韓 斌 高公如 陳 晨,2 史偉杰,2

（1.山東常林機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，臨沂 276700；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266061）

液壓系統(tǒng)具有遠(yuǎn)高于機(jī)械、電力等其他系統(tǒng)的功率密度。液壓蓄能器的功率密度比飛輪和鎳氫蓄電池都要大[1-3]，充放能量速度也要快得多。利用液壓蓄能器的這一優(yōu)點(diǎn)，將帶有液壓蓄能器的能量再生和利用裝置配置在車(chē)輛上，并將其與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，成為液壓混合動(dòng)力車(chē)輛。

本文設(shè)計(jì)一種液壓混合動(dòng)力車(chē)輛模擬結(jié)構(gòu)，可充分收集制動(dòng)的能量，并在一定的工況下釋放。在需要頻繁剎車(chē)和起步的路況下，它可明顯降低系統(tǒng)油耗，大大延長(zhǎng)了剎車(chē)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)可以減少對(duì)車(chē)輛整體總能量的消耗[4]。這種采用液壓混合動(dòng)力的車(chē)輛不但可以在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大功率制動(dòng)能源的回收和釋放，而且它們?cè)诔杀尽⒖煽慷鹊确矫嬉灿兄^大的優(yōu)勢(shì)。因此，在蓄電池關(guān)鍵技術(shù)尚不能解決的今天[5]，液壓混合動(dòng)力車(chē)輛具有很好的應(yīng)用前景[6]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)各種動(dòng)力系統(tǒng)底盤(pán)動(dòng)力源之間耦合方式和運(yùn)行傳動(dòng)方式存在的差異，液壓混合動(dòng)力汽車(chē)的系統(tǒng)底盤(pán)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以分為串聯(lián)式液壓混合動(dòng)力、并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力和混聯(lián)式液壓混合動(dòng)力。其中，并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)是在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝了一套液壓輔助動(dòng)力系統(tǒng)，可直接在傳統(tǒng)底盤(pán)上進(jìn)行改造，改造難度相對(duì)較低，成本低廉，最具有應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。此外，它的系統(tǒng)總效能和質(zhì)量比串聯(lián)式的構(gòu)型更高，結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，是一種十分有發(fā)展前景的動(dòng)力構(gòu)型。因此，本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力構(gòu)型作為模擬車(chē)輛的基本構(gòu)型。

并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車(chē)輛系統(tǒng)共有兩個(gè)動(dòng)力源：發(fā)動(dòng)機(jī)（電機(jī)）為主動(dòng)力源，負(fù)責(zé)在大多數(shù)工況下給車(chē)輛提供驅(qū)動(dòng)力；液壓泵/馬達(dá)作為輔助動(dòng)力源，在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的工況下提供動(dòng)力。并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車(chē)輛實(shí)現(xiàn)的基本功能是在車(chē)輛需要進(jìn)行制動(dòng)的情況下用液壓系統(tǒng)來(lái)制動(dòng)。此時(shí)，車(chē)輛的動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能，儲(chǔ)存在液壓蓄能器內(nèi)。在車(chē)輛要啟動(dòng)的工況下，液壓蓄能器充分釋放壓強(qiáng)能，使得液壓泵/馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。液壓混合動(dòng)力車(chē)輛的基本模型如圖1所示，能量傳遞情況如圖2所示。本設(shè)計(jì)中用油箱代替低壓蓄能器。

液壓混合動(dòng)力模擬車(chē)輛包括基礎(chǔ)車(chē)架、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓動(dòng)力系統(tǒng)4部分。其中：基礎(chǔ)車(chē)架由底盤(pán)、軸、輪軸帶座軸承和車(chē)輪組成；齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由大齒輪、小齒輪、電機(jī)配合軸、液壓泵配合軸、軸套、齒輪軸、軸承支撐塊、軸承支架、軸承以及配合軸帶座軸承組成；電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、電機(jī)-齒輪電磁離合器和電機(jī)-離合器一體支撐架組成；液壓動(dòng)力系統(tǒng)由馬達(dá)/柱塞泵、軸離合器、液壓軟管、液壓油箱、壓力表、先導(dǎo)式溢流閥、油箱支架、板式電磁開(kāi)關(guān)閥、壓強(qiáng)傳感器、主閥塊、液壓硬管、卡套式管接頭、蓄能器以及小閥塊等組成。

車(chē)架主體是一個(gè)底盤(pán)，底盤(pán)下方為4個(gè)輪軸帶座軸承和2個(gè)輪軸。4個(gè)帶座軸承安裝在底盤(pán)的下方，采用螺栓固定。輪軸兩端分別帶有一個(gè)車(chē)輪，其中在一個(gè)輪軸上安裝有一個(gè)小齒輪，用于連接動(dòng)力系統(tǒng)。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是連接電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，包括4個(gè)大齒輪、3個(gè)小齒輪、1個(gè)電機(jī)配合軸、1個(gè)液壓泵配合軸、1個(gè)雙大齒輪軸、1個(gè)大/小齒輪軸、4個(gè)軸承支撐塊、2個(gè)一體式軸承支架、2個(gè)分體式軸承支撐架、4個(gè)菱形帶座軸承、4個(gè)配合軸帶座軸承和2個(gè)軸套。其中，電機(jī)配合軸上安裝有一個(gè)大齒輪，液壓泵配合軸上安裝有一個(gè)小齒輪，雙大齒輪軸安裝有兩個(gè)大齒輪，大小齒輪軸安裝有一個(gè)大齒輪和一個(gè)小齒輪。兩個(gè)軸套分別連接配合軸與電磁離合器，軸承支撐塊和軸承支架均采用螺栓固定于汽車(chē)底盤(pán)，配合軸帶座軸承均采用螺栓固定于軸承支撐塊，菱形帶座軸承均采用螺栓固定于軸承支架，一體式軸承支架用于安裝固定大/小齒輪軸，分體式軸承支架用于安裝固定雙大齒輪軸。所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是汽車(chē)的主要?jiǎng)恿ρb置，電機(jī)-離合器一體支撐架安裝于汽車(chē)底盤(pán)上采用螺栓固定，電動(dòng)機(jī)與電磁離合器均采用螺栓固定在電機(jī)-離合器一體支撐架上。電磁離合器與齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)配合軸采用軸套連接后進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的液壓動(dòng)力系統(tǒng)是汽車(chē)的制動(dòng)裝置和輔助啟動(dòng)裝置。泵-離合器一體支架。主閥塊、小閥塊和油箱支架均安裝在汽車(chē)底盤(pán)上采用螺栓固定，液壓泵/馬達(dá)與電磁離合器均采用螺栓固定在泵-離合器一體支架上，液壓油箱用螺栓固定在油箱支架上。壓力表、先導(dǎo)式溢流閥、板式電磁開(kāi)關(guān)閥和壓強(qiáng)傳感器均固定于主閥塊。蓄能器安裝于小閥塊上，小閥塊和主閥塊采用一根液壓硬管和兩個(gè)卡套式管接頭連接。

具體的工作過(guò)程為在大多工況下由電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，此時(shí)連接電機(jī)的離合器工作，連接馬達(dá)/柱塞泵的離合器斷開(kāi)。動(dòng)力由電機(jī)通過(guò)齒輪裝置傳遞到車(chē)軸驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，連接電動(dòng)機(jī)的離合器斷開(kāi)，連接馬達(dá)/柱塞泵的離合器工作。在車(chē)輛制動(dòng)的同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的車(chē)輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)柱塞泵工作，通過(guò)液壓回路將壓強(qiáng)能儲(chǔ)存到蓄能器中。

2 動(dòng)態(tài)特性仿真

通過(guò)AMESim軟件對(duì)液壓混合動(dòng)力模擬車(chē)輛液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，依據(jù)車(chē)輛的工作原理搭建車(chē)輛的整車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)。為簡(jiǎn)化分析，將車(chē)輛放置在特定的工況下進(jìn)行仿真，通過(guò)觀察車(chē)輛的各項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線分析車(chē)輛的性能，如圖3所示。

根據(jù)實(shí)際情況選擇仿真模型以求最大限度地逼近真實(shí)，選擇排量為2.5 mL·r-1、容積效率為90%、機(jī)械效率為90%的液壓泵/馬達(dá)。選擇容積為0.63 L的液壓蓄能器，設(shè)置氣體預(yù)充壓強(qiáng)為0.5 MPa，設(shè)定氣體多變指數(shù)為1.4。設(shè)置干式摩擦離合器的摩擦的轉(zhuǎn)矩最大值為20 N·m。設(shè)置液壓油液的密度為850 kg·m-3，體積彈性模量為1 700 MPa，油液的絕對(duì)粘度為51 mPa·s-1，油液的總質(zhì)量為50 kg。模擬車(chē)輛的車(chē)輪滾動(dòng)半徑設(shè)置為0.1 m，滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)設(shè)置為0.015，迎風(fēng)面積設(shè)置為0.445 m2。車(chē)輛行駛環(huán)境設(shè)置空氣密度1.205 kg·m-3，環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃。

為簡(jiǎn)化分析，將車(chē)輛置于特定工況下，即0～80 s，車(chē)輛處于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式；80 s車(chē)輛停住，處于液壓制動(dòng)模式；車(chē)輛停住，蓄能器壓強(qiáng)低于某值，車(chē)輛處于液壓驅(qū)動(dòng)模式；蓄能器壓強(qiáng)低于某值，往后50 s，車(chē)輛處于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。

圖4為液壓混合動(dòng)力模擬車(chē)輛的仿真動(dòng)態(tài)性能。可以看出：在0～80 s內(nèi)，車(chē)輛處于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，70 s左右達(dá)到勻速狀態(tài)；車(chē)輛從80 s開(kāi)始進(jìn)入液壓制動(dòng)狀態(tài)，液壓二次元件處于泵工況，車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能，儲(chǔ)存在蓄能器內(nèi)，在109 s左右蓄能器壓強(qiáng)達(dá)到最大，此時(shí)車(chē)輛停??；然后蓄能器開(kāi)始向外釋放壓強(qiáng)能，液壓二次元件轉(zhuǎn)化為馬達(dá)工況，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)；在152 s左右時(shí)，蓄能器的壓強(qiáng)值到達(dá)壓強(qiáng)傳感器設(shè)定的壓強(qiáng)值，此時(shí)轉(zhuǎn)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，繼續(xù)前進(jìn)。

蓄能器和液壓泵的排量是液壓混合動(dòng)力模擬車(chē)輛的兩個(gè)重要參數(shù)，因此著重分析這兩個(gè)參數(shù)對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)特性的影響。圖5為蓄能器容積對(duì)輪胎轉(zhuǎn)速和蓄能器壓強(qiáng)的影響。由圖5可知：當(dāng)蓄能器的最低工作壓強(qiáng)逐漸提高時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變快，輪胎穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速基本不變；當(dāng)蓄能器的容積增大時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變化不大，蓄能器的最高壓強(qiáng)升高。

圖6為液壓泵排量對(duì)系統(tǒng)的影響。可見(jiàn)，隨著液壓二次元件排量的增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度顯著提高，壓強(qiáng)變化范圍減小，表明大排量有助于提高混合動(dòng)力模擬車(chē)輛液壓系統(tǒng)的性能。

綜上所述，在滿足使用要求的前提下，可通過(guò)提高蓄能器的最低工作壓強(qiáng)，選用大容積的蓄能器和大排量的液壓二次元件，提高液壓混合動(dòng)力模擬車(chē)輛的性能。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力模擬車(chē)輛，可以實(shí)現(xiàn)在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)通過(guò)處于泵工況的液壓二次元件將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能儲(chǔ)存在液壓蓄能器中，待啟動(dòng)時(shí)又可以通過(guò)處于馬達(dá)工況的液壓二次元件將蓄能器中的壓強(qiáng)能轉(zhuǎn)化為車(chē)輛的動(dòng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)其前進(jìn)，以此達(dá)到節(jié)能的目的。利用仿真軟件AMESim對(duì)液壓系統(tǒng)在特定工況下進(jìn)行仿真，通過(guò)改變液壓泵排量和蓄能器容積等參數(shù)分析其對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)論如下：

（1）液壓混合動(dòng)力模擬車(chē)輛方案可行，具有較好的節(jié)能效果；

（2）蓄能器的容積增大時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變化不大，蓄能器的最高壓強(qiáng)升高；

（3）大排量有助于提高混合動(dòng)力模擬車(chē)輛液壓系統(tǒng)的性能。