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(jì)活動(dòng)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(duì)于能源和環(huán)保的問(wèn)題的關(guān)注，為解決這些能源和環(huán)保問(wèn)題，電動(dòng)車輛呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢(shì)［1］.電動(dòng)車輛的優(yōu)勢(shì)不僅僅在于采用綠色能源電力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電傳動(dòng)裝置具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，例如可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，操控簡(jiǎn)單，噪音小等，最主要的是車輛采用的傳動(dòng)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(jī)構(gòu)的研究常見(jiàn)的是單行星排的耦合機(jī)構(gòu)，即在行星排構(gòu)件中其中兩個(gè)作為不同動(dòng)力輸入源進(jìn)行耦合.關(guān)于雙行星排的耦合機(jī)構(gòu)研究還比較少，雙行星排耦合機(jī)構(gòu)可以作為電動(dòng)車輛的傳動(dòng)裝置，其主要優(yōu)點(diǎn)是:能夠?qū)崿F(xiàn)固定軸齒輪機(jī)構(gòu)所不能實(shí)現(xiàn)的多個(gè)自由度速度分解或合成;多點(diǎn)嚙合傳遞動(dòng)力;傳動(dòng)時(shí)徑向力平衡;結(jié)構(gòu)比較緊湊等［2］.同時(shí)減少車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的控制難度，可以實(shí)現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向性能.

1 方案設(shè)計(jì)及模型建立

1.1 確定車輛布置

采用雙電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，耦合機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)裝置，車輛動(dòng)力可以由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，然后帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也可以采用蓄電池作為動(dòng)力來(lái)源.這里討論發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力時(shí)的車輛布置方案，如圖1所示.其中M代表發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)代表發(fā)電機(jī)，D1，D2代表雙側(cè)電動(dòng)機(jī)，B代表耦合機(jī)構(gòu)，與兩側(cè)減速機(jī)構(gòu)相連.

圖1 車輛布置方案

電動(dòng)機(jī)分別與兩排太陽(yáng)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(guò)機(jī)械連接與兩側(cè)主動(dòng)輪相連，完成動(dòng)力的輸出.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究顯示，此時(shí)的行星排的效率最高［3-4］.行星排耦合機(jī)構(gòu)原理如圖2所示.此時(shí)，通過(guò)控制左右兩側(cè)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的大小和方向來(lái)控制車速，實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速和倒車功能，當(dāng)控制左右電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小或者方向不同時(shí)，便可以實(shí)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(jī)構(gòu)原理圖

1.2 雙行星排耦合機(jī)構(gòu)建模

首先對(duì)行星排進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，為了使仿真研究方便，耦合機(jī)構(gòu)的兩個(gè)行星排采用相同的參數(shù)，所以只需對(duì)其中一個(gè)排進(jìn)行配齒計(jì)算，滿足傳動(dòng)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(jiàn)表1.

行星排設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)行星排進(jìn)行建模，采用多體動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真技術(shù)軟件RecurDyn的齒輪工具包 (RecurDyn/Gear)進(jìn)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(jī)構(gòu)模型

2 行星排耦合機(jī)構(gòu)仿真分析

建立耦合機(jī)構(gòu)模型后，對(duì)其進(jìn)行約束及驅(qū)動(dòng)建模，在每個(gè)行星排中，齒圈和太陽(yáng)輪分別與行星輪加入齒輪副，太陽(yáng)輪處加入轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)構(gòu)約束的建立.下面對(duì)差速轉(zhuǎn)向和中心轉(zhuǎn)向兩種工況進(jìn)行仿真分析［6］.

(1)差速工況

在1排太陽(yáng)輪處施以100π(314)rad/s的轉(zhuǎn)速，2排太陽(yáng)輪不輸入 (0rad/s)，用以模仿電動(dòng)機(jī)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(fù)載，完成耦合機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng).進(jìn)行仿真分析，得出左右兩側(cè)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速見(jiàn)圖5和圖6，齒圈與行星輪的嚙合力見(jiàn)圖7，太陽(yáng)輪與行星輪的嚙合力見(jiàn)圖8，齒圈和太陽(yáng)輪處所受到的力矩見(jiàn)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(yáng)輪與行星輪嚙合力

圖9 齒圈力矩

圖10 太陽(yáng)輪力矩

因?yàn)樾行桥?主要承擔(dān)動(dòng)力輸出，所以齒圈和太陽(yáng)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(guò)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(diǎn)”，去除仿真圖線中的尖點(diǎn)之后得到可用數(shù)據(jù)，對(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)輪處施以10π(31.4)rad/s的轉(zhuǎn)速，2排太陽(yáng)輪輸入－10π(－31.4)rad/s的轉(zhuǎn)速，用以模仿電動(dòng)機(jī)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(fù)載，完成耦合機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng).進(jìn)行仿真分析，得出左右兩側(cè)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速見(jiàn)圖11;行星排1齒圈嚙合力見(jiàn)圖12;行星排1太陽(yáng)輪嚙合力見(jiàn)圖13.

同上，去除仿真圖線中的尖點(diǎn)，對(duì)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(yáng)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(yáng)輪嚙合力

3 仿真結(jié)果計(jì)算分析

3.1 轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)行星傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式nt+knq－(1+k)nj=0(k為行星排的參數(shù))來(lái)進(jìn)行理論計(jì)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(yáng)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(jì)算得到

這與仿真曲線的平均值十分接近，說(shuō)明仿真結(jié)果比較靠近真實(shí)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(jī)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(yáng)輪、行星架、齒圈作用于行星輪上的圓周力;Rt，Rq為太陽(yáng)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(jìn)行下面的驗(yàn)證計(jì)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(shí)力矩Tq:Tt=2.34，也與理論值差距不大，說(shuō)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(yáng)輪受力Ft=29885.93 N基本相同，也與理論計(jì)算相符.

4 整車轉(zhuǎn)向仿真及功率分析

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

對(duì)車輛不同車速情況下的轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)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(shí)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(guò)上述分析，耦合機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的直駛和轉(zhuǎn)向功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率的耦合，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，內(nèi)側(cè)電機(jī)多余的功率可以通過(guò)耦合機(jī)構(gòu)傳遞到外側(cè)輸出軸，可以提高內(nèi)側(cè)電機(jī)的功率利用率，同時(shí)可以減少外側(cè)電機(jī)的功率負(fù)荷，使其在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，相比于兩側(cè)獨(dú)立電機(jī)直接輸出，相同的越野車采用耦合機(jī)構(gòu)時(shí)功率需求更小.這是使用耦合機(jī)構(gòu)的顯著優(yōu)勢(shì).經(jīng)過(guò)計(jì)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(dú)立電機(jī)輸出時(shí)中心轉(zhuǎn)向所需功率為5.53kW，采用耦合機(jī)構(gòu)時(shí)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(guò)確立車輛傳動(dòng)方案，建立雙行星排耦合機(jī)構(gòu)模型并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果與實(shí)際相符，仿真曲線結(jié)果與理論計(jì)算相一致.說(shuō)明仿真結(jié)果有效，及采用雙行星排耦合機(jī)構(gòu)作為履帶車輛傳動(dòng)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(jī)構(gòu)的進(jìn)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(dòng)或者機(jī)電混合動(dòng)力車輛的分析打下基礎(chǔ).

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