袁晴春 YUAN Qing-chun

摘要：履帶式車輛有較好的通過性能和承載能力，一般應用于工程機械、軍事領域和農田作業(yè)。由于履帶車輛的工作環(huán)境非常復雜，若只靠單個電動機或者雙側電動機驅動，在車輛滿負載工況時，驅動電機輸出牽引功率和力矩無法滿足工作要求，會造成整車動力性不足。基于此，本文對履帶車輛進行雙電機耦合驅動設計和探討，以改善履帶車輛的動力性。

Abstract： Tracked vehicles have good passing performance and carrying capacity， and are generally used in construction machinery， military fields and farmland operations. Since the working environment of a crawler vehicle is very complicated， if it is driven by a single motor or a double-sided motor， when the vehicle is fully loaded， the output traction power and torque of the drive motor cannot meet the working requirements， which will result in insufficient power of the whole vehicle. Based on this， this paper carries out the design and discussion of dual-motor coupling drive for tracked vehicles to improve the dynamics of tracked vehicles.

關鍵詞：履帶車輛;電驅動;電機耦合驅動

Key words： tracked vehicle;electric drive;motor coupled drive

中圖分類號：U469.6+94? ? ? ? ? ? ?;文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0019-02

0? 引言

由于石油是非可再生資源，近些年來，隨著全球工業(yè)的不斷發(fā)展，使用石油的驅動的內燃機越來越多，內燃機排放的尾氣會污染環(huán)境，引起全球氣候表暖，而且石油也會有枯竭的一天。在這種情況下，電驅動機器成為了當前的研究熱點，純電動汽車、純電動拖拉機等不斷問世，為此，各國也開始制定相關標準和法規(guī)，促進純電驅動履帶式車輛的研發(fā)。與傳統履帶式車輛相比，電動履帶式車輛具有起步加速快、可實現無級變速、操作簡單輕便、震動小、舒適性能好、零污染和零排放等很多優(yōu)點。基于此，電驅動履帶車輛在許多領域的應用不斷增長，具有很好的發(fā)展前景。

1? 電驅動履帶式車輛發(fā)展概述

電機問世已有一百九十多年，而最早把電機驅動應用于履帶車輛的是法國，當時法國研制的“圣沙蒙”坦克，采用的是單電機驅動方式，由于續(xù)航里程不到60公里和車型笨重，沒有得到很好的應用。然而，在第二次世紀大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭原因，各國停止了對電驅動履帶車輛的研究，當時研究最火是燃油發(fā)動機驅動履帶車輛，主要是當時蓄電池笨重且不耐用，電子控制技術比較落后，設計出來的電驅動履帶車輛行駛里程短，不利于戰(zhàn)場使用。到了1984年美國采用雙側電機獨立驅動的方式設計出M113步兵戰(zhàn)車，改善了單電機驅動中轉向困難的問題，德國的LLX試驗車也是采用的這種驅動方式，但受當時電機性能的限制，不適合用于重型履帶車輛。隨著電控技術和單片機技術的快速，油電混合驅動、單電機和轉向電機組合驅動在履帶車輛上進行了應用，改善了重型履帶車輛轉向力不足的問題。

我國由于工業(yè)體系發(fā)展比較晚，直到2004年北京理工大學的孫逢春院士才帶領團隊對電驅動輕型履帶車輛進行了研究樣車試驗，填補了我國的電驅動履帶車輛的空白，近幾年來，孫院士團隊設計的電驅動履帶車輛在某軍工廠進行了大量動力分配和能量管理技術方面的試驗和布局改進，于此時同，國內高校對雙電機耦合驅動技術也進行了大量的理論和仿真試驗研究，增加電機耦合機構后使得電機轉向功率得到了大大的提升，目前主要應用在電驅動重型履帶車輛和小型無人駕駛履帶車輛。目前在電驅動履帶車輛上應用最廣的是感應電機，主要是其轉矩特性好、可靠性高、制造成本低，隨著電池技術的不斷完善，今后履帶車輛會得到更好的應用。

2? 履帶車輛雙電機耦合驅動設計

2.1 總體結構設計

本文研究的電驅動履帶車輛雙耦合動力傳動系統示意圖如圖1所示，是在原有柴油發(fā)動機履帶車輛的驅動方式及車型上進行的改進設計，主要包括柴油發(fā)動機、動力傳動箱、油冷式發(fā)電機、蓄電池、電機控制模塊、左右側驅動電機、液壓操縱動力耦合變速機構、左右側減速機構和左右側驅動輪組成，其中驅動電機采用的是交流感應電機，右側電機的功率比左側電機的功率要大，左右兩驅動電機通過法蘭盤與液壓操縱動力耦合變速機構的箱體固定，并分別置于箱體的左右兩側。

依據車輛動力來源的形式分類標準進行區(qū)分，此種動力驅動方式屬于混合動力，因為該車有兩套動力驅動系統。在發(fā)動機不工作的情況下，由車上的蓄電池給左右兩側電機供電，電機動力通過液壓操縱動力耦合變速機構和左右側減速機構傳遞到左右兩側驅動輪上，帶動履帶行駛工作;當電量傳感器檢測到蓄電池儲存的電量將要消耗殆盡時，反饋給柴油發(fā)動機的控制模塊，使柴油發(fā)動機工作，然后發(fā)動機的動力通過傳動箱帶動發(fā)電機工作，發(fā)電機發(fā)的電并入蓄電池充電系統，主要給左右驅動電機供電，多余的電量沖入蓄電池中進行儲存，在這種情況下，驅動電機的動力間接來源于柴油發(fā)動機，此時發(fā)動機的工況不受履帶車輛工作環(huán)境的影響，此時，柴油發(fā)動機可以一直處于最佳工作狀態(tài)，可以提高柴油的經濟效益，控制尾氣的排放。

2.2 動力耦合原理

此履帶車中的液壓操縱動力耦合變速機構的動力傳動路線如圖2所示，紅色虛線框框為耦合動力耦合變速機構，其中變速機構可以通過不同的液壓油路控制檔位離合器的開閉，從而實現車輛的低速檔、高速檔和倒擋的位置切換，其中轉向或原地中心轉向由轉向油泵控制。由于感應電機速度調節(jié)范圍較寬，可以由電機控制模塊對左右電機進行無級調速，因此，不需要傳統笨重的多檔位變速齒輪組，只需要能實現低速檔位、高速檔位和倒擋的帶離合功能的變速齒輪組，從而簡化了變速機構的結構。

此液壓操縱動力耦合變速機構主要是對左右電機的功率進行耦合，這種耦合方式可以降低左右驅動電機的需求功率和過載系數，從而提高履帶車輛的機動性能。此結構中右側驅動電機通過左側輸入軸上的小齒輪與大齒圈嚙合，對動力進行減速增矩后輸送到固定齒圈上，右側驅動電機輸出軸設有液壓操縱離合器，用于結合、斷開大齒圈與右側驅動電機的連接;左側驅動電機通過右側輸入軸直接連接太陽輪，當左右側電機同時工作時，兩電機的動力經過大齒圈和太陽輪匯入行星齒輪中，行星齒輪對兩動力進行耦合后由行星架輸出至變速機構。

2.3 驅動行駛原理

當履帶車輛在起步、爬坡和加速時，由于車輛的行駛阻力較大，左右側電機同時工作，通過電機控制模塊控制電機轉動方向，使大齒圈和太陽輪流入行星齒輪的動力方向相同，從而實現了動力的疊加，在行星齒輪上把功率耦合放大再由行星架輸入變速機構，提高了驅動齒輪的轉矩，增大了驅動力。此時左右側電機輸出和行星架轉矩、轉速關系可以利用傳動比進行計算。

當履帶車輛轉向時，電機控制模塊控制左側電機不工作、右側電機正常工作，再把換擋控制手柄掛入空擋，此時液壓閥門控制右側電機輸入軸上的液壓操縱離合器分離，切斷了輸入行星齒輪的所有動力。右側電機輸入軸上的轉向泵可以正常工作，此泵為雙向泵，當駕駛員操縱轉向拉桿時，可以控制此轉向泵正反轉動，液壓油路經轉向泵流入變速機構，使變速機構中的左右半軸實現正反轉動，從而使履帶車輛進行左右轉向，降低了履帶內外側力對電機輸出力的影響。

3? 動力學計算

當左右側驅動電機同時工作時，可以計算出行星架輸入變速機構的轉矩、轉速關系，如下所示：

T右——右側電機輸出轉矩，N·m;

n右——右側電機輸出轉速，r/min;

T行星——行星架輸入變速機構的轉矩，N·m;

n行星——行星架輸入變速機構的轉速，r/min;

k——行星排特征參數;

i——右側電機到大齒圈傳動比;

T左——左側電機輸出轉矩，N·m;

n左——左側電機輸出轉速，r/min。

由上述兩公式可知道，本電驅動履帶車輛在爬坡等過程中出現驅動力不足時，液壓操縱動力耦合變速機構可調節(jié)左側電機轉速以增大輸入功率，保證右側電機在高效區(qū)運行，因此，應對不同的駕駛工況，應選擇對應的驅動檔位以匹配驅動電機的功率需求，避免功率過剩造成的低效率和高能耗。

4? 總結

本文在基于傳統燃油發(fā)動機驅動和雙側獨立電機驅動的基礎上，結合了兩者的驅動特點，設計出一種功率耦合的傳動機構，在轉向過程中可以通過耦合機構匯流動力，從理論上分析對降低驅動電機的功率過載系數和提高功率利用率具有很好的效果。

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