雙中間軸變速器設(shè)計(jì)中的整車動(dòng)力性分析

蒲宏武，邢俊文，孟祥政

（裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072）

1 引言

雙中間軸變速器采用美國(guó)伊頓技術(shù)為代表的雙中間軸結(jié)構(gòu)形式，具有承載能力強(qiáng)、工作可靠、擋位數(shù)多以及同樣標(biāo)定輸入轉(zhuǎn)矩下體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)［1］。圖1所示是十擋雙中間軸變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，其包括輸入軸、兩根中間軸、主軸和輸出軸，并且采用主、副箱組合形式。輸入功率傳遞到雙中間軸變速器時(shí)，在雙中間軸部分分流，每個(gè)中間軸、中間軸兩端的軸承和中間軸上的齒輪只傳遞總功率的一半。主軸兩側(cè)承受的齒輪嚙合力大小相等，方向相反，分解后徑向力互相抵消，切向力構(gòu)成一力偶。因此，主軸只承受扭矩，不承受彎矩。雙中間軸變速器在重型車領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，我國(guó)雙中間軸變速器技術(shù)尚處于起步階段，其理論研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)推動(dòng)重型車輛變速器技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

動(dòng)力性指車輛在各擋行駛時(shí)，各種行駛速度下具有的牽引性能。車輛傳動(dòng)系統(tǒng)是影響整車動(dòng)力性的主要因素。變速器作為傳動(dòng)系的重要部件，其擋位劃分決定整車動(dòng)力性優(yōu)劣。因此，在設(shè)計(jì)雙中間軸變速器時(shí)，要以提高整車動(dòng)力性為目標(biāo)對(duì)擋位進(jìn)行劃分。本文側(cè)重于車輛設(shè)計(jì)初期，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，劃分變速器擋位，并且用動(dòng)力特性圖分析所設(shè)計(jì)的某重型車輛十擋雙中間軸變速器整車動(dòng)力性能，對(duì)雙中間軸變速器的理論研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2 車輛動(dòng)力性計(jì)算數(shù)學(xué)模型

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性

圖1 10 擋雙中間軸變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

車用發(fā)動(dòng)機(jī)的性能常用速度特性來表示。速度特性是指在油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置保持不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。當(dāng)油量控制機(jī)構(gòu)在標(biāo)定位置時(shí)的速度特性稱為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性［2］。發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性是分析車輛動(dòng)力性的依據(jù)。車輛設(shè)計(jì)初期，在只知道發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率PeP和最大轉(zhuǎn)速neP的情況下，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)外特性。雙中間軸變速器常用于重型車輛，與柴油機(jī)匹配使用。柴油機(jī)外特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)M公式［3］

式中，Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；a、b、c 為系數(shù)。

計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性之后，可得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

式中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m。

式（1）中，不同的系數(shù)a、b、c 組合使發(fā)動(dòng)機(jī)具有不同的外特性。因此，根據(jù)車輛動(dòng)力性指標(biāo)，可變化系數(shù)a、b、c來模擬選擇所需發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火的工作轉(zhuǎn)速范圍是最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速到額定功率轉(zhuǎn)速（neT～neP），a、b、c的值應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)具有較寬的工作轉(zhuǎn)速范圍，以保證車輛在換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火。

2.2 車輛行駛方程

車輛行駛方程

式中，F(xiàn)js為加速阻力，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)i為坡度阻力。

車輛在水平路面上等速行駛時(shí)，加速阻力Fjs＝0，坡度阻力Fi＝0。驅(qū)動(dòng)力等于計(jì)算牽引力，即

空氣阻力

式中，CD為空氣阻力系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積，m2。

滾動(dòng)阻力

車速在100km/h 以內(nèi)時(shí)，滾動(dòng)阻力系數(shù)f 可視為常數(shù)。動(dòng)力因數(shù)是計(jì)算牽引力和空氣阻力之差與車重之比

式中，G 為車重，N。

動(dòng)力因數(shù)排除了車重和外形的影響，可以評(píng)價(jià)車輛動(dòng)力性。動(dòng)力因數(shù)越大的車輛動(dòng)力性越好。

3 雙中間軸變速器排擋劃分

3.1 確定最大傳動(dòng)比

車輛變速器最大傳動(dòng)比即一擋傳動(dòng)比。確定最大傳動(dòng)比時(shí)應(yīng)考慮最大爬坡度、附著率和最低穩(wěn)定車速。

車輛爬坡時(shí)，通常車速不高，可忽略空氣阻力，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力用于克服滾動(dòng)阻力和爬坡阻力，應(yīng)滿足條件

式中，ψmax為道路最大阻力系數(shù)；η 為傳動(dòng)系總效率；i0為主減速比；iL為輪邊減速比；ig1為一擋傳動(dòng)比；g 為重力加速度，m/s2；m 為車輛滿載質(zhì)量，t；r 為驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑，m；αmax為最大爬坡度，（°）；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

同時(shí)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)滿足地面附著條件

式中，φ 為道路附著系數(shù)。

車輛最大傳動(dòng)比應(yīng)滿足最低穩(wěn)定車速要求

3.2 確定最小傳動(dòng)比

發(fā)動(dòng)機(jī)確定時(shí)，變速器最小傳動(dòng)比決定于最大車速

式中，igmin為變速器最小傳動(dòng)比；nemax為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，kW。

3.3 雙中間軸變速器排擋劃分

排擋劃分的目的是將車輛最低擋和最高擋連起來。排擋劃分需遵循原則：充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使車輛具有較高的平均速度，保證在換擋過程中發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火。

變速器傳動(dòng)范圍

進(jìn)行雙中間軸變速器排擋劃分時(shí)，首先按幾何級(jí)數(shù)劃分中間擋傳動(dòng)比，各擋傳動(dòng)比應(yīng)滿足［4］

式中，n 為擋位數(shù)。

按幾何級(jí)數(shù)劃分排擋可以保證車輛連續(xù)換擋不熄火所需要的排擋數(shù)最少，同時(shí)其總功率利用情況最好。但是，按幾何級(jí)數(shù)劃分排擋時(shí)，在高擋工況相鄰兩擋間的車速相差較大，使平均車速降低，即在高擋時(shí)，往低一擋換擋，速度降低的很快。采用可變的排擋比可解決這一問題，使q 從低擋到高擋逐漸下降。

雙中間軸變速器由主、副箱組合而成，擋位數(shù)等于主箱擋位數(shù)與副箱擋位數(shù)的乘積，而副箱擋位數(shù)通常為2，因此總的擋位數(shù)通常為偶數(shù)。副箱傳動(dòng)比包括低擋傳動(dòng)比和高擋傳動(dòng)比。通常，高擋傳動(dòng)比ih=1.00。低擋傳動(dòng)比

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)某重型車輛的雙中間軸變速器，并且基于動(dòng)力特性圖對(duì)其動(dòng)力性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

4.1 雙中間軸變速器設(shè)計(jì)

表1 車輛設(shè)計(jì)參數(shù)

表1所示為某重型車輛設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)式（1），經(jīng)過多次模擬試驗(yàn)，當(dāng)系數(shù)a=0.8，b=1，c=-0.8 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能良好。由表1 可知發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范 圍 為800r/min ≤ne≤2300r/min，在其間取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)ne=［800，1000，1200，1300，1400，1500，1600，1800，2000，2100，2200，2300］，所取轉(zhuǎn)速點(diǎn)應(yīng)包含最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速neT。結(jié)合式（1）和式（2）得發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)外特性曲線

圖2所示發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Temax=1755N·m，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速neT=1400r/min。

柏油路上f=0.02，φ=0.8，結(jié)合車輛設(shè)計(jì)參數(shù)，由式（8）～（10）可得變速器最大傳動(dòng)比8.0446≤ig1≤11.4103，取中間值ig1=10.9。由式（11） 得最低穩(wěn)定車速vmin=2.4483km/h，而一般車輛最低穩(wěn)定車速應(yīng)不高于5km/h，符合要求。由式（12）得最小傳動(dòng)比igmin=0.7672。

根據(jù)式（13）～（16）對(duì)雙中間軸變速器進(jìn)行排擋劃分，確定為10個(gè)前進(jìn)擋和2個(gè)倒擋，各擋傳動(dòng)比見表2。

表2 10 擋雙中間軸變速器各擋傳動(dòng)比

4.2 基于動(dòng)力特性圖的動(dòng)力性分析

車輛在各擋下的動(dòng)力因數(shù)與車速的關(guān)系曲線稱為動(dòng)力特性圖。利用動(dòng)力特性圖可以確定車輛的動(dòng)力性。根據(jù)表2所示的雙中間軸變速器各擋傳動(dòng)比，結(jié)合式（3）～（7），在MATLAB 軟件中編制程序，對(duì)所設(shè)計(jì)的雙中間軸變速器整車動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3所示是車輛驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖，它清晰形象地表明了車輛行駛時(shí)的受力情況及平衡關(guān)系。由圖可以看出：隨著擋位增高，驅(qū)動(dòng)力逐漸降低；隨著車速增大，行駛阻力增大；當(dāng)車速在最高車速100km/h 以內(nèi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力，汽車可以用剩余的驅(qū)動(dòng)力加速或爬坡；當(dāng)車速逐漸增大到最大車速時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力逐漸呈相交趨勢(shì)，車輛處于平衡狀態(tài)。

圖3 車輛驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖

圖4 車輛動(dòng)力特性曲線圖

圖4所示為車輛動(dòng)力特性曲線圖，利用動(dòng)力特性曲線可以評(píng)價(jià)車輛的動(dòng)力性。由圖可見：一擋動(dòng)力因數(shù)在0.65～0.75 之間，大于一般重型車輛（0.6），一擋作為爬坡?lián)蹙哂辛己玫膭?dòng)力性；當(dāng)有一地面阻力系數(shù)正好介于兩擋之間時(shí)，只能以低擋行駛，而雙中間軸組合式變速器擋位數(shù)多，相鄰兩擋動(dòng)力特性曲線在垂直方向上距離較小，使車輛具有較高的平均車速；相鄰兩擋動(dòng)力特性曲線在水平方向上有較大的重疊度，可以順利由低擋換入高擋。

5 結(jié)論

側(cè)重于車輛設(shè)計(jì)初期，對(duì)某重型車輛雙中間軸變速器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且基于動(dòng)力特性曲線對(duì)其整車動(dòng)力性進(jìn)行了分析，可得如下結(jié)論：

（1）雙中間軸變速器設(shè)計(jì)初期，可根據(jù)整車設(shè)計(jì)指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算和選擇與其匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)外特性；

（2）雙中間軸變速器采用主、副箱組合結(jié)構(gòu)形式，增加了擋位數(shù)，使車輛具有更良好的動(dòng)力性；

（3）動(dòng)力特性曲線圖能夠很好地評(píng)價(jià)和分析車輛動(dòng)力性。

［1］馬德平.憑借雙中間軸優(yōu)勢(shì)法士特領(lǐng)跑重卡變速器市場(chǎng)［J］.商用汽車，2010（11）：116-117.

［2］黃英，孫業(yè)保.車用內(nèi)燃機(jī)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007：213-214.

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