越野車輛電傳動耦合機構(gòu)的仿真分析

賈小平，馬 駿，樊石光，于魁龍

(裝甲兵工程學(xué)院 北京 100072)

車輛工業(yè)在當(dāng)代世界經(jīng)濟活動中發(fā)揮了巨大的作用，而車輛工業(yè)的迅猛發(fā)展也導(dǎo)致了當(dāng)今世界對于能源和環(huán)保的問題的關(guān)注，為解決這些能源和環(huán)保問題，電動車輛呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢［1］.電動車輛的優(yōu)勢不僅僅在于采用綠色能源電力驅(qū)動，同時電傳動裝置具有很多明顯的優(yōu)勢，例如可以實現(xiàn)無級變速，操控簡單，噪音小等，最主要的是車輛采用的傳動裝置不僅可以保證車輛的良好直駛性能，而且還能更好的滿足車輛轉(zhuǎn)向性能要求.目前關(guān)于耦合機構(gòu)的研究常見的是單行星排的耦合機構(gòu)，即在行星排構(gòu)件中其中兩個作為不同動力輸入源進行耦合.關(guān)于雙行星排的耦合機構(gòu)研究還比較少，雙行星排耦合機構(gòu)可以作為電動車輛的傳動裝置，其主要優(yōu)點是:能夠?qū)崿F(xiàn)固定軸齒輪機構(gòu)所不能實現(xiàn)的多個自由度速度分解或合成;多點嚙合傳遞動力;傳動時徑向力平衡;結(jié)構(gòu)比較緊湊等［2］.同時減少車輛轉(zhuǎn)向時的控制難度，可以實現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向性能.

1 方案設(shè)計及模型建立

1.1 確定車輛布置

采用雙電動機作為動力輸出裝置，耦合機構(gòu)作為傳動裝置，車輛動力可以由發(fā)動機提供，發(fā)動機帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，然后帶動電動機轉(zhuǎn)動，同時也可以采用蓄電池作為動力來源.這里討論發(fā)動機提供動力時的車輛布置方案，如圖1所示.其中M代表發(fā)動機，F(xiàn)代表發(fā)電機，D1，D2代表雙側(cè)電動機，B代表耦合機構(gòu)，與兩側(cè)減速機構(gòu)相連.

圖1 車輛布置方案

電動機分別與兩排太陽輪固連，作為輸入，1排行星架j1與2排齒圈q2固連，2排行星架j2與1排齒圈q1固連.兩排行星架分別作為左右兩側(cè)輸出軸通過機械連接與兩側(cè)主動輪相連，完成動力的輸出.根據(jù)相關(guān)文獻研究顯示，此時的行星排的效率最高［3-4］.行星排耦合機構(gòu)原理如圖2所示.此時，通過控制左右兩側(cè)電動機的輸出轉(zhuǎn)速的大小和方向來控制車速，實現(xiàn)無極變速和倒車功能，當(dāng)控制左右電動機的轉(zhuǎn)速大小或者方向不同時，便可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向半徑不同的車輛轉(zhuǎn)向，從而使車輛的操控性能更好.

圖2 耦合機構(gòu)原理圖

1.2 雙行星排耦合機構(gòu)建模

首先對行星排進行參數(shù)設(shè)計計算，為了使仿真研究方便，耦合機構(gòu)的兩個行星排采用相同的參數(shù)，所以只需對其中一個排進行配齒計算，滿足傳動比條件、同心條件、裝配條件以及相鄰條件，得出行星排參數(shù)見表1.

行星排設(shè)計完成之后，對行星排進行建模，采用多體動力學(xué)優(yōu)化仿真技術(shù)軟件RecurDyn的齒輪工具包 (RecurDyn/Gear)進行建模分析，建模結(jié)果如圖3 所示［5］.

表1 行星排參數(shù)

圖3 雙行星排耦合機構(gòu)模型

2 行星排耦合機構(gòu)仿真分析

建立耦合機構(gòu)模型后，對其進行約束及驅(qū)動建模，在每個行星排中，齒圈和太陽輪分別與行星輪加入齒輪副，太陽輪處加入轉(zhuǎn)動副，1排行星架j1與2排齒圈q2、2排行星架j2與1排齒圈q1分別加入固定副，行星輪架分別與輸出軸加入固定副，這樣，完成耦合機構(gòu)約束的建立.下面對差速轉(zhuǎn)向和中心轉(zhuǎn)向兩種工況進行仿真分析［6］.

(1)差速工況

在1排太陽輪處施以100π(314)rad/s的轉(zhuǎn)速，2排太陽輪不輸入 (0rad/s)，用以模仿電動機的輸入轉(zhuǎn)速，在輸出軸上加入30000 N·m的力矩，用以模擬車輛負載，完成耦合機構(gòu)的驅(qū)動.進行仿真分析，得出左右兩側(cè)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速見圖5和圖6，齒圈與行星輪的嚙合力見圖7，太陽輪與行星輪的嚙合力見圖8，齒圈和太陽輪處所受到的力矩見圖9和圖10.

圖5 行星排1輸出軸轉(zhuǎn)速

圖6 行星排2輸出軸轉(zhuǎn)速

圖7 齒圈與行星輪嚙合力

圖8 太陽輪與行星輪嚙合力

圖9 齒圈力矩

圖10 太陽輪力矩

因為行星排1主要承擔(dān)動力輸出，所以齒圈和太陽輪與行星輪的嚙合處所受到的力更大，所以仿真圖形只列出行星排1的相關(guān)曲線.由于仿真過程中的不穩(wěn)定狀態(tài)，所以可能出現(xiàn)一些影響仿真結(jié)果的“尖點”，去除仿真圖線中的尖點之后得到可用數(shù)據(jù)，對可用數(shù)據(jù)取平均值，得出仿真結(jié)果，分別為:行星排1的行星架輸出轉(zhuǎn)速為 n1=185.27 rad/s，n2=128.61 rad/s，行星排1的齒圈嚙合力為fq=36292.45 N，太陽輪處的嚙合力為ft=34087.76 N，齒圈所受到的力矩為Tq=2028.36Nm，太陽輪所受到的力矩為 Tt=864.13 Nm.

(2)中心轉(zhuǎn)向工況

在1排太陽輪處施以10π(31.4)rad/s的轉(zhuǎn)速，2排太陽輪輸入－10π(－31.4)rad/s的轉(zhuǎn)速，用以模仿電動機的輸入轉(zhuǎn)速，在輸出軸上加入30000 Nm的力矩，用以模擬車輛負載，完成耦合機構(gòu)的驅(qū)動.進行仿真分析，得出左右兩側(cè)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速見圖11;行星排1齒圈嚙合力見圖12;行星排1太陽輪嚙合力見圖13.

同上，去除仿真圖線中的尖點，對可用數(shù)據(jù)取平均值，得出仿真結(jié)果.分別為:行星排1的行星架輸出轉(zhuǎn)速為n1=5.7002 rad/s，n2=－5.6987 rad/s，行星排1的齒圈嚙合力為fq=29957.62 N，行星排1的太陽輪嚙合力為ft=29885.93 N.

圖11 行星排兩側(cè)輸出轉(zhuǎn)速

圖12 行星排1齒圈嚙合力

圖13 行星排1太陽輪嚙合力

3 仿真結(jié)果計算分析

3.1 轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)行星傳動的轉(zhuǎn)速關(guān)系式nt+knq－(1+k)nj=0(k為行星排的參數(shù))來進行理論計算:

(1)差速轉(zhuǎn)向工況

由前文分析得到的已知條件有:

其中，nti，nji，nqi(i=1，2)分別為行星排1(i=1)和行星排2(i=2)中太陽輪、行星架、齒圈的轉(zhuǎn)速.將已知條件帶入到行星排轉(zhuǎn)速關(guān)系式中，計算得到

這與仿真曲線的平均值十分接近，說明仿真結(jié)果比較靠近真實結(jié)果.

(2)中心轉(zhuǎn)向工況

同樣與仿真曲線相一致，

3.2 受力分析

根據(jù)行星機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系式［6］

式中:Ft，F(xiàn)j，F(xiàn)q分別為太陽輪、行星架、齒圈作用于行星輪上的圓周力;Rt，Rq為太陽輪，齒圈的節(jié)圓半徑;Rj為行星輪軸心到中心的半徑.

由下式

進行下面的驗證計算.

3.3 仿真分析

(1)差速工況

仿真結(jié)果中Ft，F(xiàn)q的值基本相同，同時力矩Tq:Tt=2.34，也與理論值差距不大，說明仿真結(jié)果是有效可靠的.

(2)中心轉(zhuǎn)向工況

仿真結(jié)果中齒圈受力Fq=29957.62 N，太陽輪受力Ft=29885.93 N基本相同，也與理論計算相符.

4 整車轉(zhuǎn)向仿真及功率分析

利用RecurDyn進行整車的轉(zhuǎn)向仿真，對不同轉(zhuǎn)向半徑進行仿真分析，圖14是車輛2/B轉(zhuǎn)向的軌跡圖.

對車輛不同車速情況下的轉(zhuǎn)向半徑進行分析，分別算出在5m/s，4m/s，3m/s情況下，兩側(cè)速度差不同時的轉(zhuǎn)向半徑，得出轉(zhuǎn)向半徑隨兩側(cè)速度差的關(guān)系，如圖15所示.

圖14 2/B轉(zhuǎn)向軌跡

圖15 轉(zhuǎn)向半徑隨兩側(cè)速度差的關(guān)系

通過上述分析，耦合機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的直駛和轉(zhuǎn)向功能，同時可以實現(xiàn)功率的耦合，在轉(zhuǎn)向過程中，內(nèi)側(cè)電機多余的功率可以通過耦合機構(gòu)傳遞到外側(cè)輸出軸，可以提高內(nèi)側(cè)電機的功率利用率，同時可以減少外側(cè)電機的功率負荷，使其在轉(zhuǎn)向過程中，相比于兩側(cè)獨立電機直接輸出，相同的越野車采用耦合機構(gòu)時功率需求更小.這是使用耦合機構(gòu)的顯著優(yōu)勢.經(jīng)過計算，在地面阻力系數(shù)為0.68的地面條件下，車重500 kg的越野車輛采用雙側(cè)獨立電機輸出時中心轉(zhuǎn)向所需功率為5.53kW，采用耦合機構(gòu)時中心轉(zhuǎn)向所需功率為3.5kW，有著很明顯的性能提升.

5 結(jié)論

通過確立車輛傳動方案，建立雙行星排耦合機構(gòu)模型并進行仿真分析，仿真結(jié)果與實際相符，仿真曲線結(jié)果與理論計算相一致.說明仿真結(jié)果有效，及采用雙行星排耦合機構(gòu)作為履帶車輛傳動裝置是可行的.分析了車輛差速轉(zhuǎn)向和中心轉(zhuǎn)向兩種工況下車輛的輸出轉(zhuǎn)速，符合車輛轉(zhuǎn)向需求，為耦合機構(gòu)的進一步分析提供了依據(jù)，該轉(zhuǎn)向模型也可用于車輛的下一步仿真分析，為后續(xù)電傳動或者機電混合動力車輛的分析打下基礎(chǔ).

［1］陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］楊義勇，金德聞.機械系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［3］崔 星，項昌樂.混合動力系統(tǒng)分流耦合機構(gòu)工作模式分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(11):158-163.

［4］焦曉娟，張湝渭，彭斌彬.RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［5］張 策.機械動力學(xué)［M］.2版.北京:高等教育出版社，2008.

［6］楊通強，宋軼民，張 策，等.斜齒行星齒輪系統(tǒng)自由振動特性分析［J］.機械工程學(xué)報，2005，41(7):50-55.