接，在第四传动轴28上设有与第六啮合齿轮副31配合的第二离合器30。第四传动轴28分别通过第七啮合齿轮副27和第八啮合齿轮副26与第三传动轴24传动连接，在第三传动轴24上设有与第七啮合齿轮副27和第八啮合齿轮副26配合的第二同步器25。第三传动轴24分别通过第九啮合齿轮副23和啮合齿轮组19与变速器输出轴21传动连接。啮合齿轮组19包括分别设置在第三传动轴24和变速器输出轴21上的两个相互间隔的传动齿轮以及分别与两个传动齿轮啮合连接用于改变方向的惰轮，在变速器输出轴21上还设有与第九啮合齿轮副23配合的第三离合器22以及与啮合齿轮组19配合的第四离合器20。本实施例中的变速装置中还包括PTO输出轴37，PTO输出轴37分别通过第十啮合齿轮副36和第十一啮合齿轮副34与变速器输入轴7传动连接，在PTO输出轴37上设有与第十啮合齿轮副36和第十一啮合齿轮副34配合的第三同步器35。本发明可通过各部件的不同状态组合，实现混动拖拉机多种工作模式及分段式无级变速。具体工作模式情况如表1所示，无级变速段各元件接合情况如表2所示。其中的“√”表示处于接合状态，“×”表示处于分离状态。（表2及表3中，第一同步器17、第二同步器25和第三同步器35的左端和右端分别以图1中的左右端为例，下同）。本发明的工作原理如下：混合动力模式Ⅰ：此模式下，第一电动发电机3空载空转，蓄电池5工作在放电状态给第二电动发电机6提供动力。第二电动发电机6动力经第二啮合齿轮副8传递至齿圈9，发动机1动力经变速器输入轴7传递至前太阳轮33，两动力流在行星排汇流后经行星排输出端输出。PTO输出轴37处于工作状态。此模式适用于拖拉机在负载变化不大的工况下工作。混合动力模式Ⅱ：此模式下，发动机1输出动力经第一啮合齿轮副2分流，一部分提供给第一电动发电机3，其余动力与第二电动发电机6输出动力经复合行星排汇流后输出。第一电动发电机3发电供第二电动发电机6工作。第二电动发电机6动力经第二啮合齿轮副8传递至齿圈9，发动机1动力经变速器输入轴7传递至前太阳轮33，两动力流在行星排汇流后经行星排输出端输出。根据外负载决定蓄电池5工作状态，若外负载大，第一电动发电机3供电不足时，蓄电池5处于放电状态与第一电动发电机3联合给第二电动发电机6供电；若第一电动发电机3发出电能驱动第二电动发电机6尚有富余时，富余电量供给蓄电池5充电。PTO输出轴37处于工作状态。此模式适用于拖拉机在负载变化大的工况下工作。纯电动模式：此模式下，第一电动发电机3工作在电动状态输出动力，第二电动发电机6工作在电动状态输出动力，蓄电池5工作在放电状态，发动机1关闭。蓄电池5给第二电动发电机6和第一电动发电机3供电，第二电动发电机6动力经第二啮合齿轮副8输入至行星排，发电机动力经变速器输入轴7传递至前太阳轮33，经行星排汇流流后输出。此模式用于解决附图2中速比不能达到零速的问题。停车发电模式：此模式下蓄电池5工作在充电状态，第二电动发电机6不通电，转子浮动，其余离合器处于分离状态，发动机1输出动力给第一电动发电机3，第一电动发电机3工作给蓄电池5充电。启动发动机1模式：此模式下，第一电动发电机3输出动力，蓄电池5工作在放电状态，第二电动发电机6不通电，转子浮动，其余离合器处于分离状态，蓄电池5给第一电动发电机3提供动力，第一电动发电机3工作给发动机1提供启动所需转矩。能量制动回收模式：第一电动发电机3处于发电模式，第二电动发电机6处于发电模式，蓄电池5工作在充电状态。制动能量由变速器输出轴21输入，动力经传动结构传递至行星排后，经齿圈9和第二啮合齿轮副8一部分传递到第二电动发电机6，第二电动发电机6工作在发电状态给蓄电池5充电，另一部分经前太阳轮33传递至变速器输入轴7，经第一啮合齿轮副2分流，一部分提供发动机1制动转矩，另一部分驱动第一电动发电机3给蓄电池5充电，从而完成制动能量回收。负载驻车模式：此模式下，第一电动发电机3转子锁止，第二电动发电机6转子锁止，蓄电池5工作在放电状态，发动机1关闭。此模式适用于拖拉机工作时处于停车状态或由静止启动的工况。PTO输出处于不工作状态。此外，在混合动力模式Ⅰ和Ⅱ下，通过不同离合器的接合状态，可实现多段无级变速。各无级变速段的离合器接合情况如下：前进方向无级变速F1段：第四离合器20，第一离合器13分离，第二离合器30接合，汇合动力流经公共行星架12输出，经第六齿轮副31、第二离合器30输入第四传动轴28，由于第二同步器25右端接合，故动力流经第八齿轮副26、第二同步器25输入至第三传动轴24。第三离合器22接合，动力流经第三离合器22、第九齿轮副23输入至变速器输出轴21输出。前进方向无级变速F2段：第四离合器20，第二离合器30分离，第一离合器13接合，汇合动力流经后太阳轮32输出，经第三齿轮副14、第一离合器13输入第二传动轴15，由于第一同步器17右端接合，故动力流经第五齿轮副18、第一同步器17输入至第三传动轴24。第三离合器22接合，动力流经第三离合器22、第九齿轮副23输入至变速器输出轴21输出。前进方向无级变速F3段：第四离合器20，第一离合器13分离，第二离合器30接合，汇合动力流经公共行星架12输出，经第六齿轮副31、第二离合器30输入第四传动轴28，由于第二同步器25左端接合，故动力流经第七齿轮副27、第二同步器25输入至第三传动轴24。第三离合器22接合，动力流经第三离合器22、第九齿轮副23输入至变速器输出轴21输出。前进方向无级变速F4段：第四离合器20，第二离合器30分离，第一离合器13接合，汇合动力流经后太阳轮32输出，经第三齿轮副14、第一离合器13输入第二传动轴15，由于第一同步器17左端接合，故动力流经第四齿轮副16、第一同步器17输入至第三传动轴24。第三离合器22接合，动力流经第三离合器22、第九齿轮副23输入至变速器输出轴21输出。倒车方向无级变速R1段：第三离合器22，第一离合器13分离，第二离合器30接合，汇合动力流经公共行星架12输出，经第六齿轮副31、第二离合器30输入第四传动轴28，由于第二同步器25右端接合，故动力流经第八齿轮副26、第二同步器25输入至第三传动轴24。第四离合器20接合，动力流经第四离合器20、齿轮组19输入至变速器输出轴21输出。倒车方向无级变速R2段：第三离合器22，第二离合器30分离，第一离合器13接合，汇合动力流经后太阳轮32输出，经第三齿轮副14、第一离合器13输入第二传动轴15，由于第一同步器17右端接合，故动力流经第五齿轮副18、第一同步器17输入至第三传动轴24。第四离合器20接合，动力流经第四离合器20、齿轮组19输入至变速器输出轴21输出。倒车方向无级变速R3段：第三离合器22，第一离合器13分离，第二离合器30接合，第二同步器25左端接合，汇合动力流经公共行星架12输出，经第六齿轮副31、第二离合器30输入第四传动轴28，由于第二同步器25左端接合，故动力流经第七齿轮副27、第二同步器25输入至第三传动轴24。第四离合器20接合，动力流经第四离合器20、齿轮组19输入至变速器输出轴21输出。倒车方向无级变速R4段：第三离合器22，第二离合器30分离，第一离合器13接合，动力流能经后太阳轮32输出，经第三齿轮副14、第一离合器13输入第二传动轴15，由于第一同步器17左端接合，故动力流经第四齿轮副16、第一同步器17输入至第三传动轴24。第四离合器20接合，动力流经第四离合器20、齿轮组19输入至变速器输出轴21输出。从上述原理可看出，本发明涉及的混合动力无级变速系统可以工作在混合动力模式Ⅰ、混合动力模式Ⅱ、纯电动模式、停车充电、启动发动机1、能量制动回收、负载驻车模式共7种模式，适用拖拉机复杂工况。此外，不同离合器的接合状态组合都对应一个不同速比，起到了多档变速箱的作用。在混合动力模式Ⅰ和Ⅱ下，在前进方向和倒车方向可分别实现四段连续无级变速，扩大了变速范围。附图2横坐标电动无级速比e定义为第二电动发电机6转速与发动机1转速之比。从附图2可看出，可以通过调节电无级速比e实现无级变速。从附图3可以看出，在发动机1转速不变的情况下，可以通过调节第二电动发电机6转速调节电无级速比e，进而实现无级变速。EF段为纯电动段，对应纯电动模式，可以解决附图2中速比不能达到零速的问题。附图4坐标纵轴采用变速器输出转矩与第二电动发电机6极限转矩之比表示。双曲线部分表示任意传动比下，由发动机1转矩决定的变速器输出转矩，折线部分表示由第二电动发电机6限制的变速器最大输出转矩。从附图4可以看出，在变速范围内，由第二电动发电机6极限转矩决定的动力特性场能够覆盖由发动机1转矩决定的动力特性场，保证任意车速下变速器都能够传递发动机1的最大功率。从附图5和6可以看出，该发明涉及的混合动力无级变速系统在两种不同混动模式下变速器效率均高于95%，传动效率高。

权利要求：1.一种混合动力拖拉机无级变速器，其特征在于：包括变速器输入轴（7）、变速器输出轴（21）、电气动力系统以及复合行星齿轮机构；电气动力系统包第一电动发电机（3）和第二电动发电机（6），第一电动发电机（3）和第二电动发电机（6）均通过动力控制器（4）电连接在蓄电池（5）上；复合行星齿轮机构包括前太阳轮（33）、与前太阳轮（33）啮合的前行星轮（10）、后太阳轮（32）、与后太阳轮（32）啮合的后行星轮（11）、与前行星轮（10）和后行星轮（11）分别配合的公共行星架（12）以及与后行星轮（11）啮合连接的齿圈（9），前太阳轮（33）与变速器输入轴（7）的一端固定连接，变速器输入轴（7）的另一端与发动机（1）的输出轴固定连接，变速器输入轴（7）通过第一啮合齿轮副（2）与第一电动发电机（3）的工作轴传动连接，齿圈（9）通过第二啮合齿轮副（8）与第二电动发电机（6）的工作轴传动连接；在复合行星齿轮机构与变速器输出轴（21）之间还设有第一传动轴（29）、第二传动轴（15）、第三传动轴（24）以及第四传动轴（28），第一传动轴（29）与后太阳轮（32）固定且第一传动轴（29）通过第三啮合齿轮副（14）与第二传动轴（15）传动连接，在第二传动轴（15）上设有与第三啮合齿轮副（14）配合的第一离合器（13），第二传动轴（15）分别通过第四啮合齿轮副（16）和第五啮合齿轮副（18）与第三传动轴（24）传动连接，在第三传动轴（24）上设有与第四啮合齿轮副（16）和第五啮合齿轮副（18）配合的第一同步器（17），第四传动轴（28）通过第六啮合齿轮副（31）与公共行星架（12）传动连接，在第四传动轴（28）上设有与第六啮合齿轮副（31）配合的第二离合器（30），第四传动轴（28）分别通过第七啮合齿轮副（27）和第八啮合齿轮副（26）与第三传动轴（24）传动连接，在第三传动轴（24）上设有与第七啮合齿轮副（27）和第八啮合齿轮副（26）配合的第二同步器（25），第三传动轴（24）分别通过第九啮合齿轮副（23）和啮合齿轮组（19）与变速器输出轴（21）传动连接，啮合齿轮组（19）包括分别设置在第三传动轴（24）和变速器输出轴（21）上的两个相互间隔的传动齿轮以及分别与两个传动齿轮啮合连接的惰轮，在变速器输出轴（21）上还设有与第九啮合齿轮副（23）配合的第三离合器（22）以及与啮合齿轮组（19）配合的第四离合器（20）。2.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机无级变速器，其特征在于：还包括PTO输出轴（37），PTO输出轴（37）分别通过第十啮合齿轮副（36）和第十一啮合齿轮副（34）与变速器输入轴（7）传动连接，在PTO输出轴（37）上设有与第十啮合齿轮副（36）和第十一啮合齿轮副（34）配合的第三同步器（35）。3.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机无级变速器，其特征在于：变速器输入轴（7）、变速器输出轴（21）、第一传动轴（29）、第二传动轴（15）、第三传动轴（24）以及第四传动轴（28）相互平行分布。

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