履帶車輛機電復合傳動耦合機構(gòu)數(shù)學特征的研究

韓政達，毛 明，馬曉楓，蓋江濤

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

現(xiàn)階段履帶車輛機電復合傳動典型方案主要有雙側(cè)電機方案、橫軸式方案、多模式混聯(lián)式方案，其特點為:

橫軸式方案屬于串聯(lián)式，他有2個電機，一個較大的直駛電機提供直駛功率和轉(zhuǎn)向平動功率，一個較小的電機提供轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動功率，具有很好的直駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性能，并能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向時的機械功率回流.但是橫軸的存在使得其體積和布置靈活度受到限制.

雙側(cè)電機方案屬于串聯(lián)式，由2個電機分別獨立驅(qū)動兩側(cè)的主動輪.發(fā)動機與車輛主動輪柔性連接，在空間布置上比較靈活，但兩側(cè)電機間無機械連接，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機械功率回流，直駛穩(wěn)定性對控制系統(tǒng)的要求也較高.

多模式混聯(lián)式方案是將發(fā)動機與2個或多個電機通過行星排三構(gòu)件有機結(jié)合在一起，使電機與發(fā)動機均能工作在高效率區(qū)間，車輛也能實現(xiàn)較寬范圍的無級變速.但發(fā)動機與主動輪間有機械連接，空間布置不靈活，而且多模式行星機構(gòu)只是解決了直駛分路，仍然需要采用單獨的換擋機構(gòu)及轉(zhuǎn)向機構(gòu)，使體積重量增大，控制也較復雜[1-4].

結(jié)合以上分析，如果能找到一種方案既能充分發(fā)揮各方案優(yōu)點，又能避免各方案的缺點，是研究者對新方案的普遍追求.即新方案應兼具如下特點:采用串聯(lián)式，使發(fā)動機與主動輪間無剛性連接，增加空間布置靈活性;擋位盡可能少，減少操縱件數(shù)量，降低操縱控制復雜性;直駛功能與轉(zhuǎn)向功能有機耦合，無需單獨的轉(zhuǎn)向傳動分路;采用2個相同的電機 (左右兩側(cè)各一個)，既滿足可行性與經(jīng)濟性，又便于控制.

滿足上述新方案要求的關(guān)鍵是尋找一個如圖1所示的耦合機構(gòu)，具有雙輸入雙輸出且對稱的特性，自由度為2.其中，n1，n2為輸入轉(zhuǎn)速，T1，T2為輸入扭矩，x1，x2為輸出轉(zhuǎn)速，M1，M2為輸出扭矩.

圖1 耦合機構(gòu)的輸入輸出

不論耦合機構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成如何，根據(jù)數(shù)學理論，一定存在不為 0 的實數(shù) a1，a2，a3，a4，b1，b2，b3，b4，使輸入輸出有如下線性關(guān)系:

1 耦合機構(gòu)的對稱性

車輛的行駛工況要求耦合機構(gòu)具有對稱性.

對于直駛工況，當x1=x2時，有n1=n2.

代入式 (1)可得:

對于中心轉(zhuǎn)向工況，當 x1=－x2時，有n1=－n2.

代入式 (1)可得:

聯(lián)立式 (3)與式 (4)，可得:

于是，式 (1)可化簡為:

2 耦合機構(gòu)的扭矩平衡特性

耦合機構(gòu)在只受到輸入軸與輸出軸的扭矩作用下穩(wěn)定運行時，由機構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件的加速度為零可得耦合機構(gòu)處于靜力平衡狀態(tài).即輸入軸在軸向所受扭矩與輸出軸在軸向所受扭矩大小相等.即

將式 (2)代入式 (7)，可得

即

3 耦合機構(gòu)的功率平衡特性

在不考慮耦合機構(gòu)內(nèi)部功率消耗的情況下，機構(gòu)的輸入功率與輸出功率大小相等.即

將式 (2)與式 (6)代入式 (10)，可得:

化簡可得:

聯(lián)立式 (9)與式 (12)，可解得:

于是，耦合機構(gòu)的輸入輸出扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系可以進一步化簡為:

至此，耦合機構(gòu)的輸入輸出關(guān)系均表示成只與a1有關(guān)的表達式，如式 (15)與式 (16).耦合機構(gòu)實現(xiàn)方案的不同體現(xiàn)在參數(shù)a1的不同;任何滿足新方案要求的耦合機構(gòu)必然滿足上述條件，這是耦合機構(gòu)可行的必要條件.

4 結(jié)束語

提出了履帶車輛機電復合傳動新方案應具備的特點，其既能發(fā)揮現(xiàn)有各方案的優(yōu)點，又能避免各方案的缺點.根據(jù)耦合機構(gòu)的3種特性，指出滿足新方案要求的耦合機構(gòu)必備的數(shù)學特征，將其輸入與輸出的關(guān)系表示為只與參數(shù)a1有關(guān)的表達式，從而可用于耦合機構(gòu)的尋找以及判斷其是否可行.

[1] 孫逢春，張承寧.裝甲車輛混合動力電傳動技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 閆清東，趙連第，趙毓芹，等.坦克構(gòu)造與設計(下冊)[M].北京:北京理工大學出版社，2007.1.

[3] 臧克茂，廖自力，李 華.坦克裝甲車輛電傳動總體技術(shù)的研究 [J].車輛與動力技術(shù)，2007，(1):5-11.

[4] 廖自力，馬曉軍，臧克茂，等.履帶裝甲車輛電傳動方案比較分析 [J].兵工學報，2006，(7):583-586.