徐濤 申焱華 張文明 高玉

(北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100083)

基于混合動(dòng)力變速箱的礦用車傳動(dòng)系統(tǒng)特性分析*

徐濤 申焱華 張文明 高玉

(北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100083)

基于傳統(tǒng)的液力機(jī)械變速箱結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于百噸級以下礦用車的混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)，使礦用車實(shí)現(xiàn)純電、純機(jī)械及混合動(dòng)力等16種不同工作模式的切換.利用模擬杠桿法分析混合動(dòng)力變速箱系統(tǒng)在不同工作模式下的動(dòng)力傳動(dòng)特點(diǎn);對兩種不同傳動(dòng)方式下的礦用車整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真建模，并利用實(shí)際礦山道路循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行仿真分析.結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的液力機(jī)械傳動(dòng)方式相比，混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)方式下的整車驅(qū)動(dòng)性能提高了7.3%;礦山道路單循環(huán)工況中，整車經(jīng)濟(jì)性能提高了15.5%，其中54%是由于電機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的主動(dòng)調(diào)節(jié)，46%來自于電機(jī)對制動(dòng)能量的回收利用．

混合動(dòng)力變速箱;礦用車;傳動(dòng)系統(tǒng)；工作模式;整車性能

礦用自卸車是礦山作業(yè)的主要運(yùn)輸設(shè)備，其性能的好壞決定著采礦成本的高低.隨著采礦條件的日益復(fù)雜，特別是露天礦山的深挖深采，螺旋大回轉(zhuǎn)的礦山道路使得礦用車輛基本行駛在長上坡與長下坡工況下，如何結(jié)合實(shí)際的礦山環(huán)境進(jìn)行高效采礦，提高礦用車作業(yè)效率是礦山企業(yè)面臨的重要問題[1].目前，百噸級以上的礦用電動(dòng)輪車輛，如通用電氣(GE)生產(chǎn)的重型混合動(dòng)力電動(dòng)輪礦用汽車[2]，可通過超級電容組調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)并能有效回收制動(dòng)能量，整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性較好.而對于百噸級以下的礦用車，一般采用液力機(jī)械傳動(dòng)并通過增加電緩行器或液壓制動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)車輛的驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)[3- 4]，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)不可調(diào)且無法回收存儲制動(dòng)能量，整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性難以達(dá)到最優(yōu)，驅(qū)動(dòng)及節(jié)能潛力亟待進(jìn)一步提高.

目前，混合動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)是改善車輛經(jīng)濟(jì)性、提高動(dòng)力性的最有效方式[5]，其中串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)較為普遍[6].此外，隨著混合動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，混合動(dòng)力變速箱作為一種新型混合動(dòng)力裝置也得到了廣泛的應(yīng)用[7].代表產(chǎn)品有:雙電機(jī)混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)，如豐田PRIUS的THS系統(tǒng)[8]、通用的AHS系統(tǒng)[9]等;單電機(jī)混合動(dòng)力變速箱系統(tǒng)，如采埃孚的ZF-8HP70H系統(tǒng)[10]、單電機(jī)多模式變速箱系統(tǒng)[11]等.以上各混合動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)及相應(yīng)的變速箱設(shè)計(jì)與控制策略的制定主要面向載質(zhì)量較小的公路行駛汽車，而對于非公路的重型礦用車，如何在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及獨(dú)特的礦用道路環(huán)境基礎(chǔ)上，利用混合動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)提高整車經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性是其未來的主要研究方向.

在礦用車液力機(jī)械變速箱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，文中提出了一種單電機(jī)礦用四檔混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)，利用模擬杠桿法分析了其在不同工作模式下的動(dòng)力傳動(dòng)特點(diǎn)，并與液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在整車驅(qū)動(dòng)及匹配方面進(jìn)行理論對比分析.同時(shí)，利用MATLAB/Simulink軟件建立液力機(jī)械傳動(dòng)方式及混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)方式下的礦用車整車仿真模型，在實(shí)際露天礦山道路循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對兩者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真對比驗(yàn)證，分析混合動(dòng)力變速箱在露天礦山運(yùn)輸上的應(yīng)用前景.

1 變速箱結(jié)構(gòu)及工作模式分析

混合動(dòng)力變速箱實(shí)現(xiàn)了機(jī)械變速箱與電機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，具有混合動(dòng)力系統(tǒng)多動(dòng)力耦合的特點(diǎn).其結(jié)構(gòu)主要由行星齒輪排、離合器及電機(jī)組成，以四檔混合動(dòng)力變速箱為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 四檔混合動(dòng)力變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of structure of the four-speed hybrid transmission system

由圖1可以看出，混合動(dòng)力變速箱動(dòng)力源包括發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī).在實(shí)際的工作過程中可通過控制兩者的工作狀態(tài)及離合器的結(jié)合形式來實(shí)現(xiàn)不同工作模式之間的切換，主要包括兩檔純電模式、四檔純機(jī)械模式、四檔混合動(dòng)力模式等.現(xiàn)結(jié)合變速箱能量流圖及模擬杠桿法對其在不同工作模式下的動(dòng)力傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行具體分析[12].

1.1 兩檔純電模式

純電工作模式下，離合器a、b分離，切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸，離合器c或d結(jié)合，通過低速級行星齒輪排的作用，輸出電機(jī)動(dòng)力.當(dāng)離合器d結(jié)合時(shí)，內(nèi)齒圈固定，動(dòng)力由太陽輪輸入，行星架輸出，傳動(dòng)比為i1;當(dāng)離合器c結(jié)合時(shí)，行星齒輪排中太陽輪與內(nèi)齒圈相連作為輸入端，行星架輸出，傳動(dòng)比為1.利用能量傳遞流圖及模擬杠桿法對純電模式下變速箱的動(dòng)力傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖2所示.圖中A1/B1/C1及A2/B2/C2分別為高速級和低速級行星齒輪排的太陽輪/內(nèi)齒圈/行星架;ρ1/ρ2為高速級及低速級內(nèi)齒圈與太陽輪的齒數(shù)比(ZB1/ZA1，ZB2/ZA2);ωkj(k為齒輪A1-C2，j為不同傳動(dòng)比)為各齒輪轉(zhuǎn)速;Fij為各齒輪所受的外界反作用力．

圖2 純電模式不同檔位下能量傳遞流圖及模擬杠桿圖

Fig.2 Diagrams of energy transfer and lever analogy for motor-only mode at different gears

在Ⅱ檔檔位下，太陽輪與內(nèi)齒圈相連，傳動(dòng)比為1，為行星齒輪傳動(dòng)的極限情況，不可以采用模擬杠桿法進(jìn)行分析．

由以上分析可知，純電驅(qū)動(dòng)模式不同檔位下，混合動(dòng)力變速箱的輸入、輸出端轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)力、各齒輪轉(zhuǎn)速及所受外部反作用力關(guān)系如下:

在檔位I下，

(1)

在檔位Ⅱ下，

(2)

式中，F(xiàn)m、ωm分別為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)速，F(xiàn)s、ωs分別為變速箱的輸出力和輸出轉(zhuǎn)速.

1.2 四檔純機(jī)械模式

純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式下，電動(dòng)機(jī)停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力供應(yīng).通過控制離合器a/b/c/d的不同工作狀態(tài)，可以改變變速箱的傳動(dòng)比大小，使其實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械變速傳動(dòng)的功能，不同檔位下的能量傳遞流圖如圖3所示.

圖3 純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式不同檔位下能量傳遞流圖

Fig.3 Diagram of energy transfer for engine-only mode at different gears

由于在純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式下，高速級或低速級行星齒輪排中存在行星齒輪傳動(dòng)的極限情況，傳動(dòng)比為1，不可以采用模擬杠桿圖進(jìn)行分析，故只分析純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式下部分檔位的轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)力特點(diǎn)，如圖4所示.動(dòng)力傳動(dòng)特點(diǎn)如下：

在檔位Ⅰ下，

(3)

在檔位Ⅱ下，

(4)

在檔位Ⅲ下，

(5)

在檔位Ⅳ下，

(6)

式中，F(xiàn)e和ωe分別為發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)速.

圖4 純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式下模擬杠桿圖

1.3 四檔混合動(dòng)力模式

混合動(dòng)力模式與純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式相似，包含4個(gè)檔位，在每個(gè)檔位下，電動(dòng)機(jī)根據(jù)高速級行星齒輪排的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，變速箱輸出耦合動(dòng)力.與純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式相比，混合動(dòng)力模式下變速箱的輸出轉(zhuǎn)速相同而驅(qū)動(dòng)力變大，結(jié)合前面的分析可得，混合動(dòng)力模式下變速箱的輸出驅(qū)動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力大小關(guān)系為

(7)

式中，Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ檔所對應(yīng)的離合器工作狀態(tài)與純機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式相同.

除上述工作模式外，由于電機(jī)的存在，混合動(dòng)力變速箱還可以實(shí)現(xiàn)兩檔倒車模式、兩檔制動(dòng)能量回收模式、兩檔駐車發(fā)電模式等.現(xiàn)將各工作模式下離合器、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及所適用的運(yùn)行工況進(jìn)行整理，如表1所示.

2 礦用車驅(qū)動(dòng)及匹配特性分析

車輛在一定行駛工況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣可通過驅(qū)動(dòng)輪處的理想驅(qū)動(dòng)特性場進(jìn)行評判.理想驅(qū)動(dòng)特性場是指， 路面所決定的， 由車速、功率、驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)扭矩組成的驅(qū)動(dòng)特性曲線[13]，如圖5所示.理想驅(qū)動(dòng)特性場包含3方面的內(nèi)容:

(1)車輛最高車速或者系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速限制(L1);

(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高功率對轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)力或轉(zhuǎn)矩的限制(L2)，即

(8)

式中，Pe,max和Pm,max分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的最高功率，F(xiàn)和v分別為整車的驅(qū)動(dòng)力和車速.

(3)附著力對整車驅(qū)動(dòng)力的限制(L3)(在此以一定爬坡度要求對驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行限制).

評價(jià)和對比汽車驅(qū)動(dòng)性能的指標(biāo)可選為整車在驅(qū)動(dòng)輪處實(shí)際的輸出驅(qū)動(dòng)特性場占理想驅(qū)動(dòng)特性場的百分比，該值越大，動(dòng)力性能越佳[14- 15].而對于裝配有液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)或者混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的礦用車而言，傳動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速或驅(qū)動(dòng)力大小決定著整車傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，進(jìn)而決定整車的驅(qū)動(dòng)特性.因此，對于整車傳動(dòng)系統(tǒng)性能的評價(jià)可轉(zhuǎn)化為對整車驅(qū)動(dòng)特性的研究.文中以裝配有液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的某礦用車結(jié)構(gòu)參數(shù)(滿載質(zhì)量為84 t，空載質(zhì)量為45 t，四檔變速箱傳動(dòng)比為(1,0.736)·(2,1)，輪減及主傳動(dòng)比為20，車輪滾動(dòng)半徑為0.955 m，機(jī)械傳動(dòng)效率為0.89，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為417.7 kW、最高轉(zhuǎn)速為2 100 r/min、最大轉(zhuǎn)矩為2 440 Nm，透過性液力變矩器的液壓油密度為860 kg/m3、有效直徑為0.5 m、轉(zhuǎn)速比為[0∶0.1∶1]、轉(zhuǎn)矩比(K×10-6)為[2.70，2.60，2.47，2.26，2.05，1.79，1.55，1.30，1.00，0.50，0.00]、轉(zhuǎn)矩系數(shù)為[2.60，2.55，2.50，2.42，2.30，2.20，2.10，2.00，1.80，1.60，1.40])為基礎(chǔ)，以理想驅(qū)動(dòng)特性場為參考，研究將液力變矩器改裝為混合動(dòng)力變速箱時(shí)整車的驅(qū)動(dòng)性能.為提高兩者在整車驅(qū)動(dòng)及匹配特性方面的可比性，混合動(dòng)力變速箱中電機(jī)參數(shù)的選取以液力機(jī)械傳動(dòng)礦用車整車最高爬坡度為標(biāo)準(zhǔn):額定轉(zhuǎn)速nm=600 r/min，額定轉(zhuǎn)矩Tm=2 600 Nm，額定功率Pm=160 kW，最高轉(zhuǎn)速nm，max=3 000 r/min，電機(jī)質(zhì)量mm=400 kg.整車驅(qū)動(dòng)特性及匹配特性如圖5所示.其中，Lmn中，m(m=1，2，3)表示理想驅(qū)動(dòng)特性場的不同曲線，n(n=1，2)表示液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng);vf，max和vm，max分別為純機(jī)械驅(qū)動(dòng)和純電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)整車所能達(dá)到的最大車速;理想驅(qū)動(dòng)特性場L1n為最高車速，即兩種傳動(dòng)系統(tǒng)所能達(dá)到的最高車速;L2n為最大功率，最大功率值與電機(jī)及液力變矩器特性有關(guān);L3n為滿載最大爬坡度，取30%爬坡度下的整車需求驅(qū)動(dòng)力.分析圖5可知，裝配有液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與裝配有混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的整車驅(qū)動(dòng)特性分別為82%、88%．

表1 基于混合動(dòng)力變速箱的礦用車工作模式分析1)

1)E為發(fā)動(dòng)機(jī)，M為電動(dòng)機(jī)，◆為工作，◇為未工作.

在基于理想驅(qū)動(dòng)特性場的整車驅(qū)動(dòng)特性分析中，除驅(qū)動(dòng)力及轉(zhuǎn)速限制外，功率特性決定的能量場大小與傳動(dòng)構(gòu)型相關(guān)，且相同構(gòu)型之間差別不大，因此針對以上分析結(jié)果可得到如下結(jié)論:

(1)裝配有混合動(dòng)力變速箱的礦用車較裝配有液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)礦用車的驅(qū)動(dòng)性能提升了7.3%，且中高速區(qū)優(yōu)勢更為明顯;

(2)混合動(dòng)力變速箱可通過控制電機(jī)的工作特性來調(diào)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)換檔過程的動(dòng)力輸出，使其在一定程度上達(dá)到與液力變矩器相同的換檔平順性;

(3)混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)可通過切換礦用車工作模式來改善動(dòng)力輸出特性，滿足其高速行駛需求，如圖5中vf，max及vm，max大小所示.

圖5 兩種傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力匹配特性圖

3 礦用車節(jié)能特性仿真分析

以第2部分給出的礦用車整車參數(shù)及電機(jī)參數(shù)為參考，在相同的整車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分別建立基于液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及混合動(dòng)力變速箱系統(tǒng)的礦用車整車仿真模型.將特定的礦用循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入，對兩種傳動(dòng)系統(tǒng)下的整車工作狀態(tài)及節(jié)能特性進(jìn)行仿真對比分析.

3.1 礦用車特定循環(huán)工況

與傳統(tǒng)的城市道路循環(huán)工況不同，礦山道路具有斷面形狀復(fù)雜、路面坡度大、轉(zhuǎn)彎多的特點(diǎn).因此，礦用車仿真模型所用的仿真循環(huán)工況應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際礦山道路，符合真實(shí)的道路環(huán)境.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市魏家峁露天煤礦道路是典型的礦山道路，道路俯視圖及路面實(shí)景圖如圖6所示.

圖6 內(nèi)蒙古鄂爾多斯市魏家峁煤礦道路

圖6所示的露天煤礦道路中，上下坡度大小在±5%～±10%之間，其具體坡度大小可由道路海拔高度(h)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，如圖7(a)所示.礦用車工作過程中，需在圖6(a)所示的A點(diǎn)裝載，沿固定路線滿載運(yùn)輸?shù)紹點(diǎn)，B點(diǎn)卸載完成后空載原路返回到A點(diǎn)，單個(gè)循環(huán)過程中車速變化如圖7(b)所示.由圖7可以看出:礦車滿載運(yùn)輸過程中，海拔高度總體處于上升狀態(tài)，最大海拔高度在60 m左右，平均車速為20～25 km/h，用時(shí)為495 s;卸載時(shí)，平均海拔高度不變，車速處于震蕩狀態(tài)，平均車速為0.3 km/h，用時(shí)為105 s;空載運(yùn)行過程中，海拔高度變化與滿載運(yùn)輸時(shí)相反，平均車速為25～30 km/h，用時(shí)為400 s.相對于礦用車的運(yùn)行道路環(huán)境而言，此實(shí)驗(yàn)循環(huán)工況符合礦用車的實(shí)際運(yùn)行過程，可用于其在礦山道路下的仿真研究.

圖7 礦山道路海拔高度和車速實(shí)驗(yàn)值

Fig.7 Experimental data of the altitude of mine road and the vehicle speed

3.2 仿真結(jié)果及分析

由于混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的礦用車模型省去了液力變矩器而增加了電動(dòng)機(jī)及動(dòng)力電池，為提高與液力機(jī)械傳動(dòng)礦用車模型的可比性，其整車整備質(zhì)量應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，所選取的動(dòng)力電池參數(shù)及由此造成的整車質(zhì)量變化如下:鋰電池單體電池容量為200 Ah、單體電池?cái)?shù)量為160、單體電池質(zhì)量為5.8 kg，由此考慮電機(jī)及電池時(shí)的整車空載質(zhì)量為46.2 t、滿載質(zhì)量為85.2 t.

基于以上結(jié)構(gòu)參數(shù)及循環(huán)工況，兩種不同傳動(dòng)形式的礦用車仿真模型車速仿真結(jié)果如圖8所示.通過對圖8中各車速進(jìn)行積分，可得液力機(jī)械及混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)條件下的車輛總行駛里程分別為5.96 km及6.12 km(理論總里程為6.25 km).車輛行駛里程仿真值與理論值對比，可用于說明整車實(shí)際動(dòng)力對需求動(dòng)力的跟隨特性.因此，由仿真結(jié)果可以看出，混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)下的整車驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)于液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)下的整車驅(qū)動(dòng)性能．

圖8 礦用循環(huán)工況下車速仿真結(jié)果

Fig.8 Simulation results of the vehicle speed under mining drive cycle case

3.3 整車經(jīng)濟(jì)性能分析

當(dāng)?shù)V用車在礦山道路中滿載上坡、卸載以及空載下坡循環(huán)結(jié)束時(shí)，混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)力電池剩余電量的百分比(SOC，電池初始SOC為0.7)分別為0.669、0.666、0.675，等效能量變化分別為-7.740 MJ(放電)、-0.641 MJ(放電)、3.126 MJ(充電)，兩種傳動(dòng)系統(tǒng)下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量分別如表2所示.

表2 兩種傳動(dòng)系統(tǒng)下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量

基于混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的整車模型中， 控制策略可根據(jù)需求動(dòng)力的大小調(diào)節(jié)電機(jī)的工作狀態(tài)，使電池充電或放電.因此，就整車而言，電池能量變化也應(yīng)考慮到其經(jīng)濟(jì)性的分析中.其中，電池能量與發(fā)動(dòng)機(jī)油耗關(guān)系為

(9)

式中:Ec為電池能量等效發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，L;Q為電池能量，kJ;q為燃料熱值，取值46.04 kJ/g;ρfc為燃料密度，取值840 g/L;η′為等效轉(zhuǎn)換效率，取值0.9.

由式(9)可計(jì)算得到電池放電5.255 MJ，相當(dāng)于消耗燃油0.14 L.結(jié)合表2可知，在礦用車專用循環(huán)工況中，混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)下的礦用車單個(gè)循環(huán)總油耗為6.053 L，與傳統(tǒng)的液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的礦用車油耗7.160 L相比，經(jīng)濟(jì)性提高了15.52%.具體分析混合動(dòng)力變速箱礦用車傳動(dòng)系統(tǒng)可以看出，其原因主要在于可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)及回收制動(dòng)能量兩方面．

3.3.1 電機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)

在礦用循環(huán)工況中，不同傳動(dòng)系統(tǒng)下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)如圖9所示.

與液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相比，混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)可通過電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，整車經(jīng)濟(jì)性能較容易被控制.結(jié)合圖9，對擁有混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的整車在整個(gè)礦用循環(huán)工況中的不同工作狀態(tài)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下:制動(dòng)回收，21%;低速純電動(dòng)，15%;純機(jī)械+發(fā)電，14%;混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)+工作點(diǎn)調(diào)節(jié)，19%;混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，32%.

由此可知，在整個(gè)礦用循環(huán)工況中，電機(jī)一直參與整車驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)過程，相對于液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的固定工作狀態(tài)而言，整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的提高是必然的.

圖9 兩種傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

3.3.2 電機(jī)對制動(dòng)能量的回收

混合動(dòng)力變速箱對整車制動(dòng)能量的回收儲存是通過機(jī)械傳動(dòng)軸反拖電機(jī)實(shí)現(xiàn)的.在制動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，其回收能量大小可由電池能量變化來衡量.

縱觀整個(gè)循環(huán)工況，電池充放電的能量變化如下:制動(dòng)回收，19.75 MJ(充電);低速純電動(dòng)，-3.33 MJ(放電);純機(jī)械+發(fā)電，10.97 MJ(充電);混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)+工作點(diǎn)調(diào)節(jié)，-17.52 MJ(放電);混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，-15.12 MJ(放電).

由此可知:在整個(gè)循環(huán)工況下，電機(jī)回收制動(dòng)能量為19.75 MJ，低速行駛時(shí)消耗3.33 MJ，低扭矩需求條件下調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)而回收的發(fā)動(dòng)機(jī)能量為10.97 MJ，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)以提高整車動(dòng)力輸出而消耗17.52 MJ，為提高整車動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作而消耗15.12 MJ.

由式(9)可知，回收的19.75 MJ制動(dòng)能量可等效為0.511 L燃油消耗量，與1.107 L整車節(jié)能特性相比，其通過制動(dòng)能量回收方式實(shí)現(xiàn)的占46%，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)的占54%.

4 結(jié)論

文中提出的適用于百噸級以下礦用車的四檔混合動(dòng)力變速箱系統(tǒng)可滿足礦用車16種不同工作模式之間的切換要求，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性及使用性能方面存在以下優(yōu)勢:

(1)混合動(dòng)力變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與變速箱結(jié)構(gòu)的耦合設(shè)計(jì)，省去了傳統(tǒng)的液力變矩器及其附件結(jié)構(gòu)，可通過多個(gè)離合器的配合來實(shí)現(xiàn)不同工況下礦用車的混合動(dòng)力需求．

(2)與液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相比，混合動(dòng)力變速箱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦用車發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的主動(dòng)調(diào)節(jié)及制動(dòng)能量的有效回收利用，經(jīng)濟(jì)性可提高15.52%;在相同換檔平順性的條件下，整車驅(qū)動(dòng)性能可提高7.3%．

雖然目前國內(nèi)百噸級以下的重型礦用車以液力機(jī)械自動(dòng)變速箱為主，但隨著重型混合動(dòng)力變速箱的開發(fā)及其在礦山開采運(yùn)輸中表現(xiàn)出的適應(yīng)性，混合動(dòng)力變速箱技術(shù)的應(yīng)用必定會成為礦用車傳動(dòng)系統(tǒng)未來的主要發(fā)展方向．

[1] 李來平，劉曉莉，張文瑞.露天礦開采工藝發(fā)展以及對礦用車需求的影響 [J].露天采礦技術(shù)，2015，3(11):7- 10. LI Lai-ping，LIU Xiao-li，ZHANG Wen-rui.Effect of mi-ning process development on mining truck demand in open-pit mine [J].Opencast Mining Technology，2015，3(11):7- 10．

[2] TIM R，LEE S，CHRIS J，et al.Advanced hybrid propulsion and energy management system for high efficiency，off highway，240 ton class，diesel electric haul trucks [R].Niskayuna:GE Global Research，2008．

[3] 趙鑫鑫，張文明，馮雅麗.重型礦用汽車多參數(shù)動(dòng)力性換檔規(guī)律 [J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，35(1):101- 106. ZHAO Xin-xin，ZHANG Wen-ming，F(xiàn)ENG Ya-li.Powerful shifting strategy and multi-parameters considered for hea-vy-duty mining truck [J].Journal of Northeastern University(Natural Science)，2014，35(1):101- 106.

[4] 賈云海，張文明，楊玨.液力緩速器制動(dòng)過程動(dòng)態(tài)仿真研究 [J].汽車技術(shù)，2009(7):26- 30. JIA Yun-hai，ZHANG Wen-ming，YANG Jue.Dynamic simulation research of hydrodynamic retarder in brake process [J].Automobile Technology，2009(7):26- 30．

[5] CHAN C C.The state of the art of electric，hybrid，and fuel cell vehicles [J].Proceedings of the IEEE，2007，95(4):704- 718．

[6] PRAJAPATI K C，PATEL R，SAGAR R.Hybrid vehicle：a study on technology [J].International Journal of Engineering Research & Technology，2014，3(12):1072- 1082.

[7] 楊陽，趙新富，秦大同，等.新型混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作模式耦合特性分析[J].汽車工程，2012，34(11):968- 975． YANG Yang，ZHAO Xin-fu，QIN Da-tong，et al.Design and operation mode coupling characteristics analysis on the new transmission system of hybrid electric vehicle[J].Automotive Engineering，2012，34(11):968- 975．

[8] HIROSE K，UEDA T，TAKAOKA T，et al.The high-expansion-ratio gasoline engine for the hybrid passenger car [J].JSAE Review，1999，20(1):13- 21．

[9] GREWE T M，CONLON B M，HOLMES A G.Defining the general motors 2-mode hybrid transmission [R].Warrendale:SAE International，2007．

[10] KUBALCZYK R，GALL R，LIANG Zhong.采埃孚混合動(dòng)力變速箱模塊 [J].傳動(dòng)技術(shù)，2013，27(3):3- 12． KUBALCZYK R，GALL R，LIANG Zhong.Instant analysis on automatic transmission planetary gear system [J].Drive System Technique，2013，27(3):3- 12．

[11] ZHU Futang，CHEN Li，YEN Chengliang.Design and analysis of a novel multimode transmission for a HEV using a single electric machine [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62(3):1097- 1110．

[12] 尤明福，李志偉，甘偉.基于杠桿法的8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) [J].中國機(jī)械工程，2012，23(23):2801- 2804． YOU Ming-fu，LI Zhi-wei，GAN Wei.Design of transmission scheme for 8-speed AT based on lever method [J].China Mechanical Engineering，2012，23(23):2801- 2804．

[13] 米奇克M，瓦倫托維茲.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) [M].陳蔭三，余強(qiáng)，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2009．

[14] 何洪文.混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究和控制策略分析 [D].北京:北京理工大學(xué)，2003．

[15] 何洪文，余曉江，孫逢春，等.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性分析 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(6):136- 140． HE Hong-wen，YU Xiao-jiang，SUN Feng-chun，et al.Study on power performance of traction motor system for electric vehicle [J].Proceedings of the CSEE，2006，26(6):136- 140．

Performance Analysis of Drive System of Mine Trucks Based on Hybrid Transmission System

XUTaoSHENYan-huaZHANGWen-mingGAOYu

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Proposed is a hybrid transmission system (HBTS) on the basis of traditional hydraulic transmission systems (HDTS), which is appropriate for the heavy-duty mine trucks (HDMT) with a load capacity below 100 t. In HBTS, sixteen operation modes including motor-only mode, engine-only mode and hybrid driving mode can be rea-lized. In the investigation, firstly, power transmission features of the HDTS in different operation modes are analyzed by means of lever analogy method. Then, the complete structures of mine trucks respectively with HBTS and HDTS are modeled by simulation and are analyzed with the experimental data of the trucks running in real mine road. The results show that the power performance of the truck with HDMT is 7.3% higher than that with HBTS; and that the vehicle economic performance improves by 15.5% in real mine road. In addition, 54% of the economic improvement is arrived at thanks to the active adjustment of engine operation points by the motor and the rest is reached thanks to the recycle of braking energy.

hybrid transmission system; mine trucks; drive system; operation mode; vehicle performance

2016- 07- 22

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAB02B07);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0600805) Foundation items: Supported by the National Key Technology Support Program of China(2013BAB02B07) and the National Key Research and Development Planning Project(2016YFC0600805)

徐濤(1990-),男,博士生,主要從事非公路車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究.E-mail:ustb_xt@163.com

1000- 565X(2017)05- 0059- 09

TD 561

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.009