Components Sizing and Performance Analysis of Hydro-Mechanical Power Split Transmission Applied to a Wheel Loader

Abstract

The powertrain efficiency deeply affects the performance of off-road vehicles like wheel loaders in terms of fuel economy, load capability, smooth control, etc. The hydrostatic transmission (HST) systems have been widely adopted in off-road vehicles for providing large power density and continuous variable control, yet using relatively low efficiency hydraulic components. This paper presents a hydrostatic-mechanical power split transmission (PST) solution for a 10-ton wheel loader for improving the fuel economy of a wheel loader. A directly-engine-coupled HST solution for the same wheel loader is also presented for comparison. This work introduced a sizing approach for both PST and HST, which helps to make proper selections of key powertrain components. Furthermore, this work also presented a multi-domain modeling approach for the powertrain of a wheel loader, that integrates the modeling of internal combustion (IC) engine, hydraulic systems, mechanical transmission, vehicle(wheel) dynamics, and relevant control systems. In this modeling, an engine torque evaluation method with a throttle position control system was developed to describe the engine dynamics; a method to express the hydraulic loss of the axial piston hydraulic pump/motor was developed for modeling the hydraulic transmission; and a vehicle velocity control system was developed based on altering the displacement of a hydraulic unit. Two powertrain models were developed, respectively, for the PST and HST systems of a wheel loader using MATLAB/Simulink. The simulation on a predefined wheel loader drive cycle was conducted on both powertrain models to evaluate and compare the performance of wheel loader using different systems, including vehicle velocity, hydraulic displacement control, hydraulic torque, powertrain efficiency, and engine power consumption. The simulation results indicate that the vehicle velocity controller developed functions well for both the PST and HST systems; a wheel loader using the proposed PST solution can overall save about 8% energy consumption compared using an HST solution in one drive cycle. The sizing method and simulation models developed in this work should facilitate the development of the powertrains for wheel loaders and other wheeled heavy vehicles.

Characteristic Analysis and Co-Validation of Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission Based on the Wheel Loader

“…There are two different types of the HMCVT, as shown in Figure 3. It is the input coupling type, as can be seen in Figure 3a, that has the PG as the power junction device (PJD), and the output coupling type, as can be seen in Figure 3b, that has the PG as the power-split device (PSD) [8,9]. Appl.…”

“…Ince et al developed a novel power-split-input-coupled infinitely variable transmission (IVT) system and carried out kinematic analysis of the new system [8]. Xiong et al designed and analyzed comparatively the directly coupled HST and the output-coupled power split transmission (PST) for a 10 ton wheel loader for improving the fuel economy of a wheel loader [9]. Liu et al introduced and analyzed a kind of multi-range hydro-mechanical transmission (HMT) based on dual stage input-coupled layout, which had a mean efficiency of about 83% in a wide speed range through the simulation [10].…”

Lựa chọn phương pháp điều khiển sức cản thủy lực trong hệ thống thủy lực trên cơ cấu lắp dựng cần trục tháp

“…Hình 1. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu lắp dựng cần trục tháp Nghiên cứu trong [2], [14], [15] cung cấp cơ sở lý thuyết tính toán giá trị tải trọng nói chung, tải trọng tác dụng từ bàn quay tới lồng lắp dựng và kết cấu thân tháp, giá trị tải trọng dùng cho nhiều bài toán khác nhau như tính toán hệ thống thủy lực, thân tháp, neo giằng tháp, tính móng máy. Các tác giả trong [3] nêu vấn đề điều khiển ổn định vận tốc xy-lanh thủy lực, phân tích một số nguyên nhân làm mất ổn định vận tốc động cơ thủy lực, giới thiệu một số sơ đồ điều khiển sử dụng phối hợp sức cản thủy lực và van điều chỉnh áp suất cho mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến.…”

“…Các tác giả trong [8] nghiên cứu hệ điện -thủy lực để điều khiển tốc độ động cơ thủy lực với bơm bánh răng và sử dụng máy tính điều khiển cùng bộ chuyển đổi A/D, van tỷ lệ, các cảm biến áp suất và vị trí. Các nghiên cứu trong [9][10][11][12][13] cung cấp các cơ sở lý thuyết chung về điều khiển hệ truyền động thủy lực, nghiên cứu trong [14,15] tính toán các thông số cơ bản hệ truyền động thủy tĩnh của máy, phương pháp tính toán hiệu suất hệ truyền động thủy lực. Như vậy liên quan tính toán điều khiển hệ thống thủy lực cho cơ cấu lắp dựng cần trục tháp và các thiết bị nâng tương tự ở Việt Nam và trên thế giới, chủ yếu liên quan tới tải trọng thiết kế, phương pháp điều khiển vận tốc động cơ thủy lực, tính toán các thông số cơ bản.…”

Integrated Analysis of Influence of Multiple Factors on Transmission Efficiency of Loader Drive Axle

“…To improve the transmission efficiency of a loader, Lyu et al [6] designed an output power-split transmission system, in which a planetary gear set was applied as the dynamic coupling element to allow the output power of the loader to be split-transmitted. Xiong et al [7] introduced a sizing approach for both hydrostatic-mechanical power-split transmission (PST) and hydrostatic transmission (HST) systems and presented a multidomain modeling approach for the powertrain of a wheel loader. The sizing method and simulation models should facilitate the development of powertrains for wheel loaders and other wheeled heavy vehicles.…”