李 軍, 鞏承原, 張 宇, 金嗣淳

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072)

高性能雙流傳動(dòng)裝置是現(xiàn)代軍用履帶車輛的標(biāo)志性特征之一，其主要特點(diǎn)是將直駛變速功能和轉(zhuǎn)向功能有機(jī)地集成在一起。雙流傳動(dòng)之所以被廣泛地采用，其中一個(gè)主要的原因便是雙流傳動(dòng)使車輛具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)向性能。采用雙流傳動(dòng)的車輛，其相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑隨排擋的提高而變大，且具備中心轉(zhuǎn)向能力，這些特點(diǎn)使得車輛轉(zhuǎn)向的靈活性得到較大的提高，相對(duì)于單流傳動(dòng)更加符合車輛的使用要求。

對(duì)雙流傳動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向性能的研究一直是眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)問題。游四海等[1]研究表明車輛轉(zhuǎn)向阻力由5種阻力構(gòu)成，得出了與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向阻力分析不同的結(jié)論；任京[2]對(duì)車輛液壓轉(zhuǎn)向過程中功率流的傳遞、轉(zhuǎn)向半徑穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析;方遒[3]對(duì)雙流傳動(dòng)轉(zhuǎn)向期間的自動(dòng)換擋過程進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[4-9]建立了液壓轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，對(duì)雙流傳動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的仿真研究以及試驗(yàn)驗(yàn)證。但現(xiàn)有的研究并沒有覆蓋所有的使用工況，例如沒有系統(tǒng)考察轉(zhuǎn)向期間改變發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度(簡(jiǎn)稱油門變化轉(zhuǎn)向)對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。在實(shí)際使用中，駕駛員經(jīng)常通過增大發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度來克服較大的轉(zhuǎn)向負(fù)荷或縮短轉(zhuǎn)向時(shí)間以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，并期望以此來獲得更小的轉(zhuǎn)向半徑。筆者針對(duì)雙流傳動(dòng)油門變化轉(zhuǎn)向過程進(jìn)行了仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，討論該操縱方式的有效性。

1 零差速式雙流傳動(dòng)轉(zhuǎn)向過程理論分析

履帶車輛轉(zhuǎn)向行駛是一個(gè)動(dòng)態(tài)過渡過程[10],明確履帶上的速度、力和功率關(guān)系，是分析履帶車輛轉(zhuǎn)向行駛性能的基礎(chǔ)。

圖1為履帶車輛轉(zhuǎn)向示意圖。由圖1可知：履帶車輛轉(zhuǎn)向過程可以簡(jiǎn)化為平動(dòng)運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的疊加[8]。

圖1 履帶車輛轉(zhuǎn)向示意圖

1.1 相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑

對(duì)于變矩器后分流型零差速式雙流傳動(dòng)的車輛，其相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑為

(1)

式中：R為轉(zhuǎn)向半徑；B為車輛履帶中心距；V1、V2分別為內(nèi)、外側(cè)履帶速度；k為匯流行星排的特性參數(shù)；ibn為直駛變速機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比；iZ=ipiyiMiL，為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比,其中ip為轉(zhuǎn)向泵前傳動(dòng)比，iy為轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)傳動(dòng)比，iM為馬達(dá)后傳動(dòng)比,iL為零軸后傳動(dòng)比。

iy為液壓泵的轉(zhuǎn)速nP和液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速nM之比：

式中：VP、VM分別為泵和馬達(dá)排量；ε為泵的相對(duì)變量率，表示軸向斜盤式柱塞泵的斜盤傾斜程度，其值變化范圍為-1≤ε≤1；ηyv為轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)容積效率，其值為泵的容積效率與馬達(dá)容積效率之積。

從以上分析中可以看出：零差速式雙流傳動(dòng)履帶車輛相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑ρ只與k、ibn和iZ有關(guān)，由于k、ip、iM、iL為常數(shù)，擋位固定條件下的ibn為定值，因此理論上某擋相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑ρ僅隨著iy的變化而連續(xù)變化，改變發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度并不能使相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑發(fā)生改變。

1.2 轉(zhuǎn)向角速度

車輛繞其中心O的轉(zhuǎn)向角速度為

式中：ic為側(cè)傳動(dòng)比；rz為主動(dòng)輪半徑；ωj1、ωj2分別為內(nèi)、外側(cè)行星架角速度，

其中ωf為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度。于是有

,

(2)

由于式(2)中僅有ωf和iZ兩個(gè)變量。因此,在轉(zhuǎn)向泵斜盤擺角固定(iZ不變)的情況下，通過增大發(fā)動(dòng)機(jī)油門將會(huì)使轉(zhuǎn)向角速度變大。

1.3 轉(zhuǎn)向過程兩側(cè)履帶力

在履帶車輛進(jìn)行大半徑區(qū)轉(zhuǎn)向時(shí)，考慮離心力對(duì)負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪和履帶導(dǎo)向齒摩擦的影響。外側(cè)履帶的滾動(dòng)阻力因履帶負(fù)荷提高而相應(yīng)增大，而內(nèi)側(cè)履帶滾動(dòng)則阻力相應(yīng)減小。考慮轉(zhuǎn)向離心力影響后，兩側(cè)履帶力分別為

(3)

(4)

式中：fR為滾動(dòng)阻力系數(shù)；G為車重；a為車輛中心的縱向加速度；ε為質(zhì)量增加系數(shù)；J為車輛繞中心O的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；V為車輛中心速度；μd為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；h為車體重心距離地面的高度。

2 油門變化轉(zhuǎn)向過程仿真分析

在履帶車輛轉(zhuǎn)向過程中，人為操縱作用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)有4種，分別是油門踏板信號(hào)、轉(zhuǎn)向手柄信號(hào)、擋位信號(hào)及制動(dòng)信號(hào)。下文將對(duì)油門變化轉(zhuǎn)向過程進(jìn)行仿真分析，故設(shè)定擋位信號(hào)固定，無制動(dòng)過程。選取2擋液力工況下，慢速調(diào)整轉(zhuǎn)向手柄，同時(shí)增大發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，考察其對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響。

仿真輸入：發(fā)動(dòng)機(jī)油門在0～7 s內(nèi)逐步增大到開度最大狀態(tài)；在2 s時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向手柄，轉(zhuǎn)向泵在4 s時(shí)達(dá)到最大輸入角度，即2～4 s時(shí)，油門開度和轉(zhuǎn)向泵輸入共同增加；4～7 s時(shí)，轉(zhuǎn)向泵輸入恒定，油門輸入繼續(xù)增加。仿真結(jié)果如圖2-5所示。

由圖3-5可知：在發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度和轉(zhuǎn)向泵輸入角度均增大的時(shí)間段(2～4 s)，轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)速均增加，轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)傳動(dòng)比iy隨著轉(zhuǎn)向泵輸入角度的增加而增加，相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑隨之減?。划?dāng)轉(zhuǎn)向泵達(dá)到最大輸入角度后(4～10 s)，若發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)速仍將持續(xù)上升，但將保持一定比例，即iy不變，相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑亦無變化。由以上分析可知：在擋位及轉(zhuǎn)向泵操縱擺角均不變的情況下，采取改變油門的方式不能有效控制轉(zhuǎn)向半徑，這與理論分析得出的結(jié)論一致。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向泵輸入信號(hào)隨時(shí)間變化曲線

圖3 轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

圖4 轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)傳動(dòng)比iy隨時(shí)間變化曲線

圖5 相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑ρ隨時(shí)間變化曲線

油門變化轉(zhuǎn)向過程的速度特性仿真結(jié)果如圖6-9所示。

圖6 轉(zhuǎn)向角速度隨時(shí)間變化曲線

圖7 轉(zhuǎn)向角加速度隨時(shí)間變化曲線

圖8 車輛速度隨時(shí)間變化曲線

圖9 車輛加速度隨時(shí)間變化曲線

圖6-9結(jié)果表明車輛速度和轉(zhuǎn)向角速度的變化在車輛轉(zhuǎn)向的全過程中歷經(jīng)了3個(gè)階段：第1階段(2～4 s)對(duì)應(yīng)油門開度和轉(zhuǎn)向泵輸入角度均增加的時(shí)期，該階段轉(zhuǎn)向角速度快速增加，車輛速度緩慢增加；第2階段(4～7 s)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向泵擺角已到達(dá)最大位置后油門開度繼續(xù)增大的時(shí)期，該階段轉(zhuǎn)向角速度緩慢增加，車輛速度快速增加，這與第1階段相反；第3階段(7～10 s)車輛進(jìn)入勻速平穩(wěn)轉(zhuǎn)向階段。

對(duì)上述現(xiàn)象的解釋是：車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是平動(dòng)運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的疊加，發(fā)動(dòng)機(jī)增加的功率分成2部分，一部分作用于直駛系統(tǒng)，另一部分作用于轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)，由于第1階段轉(zhuǎn)向泵的輸入不斷增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)增加的功率流入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總量快速增大，進(jìn)入第2階段時(shí)轉(zhuǎn)向泵輸入已到達(dá)最大位置，轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)傳動(dòng)比不再上升，因此相對(duì)于第1階段流入功率增幅放緩，轉(zhuǎn)向角速度也隨即進(jìn)入緩慢增加階段，而因?yàn)楣β势胶?，此時(shí)流入直駛系統(tǒng)的功率增幅將變大，因此車輛速度相較于第1階段快速增加。

以上分析表明：在滿足轉(zhuǎn)向安全條件和地面附著條件的前提下，可以采取提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速的方式獲得更高的轉(zhuǎn)向角速度，縮短轉(zhuǎn)向所需時(shí)間。

油門變化轉(zhuǎn)向過程兩側(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩仿真特性如圖10所示。由圖10可知：在轉(zhuǎn)向過程中，隨著油門開度不斷增大，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩相應(yīng)地增大；當(dāng)轉(zhuǎn)向泵達(dá)到最大輸入角度后，繼續(xù)增大油門開度，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩將快速增加，使車輛可以克服較大的地面阻力，但有可能超過地面附著極限,從而造成外側(cè)履帶打滑。

圖10 主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

3 不同油門開度轉(zhuǎn)向性能實(shí)車試驗(yàn)

為驗(yàn)證油門開度對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響，獲得更為有力的數(shù)據(jù)支持，特針對(duì)不同油門開度轉(zhuǎn)向過程進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。實(shí)車試驗(yàn)采用的測(cè)試系統(tǒng)為RACELOGIC 公司研制的VBOXIII車輛實(shí)驗(yàn)記錄儀(簡(jiǎn)稱VBOXⅢ)。VBOXⅢ基于強(qiáng)大的GPS數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，通過GPS定位來測(cè)量車輛的速度、位移、航向角、軌跡等參數(shù)，其采樣頻率為100 Hz，數(shù)據(jù)更新速率快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)精度高。試驗(yàn)路面為平坦、開闊水泥路面；試驗(yàn)天氣良好，氣溫適宜，風(fēng)速較低。由于場(chǎng)地限制，不能進(jìn)行高擋位的轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，試驗(yàn)選取車輛2擋液力工況，在不同油門開度下進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

圖11、12分別是發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200、1 800、2 200 r/min下車輛運(yùn)動(dòng)軌跡和速度的對(duì)比圖。

圖11 2擋液力工況不同油門開度下轉(zhuǎn)向軌跡的對(duì)比

圖12 2擋液力工況不同油門開度下車速的對(duì)比

根據(jù)圖11、12的結(jié)果，將試驗(yàn)車輛在不同油門開度下轉(zhuǎn)向行駛一周路程、所需時(shí)間、轉(zhuǎn)向半徑及轉(zhuǎn)向角速度指標(biāo)列于表1中。

表1 試驗(yàn)各指標(biāo)數(shù)值

由表1可見：實(shí)車試驗(yàn)轉(zhuǎn)向角速度比仿真結(jié)果(見圖6)小。其原因是：試驗(yàn)場(chǎng)地局部路面具有微小坡度，路面條件與仿真中的假定條件有所不同；此外，履帶滑轉(zhuǎn)的影響也會(huì)使實(shí)車試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)向角速度變小。

綜合實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在擋位及轉(zhuǎn)向手柄位置不變的條件下，增大發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，可以提高轉(zhuǎn)向角速度、縮短轉(zhuǎn)向所需時(shí)間，但是并不能顯著改變轉(zhuǎn)向半徑，如欲繼續(xù)減小轉(zhuǎn)向半徑，必須通過降擋后轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向半徑的有效控制。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真計(jì)算基本一致。

4 結(jié)論

1)增大發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度雖可以增大轉(zhuǎn)向泵及轉(zhuǎn)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，但不能改變兩者比例，亦不能有效調(diào)整轉(zhuǎn)向半徑。當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑降至該擋位下最小半徑時(shí)，必須通過降擋來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向半徑的進(jìn)一步縮小。

2)通過轉(zhuǎn)向期間加大油門提升轉(zhuǎn)向角速度，進(jìn)而縮短轉(zhuǎn)向所需時(shí)間是可行的。但在轉(zhuǎn)向泵到達(dá)最大輸入角度后，角速度將進(jìn)入慢速提升階段，而此時(shí)車速提升較快，因此駕駛員可以在滿足轉(zhuǎn)向安全條件和地面附著條件的情況下，采取提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速的方式獲得更高的轉(zhuǎn)向角速度。

3)在地面附著力足夠的條件下，通過增大油門，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩將相應(yīng)地增大，兩側(cè)履帶力隨之增大，便于車輛克服較大的轉(zhuǎn)向阻力，使其在轉(zhuǎn)向條件較差的路面上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

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