李慎龍，周廣明，趙 凱，尹華兵

(中國北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

當(dāng)前液力機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)效率低主要是由液力變矩器和轉(zhuǎn)向泵/馬達(dá)所造成的，液力變矩器最高傳動(dòng)效率為85%，高效工作區(qū)傳動(dòng)效率為80%;轉(zhuǎn)向泵/馬達(dá)最高機(jī)械效率為90%、容積效率為85%，總的效率僅為76.5%.同時(shí)由于液力變矩器和轉(zhuǎn)向泵/馬達(dá)存在多次能量形式的轉(zhuǎn)化，所以很難進(jìn)一步提升該傳動(dòng)元件的能量傳遞效率.傳動(dòng)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(fù)擔(dān)、降低了系統(tǒng)高溫環(huán)境的工作適應(yīng)能力和車輛有效驅(qū)動(dòng)功率利用率，且隨著傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的功率損失，提高傳動(dòng)效率.

據(jù)國外戰(zhàn)車發(fā)展動(dòng)態(tài)文獻(xiàn)表明，美國地面車輛動(dòng)力與機(jī)動(dòng)性技術(shù)戰(zhàn)略的中期目標(biāo)(2017年)是32速雙模邏輯綜合傳動(dòng)裝置.這種傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)有:無需液力變矩器;精確機(jī)械轉(zhuǎn)向，無需大功率轉(zhuǎn)向泵/馬達(dá);輕型緊湊設(shè)計(jì);高負(fù)荷控制效率;傳動(dòng)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(jī)械綜合傳動(dòng)裝置

通過研究國外戰(zhàn)車傳動(dòng)裝置發(fā)展?fàn)顩r，提出了一種高效、多擋位、大傳動(dòng)范圍的雙模邏輯機(jī)械綜合傳動(dòng)總體方案，建立了雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，完成了直駛和轉(zhuǎn)向性能計(jì)算，并與液力機(jī)械綜合傳動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果表明雙模邏輯機(jī)械綜合傳動(dòng)能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械綜合傳動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括前傳動(dòng)、功率分流機(jī)構(gòu)、起步離合器、直駛傳動(dòng)鏈和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)鏈的雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)、匯流排等主要模塊.可以看出，與液力機(jī)械綜合傳動(dòng)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(dá)，而是通過能實(shí)現(xiàn)多擋位、大傳動(dòng)比范圍的2個(gè)雙模邏輯行星變速機(jī)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(dòng)鏈的雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)輸出軸閉鎖、輸入軸能夠自由旋轉(zhuǎn)，通過直駛傳動(dòng)鏈雙模邏輯行星變速機(jī)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(dòng)機(jī)功率全部通過直駛傳動(dòng)鏈變速機(jī)構(gòu)來傳遞到主動(dòng)輪，其中直駛傳動(dòng)鏈雙模邏輯行星變速機(jī)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(dòng)鏈雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)換到某一擋位，實(shí)現(xiàn)零差速、多個(gè)理論規(guī)定轉(zhuǎn)向半徑的有級(jí)轉(zhuǎn)向.其中，中心轉(zhuǎn)向通過將直駛傳動(dòng)鏈雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)輸出軸閉鎖來實(shí)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率全部通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)鏈變速機(jī)構(gòu)來傳遞到主動(dòng)輪.

根據(jù)雙模邏輯機(jī)械綜合傳動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，對(duì)該傳動(dòng)系統(tǒng)與液力機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)向工況下的傳動(dòng)效率作了一個(gè)簡單對(duì)比，如圖3所示.可以看出，雙模邏輯機(jī)械綜合傳動(dòng)總的效率能達(dá)到86.85%，而液力機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)總的效率僅為69.84%.

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)總的傳動(dòng)效率對(duì)比

2 雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，即將n1個(gè)能實(shí)現(xiàn)2個(gè)擋位的二自由度行星排[2](見圖4)或n2個(gè)能實(shí)現(xiàn)4個(gè)擋位的三自由度多元件復(fù)合排[3](見圖5)等基本行星傳動(dòng)模塊串聯(lián)而成，從而實(shí)現(xiàn)Nx個(gè)擋位數(shù)量.

圖4 實(shí)現(xiàn)2個(gè)擋位的二自由度行星排

圖5 實(shí)現(xiàn)4個(gè)擋位的三自由度多元件復(fù)合排

利用多自由度行星傳動(dòng)理論[4]，以圖4(a)和圖5(a)為例，對(duì)上面基本行星排模塊各擋位能實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)比進(jìn)行了計(jì)算.計(jì)算公式如式(1)～式(11).

1)圖4(a)行星變速機(jī)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(dòng)比.

2)圖5(a)行星變速機(jī)構(gòu)方案.

2個(gè)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(dòng)比.

雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)各擋傳動(dòng)比是以傳動(dòng)比范圍為依據(jù)，采用等比級(jí)數(shù)劃分方式來制定.為了滿足該劃分方式各擋傳動(dòng)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(dòng)比必須滿足一定的要求.由2擋的二自由度基本行星傳動(dòng)單元集成變速機(jī)構(gòu)的階比與各行星傳動(dòng)單元特征參數(shù)計(jì)算公式為

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

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

3 雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)工作原理

通過上面分析可知，雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)是由多個(gè)基本行星排串聯(lián)而成.下面結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)要求，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比范圍18為設(shè)計(jì)依據(jù)，通過5個(gè)上面給定的2擋二自由度基本排串聯(lián)，則該變速機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)32個(gè)擋位，對(duì)應(yīng)傳動(dòng)方案簡圖和傳動(dòng)裝置簡圖分別如圖6和圖7所示，對(duì)應(yīng)的換擋邏輯為

圖6 32擋雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案

圖7 雙模邏輯變速機(jī)構(gòu)裝置

對(duì)每個(gè)基本行星排實(shí)現(xiàn)1擋傳動(dòng)比定義為邏輯“1”，實(shí)現(xiàn)2擋傳動(dòng)比定義為邏輯“0”，即整個(gè)機(jī)構(gòu)整體回轉(zhuǎn).表1給出了該32擋雙模邏輯行星速機(jī)構(gòu)各擋換擋邏輯，以及對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比.可以看出，該類變速機(jī)構(gòu)換擋邏輯類似于連續(xù)的二進(jìn)制代碼，故稱為“雙模邏輯變速機(jī)構(gòu)”.

表1 雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)換擋邏輯

4 性能分析

4.1 直駛牽引性能計(jì)算

對(duì)雙模邏輯機(jī)械綜合傳動(dòng)直駛牽引力、牽引功率和動(dòng)力因數(shù)等方面進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示.可以看出:該傳動(dòng)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(dòng)機(jī)功率利用率達(dá)到了90%以上;與液力機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比表明，該傳動(dòng)系統(tǒng)能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn).

圖8 車輛牽引力、牽引功率與車速變化曲線

圖9 車輛動(dòng)力因數(shù)與車速變化曲線

4.2 轉(zhuǎn)向性能計(jì)算

對(duì)雙模邏輯機(jī)械綜合傳動(dòng)的轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了分析，該系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)擋位而言有32個(gè)理論規(guī)定半徑，這些規(guī)定半徑能夠覆蓋車輛整個(gè)轉(zhuǎn)向域，其轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能與轉(zhuǎn)向泵/馬達(dá)零差速無級(jí)轉(zhuǎn)向相當(dāng).對(duì)直駛傳動(dòng)鏈每擋位下的所能實(shí)現(xiàn)理論轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)鏈相對(duì)分流功率的匹配模型進(jìn)行推導(dǎo)，得到了相對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律，如圖10所示.

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

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

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

進(jìn)一步推導(dǎo)出轉(zhuǎn)向傳動(dòng)鏈和直駛傳動(dòng)鏈相對(duì)分流功率隨相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑變化關(guān)系模型，以及相對(duì)變化關(guān)系，如圖11所示.

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

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

式中:Prev1為直駛傳動(dòng)鏈相對(duì)分流功率.

5 結(jié)論

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

2)雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)是由多個(gè)二自由度或三自由度的基本行星傳動(dòng)模塊串聯(lián)而成，可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì).需要突破多構(gòu)件復(fù)合行星排運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與驗(yàn)證技術(shù);以及新型多錐換擋元件設(shè)計(jì)技術(shù)，為結(jié)構(gòu)緊湊雙模邏輯行星變速機(jī)構(gòu)研制提供技術(shù)支撐.

3)雙模邏輯機(jī)械綜合傳動(dòng)在傳動(dòng)效率、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)性能方面與當(dāng)前液力機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng).

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