高效雙模邏輯機械綜合傳動技術(shù)研究

李慎龍，周廣明，趙 凱，尹華兵

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

當前液力機械綜合傳動系統(tǒng)效率低主要是由液力變矩器和轉(zhuǎn)向泵/馬達所造成的，液力變矩器最高傳動效率為85%，高效工作區(qū)傳動效率為80%;轉(zhuǎn)向泵/馬達最高機械效率為90%、容積效率為85%，總的效率僅為76.5%.同時由于液力變矩器和轉(zhuǎn)向泵/馬達存在多次能量形式的轉(zhuǎn)化，所以很難進一步提升該傳動元件的能量傳遞效率.傳動效率低所帶來的影響是多方位的、系統(tǒng)性的，包括增加了散熱冷卻系統(tǒng)負擔、降低了系統(tǒng)高溫環(huán)境的工作適應能力和車輛有效驅(qū)動功率利用率，且隨著傳動系統(tǒng)向高功率密度、高轉(zhuǎn)速和高可靠性的發(fā)展需要，迫切需要降低傳動系統(tǒng)的功率損失，提高傳動效率.

據(jù)國外戰(zhàn)車發(fā)展動態(tài)文獻表明，美國地面車輛動力與機動性技術(shù)戰(zhàn)略的中期目標(2017年)是32速雙模邏輯綜合傳動裝置.這種傳動裝置的特點有:無需液力變矩器;精確機械轉(zhuǎn)向，無需大功率轉(zhuǎn)向泵/馬達;輕型緊湊設(shè)計;高負荷控制效率;傳動效率高，大于90%;目前的研究產(chǎn)品包括西班牙SAPA公司SG-850雙模邏輯變速器 (見圖1)[1]和加拿大KerTrain研究所的雙模邏輯變速器.

圖1 SG-850雙模邏輯機械綜合傳動裝置

通過研究國外戰(zhàn)車傳動裝置發(fā)展狀況，提出了一種高效、多擋位、大傳動范圍的雙模邏輯機械綜合傳動總體方案，建立了雙模邏輯行星變速機構(gòu)設(shè)計方法，完成了直駛和轉(zhuǎn)向性能計算，并與液力機械綜合傳動進行對比分析，計算結(jié)果表明雙模邏輯機械綜合傳動能有效提高發(fā)動機功率利用率和轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)定性.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

雙模邏輯機械綜合傳動的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括前傳動、功率分流機構(gòu)、起步離合器、直駛傳動鏈和轉(zhuǎn)向傳動鏈的雙模邏輯行星變速機構(gòu)、匯流排等主要模塊.可以看出，與液力機械綜合傳動系統(tǒng)最大變化在于:不再采用液力變矩器和轉(zhuǎn)向泵/馬達，而是通過能實現(xiàn)多擋位、大傳動比范圍的2個雙模邏輯行星變速機構(gòu)來代替.

1)直駛工況.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

轉(zhuǎn)向傳動鏈的雙模邏輯行星變速機構(gòu)輸出軸閉鎖、輸入軸能夠自由旋轉(zhuǎn)，通過直駛傳動鏈雙模邏輯行星變速機構(gòu)換入不同擋位來滿足車輛行駛速度和牽引力要求，發(fā)動機功率全部通過直駛傳動鏈變速機構(gòu)來傳遞到主動輪，其中直駛傳動鏈雙模邏輯行星變速機構(gòu)的低擋位主要滿足爬坡和困難路面行駛需要.

2)轉(zhuǎn)向工況.

根據(jù)路面轉(zhuǎn)向半徑的不同將轉(zhuǎn)向傳動鏈雙模邏輯行星變速機構(gòu)換到某一擋位，實現(xiàn)零差速、多個理論規(guī)定轉(zhuǎn)向半徑的有級轉(zhuǎn)向.其中，中心轉(zhuǎn)向通過將直駛傳動鏈雙模邏輯行星變速機構(gòu)輸出軸閉鎖來實現(xiàn)，發(fā)動機功率全部通過轉(zhuǎn)向傳動鏈變速機構(gòu)來傳遞到主動輪.

根據(jù)雙模邏輯機械綜合傳動的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，對該傳動系統(tǒng)與液力機械綜合傳動系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)向工況下的傳動效率作了一個簡單對比，如圖3所示.可以看出，雙模邏輯機械綜合傳動總的效率能達到86.85%，而液力機械綜合傳動系統(tǒng)總的效率僅為69.84%.

圖3 傳動系統(tǒng)總的傳動效率對比

2 雙模邏輯行星變速機構(gòu)設(shè)計方法

雙模邏輯行星變速機構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計方法，即將n1個能實現(xiàn)2個擋位的二自由度行星排[2](見圖4)或n2個能實現(xiàn)4個擋位的三自由度多元件復合排[3](見圖5)等基本行星傳動模塊串聯(lián)而成，從而實現(xiàn)Nx個擋位數(shù)量.

圖4 實現(xiàn)2個擋位的二自由度行星排

圖5 實現(xiàn)4個擋位的三自由度多元件復合排

利用多自由度行星傳動理論[4]，以圖4(a)和圖5(a)為例，對上面基本行星排模塊各擋位能實現(xiàn)的傳動比進行了計算.計算公式如式(1)～式(11).

1)圖4(a)行星變速機構(gòu)方案.

行星排三元件轉(zhuǎn)速關(guān)系:

1擋 (C1接合):

2擋 (C2接合):

式中:ns、ninput、noutput分別為行星排太陽輪、輸入軸、輸出軸的轉(zhuǎn)速;Zs、Zr分別為行星排太陽輪、齒圈的齒數(shù);i1、i2分別為1擋、2擋的傳動比.

2)圖5(a)行星變速機構(gòu)方案.

2個行星排三元件轉(zhuǎn)速關(guān)系:

1擋(C1、C3接合):

2擋(C1、C4接合):

3擋(C2、C3接合):

4擋(C2、C4接合):

式中:ns1、nr、nc、ninput、noutput分別為行星排太陽輪s1、齒圈、行星架、輸入軸、輸出軸的轉(zhuǎn)速;Zs1、Zs2、Zs3、Zp1、Zp2、Zp3、Zr分別為行星排太陽輪s1、太陽輪s2、太陽輪s3、行星輪p1、行星輪p2、行星輪p3、齒圈的齒數(shù);i1、i2、i3、i4分別為1擋、2擋、3擋和4擋的傳動比.

雙模邏輯行星變速機構(gòu)各擋傳動比是以傳動比范圍為依據(jù)，采用等比級數(shù)劃分方式來制定.為了滿足該劃分方式各擋傳動比要求，充分利用行星排和操縱元件，要求所組成的基本行星排主傳動比必須滿足一定的要求.由2擋的二自由度基本行星傳動單元集成變速機構(gòu)的階比與各行星傳動單元特征參數(shù)計算公式為

由4擋的三自由度基本行星單元集成變速機構(gòu)的階比與各行星傳動單元特征參數(shù)計算公式為

式中:X為相鄰擋位的階比;ri為第i個基本行星傳動單元特征參數(shù);dg為變速機構(gòu)的傳動比范圍;N為組成變速機構(gòu)的基本行星傳動單元數(shù)量.

3 雙模邏輯行星變速機構(gòu)工作原理

通過上面分析可知，雙模邏輯行星變速機構(gòu)是由多個基本行星排串聯(lián)而成.下面結(jié)合實際設(shè)計要求，以實現(xiàn)傳動比范圍18為設(shè)計依據(jù)，通過5個上面給定的2擋二自由度基本排串聯(lián)，則該變速機構(gòu)可以實現(xiàn)32個擋位，對應傳動方案簡圖和傳動裝置簡圖分別如圖6和圖7所示，對應的換擋邏輯為

圖6 32擋雙模邏輯行星變速機構(gòu)傳動方案

圖7 雙模邏輯變速機構(gòu)裝置

對每個基本行星排實現(xiàn)1擋傳動比定義為邏輯“1”，實現(xiàn)2擋傳動比定義為邏輯“0”，即整個機構(gòu)整體回轉(zhuǎn).表1給出了該32擋雙模邏輯行星速機構(gòu)各擋換擋邏輯，以及對應的傳動比.可以看出，該類變速機構(gòu)換擋邏輯類似于連續(xù)的二進制代碼，故稱為“雙模邏輯變速機構(gòu)”.

表1 雙模邏輯行星變速機構(gòu)換擋邏輯

4 性能分析

4.1 直駛牽引性能計算

對雙模邏輯機械綜合傳動直駛牽引力、牽引功率和動力因數(shù)等方面進行分析，計算結(jié)果如圖8、圖9所示.可以看出:該傳動系統(tǒng)牽引特性非常接近理想特性 (低速恒牽引力、高速恒牽引功率)，發(fā)動機功率利用率達到了90%以上;與液力機械綜合傳動系統(tǒng)對比表明，該傳動系統(tǒng)能夠有效提高發(fā)動機功率利用率，優(yōu)化發(fā)動機運行工作點.

圖8 車輛牽引力、牽引功率與車速變化曲線

圖9 車輛動力因數(shù)與車速變化曲線

4.2 轉(zhuǎn)向性能計算

對雙模邏輯機械綜合傳動的轉(zhuǎn)向性能進行了分析，該系統(tǒng)對于每個擋位而言有32個理論規(guī)定半徑，這些規(guī)定半徑能夠覆蓋車輛整個轉(zhuǎn)向域，其轉(zhuǎn)向機動性能與轉(zhuǎn)向泵/馬達零差速無級轉(zhuǎn)向相當.對直駛傳動鏈每擋位下的所能實現(xiàn)理論轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向傳動鏈相對分流功率的匹配模型進行推導，得到了相對應的變化規(guī)律，如圖10所示.

圖10 相對轉(zhuǎn)向半徑、轉(zhuǎn)向傳動鏈相對分流功率與轉(zhuǎn)向傳動鏈擋位變化關(guān)系

可以看出:轉(zhuǎn)向傳動鏈在低擋位下相對轉(zhuǎn)向半徑較大，高擋位下具有較小的相對轉(zhuǎn)向半徑，與轉(zhuǎn)向傳動鏈所處擋位狀態(tài)呈遞減變化;低擋位下相對分流功率較小、高擋位下相對分流功率較大，與轉(zhuǎn)向傳動鏈所處擋位狀態(tài)呈遞增變化.

式中:iz為轉(zhuǎn)向傳動鏈雙模邏輯變速機構(gòu)傳動比;im為轉(zhuǎn)向傳動鏈雙模邏輯變速機構(gòu)輸出軸至匯流排太陽輪的傳動比;kh為匯流排主傳動比;ib為直駛傳動鏈雙模邏輯變速機構(gòu)傳動比;ρ為相對轉(zhuǎn)向半徑;Prev2為轉(zhuǎn)向傳動鏈相對分流功率.

進一步推導出轉(zhuǎn)向傳動鏈和直駛傳動鏈相對分流功率隨相對轉(zhuǎn)向半徑變化關(guān)系模型，以及相對變化關(guān)系，如圖11所示.

圖11 轉(zhuǎn)向傳動鏈和直駛傳動鏈相對分流功率與相對轉(zhuǎn)向半徑變化關(guān)系

可以看出:轉(zhuǎn)向傳動鏈相對分流功率隨相對轉(zhuǎn)向半徑增加而減小，直駛傳動鏈相對分流功率隨相對轉(zhuǎn)向半徑增加而增大.

式中:Prev1為直駛傳動鏈相對分流功率.

5 結(jié)論

1)建立了雙模邏輯機械綜合傳動的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，分析了該傳動系統(tǒng)各種工況的工作原理.

2)雙模邏輯行星變速機構(gòu)是由多個二自由度或三自由度的基本行星傳動模塊串聯(lián)而成，可實現(xiàn)模塊化設(shè)計.需要突破多構(gòu)件復合行星排運動學和動力學分析與驗證技術(shù);以及新型多錐換擋元件設(shè)計技術(shù)，為結(jié)構(gòu)緊湊雙模邏輯行星變速機構(gòu)研制提供技術(shù)支撐.

3)雙模邏輯機械綜合傳動在傳動效率、發(fā)動機功率利用率、換擋沖擊、轉(zhuǎn)向行駛安全性和側(cè)傾坡直駛穩(wěn)定性等方面具有較大技術(shù)優(yōu)勢;在轉(zhuǎn)向機動性能方面與當前液力機械綜合傳動系統(tǒng)相當.

[1] John H.Kerr.Incrementally Variable Tranmission:Canada，4559848[P].1985-12-24.

[2] 劉修驥.車輛傳動系統(tǒng)分析[M].北京:國防工業(yè)出版社，1998.

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